DETECÇÃO E EXTRAÇÃO DE CARACTERÍSTICAS DO OLHO HUMANO, A PARTIR DE UM MODELO PROTÓTIPO DEFORMÁVEL

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1 DETECÇÃO E EXTRAÇÃO DE CARACTERÍSTICAS DO OLHO HUMANO, A PARTIR DE UM MODELO PROTÓTIPO DEFORMÁVEL Frnando Jorg Soars Carvalho Dp. d Matmática, Instituto Suprior d Eng. do Porto R. Dr. António Brnardino d Almida 431, PORTO PORTUGAL fjc@isp.ipp.pt João Manul R. S. Tavars Dp. d Engnharia Mcânica Gstão Industrial, Fac. d Eng. da Univrsidad do Porto Lab. d Óptica Mcânica Exprimntal, Instituto d Eng. Mcânica Gstão Industrial Rua Dr. Robrto Frias s/n, PORTO PORTUGAL tavars@f.up.pt RESUMO Nst trabalho é aprsntada uma abordagm basada no uso d um modlo protótipo dformávl, qu pod constituir um dos princípios bas na dtcção da fac humana m imagns, mais concrtamnt na idntificação d caractrísticas faciais, como o olho, a boca, tc. O rfrido modlo é paramtrizado, o qu possibilita m dada imagm a xtracção adquada do valor dos parâmtros associados ao modlo matmático considrado, caractrizando assim a sua scala, posição orintação. Para além da dscrição rsumida da mtodologia usada, são aprsntados alguns rsultados xprimntais obtidos pla msma, usando a plataforma MATLAB. INTRODUÇÃO No domínio da Visão Computacional, uma das principais áras d invstigação é a da dtcção rconhcimnto d facs [4, 9, 10, 11]. Na ára da dtcção d facs, sta pod sr dtctada, por xmplo, como um todo, ou sja, a partir d um contorno gométrico qu a dfin d uma forma global. Como outro xmplo, a dtcção pod sr assgurada pla prsnça d dtrminadas caractrísticas faciais, como olho, a boca, sobranclhas, orlhas, tc. Considrando o olho como caractrística facial a dtctar, st pod sr rprsntado por um modlo protótipo, com contornos gométricos bm dfinidos, paramtrizado, o qu lh confr flxibilidad para altrar a sua scala, posição orintação, ou sja, dformar-s rigidamnt [1-5]. Para Tal, são usados campos d nrgia, rsultants d opradors morfológicos adquados qu ralçam dtrminadas caractrísticas do objcto a dtctar. Postriormnt, os parâmtros do modlo mprgu são actualizados, por intracção dinâmica ntr st a imagm da fac, procurando-s as rgiõs da imagm com baixo custo nrgético d dformação, usando para tal os campos d nrgia rfridos. O algoritmo d optimização utilizado nst trabalho é o do gradint dscndnt, qu visa itrativamnt a busca d difrnciais d nrgia mínimos dcrscnts d forma a assgurar a convrgência do procsso. Em [1], é utilizado o procsso dscrito antriormnt, tndo m vista o objctivo proposto. Já m [6] [7], é utilizado o msmo procsso, no ntanto, o modlo protótipo rprsntativo do olho não contmpla a dtcção da íris, dtctando apnas o contorno da pálpbra, prmitindo a xtnsão a casos ond o olho s possa ncontrar fchado. Por outro lado [8], pod-s ncontrar um trabalho na ára da mdicina, ond s prtnd rprsntar a partir d um modlo líptico dformávl, o intrior d uma artéria, analisando uma squência d imagns

2 xtraídas a partir d ultra-sons. Nst caso, o objctivo é dtctar a artéria analisar possívis strangulamntos da msma. Modlo Protótipo Dformávl O modlo protótipo dformávl utilizado nst trabalho, stá gomtricamnt dfinido à custa d uma circunfrência duas parábolas. A circunfrência rprsnta a íris do olho, nquanto duas parábolas, uma côncava outra convxa, rprsntam rspctivamnt o contorno limit suprior o contorno limit infrior do olho, figura 1. O modlo ncontra-s paramtrizado através d 11 parâmtros, o qu lh confr propridads dformávis. Na figura 1, os parâmtros x c r corrspondm ao cntro raio da íris rspctivamnt. Já o cntro do modlo stá indicado por x. A orintação do modlo construído é obtida pla localização dos pontos p 1 p 2, qu dfinm o ângulo d rotação θ. Os parâmtros a, c dfinm a localização dos vértics abrtura das parábolas rprsntativas do contorno do olho. b Figura 1 Modlo protótipo do olho considrado nst trabalho. METODOLOGIA O diagrama d blocos rprsntado na figura 2, dscrv a squência das fass qu prmitm conduzir dinamicamnt o modlo usado sobr uma dada imagm. Imagm Original Pré-Procssamnto Adaptação das Parábolas ao contorno do olho Paramtrização Inicial Obtnção do Ângulo d Inclinação do Olho Obtnção do Cntro da Íris Obtnção do Raio da Íris Figura 2 Fass da mtodologia usada nst trabalho para dtctar o olho m imagns.

3 Pré-procssamnto A primira fas da mtodologia adoptada nst trabalho consist m obtr imagns, cujos píxis ralçam dtrminadas caractrísticas da imagm original. As rfridas imagns são usualmnt dsignadas por campos d nrgia, rsultam da utilização d opradors morfológicos adquados [11]. A figura 3, aprsnta uma imagm original d um olho a figura 4 aprsnta as imagns corrspondnts a campos d nrgia considrados. Nst caso, utilizaram-s quatro campos d nrgia, corrspondnts aos vals d intnsidad, picos d intnsidad, orlas d intnsidad intnsidad d nívis d cinznto (a própria imagm original). O campo d nrgia corrspondnt aos vals d intnsidad, ralça rgiõs da imagm original com nívis d intnsidad mínima, nst caso, procura-s ralçar a íris. Já os picos d intnsidad, ralçam rgiõs da imagm com nívis d intnsidad lvada, nst caso, ralça-s a part branca do olho, nst domínio conhcida por córna óptica. Sguidamnt, as orlas d intnsidad são obtidas a partir do dtctor d orlas d Canny [11], ralçando-s rgiõs da imagm original com lvado contrast d intnsidad, prmitindo assim idntificar d forma notória o contorno do olho. Uma vz qu, nst trabalho, os campos d nrgia obtidos são binários, é postriormnt ralizada uma convolução ntr os três campos uma função xponncial, prmitindo-s assim qu o modlo protótipo possa sr posicionado m rgiõs da imagm mais distants da posição final, aumntando-s dsta forma a possibilidad d atracção a distâncias mais significativas. Esta opração é conhcida por suavização ou alisamnto dos campos d nrgia [11]. Figura 3 Imagm original do olho. Figura 4 Imagm rprsntativa dos campos d nrgia considrados: picos d intnsidad, orlas d intnsidad, vals d intnsidad, picos d intnsidad com suavização, orlas d intnsidad com suavização vals d intnsidad com suavização (da squrda para a dirita d cima para baixo). Os rfridos campos d nrgia são dsignados por: Ψ ( x,, ( x, p Ψ Ψ ( x, y v ), para picos, orlas vals d intnsidads, rspctivamnt. Sndo ρ um parâmtro constant, da convolução d suavização rsulta:

4 O quarto campo d nrgia (, ) 3). Paramtrização Inicial φ φ φ Ψ i v 2 2 ρ x + y ( x, = Ψ ( x, p 2 2 ρ x + y ( x, = Ψ ( x, 2 2 ρ x + y ( x, = Ψ ( x, v p,,. x y, corrspond à imagm d intnsidad original (figura A paramtrização inicial do modlo protótipo usado, consist na atribuição d valors arbitrários adquados aos parâmtros dst. Uma vz qu o algoritmo funciona itrativamnt, os valors numéricos finais dsss parâmtros podm sr muito difrnts dos valors inicialmnt atribuídos. RESULTADOS EXPERIMENTAIS Nsta sssão, aprsntam-s alguns dos rsultados xprimntais obtidos pla mtodologia usada m plataforma MATLAB. Obtnção do Cntro da Íris Nst trabalho, o cntro da íris é procurado itrativamnt num domínio d raio r, sndo calculadas as variaçõs mínimas d nrgia rsultants da anális ao campo rprsntativo dos vals d intnsidad, no intrior do domínio considrado. A figura 5, rprsnta a vrmlho o ponto inicial d coordnadas (40, 40) píxis, atribuído plo utilizador, o ponto final a vrd d coordnadas (45,26) píxis obtido pla mtodologia, a azul stão rprsntados os pontos intrmédios considrados. A origm do rfrncial usado é o canto suprior squrdo. Figura 5 Imagm rprsntativa da dtrminação automática do cntro da Íris: a vrmlho o ponto d partida atribuído a vrd o ponto final obtido.

5 Obtnção do Raio da Íris Postriormnt, o raio do contorno da íris é obtido utilizando o campo d nrgia corrspondnt aos vals d intnsidad o campo d nrgia corrspondnt à intnsidad da imagm. A figura 6, mostra qu do raio inicial d valor igual a 6 píxis, obtv-s o raio final d 9,6 píxis. Figura 6 Imagm rprsntativa da obtnção do raio do contorno da Íris, a vrmlho a circunfrência final. Sguidamnt, é utilizado o campo rfrnt às orlas d intnsidad com o objctivo d afinar o valor do raio ncontrado antriormnt para o contorno da íris, sta opração é d scala, conhcida usualmnt por ajust fino. A figura 7, mostra qu do raio inicial d valor 9,6 píxis, obtv-s o raio final d 11 píxis. Figura 7 Imagm rprsntativa da obtnção do raio final do contorno da Íris, a vrmlho a circunfrência final após ajust fino. Obtnção do Ângulo d Inclinação O campo d nrgia rfrnt aos picos d intnsidad, dfin a localização da córna óptica, sndo o objctivo dsta fas a procura itrativa da localização d dois pontos qu dfinm o ângulo d inclinação do olho na imagm. Na figura 8, ncontram-s idntificados por círculos a azul dois pontos, situados na córna óptica, qu s dslocam itrativamnt, pontos a vrmlho, até ncontrarm um ponto d drivada nula corrspondnt a um máximo. Na msma figura, sinalizados a vrd ncontrams os dois pontos óptimos dtrminados pla mtodologia. Para o caso considrado, vrificous qu o rfrido olho aprsnta na imagm um ângulo d inclinação d 0,24 rad rlativamnt ao ixo das abcissas.

6 Figura 8 Imagm rprsntativa da obtnção itrativa do ângulo d inclinação do olho rprsntado na imagm. CONCLUSÕES E PRESPECTIVAS DE TRABALHO FUTURO Nst trabalho, dsnvolvu-s uma mtodologia basada na utilização d um modlo protótipo dformávl para dtcção xtracção d caractrísticas faciais, nomadamnt do olho. Dos rsultados xprimntais obtidos pla msma mtodologia, vrificou-s qu sta aprsnta um comportamnto robusto d acordo com o sprado. Sndo st comportamnto dvidamnt influnciado plas forças d imagm considradas, traduzidas plos campos d nrgia usados. Como tarfas futuras, dstacam-s a considração das parábolas do protótipo usado, a considração d informação adicional para dtrminar d forma automática a posição a orintação inicial do protótipo na imagm. Para sta sgunda tapa, srá usada informação obtida por um algoritmo d dtcção d zonas d pl já implmntado [5]. AGRADECIMENTOS Est trabalho foi parcialmnt ralizado no âmbito do projcto Sgmntação, Sguimnto Anális d Movimnto d Objctos Dformávis (2D/3D) usando Princípios Físicos com a rfrência POSC/EEA-SRI/55386/2004, suportado financiramnt pla FCT - Fundação para a Ciência a Tcnologia. REFERÊNCIAS [1] A. Yuill, P. Hallinan, and D. Cohn, "Fatur Extraction from Facs Using Dformabl Tmplats," Intrnational Journal of Computr Vision, vol. 8, pp , [2] A. L.Yuill, "Dformabl Tmplats for Fac Rcognition," Journal of Cognitiv Nuroscinc, vol. 3, pp , [3] A. L. Yuill, D. S. Cohn, and P. W. Hallinan, "Fatur xtraction from facs using dformabl tmplats," prsntd at IEEE Confrnc on Computr Vision and Pattrn Rcognition, [4] F. J. S. Carvalho and J. M. R. S. Tavars, "Imagns d Facs: Exmplos d Mtodologias Aplicaçõs," prsntd at 4as Jornadas Politécnicas d Engnharia, Mcânica, Automóvl, Organização Gstão Industrial, Enrgia Ambint, Instituto Suprior d Engnharia do Porto, Porto, Portugal, 2004.

7 [5] Frnando J. S. Carvalho and João M. R. S. Tavars, "Mtodologias para idntificação d facs m imagns: introdução xmplos d rsultados," prsntd at Congrsso d Métodos Numéricos n Ingniría 2005, 4 7 d julio d 2005, Granada, España. [6] Y. Wu, H. Liu, H. Zha, "A Nw Mthod of Human Eylids Dtction Basd on Dformabl Tmplats," Proc Sino-Kora Symp. On Intllignt Systms, pp.49-54, Guangzhou, China, Nov. 18, [7] Y. Wu, H. Liu, H. Zha, "A Nw Mthod of Human Eylids Dtction Basd on Dformabl Tmplats," to appar in Proc. IEEE Int. Conf. on Systms, Man, and Cybrntics (SMC'04), Hagu, Nthrlands, Oct , [8] Migul A. Cazorla, Francisco Escolano, Ramón Rizo y Domingo Gallardo "Dformabl Tmplats for Tracking and Analysis of Intravascular Ultrasound Squncs," Intrnational Workshop on Enrgy Minimization Mthods in Computr Vision and Pattrn Rcognition, Vncia, Mayo, [9] M. Pantic and L. J. M. Rothkrantz, "Automatic Analysis of Facial Exprssions: Th stat of art," IEEE Transactions on Pattrn Analysis and Machin Intllignc, vol. 22, [10] M. Yang, D. J. Krigman, and N. Ahuja, "Dtcting Facs in Imags: A Survy," IEEE Transactions on Pattrn Analysis and Machin Intllignc, vol. 24, [11] R. J. Schalkoff, Digital Imag Procssing and Computr Vision: John Willy & Sons, Inc., 1989.