【机器感知与模式识别】基于嘴巴状态约束的人脸特征点定位算法

第11卷第5期 智能系统学报 Vol.11 No.5 2016年10月 CAAI Transactions on Intelligent Systems 0ct.2016 D0I:10.11992/is.201602006 网络出版地址：htp:/nww.cnki.net/kcms/detail/23.1538.TP.20160718.1522.010.html 基于嘴巴状态约束的人脸特征点定位算法 师亚亭，李卫军，宁欣，董肖莉，张丽萍 (中国科学院半导体研究所高速电路与神经网络实验室，北京100083) 摘要：嘴巴区域特征点的精确定位对于特征匹配、表情分析、唇形识别、驾驶行为分析等应用具有极其关键的作 用。然而，用现有的人脸特征点定位算法进行人脸形状估计时，嘴巴区域特征点的定位误差相对较大。针对这一问 题，提出了基于H$V颜色空间和基于卷积神经网络的两种嘴巴状态分类器以及一种基于局部特征点位置关系的强 形状约束策略，并在此基础上提出了基于嘴巴状态约束的人脸特征点定位算法，根据嘴巴状态标签对显式形状回归 ESR算法的估计结果进行约束以获得更加准确的特征的位置。相比传统的ESR算法，该方法在保障人脸形状定位 鲁棒性的同时，在Helen数据库和LFPW数据库上的嘴巴特征点定位准确度均明显提高。 关键词：人脸特征点定位；ESR;嘴巴状态分类器：强形状约束；HSV颜色空间；卷积神经网络 中图分类号：TP183文献标志码：A文章编号：1673-4785(2016)05-0578-08 中文引用格式：师亚亭，李卫军，宁欣，等.基于嘴巴状态约束的人脸特征点定位算法[J].智能系统学报，2016,11(5)：578-585. 英文引用格式：SHI Yating,LI Weijun,NING Xin,etal.A facial feature point locating algorithm based on mouth--state constraints [J].CAAI transactions on intelligent systems,2016,11(5):578-585. A facial feature point locating algorithm based on mouth-state constraints SHI Yating,LI Weijun,NING Xin,DONG Xiaoli,ZHANG Liping Institute of Semiconductors,Chinese Academy of Sciences,Beijing 100083,China) Abstract:The precise locations of the feature points of the mouth critically influence applications which use feature matching,expression analysis,lip recognition and driving behavior analysis,etc.However,when estimating facial shapes using current facial landmarks detecting methods,the locating error of feature points around the mouth re- gion is relatively large.In order to solve this problem,two kinds of 'mouth-state'classifiers were proposed,one was based on HSV color space and the other on a convolutional neural network,with a strong shape constraint strat- egy focusing on the spatial relationship between local facial landmarks.Furthermore a facial feature point locating method was presented based on the mouth-state constraint,which constrains the predicted explicit shape regression (ESR)result and is more accurate as regards locating facial landmarks.Compared with the original ESR algorithm, this method significantly improves the accuracy of locating landmarks for the mouth for both the Helen and LFPW datasets,and has no impact on the robustness of facial shape prediction. Keywords:facial feature points location;ESR;mouth-state classifier;strong shape constraint;HSV color space; convolutional neural network 随着个人照片在移动设备和互联网上的方便呈精确定位十分重要。在实际生活中，嘴巴形状的预 现及传播，人脸对齐算法的应用也越来越广泛。对 测会受到光照、遮挡、噪声以及个人唇色（肤色以及 于特征匹配、表情分析及变换、唇形识别以及疲劳驾 妆容)的影响。此外，同一个人的嘴巴形状也因为 驶检测等人脸对齐算法的应用，嘴巴区域特征点的 讲话、表情的变化以及姿态的不同而不同。这些因 素都可能引起在人脸形状向量估计过程中嘴巴特征 收稿日期：2016-02-06.网络出版日期：2016-07-18. 点的定位错误。为了解决这一问题，本文提出了一 基金项目：国家自然科学基金项目(61572458). 通信作者：李卫军.E-mail:wji@scmi.ac.cn. 种基于嘴巴状态约束的人脸特征点定位算法，使得

第 １１ 卷第 ５ 期 智 能 系 统 学 报 Ｖｏｌ．１１ №．５ ２０１６ 年 １０ 月 ＣＡＡＩ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ Ｓｙｓｔｅｍｓ Ｏｃｔ． ２０１６ ＤＯＩ：１０．１１９９２ ／ ｔｉｓ．２０１６０２００６ 网络出版地址：ｈｔｔｐ： ／ ／ ｗｗｗ．ｃｎｋｉ．ｎｅｔ ／ ｋｃｍｓ／ ｄｅｔａｉｌ ／ ２３．１５３８．ＴＰ．２０１６０７１８．１５２２．０１０．ｈｔｍｌ 基于嘴巴状态约束的人脸特征点定位算法 师亚亭，李卫军，宁欣，董肖莉，张丽萍 （中国科学院半导体研究所 高速电路与神经网络实验室，北京 １０００８３） 摘 要：嘴巴区域特征点的精确定位对于特征匹配、表情分析、唇形识别、驾驶行为分析等应用具有极其关键的作 用。 然而，用现有的人脸特征点定位算法进行人脸形状估计时，嘴巴区域特征点的定位误差相对较大。 针对这一问 题，提出了基于 ＨＳＶ 颜色空间和基于卷积神经网络的两种嘴巴状态分类器以及一种基于局部特征点位置关系的强 形状约束策略，并在此基础上提出了基于嘴巴状态约束的人脸特征点定位算法，根据嘴巴状态标签对显式形状回归 ＥＳＲ 算法的估计结果进行约束以获得更加准确的特征的位置。 相比传统的 ＥＳＲ 算法，该方法在保障人脸形状定位 鲁棒性的同时，在 Ｈｅｌｅｎ 数据库和 ＬＦＰＷ 数据库上的嘴巴特征点定位准确度均明显提高。 关键词：人脸特征点定位；ＥＳＲ；嘴巴状态分类器；强形状约束；ＨＳＶ 颜色空间；卷积神经网络 中图分类号：ＴＰ１８３ 文献标志码：Ａ 文章编号：１６７３⁃４７８５（２０１６）０５⁃０５７８⁃０８ 中文引用格式：师亚亭，李卫军，宁欣，等．基于嘴巴状态约束的人脸特征点定位算法［Ｊ］． 智能系统学报， ２０１６， １１（５）： ５７８⁃５８５． 英文引用格式：ＳＨＩ Ｙａｔｉｎｇ，ＬＩ Ｗｅｉｊｕｎ， ＮＩＮＧ Ｘｉｎ，ｅｔ ａｌ． Ａ ｆａｃｉａｌ ｆｅａｔｕｒｅ ｐｏｉｎｔ ｌｏｃａｔｉｎｇ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｍｏｕｔｈ⁃ｓｔａｔｅ ｃｏｎｓｔｒａｉｎｔｓ ［Ｊ］． ＣＡＡＩ ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ ｓｙｓｔｅｍｓ， ２０１６，１１（５）：５７８⁃５８５． Ａ ｆａｃｉａｌ ｆｅａｔｕｒｅ ｐｏｉｎｔ ｌｏｃａｔｉｎｇ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｍｏｕｔｈ⁃ｓｔａｔｅ ｃｏｎｓｔｒａｉｎｔｓ ＳＨＩ Ｙａｔｉｎｇ， ＬＩ Ｗｅｉｊｕｎ， ＮＩＮＧ Ｘｉｎ， ＤＯＮＧ Ｘｉａｏｌｉ， ＺＨＡＮＧ Ｌｉｐｉｎｇ （Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒｓ， Ｃｈｉｎｅｓｅ Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ， Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００８３， Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｐｒｅｃｉｓｅ ｌｏｃａｔｉｏｎｓ ｏｆ ｔｈｅ ｆｅａｔｕｒｅ ｐｏｉｎｔｓ ｏｆ ｔｈｅ ｍｏｕｔｈ ｃｒｉｔｉｃａｌｌｙ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ ｗｈｉｃｈ ｕｓｅ ｆｅａｔｕｒｅ ｍａｔｃｈｉｎｇ， ｅｘｐｒｅｓｓｉｏｎ ａｎａｌｙｓｉｓ， ｌｉｐ ｒｅｃｏｇｎｉｔｉｏｎ ａｎｄ ｄｒｉｖｉｎｇ ｂｅｈａｖｉｏｒ ａｎａｌｙｓｉｓ， ｅｔｃ． Ｈｏｗｅｖｅｒ， ｗｈｅｎ ｅｓｔｉｍａｔｉｎｇ ｆａｃｉａｌ ｓｈａｐｅｓ ｕｓｉｎｇ ｃｕｒｒｅｎｔ ｆａｃｉａｌ ｌａｎｄｍａｒｋｓ ｄｅｔｅｃｔｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄｓ， ｔｈｅ ｌｏｃａｔｉｎｇ ｅｒｒｏｒ ｏｆ ｆｅａｔｕｒｅ ｐｏｉｎｔｓ ａｒｏｕｎｄ ｔｈｅ ｍｏｕｔｈ ｒｅ⁃ ｇｉｏｎ ｉｓ ｒｅｌａｔｉｖｅｌｙ ｌａｒｇｅ． Ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｓｏｌｖｅ ｔｈｉｓ ｐｒｏｂｌｅｍ， ｔｗｏ ｋｉｎｄｓ ｏｆ ‘ｍｏｕｔｈ⁃ｓｔａｔｅ’ ｃｌａｓｓｉｆｉｅｒｓ ｗｅｒｅ ｐｒｏｐｏｓｅｄ， ｏｎｅ ｗａｓ ｂａｓｅｄ ｏｎ ＨＳＶ ｃｏｌｏｒ ｓｐａｃｅ ａｎｄ ｔｈｅ ｏｔｈｅｒ ｏｎ ａ ｃｏｎｖｏｌｕｔｉｏｎａｌ ｎｅｕｒａｌ ｎｅｔｗｏｒｋ， ｗｉｔｈ ａ ｓｔｒｏｎｇ ｓｈａｐｅ ｃｏｎｓｔｒａｉｎｔ ｓｔｒａｔ⁃ ｅｇｙ ｆｏｃｕｓｉｎｇ ｏｎ ｔｈｅ ｓｐａｔｉａｌ ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ ｂｅｔｗｅｅｎ ｌｏｃａｌ ｆａｃｉａｌ ｌａｎｄｍａｒｋｓ． Ｆｕｒｔｈｅｒｍｏｒｅ ａ ｆａｃｉａｌ ｆｅａｔｕｒｅ ｐｏｉｎｔ ｌｏｃａｔｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄ ｗａｓ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｍｏｕｔｈ⁃ｓｔａｔｅ ｃｏｎｓｔｒａｉｎｔ， ｗｈｉｃｈ ｃｏｎｓｔｒａｉｎｓ ｔｈｅ ｐｒｅｄｉｃｔｅｄ ｅｘｐｌｉｃｉｔ ｓｈａｐｅ ｒｅｇｒｅｓｓｉｏｎ （ＥＳＲ） ｒｅｓｕｌｔ ａｎｄ ｉｓ ｍｏｒｅ ａｃｃｕｒａｔｅ ａｓ ｒｅｇａｒｄｓ ｌｏｃａｔｉｎｇ ｆａｃｉａｌ ｌａｎｄｍａｒｋｓ． Ｃｏｍｐａｒｅｄ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｏｒｉｇｉｎａｌ ＥＳＲ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ， ｔｈｉｓ ｍｅｔｈｏｄ ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｌｙ ｉｍｐｒｏｖｅｓ ｔｈｅ ａｃｃｕｒａｃｙ ｏｆ ｌｏｃａｔｉｎｇ ｌａｎｄｍａｒｋｓ ｆｏｒ ｔｈｅ ｍｏｕｔｈ ｆｏｒ ｂｏｔｈ ｔｈｅ Ｈｅｌｅｎ ａｎｄ ＬＦＰＷ ｄａｔａｓｅｔｓ， ａｎｄ ｈａｓ ｎｏ ｉｍｐａｃｔ ｏｎ ｔｈｅ ｒｏｂｕｓｔｎｅｓｓ ｏｆ ｆａｃｉａｌ ｓｈａｐｅ ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｆａｃｉａｌ ｆｅａｔｕｒｅ ｐｏｉｎｔｓ ｌｏｃａｔｉｏｎ； ＥＳＲ； ｍｏｕｔｈ⁃ｓｔａｔｅ ｃｌａｓｓｉｆｉｅｒ； ｓｔｒｏｎｇ ｓｈａｐｅ ｃｏｎｓｔｒａｉｎｔ； ＨＳＶ ｃｏｌｏｒ ｓｐａｃｅ； ｃｏｎｖｏｌｕｔｉｏｎａｌ ｎｅｕｒａｌ ｎｅｔｗｏｒｋ 收稿日期：２０１６⁃０２⁃０６． 网络出版日期：２０１６⁃０７⁃１８． 基金项目：国家自然科学基金项目（６１５７２４５８）． 通信作者：李卫军．Ｅ⁃ｍａｉｌ：ｗｊｌｉ＠ ｓｅｍｉ．ａｃ．ｃｎ． 随着个人照片在移动设备和互联网上的方便呈 现及传播，人脸对齐算法的应用也越来越广泛。 对 于特征匹配、表情分析及变换、唇形识别以及疲劳驾 驶检测等人脸对齐算法的应用，嘴巴区域特征点的 精确定位十分重要。 在实际生活中，嘴巴形状的预 测会受到光照、遮挡、噪声以及个人唇色（肤色以及 妆容）的影响。 此外，同一个人的嘴巴形状也因为 讲话、表情的变化以及姿态的不同而不同。 这些因 素都可能引起在人脸形状向量估计过程中嘴巴特征 点的定位错误。 为了解决这一问题，本文提出了一 种基于嘴巴状态约束的人脸特征点定位算法，使得

第5期 师亚亭，等：基于嘴巴状态约束的人脸特征点定位算法 ·579. 预测人脸形状中嘴巴区域的特征点位置更加接近真 嘴巴状态分类器获取嘴巴状态标签，并在ESR定位 实情况。 回归过程中对每次回归的结果进行强形状约束，达 1 相关算法 到人脸形状估计中嘴巴特征点的精确定位。 人脸特征点定位算法是一项很有挑战性并且值 2算法流程 得深入研究的工作。主动形状模型(active shape 2.1算法框架 model,ASM)[]和主动表观模型(active appearance 本文算法框架如图2所示。输入一副人脸图 model,AAM)[2是最经典并被广泛使用的人脸对齐 像，1)通过一个定位7个关键角点的ESR人脸对齐 算法，主要通过调整模型的参数来不断优化误差函 算法找出嘴角点，以嘴角点横向距离的1.3倍为宽， 数，进而进行形状估计。近年来，基于回归的算 截取1：2高宽比的嘴巴矩形区域送入嘴巴状态分类 法[取得了令人满意的定位效果。他们通过大批 器：2)嘴巴状态分类器将送入的嘴巴区域图像分为 量的训练数据来学习一个级联回归模型，将图像特 不同的状态。其中，基于H$V的嘴巴状态分类器将 征直接映射为最终的人脸形状。相比经典的ASM 嘴巴分为张开与非张开：基于卷积神经网络的分类 和AAM,基于回归的人脸特征点算法对初始化依赖 器将嘴巴分为张开、闭合与微张：3)根据获取的嘴 较小，并且具有定位速度快、定位准确度高的优点。 巴状态标签，结合输入的人脸图像，在训练好的定位 无论是ASM、AAM及其相关的改进算法[7)，还 68个点的E$R人脸对齐算法模型回归过程中，加入 是成为研究热点的回归算法，在人脸对齐过程中，特 与获取嘴巴状态标签对应的嘴巴特征点强形状约 征点的更新都依赖于特征点周围图像的灰度梯度特 束，得到最终的人脸形状。接下来介绍与本文方法 征。人脸特征点定位算法的目标是达到估计形状与 相关的ESR人脸对齐算法、嘴巴状态分类器以及强 人脸真实形状的误差最小，而并不保障每一个特征 形状约束策略的应用细节。 点的精确定位。对于灰度梯度特征不明显或者可能 输入图像 7关键角点 输出人脸形状 性较多的区域（如轮廓、嘴巴），局部区域的定位误 获取嘴巴区城 差相对较大（如图1）。 0.12 0.10 0.08 状态 006 基于CNN 嘴巴状态 标签 强形状约束 0.04 分类器 特征点定位 0.02 基于HSV 轮廓眉毛眼睛鼻子嘴巴 图2本文算法流程 人脸部位 Fig.2 Algorithm flow chart 图1不同部位人脸特征点误差 2.2ESR人脸对齐算法 Fig.1 Facial landmarks error in different region ESR人脸对齐算法是一个双层级联的booste-d 许多局部特征点的定位优化都是基于人脸形状 (增强)回归模型，由级联姿态回归算法(cascaded 的估计结果，进行进一步的修正以达到精确化的目 pose regression,CPR)[o发展而来。ESR模型的学 标。文献[10]在用人脸对齐算法得到人脸轮廓后， 习与人脸灰度图像、初始化形状以及真实人脸形状 又通过启发式的边界响应来移动组成轮廓的特征点 直接相关。ESR算法结构如图3所示，模型第一层 位置。文献「111通过融合AAM和在线肤色纹理特 以逐层添加的形式将T个回归器(R,R2,…,R)连 征实现低分辨率图像中眼睛区域的精确定位。文献 接，每一个回归器R,由K个弱回归器(r1,'2,…,「x) [12]在检测出特征区域后，用外包点集进行曲线拟 连接而成，组成模型的第2层。在每个第1层回归 合来调整边缘点。此外，文献[9]提出将局部ASM 器中，随机选择P个候选特征点，并将其位置用局 与全局ASM结合的多模板ASM方法以提高单一模 部坐标)表示，然后将候选特征点的灰度值两两相 型对局部区域特征点定位的准确度。然而，这些算法 减组成P2灰度差分特征送入第2层弱回归器。每 都没有针对性的解决嘴巴特征点定位错误的情况。 个第2层弱回归器根据选中的F个特征和阈值将 本文从消除嘴巴特征点定位错误的角度出发， 特征空间（所有训练样本）划分到2个容器中，由 基于计算简单、定位速度快、准确度高且无参的显示 每个容器输出更新形状8，计算方法如公式(1)、 形状回归算法(explicit shape regression,ESR),通过 (2)所示

预测人脸形状中嘴巴区域的特征点位置更加接近真 实情况。 １ 相关算法 人脸特征点定位算法是一项很有挑战性并且值 得深入研究的工作。 主动形状模型（ ａｃｔｉｖｅ ｓｈａｐｅ ｍｏｄｅｌ，ＡＳＭ） ［１］ 和主动表观模型（ ａｃｔｉｖｅ ａｐｐｅａｒａｎｃｅ ｍｏｄｅｌ，ＡＡＭ） ［２］是最经典并被广泛使用的人脸对齐 算法，主要通过调整模型的参数来不断优化误差函 数，进而进行形状估计。 近年来， 基于回归的算 法［３⁃６］取得了令人满意的定位效果。 他们通过大批 量的训练数据来学习一个级联回归模型，将图像特 征直接映射为最终的人脸形状。 相比经典的 ＡＳＭ 和 ＡＡＭ，基于回归的人脸特征点算法对初始化依赖 较小，并且具有定位速度快、定位准确度高的优点。 无论是 ＡＳＭ、ＡＡＭ 及其相关的改进算法［７⁃９］ ，还 是成为研究热点的回归算法，在人脸对齐过程中，特 征点的更新都依赖于特征点周围图像的灰度梯度特 征。 人脸特征点定位算法的目标是达到估计形状与 人脸真实形状的误差最小，而并不保障每一个特征 点的精确定位。 对于灰度梯度特征不明显或者可能 性较多的区域（如轮廓、嘴巴），局部区域的定位误 差相对较大（如图 １）。 图 １ 不同部位人脸特征点误差 Ｆｉｇ．１ Ｆａｃｉａｌ ｌａｎｄｍａｒｋｓ ｅｒｒｏｒ ｉｎ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｒｅｇｉｏｎ 许多局部特征点的定位优化都是基于人脸形状 的估计结果，进行进一步的修正以达到精确化的目 标。 文献［１０］在用人脸对齐算法得到人脸轮廓后， 又通过启发式的边界响应来移动组成轮廓的特征点 位置。 文献［１１］通过融合 ＡＡＭ 和在线肤色纹理特 征实现低分辨率图像中眼睛区域的精确定位。 文献 ［１２］在检测出特征区域后，用外包点集进行曲线拟 合来调整边缘点。 此外，文献［９］提出将局部 ＡＳＭ 与全局 ＡＳＭ 结合的多模板 ＡＳＭ 方法以提高单一模 型对局部区域特征点定位的准确度。 然而，这些算法 都没有针对性的解决嘴巴特征点定位错误的情况。 本文从消除嘴巴特征点定位错误的角度出发， 基于计算简单、定位速度快、准确度高且无参的显示 形状回归算法（ｅｘｐｌｉｃｉｔ ｓｈａｐｅ ｒｅｇｒｅｓｓｉｏｎ， ＥＳＲ），通过 嘴巴状态分类器获取嘴巴状态标签，并在 ＥＳＲ 定位 回归过程中对每次回归的结果进行强形状约束，达 到人脸形状估计中嘴巴特征点的精确定位。 ２ 算法流程 ２．１ 算法框架 本文算法框架如图 ２ 所示。 输入一副人脸图 像，１）通过一个定位 ７ 个关键角点的 ＥＳＲ 人脸对齐 算法找出嘴角点，以嘴角点横向距离的 １．３ 倍为宽， 截取 １：２ 高宽比的嘴巴矩形区域送入嘴巴状态分类 器；２）嘴巴状态分类器将送入的嘴巴区域图像分为 不同的状态。 其中，基于 ＨＳＶ 的嘴巴状态分类器将 嘴巴分为张开与非张开；基于卷积神经网络的分类 器将嘴巴分为张开、闭合与微张；３） 根据获取的嘴 巴状态标签，结合输入的人脸图像，在训练好的定位 ６８ 个点的 ＥＳＲ 人脸对齐算法模型回归过程中，加入 与获取嘴巴状态标签对应的嘴巴特征点强形状约 束，得到最终的人脸形状。 接下来介绍与本文方法 相关的 ＥＳＲ 人脸对齐算法、嘴巴状态分类器以及强 形状约束策略的应用细节。 图 ２ 本文算法流程 Ｆｉｇ．２ Ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｆｌｏｗ ｃｈａｒｔ ２．２ ＥＳＲ 人脸对齐算法 ＥＳＲ 人脸对齐算法是一个双层级联的 ｂｏｏｓｔｅ⁃ｄ （增强）回归模型，由级联姿态回归算法（ ｃａｓｃａｄｅｄ ｐｏｓｅ ｒｅｇｒｅｓｓｉｏｎ，ＣＰＲ） ［６］ 发展而来。 ＥＳＲ 模型的学 习与人脸灰度图像、初始化形状以及真实人脸形状 直接相关。 ＥＳＲ 算法结构如图 ３ 所示，模型第一层 以逐层添加的形式将 Ｔ 个回归器（Ｒ１ ，Ｒ２ ，…，ＲＴ ）连 接，每一个回归器 Ｒｔ 由 Ｋ 个弱回归器（ｒ１ ，ｒ２ ，…，ｒＫ ） 连接而成，组成模型的第 ２ 层。 在每个第 １ 层回归 器中，随机选择 Ｐ 个候选特征点，并将其位置用局 部坐标［３］表示，然后将候选特征点的灰度值两两相 减组成 Ｐ ２ 灰度差分特征送入第 ２ 层弱回归器。 每 个第 ２ 层弱回归器根据选中的 Ｆ 个特征和阈值将 特征空间（所有训练样本） 划分到 ２ Ｆ 个容器中，由 每个容器输出更新形状 δＳ ，计算方法如公式（１）、 （２）所示。 第 ５ 期 师亚亭，等：基于嘴巴状态约束的人脸特征点定位算法 ·５７９·

·580 智能系统学报 第11卷 d。=argmin∑I5.-(S,+6,)1 (1) ien &=2(③-S) 2 (2) 式中：2为落入某个容器中的训练样本个数，S、S 为第i个样本的真实形状和预测形状。式(3)为形 状更新公式，S表示更新后的形状，S-表示上一个 回归器的预测形状。 图5ESR回归过程特征点位置 S=S-1+6 (3) Fig.5 Landmarks locations during the ESR regression S-RR 2.3.2基于HSV颜色空间的嘴巴状态分类器 牙齿区域与周围像素的颜色有着明显的区别， 主要呈现为白色。在实际中，很大一部分嘴巴张开 的情况下是露出牙齿的，因此可以通过在颜色空间 SS+d=S+dS=S+d网 中区分白色区域确定一部分嘴巴张开的情况。在图 图3ESR算法结构示意图 像颜色空间中，HSV颜色空间]最能反应眼睛对颜 Fig.3 Structure of ESR algorithm 色的感知，相比红绿蓝(red green blue,RGB)这种不均 在测试过程中，ESR算法随机为测试样本选择 匀的颜色空间而言，更适用于基于颜色的图像分割，相 M个初始形状，并取M个预测结果的平均值作为最 比其他的图像分割算法也具有简单、快速的特点。 终的人脸预测形状S,如式(4)： HSV颜色空间模型如图6所示，可以看作是一 ∑R(I,s9) (4) 个倒置圆锥体，其中，H表示色调，S表示饱和度，V 2.3嘴巴状态分类器 表示亮度。根据Androutsos等4对HSV颜色空间 2.3.1嘴巴区域提取 的划分，亮度大于75%并且饱和度小于20%为白色 ESR的特征点位置预测时间主要与候选特征点 区域。在本文中将饱和度和亮度均转换到 个数以及回归层数有关[)，其定位精度由粗到细。 [0,255],并将饱和度范围在[0,35]、亮度区间为 图4为当第1层回归器个数T=10时，ESR算法在 [200,255]的像素点划定为白色点。在HSV颜色空 定位进行到不同阶数的第1层回归器时得到的误差 间中遍历嘴巴区域的色彩信息，计算白色像素点的 统计结果。可以看出，在第3层回归时特征点位置 已经基本确定，之后的回归误差下降已经不多，主要 累计值，当累计值大于阈值μ时，将嘴巴判定为张开 是特征点位置的微调（图5）。因此，本文在提取嘴 的状态：否则，嘴巴状态标签为非张开。 巴区域时仅将回归进行到T=3。由于划定区域并 不需要细节特征点，我们预先训练一个包含7个关 键角点（图2）的ESR定位模型找出嘴角位置，然后 绿(120》 1.0 黄 按照2.1中的方法获取嘴巴区域图像，送入嘴巴状 红(0) 态分类器中。 蓝(240) 品红 0.16 0.14 0.12 0.10 0.08 0.06 0 0.04 图6HSV颜色空间 0.02 Fig.6 HSV color space 12345678910 2.3.3基于CNN的嘴巴状态分类器 回归阶数 图4ESR定位过程误差 使用HSV颜色空间进行判别具有计算简单、直 Fig.4 Error in each stage during running ESR 接的特点，但因为拍照环境的影响，牙齿可能存在偏

δＳ ＝ ａｒｇｍｉｎ δＳ ∑ｉ∈Ω ‖ Ｓ ＾ ｉ － Ｓｉ ＋ δＳ ( ) ‖ （１） δＳ ＝ Σｉ∈Ω（Ｓ ＾ ｉ － Ｓｉ） Ω （２） 式中：Ω 为落入某个容器中的训练样本个数，Ｓ ＾ ｉ、Ｓｉ 为第 ｉ 个样本的真实形状和预测形状。 式（３）为形 状更新公式，Ｓ ｔ 表示更新后的形状，Ｓ ｔ－１表示上一个 回归器的预测形状。 Ｓ ｔ ＝ Ｓ ｔ－１ ＋ δＳ （３） 图 ３ ＥＳＲ 算法结构示意图 Ｆｉｇ．３ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ＥＳＲ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ 在测试过程中，ＥＳＲ 算法随机为测试样本选择 Ｍ 个初始形状，并取 Ｍ 个预测结果的平均值作为最 终的人脸预测形状 Ｓｐｒｅｄｉｃｔ，如式（４）： Ｓｐｒｅｄｉｃｔ ＝ １ Ｍ ∑ Ｍ ｍ ＝ １ Ｒ Ｉ，Ｓ ０ ｍ ( ) （４） ２．３ 嘴巴状态分类器 ２．３．１ 嘴巴区域提取 ＥＳＲ 的特征点位置预测时间主要与候选特征点 个数以及回归层数有关［３］ ，其定位精度由粗到细。 图 ４ 为当第 １ 层回归器个数 Ｔ ＝ １０ 时，ＥＳＲ 算法在 定位进行到不同阶数的第 １ 层回归器时得到的误差 统计结果。 可以看出，在第 ３ 层回归时特征点位置 已经基本确定，之后的回归误差下降已经不多，主要 是特征点位置的微调（图 ５）。 因此，本文在提取嘴 巴区域时仅将回归进行到 Ｔ ＝ ３。 由于划定区域并 不需要细节特征点，我们预先训练一个包含 ７ 个关 键角点（图 ２）的 ＥＳＲ 定位模型找出嘴角位置，然后 按照 ２．１ 中的方法获取嘴巴区域图像，送入嘴巴状 态分类器中。 图 ４ ＥＳＲ 定位过程误差 Ｆｉｇ．４ Ｅｒｒｏｒ ｉｎ ｅａｃｈ ｓｔａｇｅ ｄｕｒｉｎｇ ｒｕｎｎｉｎｇ ＥＳＲ 图 ５ ＥＳＲ 回归过程特征点位置 Ｆｉｇ．５ Ｌａｎｄｍａｒｋｓ ｌｏｃａｔｉｏｎｓ ｄｕｒｉｎｇ ｔｈｅ ＥＳＲ ｒｅｇｒｅｓｓｉｏｎ ２．３．２ 基于 ＨＳＶ 颜色空间的嘴巴状态分类器 牙齿区域与周围像素的颜色有着明显的区别， 主要呈现为白色。 在实际中，很大一部分嘴巴张开 的情况下是露出牙齿的，因此可以通过在颜色空间 中区分白色区域确定一部分嘴巴张开的情况。 在图 像颜色空间中，ＨＳＶ 颜色空间［１３］最能反应眼睛对颜 色的感知，相比红绿蓝（ｒｅｄ ｇｒｅｅｎ ｂｌｕｅ，ＲＧＢ）这种不均 匀的颜色空间而言，更适用于基于颜色的图像分割，相 比其他的图像分割算法也具有简单、快速的特点。 ＨＳＶ 颜色空间模型如图 ６ 所示，可以看作是一 个倒置圆锥体，其中，Ｈ 表示色调，Ｓ 表示饱和度，Ｖ 表示亮度。 根据 Ａｎｄｒｏｕｔｓｏｓ 等［１４］ 对 ＨＳＶ 颜色空间 的划分，亮度大于 ７５％并且饱和度小于 ２０％为白色 区域。 在 本 文 中 将 饱 和 度 和 亮 度 均 转 换 到 ［０，２５５］，并将饱和度范围在［ ０，３５］、亮度区间为 ［２００，２５５］的像素点划定为白色点。 在 ＨＳＶ 颜色空 间中遍历嘴巴区域的色彩信息，计算白色像素点的 累计值，当累计值大于阈值 μ 时，将嘴巴判定为张开 的状态；否则，嘴巴状态标签为非张开。 图 ６ ＨＳＶ 颜色空间 Ｆｉｇ．６ ＨＳＶ ｃｏｌｏｒ ｓｐａｃｅ ２．３．３ 基于 ＣＮＮ 的嘴巴状态分类器 使用 ＨＳＶ 颜色空间进行判别具有计算简单、直 接的特点，但因为拍照环境的影响，牙齿可能存在偏 ·５８０· 智 能 系 统 学 报 第 １１ 卷

第5期 师亚亭，等：基于嘴巴状态约束的人脸特征点定位算法 ·581· 彩色的现象，仅仅以牙齿露出时呈现白色这一先验 表1基于CNN的嘴巴状态分类器 信息作为分析并不完备。近年来，卷积神经网络 Table 1 Mouth state classifier based on CNN (convolutional neural network,CNN)在目标识别、图 名称 类型 滤波器大小/步长输出 像分类等图像处理领域取得了十分显著的效果，有 Input输入 16×32×3 着越来越深入的研究和应用。相对SVM等传统的 分类方法，卷积神经网络是一种端到端的模型，即直 Conl,卷积层 Convolution 5x5/1 12×28×20 卷积 接将最初的数据作为网络的输入，通过网络自构建 的复杂函数进行特征提取、分类、回归等操作。 Pool max pooling 2×2/2 6×14×20 最大池化 本文设计了一个基于CNN的嘴巴状态分类器。 池化层 将训练样本中的嘴巴分为张开、闭合和微张3种状 Convl2 Convolution 3×3/1 4×12×50 态，分类标准为嘴巴对称线上真实特征点的垂直距 卷积层 卷积 离。如图7所示，对于长矩形框内的4个关键点，令 Pool max pooling 2×2/2 2×6×50 小圆圈内的两个外边缘特征点的垂直距离为D, 池化层 最大池化 小方框内两个内边缘特征点的垂直距离为D。当 Fer fully connection 300 D与D比值大于0.35时，将嘴巴标定为张开；小于 全连接层 全连接 0.1时标定为闭合：否则标定为微张。由于问题并 Fez fully connection 不复杂且输人图像不大，参考LeNet--51s]架构设计 全连接层 全连接 网络，网络结构如表1所示，使用ReLU(rectified lin- Cost Softmaxwithloss ear units)[16函数作为激活函数，除最后一个全连接 损失层 Softmax损失层 层fc2外，卷积层conv1、conv2和全连接层fc,都接有 2.4 强形状约束定位 激活函数。对于训练样本（嘴巴图像），使用平移和 在人脸对齐算法中，不同部位人脸特征点之间 旋转实现简单的对齐，然后将尺寸调整为16×32并 的位置关系（形状约束）作为一个隐含的先验用于 将像素值归一化到[0,1]。训练数据按9：1划分为 特征点的估计中。这种形状约束是人脸固有的特 训练集和验证集，使用随机梯度下降法训练网络，初 征，如眼晴位置应在眉毛的下方，鼻子应在嘴巴上 始学习率为0.01，随着迭代次数的增加按比例衰减， 方，这里，称其为弱形状约束。然而，对于具体的状 当网络在验证集上的分类准确率不再上升时停止训 态细节，例如眼晴睁闭、嘴巴张闭时，局部区域特征 练。网络训练完成后，输入嘴巴图像，在网络中进行 点之间的位置应满足怎样的距离关系，弱形状约束 一次前传获取嘴巴状态标签。该嘴巴状态分类器的 并未涉及。在2.3节中使用嘴巴状态分类器得到了 具体设计参数以及数据流（每个层的输出）均在表1 嘴巴状态标签，针对不同的嘴巴状态，可以在人脸形 中展示。 状估计过程中对嘴巴区域特征点进行强形状约束。 52 算法流程如图8所示。 50 将测试图像以及嘴巴状态标签作为输入，并加 米 载训练好的模型，然后在形状回归估计过程中为每 49 米 米 62 6 米65 米55 6 6 66 一个回归器的形状更新添加如式(5)所示的强形状 米 约束： S=S-1+8S-1,t={1,2,…,T} 9 > S.tD。>入.Dm,A。∈(0,1) (5) 58 S.tDm<入.Dm,入。∈(0,1) 图7嘴巴特征点示意图 式中：D。、D分别表示上下嘴唇内边缘特征点对之 Fig.7 Mouth keypoints 间的垂直距离和外边缘特征点对之间的垂直距离

彩色的现象，仅仅以牙齿露出时呈现白色这一先验 信息作为分析并不完备。 近年来，卷积神经网络 （ｃｏｎｖｏｌｕｔｉｏｎａｌ ｎｅｕｒａｌ ｎｅｔｗｏｒｋ，ＣＮＮ） 在目标识别、图 像分类等图像处理领域取得了十分显著的效果，有 着越来越深入的研究和应用。 相对 ＳＶＭ 等传统的 分类方法，卷积神经网络是一种端到端的模型，即直 接将最初的数据作为网络的输入，通过网络自构建 的复杂函数进行特征提取、分类、回归等操作。 本文设计了一个基于 ＣＮＮ 的嘴巴状态分类器。 将训练样本中的嘴巴分为张开、闭合和微张 ３ 种状 态，分类标准为嘴巴对称线上真实特征点的垂直距 离。 如图 ７ 所示，对于长矩形框内的 ４ 个关键点，令 小圆圈内的两个外边缘特征点的垂直距离为 Ｄｏｕ ， 小方框内两个内边缘特征点的垂直距离为 Ｄｉｎ 。 当 Ｄｉｎ与 Ｄｏｕ比值大于 ０．３５ 时，将嘴巴标定为张开；小于 ０．１ 时标定为闭合；否则标定为微张。 由于问题并 不复杂且输入图像不大，参考 ＬｅＮｅｔ⁃５ ［１５］ 架构设计 网络，网络结构如表 １ 所示，使用 ＲｅＬＵ（ｒｅｃｔｉｆｉｅｄ ｌｉｎ⁃ ｅａｒ ｕｎｉｔｓ） ［１６］函数作为激活函数，除最后一个全连接 层 ｆｃ２ 外，卷积层 ｃｏｎｖ１ 、ｃｏｎｖ２ 和全连接层 ｆｃ１ 都接有 激活函数。 对于训练样本（嘴巴图像），使用平移和 旋转实现简单的对齐，然后将尺寸调整为 １６×３２ 并 将像素值归一化到［０，１］。 训练数据按 ９：１ 划分为 训练集和验证集，使用随机梯度下降法训练网络，初 始学习率为 ０．０１，随着迭代次数的增加按比例衰减， 当网络在验证集上的分类准确率不再上升时停止训 练。 网络训练完成后，输入嘴巴图像，在网络中进行 一次前传获取嘴巴状态标签。 该嘴巴状态分类器的 具体设计参数以及数据流（每个层的输出）均在表 １ 中展示。 图 ７ 嘴巴特征点示意图 Ｆｉｇ．７ Ｍｏｕｔｈ ｋｅｙｐｏｉｎｔｓ 表 １ 基于 ＣＮＮ 的嘴巴状态分类器 Ｔａｂｌｅ １ Ｍｏｕｔｈ ｓｔａｔｅ ｃｌａｓｓｉｆｉｅｒ ｂａｓｅｄ ｏｎ ＣＮＮ 名称 类型 滤波器大小／ 步长 输出 Ｉｎｐｕｔ 输入 — — １６×３２×３ Ｃｏｎｖｌ １ 卷积层 Ｃｏｎｖｏｌｕｔｉｏｎ 卷积 ５×５ ／ １ １２×２８×２０ Ｐｏｏｌ １ 池化层 ｍａｘ ｐｏｏｌｉｎｇ 最大池化 ２×２ ／ ２ ６×１４×２０ Ｃｏｎｖｌ ２ 卷积层 Ｃｏｎｖｏｌｕｔｉｏｎ 卷积 ３×３ ／ １ ４×１２×５０ Ｐｏｏｌ ２ 池化层 ｍａｘ ｐｏｏｌｉｎｇ 最大池化 ２×２ ／ ２ ２×６×５０ Ｆｃ１ 全连接层 ｆｕｌｌｙ ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ 全连接 — ３００ Ｆｃ２ 全连接层 ｆｕｌｌｙ ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ 全连接 — ３ Ｃｏｓｔ 损失层 Ｓｏｆｔｍａｘｗｉｔｈｌｏｓｓ Ｓｏｆｔｍａｘ 损失层 — １ ２．４ 强形状约束定位 在人脸对齐算法中，不同部位人脸特征点之间 的位置关系（形状约束）作为一个隐含的先验用于 特征点的估计中。 这种形状约束是人脸固有的特 征，如眼睛位置应在眉毛的下方，鼻子应在嘴巴上 方，这里，称其为弱形状约束。 然而，对于具体的状 态细节，例如眼睛睁闭、嘴巴张闭时，局部区域特征 点之间的位置应满足怎样的距离关系，弱形状约束 并未涉及。 在 ２．３ 节中使用嘴巴状态分类器得到了 嘴巴状态标签，针对不同的嘴巴状态，可以在人脸形 状估计过程中对嘴巴区域特征点进行强形状约束。 算法流程如图 ８ 所示。 将测试图像以及嘴巴状态标签作为输入，并加 载训练好的模型，然后在形状回归估计过程中为每 一个回归器的形状更新添加如式（５）所示的强形状 约束： Ｓ ｔ ＝ Ｓ ｔ－１ ＋ δ Ｓ ｔ－１ ，ｔ ＝ {１，２，…，Ｔ} Ｓ．ｔ．Ｄ ｔ ｉｎ ＞ λｏＤ ｔ ｏｕ ，λｏ ∈ （０，１） Ｓ．ｔ．Ｄ ｔ ｉｎ ＜ λｃＤ ｔ ｏｕ ，λｃ ∈ （０，１） （５） 式中：Ｄｉｎ 、Ｄｏｕｔ分别表示上下嘴唇内边缘特征点对之 间的垂直距离和外边缘特征点对之间的垂直距离。 第 ５ 期 师亚亭，等：基于嘴巴状态约束的人脸特征点定位算法 ·５８１·

·582. 智能系统学报 第11卷 如图9所示，点51和59、52和58、53和57为3组 实际上，当嘴巴状态为张开时，内边缘特征点对 外边缘特征点对，分别与点62和68、63和67、64和 的垂直距离D.应大于外边缘特征点对垂直距离 66这三组内边缘特征点对相对应，图7为图9嘴巴 D的入。倍，而当嘴巴闭合时，Dn应小于D的A 区域的放大图，更直观地表示了特征点对的对应关系。 倍。利用这一特征，在测试阶段的每个外层分类器 得到的预测结果中，判断其是否满足式(5)的形状 约束。如果满足，则继续进行下一层的估计：如果不 测试图像， 嘴巴状态标签 满足，则对当前预测形状进行如式(6)或(7)的形状 更新后再进行下一层的估计。式(6)表示嘴巴张开时 加载回归器，随机选择L个 的形状更新，式(7)表示嘴巴闭合时的形状更新。其 训练形状作为初始形 中，表示上嘴唇内边缘特征点未进行强形状约束时 状，0,0 的纵坐标，Y'表示其进行强形状约束后的纵坐标。 =1+1(第个初始形状) 表示下嘴唇内边缘特征点未进行强形状约束时的纵坐 标，'表示其进行强形状约束后的纵坐标。 t=+1(第个外层回归器) '=-2x(AD-Da） (6) '=+x(an-n.) 获取F个灰度差值特征，获取形状更新 量S,得到新的预测形状S Y'=g+2×(Dm-Da) S满足形状约束 (7) 1 N Y'=-2×(AD。-D） 根据约束条件更新S 与2.3.3中的嘴巴分类标准一致，在形状约束 更新时，选取嘴巴闭合时对应的入。为0.1，嘴巴张开 Y KT 时对应的入。为0.35。由于非张开和微张这两种嘴 N 巴状态很难进行基于距离的强形状约束，因此，本文 i<L 只是对嘴巴张开、闭合状态进行强形状约束，对于基 N 于HSV的嘴巴状态分类器预测的非张开状态和基 S=SUM(S_I)/L 于CNN的嘴巴状态分类器预测的微张状态，在人脸 特征点定位时则不进行强形状约束。 获得估计形状 3实验分析 图8形状预测流程图 3.1数据集 Fig.8 Flow diagram for shape prediction 在模型训练和测试过程中，我们共使用到3个 数据库，即LFPW数据集、Helen数据集以及w-3Oo 1g1920,22 2324.25,2627 中的标记自然人脸库(annotated faces in the wild, 38,39 37 424140 843.45 …29 48)6 AFW)。这些数据集中的人脸图像包含丰富的外貌 .17 ·30 特征和人脸形状（姿态、表情），具有一定的挑战性， 2 16 31 32.3335.36 在近些年的人脸识别等研究领域中经常使用。LF 15 3 PW数据库中的图像全部通过web获取，目前可获 14 得的数据包含811个训练样本以及224个测试样 *13 本；Helen数据库中的人脸图像为分辨率较高的网 6 *12 络图像，有利于精确的人脸特征点定位研究，该数据 11 8 10 库包含330个测试样本以及2000个训练样本： AFW数据库共包含337副图像。在本文的实验中， 图968特征点位置示意 训练数据（以下称本文训练集）由AFW数据库以及 Fig.9 Locations of the 68 facial landmarks Helen,LFPW数据库的训练集组成，大小为3148；

如图 ９ 所示，点 ５１ 和 ５９、５２ 和 ５８、５３ 和 ５７ 为 ３ 组 外边缘特征点对，分别与点 ６２ 和 ６８、６３ 和 ６７、６４ 和 ６６ 这三组内边缘特征点对相对应，图 ７ 为图 ９ 嘴巴 区域的放大图，更直观地表示了特征点对的对应关系。 图 ８ 形状预测流程图 Ｆｉｇ．８ Ｆｌｏｗ ｄｉａｇｒａｍ ｆｏｒ ｓｈａｐｅ ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎ 图 ９ ６８ 特征点位置示意 Ｆｉｇ．９ Ｌｏｃａｔｉｏｎｓ ｏｆ ｔｈｅ ６８ ｆａｃｉａｌ ｌａｎｄｍａｒｋｓ 实际上，当嘴巴状态为张开时，内边缘特征点对 的垂直距离 Ｄｉｎ 应大于外边缘特征点对垂直距离 Ｄｏｕｔ的 λｏ 倍，而当嘴巴闭合时，Ｄｉｎ应小于 Ｄｏｕｔ的 λｃ 倍。 利用这一特征，在测试阶段的每个外层分类器 得到的预测结果中，判断其是否满足式（５） 的形状 约束。 如果满足，则继续进行下一层的估计；如果不 满足，则对当前预测形状进行如式（６）或（７）的形状 更新后再进行下一层的估计。 式（６）表示嘴巴张开时 的形状更新，式（７）表示嘴巴闭合时的形状更新。 其 中，Ｙ ｕ ｉｎ表示上嘴唇内边缘特征点未进行强形状约束时 的纵坐标，Ｙ ｕ ｉｎ ′表示其进行强形状约束后的纵坐标。 Ｙ ｄ ｉｎ 表示下嘴唇内边缘特征点未进行强形状约束时的纵坐 标，Ｙ ｄ ｉｎ ′表示其进行强形状约束后的纵坐标。 Ｙ ｕ ｉｎ ′ ＝ Ｙ ｕ ｉｎ － １ ２ × （λｏＤｏｕ － Ｄｉｎ ） Ｙ ｄ ｉｎ ′ ＝ Ｙ ｄ ｉｎ ＋ １ ２ × （λｏＤｏｕ － Ｄｉｎ ） ì î í ï ï ï ï （６） Ｙ ｕ ｉｎ ′ ＝ Ｙ ｕ ｉｎ ＋ １ ２ × （λｃＤｏｕ － Ｄｉｎ ） Ｙ ｄ ｉｎ ′ ＝ Ｙ ｄ ｉｎ － １ ２ × （λｃＤｏｕ － Ｄｉｎ ） ì î í ï ï ï ï （７） 与 ２．３．３ 中的嘴巴分类标准一致，在形状约束 更新时，选取嘴巴闭合时对应的 λｃ 为 ０．１，嘴巴张开 时对应的 λｏ 为 ０．３５。 由于非张开和微张这两种嘴 巴状态很难进行基于距离的强形状约束，因此，本文 只是对嘴巴张开、闭合状态进行强形状约束，对于基 于 ＨＳＶ 的嘴巴状态分类器预测的非张开状态和基 于 ＣＮＮ 的嘴巴状态分类器预测的微张状态，在人脸 特征点定位时则不进行强形状约束。 ３ 实验分析 ３．１ 数据集 在模型训练和测试过程中，我们共使用到 ３ 个 数据库，即 ＬＦＰＷ 数据集、Ｈｅｌｅｎ 数据集以及 ｗ⁃３００ 中的标记自然人脸库（ ａｎｎｏｔａｔｅｄ ｆａｃｅｓ ｉｎ ｔｈｅ ｗｉｌｄ， ＡＦＷ）。 这些数据集中的人脸图像包含丰富的外貌 特征和人脸形状（姿态、表情），具有一定的挑战性， 在近些年的人脸识别等研究领域中经常使用。 ＬＦ⁃ ＰＷ 数据库中的图像全部通过 ｗｅｂ 获取，目前可获 得的数据包含 ８１１ 个训练样本以及 ２２４ 个测试样 本；Ｈｅｌｅｎ 数据库中的人脸图像为分辨率较高的网 络图像，有利于精确的人脸特征点定位研究，该数据 库包含 ３３０ 个测试样本以及 ２ ０００ 个训练样本； ＡＦＷ 数据库共包含 ３３７ 副图像。 在本文的实验中， 训练数据（以下称本文训练集）由 ＡＦＷ 数据库以及 Ｈｅｌｅｎ、ＬＦＰＷ 数据库的训练集组成，大小为 ３ １４８； ·５８２· 智 能 系 统 学 报 第 １１ 卷

第5期 师亚亭，等：基于嘴巴状态约束的人脸特征点定位算法 ·583. 测试数据（以下称本文测试集）由LFPW、Helen数 [3]分别计算这两个测试集中定位误差在5个像素 据库的测试集组成，大小为554。本文方法对每个 以内和20个像素以内的样本所占百分比作为各自 特征点定位误差E的评价指标为预测位置与真正 的准确度。表2为LFPW测试集和Helen测试集 位置的欧式距离和双眼中心真实欧式距离的比例， 中，不同人脸特征点定位算法得到的内边缘特征点 如式(8)所示 平均准确度。可以直观地看出，本文提出的方法可 E=∥p元川 以提高嘴巴特征点的定位精度，而且基于CNN的嘴 (8) ‖净-市，川 巴状态分类器比基于HSV颜色空间的嘴巴状态分 式中：P:表示第i个特征点的估计坐标，：表示该点 类器更有利于精度的提高。表3更加清晰地统计了 的真实坐标，序，市分别表示左右眼晴中心真实 每个内边缘特征点的定位误差，其中，AvgPixel表示 坐标。 平均像素误差，即Ip,-市：‖。实际上，基于CNN的 3.2实验结果 嘴巴状态分类器在测试集上的分类正确率为83%， 除了已经在算法流程部分交代过的，本文实验 而基于HSV颜色空间的嘴巴状态分类器为72%。 的一些其他的参数选取如下：在基于HSV颜色空间 这个分类正确率并不高，为了更直观地展现强形状 的嘴巴状态分类器中，选择阈值4为15：本文方法 约束的效果，在表4中，单独对得到正确状态标签的 共需训练2个ESR模型，即仅定位7个关键角点的 嘴巴内边缘特征点定位误差做了统计对比。对比表 (图2)用于嘴巴位置初选取的ESR模型和包含68 3、表4在ESR行的定位误差，发现表4中同一关键 个特征点（图9）用于人脸形状估计的ESR模型。 点使用同一算法(ESR)的定位误差远远小于表3， 前者的训练过程包含第1个回归器个数T=10,第2 也就是说，我们的嘴巴状态分类器给出正确分类结 层回归器个数K=100,候选特征点个数P=100,并 果的样本恰恰是嘴巴内边缘特征点定位精度相对较 仅将形状预测过程进行到T=3:后者的训练过程采 高的样本。观察表4，本文算法在ESR定位准确度 用文献[3]中给出的最佳参数，即第1个回归器个 相对较高时，依然可以降低嘴巴内边缘特征点的定 数T=10,第2层回归器个数K=500,候选特征点个 位误差。大多数的人脸特征点算法的效果都与训练 数P=400,测试过程则按照图8进行。 数据的构成有关。对于特定类型的测试数据而言， 图10为本文方法的部分实验结果。(a)表示 使用与测试数据相似的训练样本集进行模型训练在 直接用训练好的ESR模型获取的嘴巴特征点定位 结果。可以看出，嘴唇内边缘特征点的定位存在明 某种程度上可以提高模型的估计准确率。为了实验 显错误：(b)表示本文方法的定位结果：(c)表示手 的完备性，增加两组对比实验。在对比实验1中，用 工标定的嘴巴特征点位置。可以看出，经过强形状 训练好的包含68个特征点的E$R模型进行特征点 约束，本文方法得到的嘴唇内边缘特征定位几乎完 定位，不添加任何的后续处理，称之为OESR(oigi- 全符合真实情况，错误情况得到极大改善。 nal explicit shape regression)。对比实验2中，将本 文训练集按照2.3.3中的方式分为张开、闭合、微张 3个训练集，用这3个训练数据集分别训练3个相 应ESR特征点定位模型，在测试阶段根据嘴巴状态 (a)未加强形状约束的原始ES 分类器给出的标签选择相应的模型对测试图像进行 特征点定位，称之为SESR(special explicit shape re- gression)。相应地，由于本文方法使用到了强形状 (b)加强形状约束的ESR 约束，在对比实验中称为CESR(constraint explicit shape regression)。3组实验每个特征点的定位误差 比较如图11所示。 表2内边缘特征点定位准确度 (c)手工标定 Table 2 Locating accuracy of medial lip feature points 图10嘴巴特征点定位结果 Fig.10 Detecting result of mouth landmarks 算法 ESR HSV+ESR CNN+ESR 为了分析本文提出的两种嘴巴状态分类器的效 Helen(<20 pixels) 69.1 73.3 75.6 果，对使用两种策略后嘴唇内边缘特征点的定位精 度做了统计分析。由于LFPW、Helen测试图像的平 LFPW(<5 pixels) 68.7 73.3 75.5 均瞳距分别为77.772像素和285.54像素，参考文献

测试数据（以下称本文测试集） 由 ＬＦＰＷ、Ｈｅｌｅｎ 数 据库的测试集组成，大小为 ５５４。 本文方法对每个 特征点定位误差 Ｅｉ 的评价指标为预测位置与真正 位置的欧式距离和双眼中心真实欧式距离的比例， 如式（８）所示 Ｅｉ ＝ ‖ ｐｉ － ｐ ? ｉ‖ ‖ ｐ ? ｌ － ｐ ? ｒ‖ （８） 式中：ｐｉ 表示第 ｉ 个特征点的估计坐标，ｐ ? ｉ 表示该点 的真实坐标， ｐ ? ｌ， ｐ ? ｒ 分别表示左右眼睛中心真实 坐标。 ３．２ 实验结果 除了已经在算法流程部分交代过的，本文实验 的一些其他的参数选取如下：在基于 ＨＳＶ 颜色空间 的嘴巴状态分类器中，选择阈值 μ 为 １５；本文方法 共需训练 ２ 个 ＥＳＲ 模型，即仅定位 ７ 个关键角点的 （图 ２）用于嘴巴位置初选取的 ＥＳＲ 模型和包含 ６８ 个特征点（图 ９） 用于人脸形状估计的 ＥＳＲ 模型。 前者的训练过程包含第 １ 个回归器个数 Ｔ ＝ １０，第 ２ 层回归器个数 Ｋ ＝ １００，候选特征点个数 Ｐ ＝ １００，并 仅将形状预测过程进行到 Ｔ ＝ ３；后者的训练过程采 用文献［３］中给出的最佳参数，即第 １ 个回归器个 数 Ｔ ＝ １０，第 ２ 层回归器个数 Ｋ ＝ ５００，候选特征点个 数 Ｐ ＝ ４００，测试过程则按照图 ８ 进行。 图 １０ 为本文方法的部分实验结果。 （ ａ） 表示 直接用训练好的 ＥＳＲ 模型获取的嘴巴特征点定位 结果。 可以看出，嘴唇内边缘特征点的定位存在明 显错误；（ｂ）表示本文方法的定位结果；（ｃ）表示手 工标定的嘴巴特征点位置。 可以看出，经过强形状 约束，本文方法得到的嘴唇内边缘特征定位几乎完 全符合真实情况，错误情况得到极大改善。 （ａ）未加强形状约束的原始 ＥＳＲ （ｂ）加强形状约束的 ＥＳＲ （ｃ）手工标定 图 １０ 嘴巴特征点定位结果 Ｆｉｇ．１０ Ｄｅｔｅｃｔｉｎｇ ｒｅｓｕｌｔ ｏｆ ｍｏｕｔｈ ｌａｎｄｍａｒｋｓ 为了分析本文提出的两种嘴巴状态分类器的效 果，对使用两种策略后嘴唇内边缘特征点的定位精 度做了统计分析。 由于 ＬＦＰＷ、Ｈｅｌｅｎ 测试图像的平 均瞳距分别为 ７７．７７２ 像素和 ２８５．５４ 像素，参考文献 ［３］分别计算这两个测试集中定位误差在 ５ 个像素 以内和 ２０ 个像素以内的样本所占百分比作为各自 的准确度。 表 ２ 为 ＬＦＰＷ 测试集和 Ｈｅｌｅｎ 测试集 中，不同人脸特征点定位算法得到的内边缘特征点 平均准确度。 可以直观地看出，本文提出的方法可 以提高嘴巴特征点的定位精度，而且基于 ＣＮＮ 的嘴 巴状态分类器比基于 ＨＳＶ 颜色空间的嘴巴状态分 类器更有利于精度的提高。 表 ３ 更加清晰地统计了 每个内边缘特征点的定位误差，其中，ＡｖｇＰｉｘｅｌ 表示 平均像素误差，即‖ｐｉ －ｐ ? ｉ‖。 实际上，基于 ＣＮＮ 的 嘴巴状态分类器在测试集上的分类正确率为 ８３％， 而基于 ＨＳＶ 颜色空间的嘴巴状态分类器为 ７２％。 这个分类正确率并不高，为了更直观地展现强形状 约束的效果，在表 ４ 中，单独对得到正确状态标签的 嘴巴内边缘特征点定位误差做了统计对比。 对比表 ３、表 ４ 在 ＥＳＲ 行的定位误差，发现表 ４ 中同一关键 点使用同一算法（ＥＳＲ）的定位误差远远小于表 ３， 也就是说，我们的嘴巴状态分类器给出正确分类结 果的样本恰恰是嘴巴内边缘特征点定位精度相对较 高的样本。 观察表 ４，本文算法在 ＥＳＲ 定位准确度 相对较高时，依然可以降低嘴巴内边缘特征点的定 位误差。 大多数的人脸特征点算法的效果都与训练 数据的构成有关。 对于特定类型的测试数据而言， 使用与测试数据相似的训练样本集进行模型训练在 某种程度上可以提高模型的估计准确率。 为了实验 的完备性，增加两组对比实验。 在对比实验 １ 中，用 训练好的包含 ６８ 个特征点的 ＥＳＲ 模型进行特征点 定位，不添加任何的后续处理，称之为 ＯＥＳＲ（ ｏｒｉｇｉ⁃ ｎａｌ ｅｘｐｌｉｃｉｔ ｓｈａｐｅ ｒｅｇｒｅｓｓｉｏｎ）。 对比实验 ２ 中，将本 文训练集按照 ２．３．３ 中的方式分为张开、闭合、微张 ３ 个训练集，用这 ３ 个训练数据集分别训练 ３ 个相 应 ＥＳＲ 特征点定位模型，在测试阶段根据嘴巴状态 分类器给出的标签选择相应的模型对测试图像进行 特征点定位，称之为 ＳＥＳＲ（ｓｐｅｃｉａｌ ｅｘｐｌｉｃｉｔ ｓｈａｐｅ ｒｅ⁃ ｇｒｅｓｓｉｏｎ）。 相应地，由于本文方法使用到了强形状 约束，在对比实验中称为 ＣＥＳＲ（ ｃｏｎｓｔｒａｉｎｔ ｅｘｐｌｉｃｉｔ ｓｈａｐｅ ｒｅｇｒｅｓｓｉｏｎ）。 ３ 组实验每个特征点的定位误差 比较如图 １１ 所示。 表 ２ 内边缘特征点定位准确度 Ｔａｂｌｅ ２ Ｌｏｃａｔｉｎｇ ａｃｃｕｒａｃｙ ｏｆ ｍｅｄｉａｌ ｌｉｐ ｆｅａｔｕｒｅ ｐｏｉｎｔｓ ％ 算法 ＥＳＲ ＨＳＶ＋ＥＳＲ ＣＮＮ＋ＥＳＲ Ｈｅｌｅｎ（＜２０ ｐｉｘｅｌｓ） ６９．１ ７３．３ ７５．６ ＬＦＰＷ（＜５ ｐｉｘｅｌｓ） ６８．７ ７３．３ ７５．５ 第 ５ 期 师亚亭，等：基于嘴巴状态约束的人脸特征点定位算法 ·５８３·

·584· 智能系统学报 第11卷 表3内边缘特征点在测试集上的平均误差 Table 3 Mean error of medial lip feature points on the testset % LFPW 特征点索引 Helen 算法 6263 64 66 67 68 AvgPixel 62 63 64 66 67 68 AvgPixel ESR 6.015.715.646.066.226.46 4.37 6.596.406.717.817.557.61 20.3 HSV+ESR 5.965.645.565.986.176.40 4.33 6.416.206.527.707.447.50 19.9 CNN+ESR 5.875.485.525.845.996.30 4.24 6.245.976.367.577.297.41 19.4 表4分类正确时内边缘特征点在测试集上的平均误差 Table 4 Mean error of medial lip feature points on the testset when all samples classified correctly % LFPW 特征点索引 Helen 算法 62636466 6768 AvgPixel 626364 666768 AvgPixel ESR 5.095.225.745.715.716.29 4.09 6.246.016.297.427.17.29 19.2 强形状约束+ESR5.015.165.635.555.596.2 4.01 5.985.786.097.26.987.1 18.9 下嘴唇内边缘特征点的定位错误情况，显著提高了 0.16r —CESR 嘴唇内边缘特征点的定位准确度，具有很好鲁棒性。 0.14 --SESR 0.12 --OESR 此外，本文提出了嘴巴状态分类器这一人脸局部状 0.10 0.08 态分类的概念，在人脸对齐过程增加了先验信息，为 0.06 局部特征点定位精确化提供了一种可行的思路。 0.04 0.02 由于本文算法主要针对嘴巴状态进行嘴巴区域 0 10 203040506070 的约束调优，因此对嘴巴状态分类器的定位精度要 人脸特征，点序号 求很高。虽然我们的算法可以有效地提高嘴巴特征 图11不同方法人脸特征点定位误差比较图 点的定位精度，但嘴巴状态分类器的分类准确率还 Fig.11 Comparison of locating error of facial keypoints predicted by different methods 有很大的提升空间。因此，研究更加准确且鲁棒的 嘴巴状态分类器将是我们下一步的重点。 可以看出，当使用与测试数据对应的训练数据 训练模型时(SE$R),模型仅仅提高了嘴角的特征点 参考文献： 定位准确度（如图虚线矩形框所示），而其他部位特 [1]COOTES T F,TAYLOR C J,COOPER D H,et al.Active 征点的定位误差反而增大，模型泛化能力和鲁棒性 shape models-their training and application[J].Computer 明显下降：而本文方法(CESR)不仅明显降低嘴唇 vision and image understanding,1995,61(1):38-59. 特征点定位误差（如图实线矩形框所示），而且与 [2]COOTES T F,EDWARDS G J,TAYLOR C J.Active ap- OESR定位曲线几乎完全重合，完全不对其他区域 pearance models M]//BURKHARDT H,NEUMANN B. 的特征点定位结果造成影响。本文方法在保证特征 Computer Vision-ECCV'98.Berlin Heidelberg:Springer, 点定位模型鲁棒性的同时，提高了嘴唇内边缘特征 1998:484-498 点的定位精度。这对于唇型识别、表情识别、追踪、 [3]CAO Xudong,WEI Yichen,WEN Fang,et al.Face align- 图像匹配等都具有非常重要的意义。此外，本文提 ment by explicit shape regression[].International journal 出的强形状约束思想也可以根据具体情况应用于其 of computer vision,2014,107(2):177-190. 他部位（如眼晴）特征点定位精确上。 [4]REN Shaoqing,CAO Xudong,WEI Yichen,et al.Face a- lignment at 3000 FPS via regressing local binary features 4结束语 [C]//Proceedings of 2014 IEEE Conference on Computer Vision and Pattern Recognition (CVPR).Columbus,OH. 本文针对人脸对齐算法中嘴巴区域特征点的定 USA,2014:1685-1692. 位错误，基于具有定位速度和精度优势的ESR算 [5]BURGOS-ARTIZZU X P,PERONA P,DOLLAR P.Robust 法，提出了一种基于嘴巴状态约束的改进的人脸特 face landmark estimation under occlusion[C]//Proceedings 征点定位算法。在不影响其他特征点定位精度的情 of 2013 IEEE International Conference on Computer Vision 况下，本文算法大大改善了在嘴巴张开和闭合情况 (ICCV).Sydney,VIC,2013:1513-1520

表 ３ 内边缘特征点在测试集上的平均误差 Ｔａｂｌｅ ３ Ｍｅａｎ ｅｒｒｏｒ ｏｆ ｍｅｄｉａｌ ｌｉｐ ｆｅａｔｕｒｅ ｐｏｉｎｔｓ ｏｎ ｔｈｅ ｔｅｓｔｓｅｔ ％ 算法 ＬＦＰＷ 特征点索引 Ｈｅｌｅｎ ６２ ６３ ６４ ６６ ６７ ６８ ＡｖｇＰｉｘｅｌ ６２ ６３ ６４ ６６ ６７ ６８ ＡｖｇＰｉｘｅｌ ＥＳＲ ６．０１ ５．７１ ５．６４ ６．０６ ６．２２ ６．４６ ４．３７ ６．５９ ６．４０ ６．７１ ７．８１ ７．５５ ７．６１ ２０．３ ＨＳＶ＋ＥＳＲ ５．９６ ５．６４ ５．５６ ５．９８ ６．１７ ６．４０ ４．３３ ６．４１ ６．２０ ６．５２ ７．７０ ７．４４ ７．５０ １９．９ ＣＮＮ＋ＥＳＲ ５．８７ ５．４８ ５．５２ ５．８４ ５．９９ ６．３０ ４．２４ ６．２４ ５．９７ ６．３６ ７．５７ ７．２９ ７．４１ １９．４ 表 ４ 分类正确时内边缘特征点在测试集上的平均误差 Ｔａｂｌｅ ４ Ｍｅａｎ ｅｒｒｏｒ ｏｆ ｍｅｄｉａｌ ｌｉｐ ｆｅａｔｕｒｅ ｐｏｉｎｔｓ ｏｎ ｔｈｅ ｔｅｓｔｓｅｔ ｗｈｅｎ ａｌｌ ｓａｍｐｌｅｓ ｃｌａｓｓｉｆｉｅｄ ｃｏｒｒｅｃｔｌｙ ％ 算法 ＬＦＰＷ 特征点索引 Ｈｅｌｅｎ ６２ ６３ ６４ ６６ ６７ ６８ ＡｖｇＰｉｘｅｌ ６２ ６３ ６４ ６６ ６７ ６８ ＡｖｇＰｉｘｅｌ ＥＳＲ ５．０９ ５．２２ ５．７４ ５．７１ ５．７１ ６．２９ ４．０９ ６．２４ ６．０１ ６．２９ ７．４２ ７．１ ７．２９ １９．２ 强形状约束＋ＥＳＲ ５．０１ ５．１６ ５．６３ ５．５５ ５．５９ ６．２ ４．０１ ５．９８ ５．７８ ６．０９ ７．２ ６．９８ ７．１ １８．９ 图 １１ 不同方法人脸特征点定位误差比较图 Ｆｉｇ．１１ Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｏｆ ｌｏｃａｔｉｎｇ ｅｒｒｏｒ ｏｆ ｆａｃｉａｌ ｋｅｙｐｏｉｎｔｓ ｐｒｅｄｉｃｔｅｄ ｂｙ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｍｅｔｈｏｄｓ 可以看出，当使用与测试数据对应的训练数据 训练模型时（ＳＥＳＲ），模型仅仅提高了嘴角的特征点 定位准确度（如图虚线矩形框所示），而其他部位特 征点的定位误差反而增大，模型泛化能力和鲁棒性 明显下降；而本文方法（ＣＥＳＲ） 不仅明显降低嘴唇 特征点定位误差（如图实线矩形框所示），而且与 ＯＥＳＲ 定位曲线几乎完全重合，完全不对其他区域 的特征点定位结果造成影响。 本文方法在保证特征 点定位模型鲁棒性的同时，提高了嘴唇内边缘特征 点的定位精度。 这对于唇型识别、表情识别、追踪、 图像匹配等都具有非常重要的意义。 此外，本文提 出的强形状约束思想也可以根据具体情况应用于其 他部位（如眼睛）特征点定位精确上。 ４ 结束语 本文针对人脸对齐算法中嘴巴区域特征点的定 位错误，基于具有定位速度和精度优势的 ＥＳＲ 算 法，提出了一种基于嘴巴状态约束的改进的人脸特 征点定位算法。 在不影响其他特征点定位精度的情 况下，本文算法大大改善了在嘴巴张开和闭合情况 下嘴唇内边缘特征点的定位错误情况，显著提高了 嘴唇内边缘特征点的定位准确度，具有很好鲁棒性。 此外，本文提出了嘴巴状态分类器这一人脸局部状 态分类的概念，在人脸对齐过程增加了先验信息，为 局部特征点定位精确化提供了一种可行的思路。 由于本文算法主要针对嘴巴状态进行嘴巴区域 的约束调优，因此对嘴巴状态分类器的定位精度要 求很高。 虽然我们的算法可以有效地提高嘴巴特征 点的定位精度，但嘴巴状态分类器的分类准确率还 有很大的提升空间。 因此，研究更加准确且鲁棒的 嘴巴状态分类器将是我们下一步的重点。 参考文献： ［１］ＣＯＯＴＥＳ Ｔ Ｆ， ＴＡＹＬＯＲ Ｃ Ｊ， ＣＯＯＰＥＲ Ｄ Ｈ， ｅｔ ａｌ． Ａｃｔｉｖｅ ｓｈａｐｅ ｍｏｄｅｌｓ⁃ｔｈｅｉｒ ｔｒａｉｎｉｎｇ ａｎｄ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ［ Ｊ］． Ｃｏｍｐｕｔｅｒ ｖｉｓｉｏｎ ａｎｄ ｉｍａｇｅ ｕｎｄｅｒｓｔａｎｄｉｎｇ， １９９５， ６１（１）： ３８⁃５９． ［２］ＣＯＯＴＥＳ Ｔ Ｆ， ＥＤＷＡＲＤＳ Ｇ Ｊ， ＴＡＹＬＯＲ Ｃ Ｊ． Ａｃｔｉｖｅ ａｐ⁃ ｐｅａｒａｎｃｅ ｍｏｄｅｌｓ ［ Ｍ］ ／ ／ ＢＵＲＫＨＡＲＤＴ Ｈ， ＮＥＵＭＡＮＮ Ｂ． Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ｖｉｓｉｏｎ⁃ＥＣＣＶ’ ９８． Ｂｅｒｌｉｎ Ｈｅｉｄｅｌｂｅｒｇ： Ｓｐｒｉｎｇｅｒ， １９９８： ４８４⁃４９８． ［３］ＣＡＯ Ｘｕｄｏｎｇ， ＷＥＩ Ｙｉｃｈｅｎ， ＷＥＮ Ｆａｎｇ， ｅｔ ａｌ． Ｆａｃｅ ａｌｉｇｎ⁃ ｍｅｎｔ ｂｙ ｅｘｐｌｉｃｉｔ ｓｈａｐｅ ｒｅｇｒｅｓｓｉｏｎ［ Ｊ］． Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ ｃｏｍｐｕｔｅｒ ｖｉｓｉｏｎ， ２０１４， １０７（２）： １７７⁃１９０． ［４］ＲＥＮ Ｓｈａｏｑｉｎｇ， ＣＡＯ Ｘｕｄｏｎｇ， ＷＥＩ Ｙｉｃｈｅｎ， ｅｔ ａｌ． Ｆａｃｅ ａ⁃ ｌｉｇｎｍｅｎｔ ａｔ ３０００ ＦＰＳ ｖｉａ ｒｅｇｒｅｓｓｉｎｇ ｌｏｃａｌ ｂｉｎａｒｙ ｆｅａｔｕｒｅｓ ［Ｃ］ ／ ／ Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ２０１４ ＩＥＥＥ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ｖｉｓｉｏｎ ａｎｄ Ｐａｔｔｅｒｎ Ｒｅｃｏｇｎｉｔｉｏｎ （ＣＶＰＲ）． Ｃｏｌｕｍｂｕｓ， ＯＨ， ＵＳＡ， ２０１４： １６８５⁃１６９２． ［５］ＢＵＲＧＯＳ⁃ＡＲＴＩＺＺＵ Ｘ Ｐ， ＰＥＲＯＮＡ Ｐ， ＤＯＬＬÁＲ Ｐ． Ｒｏｂｕｓｔ ｆａｃｅ ｌａｎｄｍａｒｋ ｅｓｔｉｍａｔｉｏｎ ｕｎｄｅｒ ｏｃｃｌｕｓｉｏｎ［Ｃ］ ／ ／ Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ２０１３ ＩＥＥＥ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ｖｉｓｉｏｎ （ＩＣＣＶ）． Ｓｙｄｎｅｙ， ＶＩＣ， ２０１３： １５１３⁃１５２０． ·５８４· 智 能 系 统 学 报 第 １１ 卷

第5期 师亚亭，等：基于嘴巴状态约束的人脸特征点定位算法 ·585. [6]DOLLAR P,WELINDER P,PERONA P.Cascaded pose [13]张国权，李战明，李向伟，等.HSV空间中彩色图像分 regression[C]//Proceedings of IEEE Conference on Com- 割研究[J].计算机工程与应用，2010,46(26)：179. puter Vision and Pattern Recognition.San Francisco,CA, 181 USA.,2010:1078-1085 ZHANG Guoquan,LI Zhanming,LI Xiangwei,et al.Re- [7]CRISTINACCE D,COOTES T F.Boosted regression active search on color image segmentation in HSV space[J]. shape models[C]//Proceedings of the British Machine Vi- Computer engineering and applications,2010.46(26): sion Conference 2007.Warwick,UK,2007:2. 179-181. [8]SAUER P,COOTES T F,TAYLOR C J.Accurate regres- [14]ANDROUTSOS D,PLATANIOTIS K N,VENETSANOPO- sion procedures for active appearance models[C]//Proceed- ULOS A N.A novel vector-based approach to color image ings of the British Machine Vision Conference 2011.Dund- retrieval using a vector angular-based distance measure ee,2011:681-685. [J].Computer vision and image understanding,1999,75 [9]李英，赖剑煌，阮邦志.多模板ASM方法及其在人脸特 (1/2):46-58. 征点检测中的应用[J].计算机研究与发展，2007,44 [15]LECUN Y,BOTTOU L,BENGIO Y,et al.Gradient-based (1):133-140. learning applied to document recognition[J].Proceedings LI Ying,LAI Jianhuang.YUEN Pongchi.Multi-template of the IEEE,1998,86(11):2278-2324. ASM and its application in facial feature points detection [16]KRIZHEVSKY A,SUTSKEVER I,HINTON G E.Ima- [J].Journal of computer research and development,2007, geNet classification with deep convolutional neural net- 44(1)：133-140. works C]//Advances in Neural Information Processing [10]ZENG A,BODDETI V N,KITANI K M,et al.Face a- Systems 25:26th Annual Conference on Neural Informa- lignment refinement[C]//Proceedings of 2015 IEEE Win- tion Processing Systems.Lake Tahoe,Nevada,USA, ter Conference on Applications of Computer Vision.Waiko- 2012:1097-1105. 1oa,HⅢ.USA,2015:162-169. 作者简介： [11]徐国庆.低分辨图像眼晴精确定位方法[J].计算机应 师亚亭，女，1991年生，硕士研究 用研究，2015,32(11)：3501-3503,3512 生，主要研究方向为机器视觉。参与国 XU Guoqing.Precise eye location in low resolution image 家自然科学基金项目1项，企业合作项 [J].Application research of computers,2015,32(11): 目1项。 3501-3503,3512. [12]雷林华，朱虹，涂善彬，等.一种人脸网格模型的特征 区域细节调整方法[J].计算机工程与应用，2006,44 (16):194-196. 李卫军，男，1975年生，研究员，博土 LEI Linhua,ZHU Hong,TU Shanbin,et al.Adaptation 生导师，主要研究方向为机器视觉、模式 method to adjust characteristic region of facial wire frame 识别与智能系统、高维计算、近红外定性 model in detail[J].Computer engineering and applica- 分析技术。主持国家自然科学基金项目 tions,2006,44(16):194-196. 2项，企业合作研究项目3项，发表学术 论文30余篇

［６］ＤＯＬＬÁＲ Ｐ， ＷＥＬＩＮＤＥＲ Ｐ， ＰＥＲＯＮＡ Ｐ． Ｃａｓｃａｄｅｄ ｐｏｓｅ ｒｅｇｒｅｓｓｉｏｎ［Ｃ］ ／ ／ Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ＩＥＥＥ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ Ｃｏｍ⁃ ｐｕｔｅｒ Ｖｉｓｉｏｎ ａｎｄ Ｐａｔｔｅｒｎ Ｒｅｃｏｇｎｉｔｉｏｎ． Ｓａｎ Ｆｒａｎｃｉｓｃｏ， ＣＡ， ＵＳＡ， ２０１０： １０７８⁃１０８５． ［７］ＣＲＩＳＴＩＮＡＣＣＥ Ｄ， ＣＯＯＴＥＳ Ｔ Ｆ． Ｂｏｏｓｔｅｄ ｒｅｇｒｅｓｓｉｏｎ ａｃｔｉｖｅ ｓｈａｐｅ ｍｏｄｅｌｓ［Ｃ］ ／ ／ Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ｔｈｅ Ｂｒｉｔｉｓｈ Ｍａｃｈｉｎｅ Ｖｉ⁃ ｓｉｏｎ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ２００７． Ｗａｒｗｉｃｋ， ＵＫ， ２００７： ２． ［８］ＳＡＵＥＲ Ｐ， ＣＯＯＴＥＳ Ｔ Ｆ， ＴＡＹＬＯＲ Ｃ Ｊ． Ａｃｃｕｒａｔｅ ｒｅｇｒｅｓ⁃ ｓｉｏｎ ｐｒｏｃｅｄｕｒｅｓ ｆｏｒ ａｃｔｉｖｅ ａｐｐｅａｒａｎｃｅ ｍｏｄｅｌｓ［Ｃ］ ／ ／ Ｐｒｏｃｅｅｄ⁃ ｉｎｇｓ ｏｆ ｔｈｅ Ｂｒｉｔｉｓｈ Ｍａｃｈｉｎｅ Ｖｉｓｉｏｎ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ２０１１． Ｄｕｎｄ⁃ ｅｅ， ２０１１： ６８１⁃６８５． ［９］李英， 赖剑煌， 阮邦志． 多模板 ＡＳＭ 方法及其在人脸特 征点检测中的应用［ Ｊ］． 计算机研究与发展， ２００７， ４４ （１）： １３３⁃１４０． ＬＩ Ｙｉｎｇ， ＬＡＩ Ｊｉａｎｈｕａｎｇ， ＹＵＥＮ Ｐｏｎｇｃｈｉ． Ｍｕｌｔｉ⁃ｔｅｍｐｌａｔｅ ＡＳＭ ａｎｄ ｉｔｓ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｉｎ ｆａｃｉａｌ ｆｅａｔｕｒｅ ｐｏｉｎｔｓ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ［Ｊ］． Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ ｃｏｍｐｕｔｅｒ ｒｅｓｅａｒｃｈ ａｎｄ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ， ２００７， ４４（１）： １３３⁃１４０． ［１０］ ＺＥＮＧ Ａ， ＢＯＤＤＥＴＩ Ｖ Ｎ， ＫＩＴＡＮＩ Ｋ Ｍ， ｅｔ ａｌ． Ｆａｃｅ ａ⁃ ｌｉｇｎｍｅｎｔ ｒｅｆｉｎｅｍｅｎｔ［Ｃ］ ／ ／ Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ２０１５ ＩＥＥＥ Ｗｉｎ⁃ ｔｅｒ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ ｏｆ Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ｖｉｓｉｏｎ． Ｗａｉｋｏ⁃ ｌｏａ， ＨＩ， ＵＳＡ， ２０１５： １６２⁃１６９． ［１１］徐国庆． 低分辨图像眼睛精确定位方法［ Ｊ］． 计算机应 用研究， ２０１５， ３２（１１）： ３５０１⁃３５０３， ３５１２． ＸＵ Ｇｕｏｑｉｎｇ． Ｐｒｅｃｉｓｅ ｅｙｅ ｌｏｃａｔｉｏｎ ｉｎ ｌｏｗ ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ ｉｍａｇｅ ［Ｊ］． Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｆ ｃｏｍｐｕｔｅｒｓ， ２０１５， ３２（ １１）： ３５０１⁃３５０３， ３５１２． ［１２］雷林华， 朱虹， 涂善彬， 等． 一种人脸网格模型的特征 区域细节调整方法［ Ｊ］． 计算机工程与应用， ２００６， ４４ （１６）： １９４⁃１９６． ＬＥＩ Ｌｉｎｈｕａ， ＺＨＵ Ｈｏｎｇ， ＴＵ Ｓｈａｎｂｉｎ， ｅｔ ａｌ． Ａｄａｐｔａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ ｔｏ ａｄｊｕｓｔ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ ｒｅｇｉｏｎ ｏｆ ｆａｃｉａｌ ｗｉｒｅ ｆｒａｍｅ ｍｏｄｅｌ ｉｎ ｄｅｔａｉｌ ［ Ｊ］． Ｃｏｍｐｕｔｅｒ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ａｎｄ ａｐｐｌｉｃａ⁃ ｔｉｏｎｓ， ２００６， ４４（１６）： １９４⁃１９６． ［１３］张国权， 李战明， 李向伟， 等． ＨＳＶ 空间中彩色图像分 割研究［ Ｊ］． 计算机工程与应用， ２０１０， ４６（ ２６）： １７９⁃ １８１． ＺＨＡＮＧ Ｇｕｏｑｕａｎ， ＬＩ Ｚｈａｎｍｉｎｇ， ＬＩ Ｘｉａｎｇｗｅｉ， ｅｔ ａｌ． Ｒｅ⁃ ｓｅａｒｃｈ ｏｎ ｃｏｌｏｒ ｉｍａｇｅ ｓｅｇｍｅｎｔａｔｉｏｎ ｉｎ ＨＳＶ ｓｐａｃｅ ［ Ｊ ］． Ｃｏｍｐｕｔｅｒ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ａｎｄ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ， ２０１０， ４６ （ ２６）： １７９⁃１８１． ［１４］ＡＮＤＲＯＵＴＳＯＳ Ｄ， ＰＬＡＴＡＮＩＯＴＩＳ Ｋ Ｎ， ＶＥＮＥＴＳＡＮＯＰＯ⁃ ＵＬＯＳ Ａ Ｎ． Ａ ｎｏｖｅｌ ｖｅｃｔｏｒ⁃ｂａｓｅｄ ａｐｐｒｏａｃｈ ｔｏ ｃｏｌｏｒ ｉｍａｇｅ ｒｅｔｒｉｅｖａｌ ｕｓｉｎｇ ａ ｖｅｃｔｏｒ ａｎｇｕｌａｒ⁃ｂａｓｅｄ ｄｉｓｔａｎｃｅ ｍｅａｓｕｒｅ ［Ｊ］． Ｃｏｍｐｕｔｅｒ ｖｉｓｉｏｎ ａｎｄ ｉｍａｇｅ ｕｎｄｅｒｓｔａｎｄｉｎｇ， １９９９， ７５ （１ ／ ２）： ４６⁃５８． ［１５］ＬＥＣＵＮ Ｙ， ＢＯＴＴＯＵ Ｌ， ＢＥＮＧＩＯ Ｙ， ｅｔ ａｌ． Ｇｒａｄｉｅｎｔ⁃ｂａｓｅｄ ｌｅａｒｎｉｎｇ ａｐｐｌｉｅｄ ｔｏ ｄｏｃｕｍｅｎｔ ｒｅｃｏｇｎｉｔｉｏｎ［ Ｊ］． Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ｔｈｅ ＩＥＥＥ， １９９８， ８６（１１）： ２２７８⁃２３２４． ［１６］ ＫＲＩＺＨＥＶＳＫＹ Ａ， ＳＵＴＳＫＥＶＥＲ Ｉ， ＨＩＮＴＯＮ Ｇ Ｅ． Ｉｍａ⁃ ｇｅＮｅｔ ｃｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｗｉｔｈ ｄｅｅｐ ｃｏｎｖｏｌｕｔｉｏｎａｌ ｎｅｕｒａｌ ｎｅｔ⁃ ｗｏｒｋｓ ［ Ｃ］ ／ ／ Ａｄｖａｎｃｅｓ ｉｎ Ｎｅｕｒａｌ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍｓ ２５： ２６ｔｈ Ａｎｎｕａｌ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ Ｎｅｕｒａｌ Ｉｎｆｏｒｍａ⁃ ｔｉｏｎ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍｓ． Ｌａｋｅ Ｔａｈｏｅ， Ｎｅｖａｄａ， ＵＳＡ， ２０１２： １０９７⁃１１０５． 作者简介： 师亚亭，女，１９９１ 年生，硕士研究 生，主要研究方向为机器视觉。 参与国 家自然科学基金项目 １ 项，企业合作项 目 １ 项。 李卫军，男，１９７５ 年生，研究员，博士 生导师，主要研究方向为机器视觉、模式 识别与智能系统、高维计算、近红外定性 分析技术。 主持国家自然科学基金项目 ２ 项，企业合作研究项目 ３ 项，发表学术 论文 ３０ 余篇。 第 ５ 期 师亚亭，等：基于嘴巴状态约束的人脸特征点定位算法 ·５８５·