ИЗВЕСТИЯ РАН. ТЕОРИЯ И СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ, 2014, № 2, с. 80-94
РАСПОЗНАВАНИЕ ОБРАЗОВ И ОБРАБОТКА ИЗОБРАЖЕНИЙ
УДК 004.932.721, 57.087.1
СЕГМЕНТАЦИЯ ИЗОБРАЖЕНИЯ РАДУЖКИ ГЛАЗА, ОСНОВАННАЯ НА ПРИБЛИЖЕННЫХ МЕТОДАХ С ПОСЛЕДУЮЩИМИ УТОЧНЕНИЯМИ*
© 2014 г. К. А. Ганькин, А. Н. Гнеушев, И. А. Матвеев
Москва, Iritech 1пс, ВЦ РАН Поступила в редакцию 05.11.13 г., после доработки 19.11.13 г.
Представлена система методов для обнаружения и сегментации радужки на изображении глаза. Входными данными являются изображения, используемые в современных системах распознавания, на выходе получаются координаты внешней и внутренней границ области радужки и битовая маска, определяющая пикселы области радужки или решение, что радужка приемлемого качества на изображении отсутствует. Работа системы начинается с приближенного определения положения центра глаза, затем следует приближенное определение внешней и внутренней границ радужки. Если одна из этих границ не найдена, производится дополнительная попытка поиска с помощью альтернативного алгоритма. Окончательные точные границы радужки определяются на последних шагах специально разработанными методами. Работа системы проверена на открытых базах изображений радужки, а также в международном тесте 1КЕХ №$Т.
БО1: 10.7868/80002338814020097
Введение. Методы, алгоритмы и прикладные системы распознавания человека по изображению радужной оболочки глаза стремительно развиваются в последнее десятилетие. Обзоры [1, 2] представляют более 100 работ по этой тематике, и это лишь малая часть исследований. Ключевой составляющей систем распознавания по радужке являются методы выделения (сегментации) этой области на изображении, которое содержит глаз с ближайшей окрестностью: бровями, носом, частью щеки. Очевидный подход к выделению радужки на таком изображении — последовательность операций, включающая первоначальное обнаружение зрачка (как наиболее характерной области, темной и обладающей отчетливой округлой формой), выделение внешней границы радужки и, наконец, уточнение видимой части радужки отсечением участков, закрытых бликами, веками и ресницами. По этому пути идет большинство исследователей и разработчиков. Многие исследователи при этом концентрируются на каком-то одном шаге этой цепочки. Даже если описан полный цикл выделения области радужки от исходного изображения до маски области, для исполнения каждого из шагов сегментации применяется лишь единственный метод (алгоритм). В большом числе публикаций сравниваются несколько отдельных методов для выполнения одного из шагов сегментации, но при этом авторам не встречались работы, в которых предлагалось бы использовать комбинацию нескольких альтернативных методов для определения какой-либо характеристики радужки. И что значительно хуже, обработка каждой из характеристик радужки обычно производится лишь один раз, при этом характеристика считывается измеренной с "окончательной" точностью и более не пересчитывается, даже после того, как определены другие взаимосвязанные параметры, учет которых мог бы уточнить ее значение. Типичной является ситуация с определением параметров зрачка. Например, в [3—6] хотя и предлагается полный цикл сегментации радужки, но параметры зрачка вычисляются на единственном шаге в самом начале и более не пересматриваются и не уточняются.
Лишь в небольшом числе работ исследуются некоторые расширения схемы "сначала зрачок, потом радужка, считаем один раз, никогда не уточняем". В [7, 8] предлагается определять приближенные положения центра глаза, с целью облегчить расчет параметров зрачка. В [9] проводится уточнение параметров зрачка после вычисления положения радужки с учетом ее размера. В [9, 10] используется метод выделения радужки, вызываемый итеративно, с уточнением результатов, полученных на предыдущем вызове. В [8, 11] итерации метода производятся в разных про-
* Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (грант № 12-07-00778-а).
странственных разрешениях. Тем не менее ни в одной из этих работ не применяется более одного метода для каждой конкретной характеристики области радужки. В данной работе представлена система методов для определения параметров радужки и выделения этой области на изображении глаза. Обработка каждого из параметров происходит на нескольких шагах, сначала находится грубое приближение, которое затем уточняется.
Основная идея построения системы методов состоит в том, что вначале определяются наиболее общие и приближенные характеристики объектов, которые затем последовательно дополняются более частными и уточняются. Для начальных шагов системы не ставится задача выдать точные окончательные значения параметров. Вместо этого выдвигается требование общности и устойчивости работы в наиболее широком диапазоне характеристик изображения (т.е. возможность правильно обрабатывать изображения, зарегистрированные в разных условиях). С другой стороны, конечные шаги системы методов могут не быть столь общими, но должны давать наилучшую возможную точность результата. На конечных шагах доступна вся информация, полученная ранее, и задача состоит не в определении некоторого признака "с нуля" лишь по исходному изображению, но в уточнении его по уже вычисленному начальному приближению. Каждый из этих шагов реализуется специальным методом, отличным от других, приспособленным для выполнения достаточно узко поставленной задачи данного шага.
В следующем разделе рассматривается общая структура системы методов, затем идет краткое описание каждого из используемых алгоритмов. Некоторые из них публиковались ранее [12—15]. В экспериментальной части приводятся процедуры тестирования и полученные результаты, которые сравниваются с известными аналогами.
1. Схема методов сегментации радужки. Область радужки ограничена двумя приблизительно концентрическими контурами, близкими к окружностям, которые являются ее внутренней и внешней границами. Здесь и далее граница областей зрачка и радужки называется внутренней границей или границей зрачка, граница областей радужки и склеры — внешней границей или просто границей радужки. Как правило, граница зрачка видна полностью. Граница радужки обычно частично закрыта (затенена) ресницами и/или веками. Следует различать истинные (открытые лишь частично) и видимые границы области радужки. Форма истинных границ близка к окружности, и на начальных шагах сегментации видимые границы также предполагаются окружностями, а затенения рассматриваются как шумовые помехи. На конечных шагах происходит выделение именно этих, более тонких, особенностей границ.
Наиболее общим свойством радужки является положение приближенно совпадающего центра двух граничных окружностей, а значит, самая общая задача сегментации радужки на первом шаге — поиск этого центра. Следует отметить, что радиусы или иные размеры области радужки выступают уже следующей ступенью конкретизации, и на этом шаге не вычисляются. Отказ от определения радиуса позволяет задействовать при поиске обе приблизительно концентрические границы радужки. Для вычисления положения центра глаза используется модификация метода Хафа [15].
Следующим шагом после определения положения центра может быть поиск радиуса зрачка. Этот подход разрабатывается в [7] и других работах, где сегментация радужки начинается с вычисления центра глаза. Однако авторы считают, что такой путь не является общим и не будет эффективно работать на широком классе изображений радужки и условий регистрации. Определенному центру соответствуют две окружности (внутренняя и внешняя границы), поэтому метод, пытающийся найти единственную окружность, обнаружит одну из них в качестве, например, внутренней, но нет гарантий, что она действительно будет внутренней. Иными словами, может произойти ложное обнаружение. Эта проблема описана, например, в [16]. Такое ложное обнаружение внешней границы в качестве внутренней с большой вероятностью происходит на изображениях с низким контрастом и большим деформированием границы зрачок — радужка и высоким контрастом границы радужка — склера. Исходя из этих соображений, авторы предпочли следующим шагом сегментации сделать совместный поиск обеих окружностей. Здесь и далее этот шаг и метод, его реализующий, будут называться определением базовых радиусов, поскольку вычисляются приближенные (базовые) радиусы зрачка и радужки по отношению к приближенно найденному центру глаза. Этот метод основан на круговых проекциях градиента и кратко рассмотрен в следующем разделе. Более подробное описание содержится в [12].
В применяемом методе определения базовых радиусов возможны четыре разных результата: найдены оба радиуса (и зрачка, и радужки), найден лишь радиус зрачка, найден лишь радиус радужки, не определен ни один радиус. Последний вариант означает отсутствие подходящих контуров с центром приблизительно в заданной точке, т.е. отсутствие глаза на изображении; в этом
Рис. 1. Блок-схема системы методов
случае алгоритмическая схема прекращает работу. Первый (и лучший) вариант исполняется, если на изображении достоверно найдены приближенные внутренняя и внешняя границы радужки, которые могут быть уточнены на следующем шаге. Два промежуточных варианта, в которых найдена лишь одна из двух окружностей, возникают обычно на изображениях с дефектами: плохим контрастом, высоким шумом, сильным затенением радужки веками и ресницами. Такие изображения не подходят для распознавания. Тем не менее их также необходимо обрабатывать и выделять на них область радужки, например, для слежения и позиционирования. Для доопределения недостающего контура используются два метода: для получения границы зрачка по известной границе радужки и наоборот. Метод, применяемый для определения радужки по известному зрачку, аналогичен методу базового радиуса и также опирается на круговые проекции. Для доопределения границы зрачка по известной границе радужки выбран метод, основанный на триангуляции, т.е. вычислении центра окружности по тройкам точек, предположительно лежащих на ней. Этот метод кратко описан в следующем разделе.
После определения аппроксимирующих окружностей оба контура уточняются. Уточнени
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.