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内容简介
人脸工程学的研究内容主要包括人脸识别、表情识别和人脸合成三个部分。本书分别介绍了人脸识别、表情识别和人脸合成研究中用到的相关理论和算法,后在总结作者所在课题组研究成果的基础上,给出了人脸识别、表情识别和人脸合成系统的设计与实现流程实例。
目录
前言
第1章绪论
1.1人脸工程学
1.1.1人脸工程学的研究内容
1.1.2人脸工程学研究的意义与应用
1.1.3人脸工程学研究在实用化过程中的挑战
1.2人脸工程学研究历程
1.2.1人脸识别
1.2.2表情识别
1.2.3人脸合成
1.2.4相关学术资源
1.3人脸工程学的未来研究方向
1.4本书的内容
参考文献
第2章人脸工程学研究的学科基础
2.1人类学对人脸的研究
2.1.1达尔文之前的研究
2.1.2达尔文对表情的研究
2.2文学艺术中对人脸的研究
2.2.1人脸的美学研究
2.2.2人脸表情在戏曲和舞台剧中的表现
2.2.3人脸在各种美术画法中的表现
2.3动画中人脸的表现
2.3.1人脸动画的应用
2.3.2卡通动画中人脸的表现形式及常用软件
2.3.3二维动画中人脸的表现
2.4情绪心理学关于表情的研究
2.5认知心理学关于人脸的研究
2.6脑科学关于人脸的研究
2.6.1人脸识别的ERP研究
2.6.2表情识别的ERP研究
参考文献
第3章面部运动的测量技术
3.1概述
3.2面部动作编码系统
3.2.1概述
3.2.2FACS的特点与应用
3.2.3FACS的扩展与改进
3.3最大限度辨别面部肌肉运动编码系统
3.3.1伊扎德与MAX
3.3.2MAX的主要内容
3.3.3MAX与FACS的比较
3.4其他面部表情测量系统
3.4.1表情识别整体判断系统
3.4.2自我评估情绪编码系统
3.4.3面部表情分析工具
参考文献
第4章图像处理技术
4.1图像处理的基本概念
4.1.1数字图像的概念
4.1.2数字图像处理的概念
4.2图像处理的基本操作
4.2.1图像的平移、旋转、放缩、镜像变换、转置
4.2.2图像的平滑、锐化
4.2.3图像的腐蚀、膨胀和细化
4.2.4图像的恢复与重建
4.3图像处理的高级操作
4.3.1图像的边缘检测
4.3.2图像的Hough变换
4.3.3轮廓的提取与跟踪
参考文献
第5章人脸检测跟踪技术
5.1人脸检测
5.1.1人脸检测方法的分类
5.1.2基于肤色的人脸检测
5.1.3基于形状的人脸检测
5.1.4基于特征的人脸检测
5.2人脸跟踪
5.2.1帧差法
5.2.2基于运动目标预测的人脸跟踪
5.2.3基于模型的人脸跟踪
5.2.4基于人脸局部特征的人脸跟踪
参考文献
第6章面部特征提取的算法
6.1概述
6.2几何特征的提取
6.3统计特征的提取
6.3.1主成分分析算法
6.3.2二维主成分分析算法
6.3.3线性判别分析算法
6.3.4独立成分分析算法
6.4频率域特征的提取
6.4.1小波技术
6.4.2Gabor小波
6.4.3离散余弦变换
6.5运动特征的提取
6.6代数特征的提取
参考文献
第7章面部特征的模式识别算法
7.1线性判别分析
7.1.1线性判别函数的基本概念
7.1.2Fisher线性判别
7.1.3小结
7.2支持向量机
7.2.1支持向量机基本原理
7.2.2SVM分类器的设计
7.2.3小结
7.3贝叶斯网络
7.3.1概述
7.3.2贝叶斯网络概率基础
7.3.3贝叶斯网络的构建
7.3.4贝叶斯网络推理算法
7.3.5贝叶斯网络分类器
7.3.6小结
7.4隐马尔可夫模型及其基本问题
7.4.1概述
7.4.2马尔可夫链模型
7.4.3隐马尔可夫模型
7.4.4隐马尔可夫模型的三个基本问题
7.4.5隐马尔可夫算法实现中的基本问题
7.4.6小结
7.5人工神经网络
7.5.1概述
7.5.2人工神经网络集成
7.5.3小结
7.6模糊模式识别
7.6.1概述
7.6.2模糊数学基本理论
7.6.3模糊模式识别
7.6.4小结
参考文献
第8章人脸合成的方法与技术
8.1概述
8.2人脸合成技术的分类
8.3人脸几何建模
8.3.1人脸模型的表达形式
8.3.2一般人脸模型
8.3.3特定人脸模型
8.4纹理映射
8.5人脸动画
8.5.1人脸动画技术
8.5.2人脸动画驱动技术
8.6MPEG��4人脸动画原理
8.6.1FDP、FAP与FAPU的定义
8.6.2FAP驱动人脸动画的基本原理
参考文献
第9章人脸识别系统
9.1概述
9.2人脸识别关键问题的研究
9.3人脸识别流程
9.4人脸识别系统的设计与实现
9.4.1人脸识别系统的总体设计
9.4.2人脸识别系统的算法设计
9.4.3人脸识别系统的实现
参考文献
第10章面部表情识别系统
10.1概述
10.2基于静态图像的面部表情识别系统
10.2.1系统的总体设计
10.2.2系统的算法设计
10.2.3系统的实现
10.3基于主动表观模型的实时面部表情识别系统
10.3.1系统设计
10.3.2基于肤色模型的人脸检测
10.3.3人脸图像预处理
10.3.4特征点定位及特征提取
10.3.5表情识别
10.4基于动态图像序列的面部表情识别
10.4.1光流的基本计算方法
10.4.2基于Hessian矩阵的改进光流算法
10.4.3散度�残�度样条约束下的非刚体光流算法
10.4.4基于改进MMI的HMM算法的面部表情识别
10.4.5基于改进MMD的HMM算法的面部表情识别
参考文献
第11章人脸合成实例
11.1基于视频的人脸表情合成
11.1.1Candide模型
11.1.2标准人脸模型到特定人脸模型的变换
11.1.3纹理贴图
11.1.4面部表情的运动计算及表情合成
11.1.5实时表情信息获取与表情重构的实现
11.1.6小结
11.2三维虚拟人脸模型
11.2.1三维人脸模型的建立
11.2.2特征点的选取
11.2.3纹理映射
11.2.4特定虚拟人脸模型的实现
11.2.5小结
11.3虚拟人脸的年龄仿真
11.3.1年龄老化特征的相关研究
11.3.2Dirichlet自由变形算法
11.3.3Dirichlet自由变形算法在三维空间中的应用
11.3.4应用Dirichlet自由变形算法生成特定人脸模型
11.3.5虚拟人脸部年龄仿真的实现
参考文献
附录缩略语
前言/序言
人脸研究是跨越人文科学与自然科学的新兴交叉研究领域,日益得到人们的重视。随着其研究成果在和谐人机交互、机器人、虚拟现实、身份识别等领域得到应用,希望了解学习人脸研究相关知识的人也越来越多。针对这种需求,作者在多年研究的基础上,整理编写了本书,目的是为对人脸研究感兴趣的学生和研究人员提供一本较全面的入门参考书籍。
人脸工程学是指以人类学、心理学、脑科学、人文科学、认知科学、信息科学、人工智能等学科为理论基础,利用工程的方法和技术(尤其是信息技术)对人脸(包括识别、建模与重构)进行研究的学问。本书详细介绍了人脸工程研究的相关理论和算法,并总结作者所在课题组的研究成果,给出了人脸识别、表情识别和人脸合成等实例系统。
全书共有11章。第1章主要介绍人脸工程学的研究内容、发展情况及应用领域;第2章论述了人类学、文学艺术、心理学与脑科学、动画领域关于人脸的研究;第3章给出了几种常见的面部动作编码系统和面部表情测量系统;第4章阐述了图像处理技术;第5章给出了几种常用的人脸跟踪检测技术;第6章主要介绍几种常用的特征提取算法;第7章叙述了几种常用的模式识别算法;第8章主要介绍常用的人脸合成技术;第9章给出了人脸识别系统的设计范例;第10章介绍了表情识别系统;第11章阐述了人脸合成系统。
本书的出版得到了机械工业出版社的大力支持,在此表示诚挚的感谢。同时感谢国家重点研发计划重点专项(2016YFB1001404)、国家自然科学基金重点项目(6143204)、国防科技创新特区项目(1716312ZT00201401)以及北京科技大学中央高校基本科研业务项目(FRF—TP—16—045A1)的资助。
由于作者的水平有限,书中肯定有不少的缺点和疏漏之处,敬请读者批评指正。
《解码面孔:人类情感的视觉语言》 引言 人类的面孔,是最具表现力的画布,承载着我们最深刻的情感、最微妙的思绪,以及我们与世界互动中最本质的信息。从婴儿的第一抹微笑到老人饱经风霜的纹路,面孔讲述着一个独一无二的故事,一个关于我们是谁、我们感受如何、以及我们如何与他人建立联系的故事。这本书《解码面孔:人类情感的视觉语言》并非探究技术层面的“机器智能”在人脸识别上的突破,而是深入挖掘人类面孔本身所蕴含的丰富而迷人的“情感语言”。我们将一同踏上一段旅程,探索面孔如何成为人类内心世界的直接映射,以及我们如何潜意识地解读这些视觉信号,构建社会关系,理解他人的动机,甚至塑造我们自己的情感表达。 第一章:面孔——天生的通信器 从生命诞生之初,人类婴儿就以其独特的方式运用面孔进行交流。研究表明,新生儿就具备识别和模仿面部表情的能力。微笑,作为最普遍的积极信号,能够迅速唤起照料者的关怀和连接感。而皱眉、哭泣等则能有效传达需求和不适。这种与生俱来的面孔沟通能力,为我们日后复杂的社交互动奠定了基础。 在本章,我们将详细探讨: 婴儿面孔的早期发展与沟通: 从出生后几小时内的反射性微笑,到几周后有意识的社交微笑,探讨婴儿面孔表情的发展轨迹,以及它们在建立早期亲子关系中的作用。 基本情感的面孔表达: 聚焦于那些被广泛认为是普适性的基本情感——快乐、悲伤、愤怒、恐惧、惊讶、厌恶——在面孔上的典型表达方式。我们将分析这些表情是如何通过肌肉的细微运动组合而成的,以及它们跨越文化障碍的普遍性。 非语言信号的面孔维度: 除了主要的面部表情,我们还将探索面孔上其他非语言信号的重要性,例如眼神的注视方向、瞳孔的扩张或收缩、眉毛的高低起伏、嘴唇的抿紧或放松等,它们如何共同构建一个更为 nuanced 的情感信息。 面孔在个体识别中的作用: 虽然本书重心不在技术识别,但面孔作为个体独一无二的标识,其在社会交往中的基础性作用不容忽视。我们将简要提及面孔的独特性如何帮助我们记住和区分他人,从而形成稳定的社会网络。 第二章:情感的面孔密码——微表情的艺术 我们大部分的面孔交流是潜意识的,高效且瞬息万端的。在某些情况下,尤其是在试图隐藏真实情感时,极其短暂而难以察觉的“微表情”会一闪而过,暴露内心真实的想法。理解微表情,如同获得了一把解锁他人情感世界的钥匙。 本章将深入剖析: 微表情的定义与特征: 区分微表情与一般的面部表情,强调其短暂性(通常不到半秒)、不自主性和潜在的欺骗性。 识别微表情的关键线索: 聚焦于面部特定区域的微小变化,例如眉毛的瞬间抬起、嘴角的一丝抽动、眼睑的轻微闭合等,以及如何捕捉这些稍纵即逝的信号。 微表情与真实情感的关联: 探讨微表情如何成为情感压抑或隐藏的“泄露点”,以及它们与我们所感受到的真实情感之间的复杂关系。 训练识别微表情的方法: 提供一些实用的练习和技巧,帮助读者提高对微表情的敏感度和识别能力,但强调这并非“读心术”,而是对人类普遍情感表达模式的观察和理解。 微表情在社会互动中的影响: 讨论微表情在日常对话、谈判、面试等场景中的潜在作用,以及它们如何影响我们对他人动机和诚信的判断。 第三章:表情背后的生理与心理机制 面孔表情并非孤立存在,它们与我们大脑的活动、神经系统的反应以及心理状态息息相关。理解这些内在机制,能让我们更深刻地认识面孔表情的产生根源。 在本章,我们将考察: 大脑与面部肌肉的连接: 简述大脑皮层中的运动区域如何通过神经通路控制面部肌肉的收缩和舒张,从而产生各种表情。 情绪与表情的神经生理基础: 探索情绪产生过程中大脑边缘系统(如杏仁核、海马体)和神经递质(如多巴胺、血清素)的作用,以及它们如何影响我们的情感体验并最终体现在面孔上。 面孔表情的反馈回路: 探讨面孔表情本身如何反过来影响我们的情绪状态。例如,一个微笑可能会让我们感到更快乐,而一个皱眉可能会加剧我们的负面情绪。这种“面部反馈假说”的科学依据。 先天与后天因素的影响: 讨论遗传基因和成长环境(文化、学习)在塑造个体独特面孔表情模式中的作用。为什么有些人天生表情丰富,而有些人则相对内敛? 共情与面孔的镜像神经元: 引入“镜像神经元”的概念,解释它们在我们理解他人情绪时的重要作用。当我们看到别人微笑时,我们大脑中与微笑相关的区域也会被激活,从而产生一种“感同身受”的体验。 第四章:文化的面孔,情感的变奏 尽管存在一些普适性的基本情感表达,但文化在塑造面孔表情的表达方式、接受度以及解读含义上扮演着至关重要的角色。同一个表情,在不同的文化背景下,可能传递出截然不同的信息。 本章将深入研究: 跨文化的情感表达共性与差异: 探讨不同文化背景下,人们在表达快乐、悲伤、愤怒等情感时,面孔肌肉的使用和强度是否存在差异。 文化规则与情感的“显示规则”: 解释“显示规则”(Display Rules)的概念,即特定文化社会规范如何指导个体何时、何地、以何种方式以及向谁表达某种情绪。例如,在一些文化中,公开表达愤怒被视为失礼。 面孔表情在不同文化中的象征意义: 分析某些面孔表情在特定文化中可能被赋予的独特象征意义,例如,某些手势与面部表情结合时可能产生的特定含义。 眼部表情的文化解读: 聚焦于眼神的交流,探讨不同文化中对眼神接触、回避、注视时长的解读差异,以及它们如何影响社交互动。 学习与模仿的文化传播: 讨论面孔表情的表达方式是如何通过社会学习和模仿在家庭、学校和社会中代代相传的。 第五章:面孔的社会意义——连接与理解 面孔不仅是情感的载体,更是构建人际关系、建立社会联系、理解他人意图和动机的关键媒介。我们通过观察面孔,建立信任,评估风险,并做出复杂的社交判断。 在本章,我们将重点探讨: 信任与面孔: 分析哪些面孔特征(例如,对称性、温暖的眼神、适度的微笑)更容易让人产生信任感,以及反之,哪些特征可能引起警惕。 面孔在领导力与说服力中的作用: 探讨具有特定面孔特征的领导者如何更能获得追随者的认同,以及在谈判和说服过程中,面孔表情如何影响对方的决策。 面孔与共情能力的培养: 再次强调面孔在共情过程中的核心作用,以及我们如何通过观察和理解他人的面孔表情来培养和提升自身的同理心。 面孔在社会判断中的偏差: 讨论我们可能存在的基于面孔的刻板印象或偏见,例如,“长相甜美”的女性可能被认为更“无害”,或者“严肃面孔”的人可能被视为“不友善”。 面孔在家庭与亲密关系中的角色: 探讨在亲密关系中,面孔表情如何传递爱意、支持、不满或疏远,以及这些表情如何影响关系的质量和稳定性。 第六章:面孔之外——沉默的叙事 除了直接的面部表情,面孔的整体状态、细微的生理变化、甚至面孔的“故事感”——例如皮肤的质地、皱纹的分布、甚至短暂的潮红或苍白——都在无声地讲述着关于个体健康、生活习惯、甚至经历过往的信息。 本章将触及: 健康状况的面孔信号: 探索某些疾病或健康问题如何在面孔上留下痕迹,例如,黄疸引起的肤色变化、贫血造成的面色苍白、睡眠不足导致的眼部浮肿等。 生活方式与面孔的变化: 分析长期暴露于阳光、不良饮食习惯、吸烟等不良生活方式如何影响面孔的皮肤状况、皱纹的形成等,以及这些变化如何被他人解读。 年龄感与面孔的叙事: 探讨面孔上自然出现的皱纹、松弛、色斑等如何构成一个人年龄的“叙事”,以及我们如何通过这些特征来推断一个人的生命阶段和经历。 情绪触发的生理反应在面孔上的体现: 例如,紧张或焦虑时可能出现的出汗、面部肌肉僵硬,或者羞愧时脸颊的潮红,这些都是情感的生理信号在面孔上的直观展现。 面孔的“故事性”解读: 尝试理解我们如何综合运用面孔上的多种信息——表情、纹路、肤色、眼神——来构建一个关于他人的整体印象,这是一种超越简单表情解读的复杂认知过程。 结论 《解码面孔:人类情感的视觉语言》并非一本关于“机器如何看人脸”的技术指南,而是一次对人类自身最迷人、最丰富的交流媒介——面孔——的深刻探索。我们已经看到了面孔如何作为我们天生的通信器,如何通过微表情揭示隐藏的情感,如何与我们的生理和心理机制紧密相连,如何受到文化的影响,以及它在我们社会交往中扮演的关键角色。 通过深入理解面孔的视觉语言,我们不仅能更敏锐地洞察他人的情感世界,提升我们的人际交往能力,更能反过来审视和理解我们自己的情感表达。这本书鼓励读者以一种全新的视角去观察和体验面孔,去欣赏那些无声的交流,去感受那份属于人类特有的情感连接。面孔,是灵魂最忠实的镜子,是连接你我的桥梁,是解开人性和社会复杂性的一把关键钥匙。让我们一同在这场面孔的解读之旅中,发现更多关于我们自身和他人的深刻洞见。