一種基于有源毫米波成像的隱私部位定位與保護方法與流程

本發明屬于有源毫米波成像領域，具體涉及一種基于有源毫米波成像的隱私部位定位與保護方法。

背景技術：

有源毫米波成像系統通過發射和接收物體輻射的毫米波波段能量，并利用探測到的從被測物體反射的信號強度來實現成像。該成像方法無離子輻射、方式隱蔽、非接觸、分辨適度，不會危害被檢人員健康，成像分辨率高于無源毫米波成像方式，適應人體安檢的綜合應用。因此，利用有源毫米波探測成像技術來實現對隨身隱匿違禁物的透視成像探檢，成為近年來國內外科學界和企業界研究熱點和發展的主流方向。目標檢測技術是利用隱匿目標的亮溫、尺度、形狀、運動等特征與背景的差異，在毫米波圖像序列中對目標進行檢測、分割和定位隱匿目標。近年在反恐領域多有應用，利用有源毫米波探測成像技術對隱匿物(如槍支、兇器和塑料爆炸物等)的檢測，已經在營區、機場、銀行、場館等重要場所開展了系列安檢示范應用。

雖然有源毫米波成像不能像X射線那樣清晰，但仍然能夠看出人體某些隱私部位，采用技術手段對人像隱私部位進行保護成為近年來人們關注的熱點。

常規的隱私部位定位方法可以分為兩類，一類是橫向分割定位，另一類是中位線直方圖定位(參考專利文獻ZL201110458213.5的技術方案)。橫向分割定位對于人體的面部、胸部、襠部位置定位較為準確，一般不會出現上下偏移，但是由于沒有左右方向的限定，可能無法正確區分人體面部和高舉的手部，造成面部識別位置左右偏移；而且橫向分割定位算法操作復雜，運算量大，在實際運用中無法滿足毫米波安檢系統快速檢測的需求。中位線直方圖定位在算法初期就需要先確定人體圖像的中位線所在，但在實際使用時，受檢人的站姿不統一，可能出現中位線定位不準確，從而導致后期遮擋位置不正確。

常規的隱私保護模糊化方法采用卷積濾波，即選擇低頻濾波器，對圖像中每個像素點進行卷積操作，由于卷積計算量巨大，使得程序運行效率低下，影響圖像呈現時間。

技術實現要素：

針對上述現有技術的不足，本發明目的在于提供一種基于有源毫米波成像的隱私部位定位與保護方法，該方法可以對不同站姿、不同高度的人員進行快速準確的隱私部位定位和保護。

為了實現上述目的，本發明采用如下技術方案：

一種基于有源毫米波成像的隱私部位定位與保護方法，包括以下步驟：

步驟S1，對原始的有源毫米波人體圖像進行圖像降噪預處理；

步驟S2，在降噪后的有源毫米波人體圖像中進行面部、胸部和襠部位置定位；

步驟S3，結合所述步驟S2的定位結果對面部、胸部和襠部位置進行模糊化處理；

其中，所述步驟S2包括：

步驟S21，對降噪后的有源毫米波人體圖像進行圖像二值化處理；

步驟S22，對二值化處理后的有源毫米波人體圖像進行形態學處理，以使圖像中的人體目標像素點的灰度值皆為255，背景像素點的灰度值皆為0；

步驟S23，在形態學處理后的圖像中確定人體目標高度；

步驟S24，根據人體目標高度與有源毫米波人體圖像整體高度的比值進行面部定位；

步驟S25，根據人體目標高度、面部定位結果和預先建立的人體部位相對位置比例模型進行胸部和襠部的初步定位；

步驟S26，對胸部和襠部的初步定位結果進行復查校準，得到胸部和襠部位置的準確定位。

優選地，所述步驟1采用數學形態學處理算法進行圖像降噪預處理。

進一步地，所述數學形態學處理算法采用式(1)實現：

g(x,y)＝(A-1)×f(x,y)+h(x,y) (1)；

式(1)中，x為圖像中像素點的列數目，y為圖像中像素點的行數目，g(x,y)為經過降噪處理后的圖像，f(x,y)為原始的有源毫米波人體圖像，h(x,y)為f(x,y)經過高通濾波后的圖像，變量A為控制降噪程度的常數。

優選地，所述步驟S21中圖像二值化處理采用式(3)實現：

式(3)中，g(x,y)表示降噪處理后的有源毫米波人體圖像，G(x,y)表示二值化處理后的有源毫米波人體圖像，T為二值化的閾值。

優選地，所述二值化的閾值T采用最大類間方差法計算得到。

進一步地，所述步驟S22中的形態學處理包括形態學的腐蝕運算及閉運算處理。

進一步地，所述步驟S23通過如下步驟確定人體目標高度：

步驟S231，從二值化處理后的有源毫米波人體圖像頂部沿垂直方向遍歷各個像素點，并求得垂直方向上灰度值為255的連續長度最長的像素點串，以該串像素點最頂部的像素點作為人體目標的最高點；

步驟S232，從二值化處理后的有源毫米波人體圖像底部開始橫向逐行遍歷像素點，當遇到灰度值為255的像素點時停止遍歷，以此點作為人體目標的最低點；

步驟S233，計算人體目標的最高點與最低點之差，即得到人體目標高度。

進一步地，所述步驟S24通過如下步驟進行面部定位：

步驟S241，根據人體目標高度與有源毫米波人體圖像整體高度的比值，在有源毫米波人體圖像的上半部分劃定一面部待定框，并使一面部鎖定框在所述面部待定框內移動遍歷，遍歷過程中分別獲取所述面部鎖定框在不同位置時其內部各像素點的灰度值；

步驟S242，計算所述面部鎖定框在不同位置時其內部包含的灰度值為255的像素點個數，并得到包含灰度值為255的像素點個數最多時所述面部鎖定框的位置，該位置即為面部定位位置。

進一步地，所述步驟S25通過如下步驟進行胸部初步定位：

步驟S251，根據面部定位結果、人體目標高度和預先建立的人體部位相對位置比例模型，在有源毫米波人體圖像上劃定一胸部待定框，并使一胸部鎖定框在所述胸部待定框內移動遍歷，遍歷過程中分別獲取所述胸部鎖定框在不同位置時其內部各像素點的灰度值；

步驟S252，計算所述胸部鎖定框在不同位置時其內部包含的灰度值為255的像素點個數，并得到包含灰度值為255的像素點個數最多時所述胸部鎖定框的位置，該位置即為胸部初步定位位置。

進一步地，所述步驟S25通過如下步驟進行襠部初步定位：

步驟S253，根據面部定位結果、人體目標高度和預先建立的人體部位相對位置比例模型，在有源毫米波人體圖像上劃定一襠部待定框，并使一襠部鎖定框在所述襠部待定框內移動遍歷，遍歷過程中分別獲取所述襠部鎖定框在不同位置時其內部各像素點的灰度值；

步驟S254，計算所述襠部鎖定框在不同位置時其內部包含的灰度值為255的像素點個數，并得到包含灰度值為255的像素點個數最多時所述襠部鎖定框的位置，該位置即為襠部初步定位位置。

進一步地，所述步驟S26通過如下步驟進行胸部準確定位：

步驟S261，遍歷所述胸部待定框左右兩側的像素點，確認左側或右側是否存在連續的灰度值為255的像素點，若存在，則相應向左或向右擴大胸部待定框的寬度；

步驟S262，使所述胸部鎖定框在所述胸部待定框內移動遍歷，遍歷過程中分別獲取所述胸部鎖定框在不同位置時其內部各像素點的灰度值；

步驟S263，計算所述胸部鎖定框在不同位置時其內部包含的灰度值為255的像素點個數，并得到包含灰度值為255的像素點個數最多時所述胸部鎖定框的位置，該位置即為胸部準確定位位置。

進一步地，所述步驟S26通過如下步驟進行襠部準確定位：

步驟S264，遍歷所述襠部待定框下方的像素點，確認下方是否存在連續的灰度值為255的像素點，若存在，則相應向下擴大襠部待定框的高度；

步驟S265，使所述襠部鎖定框在所述襠部待定框內移動遍歷，遍歷過程中分別獲取所述襠部鎖定框在不同位置時其內部各像素點的灰度值；

步驟S266，計算所述襠部鎖定框在不同位置時其內部包含的灰度值為255的像素點個數，并得到包含灰度值為255的像素點個數最多時所述襠部鎖定框的位置，該位置即為襠部準確定位位置。

優選地，所述步驟S3采用快速均值濾波算法對面部、胸部和襠部位置進行模糊化處理。

通過采用上述技術方案，本發明帶來如下有益效果：通過采用先進的數學形態學處理算法對原始的有源毫米波人體圖像進行降噪處理，增強了圖像對比度，提高了圖像的分辨率；通過采用圖像二值化、形態學處理、人體目標身高確定、面部定位、胸部和襠部初步定位和定位復查校準步驟對隱私部位加以辨識，可以對不同站姿，不同高度的人員進行準確的隱私部位定位；最后，通過采用快速均值濾波算法對隱私部位進行模糊化處理，可以有效保護被檢人員隱私，并且大幅減少了圖像呈現的時間，提高運算效率。此外，本發明中隱私部位的模糊程度可根據快速均值濾波的迭代次數控制，模糊區域大小可以根據隱私部位的不同進行調節。

附圖說明

圖1為本發明一種基于有源毫米波成像的隱私部位定位與保護方法的流程圖；

圖2為本發明人體隱私部位識別定位步驟的流程圖；

圖3為兩個不同身高受檢人的原始有源毫米波人體圖像；

圖4為受檢人典型站姿的示意圖；

圖5為本發明模糊化處理過程中濾波區域的示意圖；

圖6為本發明兩個不同高度人員隱私部位模糊化效果圖；

圖7為現有技術橫向分割法導致的面部定位橫向偏移圖；

圖8為本發明不同站姿人員隱私部位模糊化效果圖。

具體實施方式

下面結合附圖，給出本發明的較佳實施例，并予以詳細描述，使能更好地理解本發明的功能、特點。

如圖1所示，本發明主要通過圖像降噪預處理、人體隱私部位識別定位和隱私部位模糊化處理三個步驟完成對有源毫米波人體圖像中面部、胸部和襠部的定位和保護，達到保護受檢人個人隱私的目的。

下面分別對上述各步驟的具體操作過程進行詳細描述：

1、圖像降噪預處理

通常，有源毫米波系統在成像時，會受到接收機部件、數據采樣、周圍環境溫度和天氣狀況等因素影響，獲得的圖像一般都具有較差分辨率，圖像的周圍會出現目標邊緣模糊、圖像附帶大量毛刺噪聲、圖像邊界的過渡地帶發送混疊等現象，因此有必要加以降噪處理。常用的比較成熟的降噪方法有空域濾波、頻域濾波和小波變換等方法，主要是針對目標邊緣相對清晰的圖像處理。本發明根據有源毫米波人體圖像的上述特征，采用數學形態學處理方法進行降噪，該方法針對目標邊緣模糊的圖像，處理后使得圖像對比度明顯增加。

具體地，本發明的圖像降噪預處理步驟采用式(1)所示的圖像降噪處理算法，其核心是在增加高頻分量及細節的同時保持原圖像的低頻部分：

g(x,y)＝(A-1)×f(x,y)+h(x,y) (1)；

式(1)中，x為圖像中像素點的列數目，y為圖像中像素點的行數目，g(x,y)為經過降噪處理后的有源毫米波人體圖像，f(x,y)為原始的有源毫米波人體圖像，h(x,y)為f(x,y)經過高通濾波后的圖像，變量A是控制銳化程度的常數，可以根據需要進行更改。

由于需對原始有源毫米波人體圖像中的每一點都進行降噪處理，所以，求取h(x,y)的濾波算子為：

本發明在實際實現過程中，為達到更快的處理速度，并不直接對原始毫米波人體圖像進行圖像降噪預處理，而是將原始毫米波圖像存儲為一維數組，通過遍歷對圖中每個像素點進行降噪預處理運算操作，輸出結果同樣以一維數組存儲。

2、人體隱私部位識別定位

人體隱私部位識別定位步驟的實現過程如圖2所示，包括：圖像二值化處理、形態學處理、人體目標高度確定、面部定位、胸部和襠部初步定位以及定位復查校準步驟，用以對不同站姿、不同高度的人員進行準確的隱私部位定位，并具有對隱私部位加以辨識復查功能。其中：

1)圖像二值化處理

本發明中，圖像二值化處理采用式(3)實現，使圖像中具有不同灰度值的各像素點進行非黑即白處理，增強圖像對比度，以利于后續的定位判斷：

式(3)中，g(x,y)表示經過降噪處理的有源毫米波人體圖像，G(x,y)表示二值化處理后的有源毫米波人體圖像，T為二值化的閾值。

在圖像二值化處理步驟中，核心即為確定合適的閾值T，進而確定255與0的分配。本發明采用最大類間方差法(Otsu)確定T，即，通過選擇合適的閾值T使得類間方差最大，此時人體目標和背景的差別最大，二值化效果最好，具體來說：

毫米波圖像包含256個灰度值，其取值范圍為0～255，在此范圍內選取灰度值t，可以將圖像分成G₀和G₁兩組，其中G₀包含的像素點的灰度值在0～t范圍內，G₁包含的像素點的灰度值在t+1～255范圍內。

G₀和G₁兩組像素點的個數在整體圖像中所占百分比為w₀、w₁：

式(4)和式(5)中，p_i為每一個灰度值i出現的概率。G₀和G₁兩組像素的平均灰度為u₀、u₁：

進而可以求得圖像總平均灰度u為：

u＝w₀×u₀+w₁×u₁ (8)；

根據最大類間方差的核心算法，類間方差σ(t)為：σ(t)²＝w₀(u₀-u)²+w₁(u₁-u)²，將式(4)～(8)代入后可得類間方差σ(t)²＝w₀w₁(u₀-u₁)²。

所求最佳閾值T為：T＝argmax(σ(t))，即類間方差最大時所對應的t值。

2)形態學處理

形態學處理是指將二值化處理后的有源毫米波人體圖像做形態學的腐蝕運算及閉運算處理。首先進行腐蝕運算，以消除降噪預處理時殘留的背景噪聲，即去除人體目標外的背景中灰度值為255的像素點；然后進行閉運算，目的在于填補人體目標上的微小空洞，撫平邊緣過渡毛刺，平滑人體目標邊緣。腐蝕運算、閉運算均為現有的形態學處理方法，在此不再贅述。

形態學處理完成后可以得到清晰明顯的人體圖像，圖像中人體目標與背景完全分離，人體目標像素點的灰度值皆為255(白色)，背景像素點的灰度值皆為0(黑色)。

3)人體目標高度確定

在進行面部定位前，為避免定位待選區域偏離，需計算有源毫米波人體圖像中人體目標的高度，防止出現由于身高不同導致的縱向定位偏差。由于受檢人在接受安檢時會被要求按照圖3所示姿勢站立，本發明在確定人體高度時會首先從二值化處理后的圖像頂部沿垂直方向遍歷各個像素點，并求得垂直方向上灰度值為255的連續長度最長的像素點串，以該串像素點最頂部的像素點作為人體目標的頭部最高點A；然后從二值化處理后的圖像底部開始橫向逐行遍歷像素點，當遇到灰度值為255的像素點時停止遍歷，以此點作為人體目標的最低點B。將A、B兩點的縱坐標求差即可得到圖像中人體目標的高度L。L的大小將對應于預先建立好的人體部位相對位置比例模型，其中，人體部位相對位置比例模型建立過程如下：

車站實地隨機采集有源毫米波人體圖像，包含男女、高矮胖瘦各種體型，樣本豐富。為了構建人體部位相對位置比例模型，從毫米波圖像圖庫中隨機選取多幅(例如600幅)有清晰人體目標的圖像作為模型構建圖庫，并按前述人體高度確定步驟求得每幅圖像中各人體目標的高度L。按L大小將人體目標劃分為高、中、矮三類，每類中第i個人體目標的身高為L_i，然后如圖4所示，分別計算每類中第i個人體目標的面部、胸部和襠部中心點的縱坐標y_1i、y_2i、y_3i，同時求得每類身高對應的三個中心點的相對位置比例P1、P2、P3，作為后續定位的參考標準：

上面三個式子中，N為模型構建圖庫中相應類高度對應的圖像數量。

4)面部定位

本發明中面部定位包括面部初步粗略定位和面部復查校準定位，主要過程為：根據人體目標高度L與有源毫米波人體圖像的整體高度H的比值大小，在二值化及形態學處理后的圖像上半部分劃定一定尺寸(如100×100個像素點)的面部待定框，并將一面部鎖定框(其尺寸小于面部待定框的尺寸，如40×40個像素點)以面部待定框的左上頂點為坐標基準點，在面部待定框內移動遍歷，遍歷過程中分別獲取面部鎖定框在不同位置時其內部各像素點的灰度值。

由于在有源毫米波人體圖像中，人的面部成像較為清晰，一般顯示亮度較高，因而在二值化與形態學處理后，圖像中的面部為集中的灰度值為255的像素點團。因此，本發明根據遍歷過程中累計的面部鎖定框在不同位置時其內部包含的灰度值為255的像素點個數，得到包含灰度值為255的像素點個數最多時面部鎖定框的位置，并計算該位置對應的坐標范圍，面部鎖定框的坐標范圍即為所求面部的坐標范圍。面部坐標范圍將被記錄用于其他部位的定位。

5)胸部和襠部初步定位

由于人體面部與胸部基本位于同一垂直線，獲得面部坐標范圍后，根據面部定位結果以及人體高度L所對應高度范圍的人體部位相對位置比例模型在有源毫米波人體圖像上劃定一胸部待定框，并利用與前述面部定位相同的像素點遍歷方法確定胸部初步定位的坐標范圍。

對于襠部初步部位，結合面部定位與胸部定位的方法，同樣根據人體高度L所對應高度范圍的人體部位相對位置比例模型在有源毫米波人體圖像上劃定一襠部待定框，并利用與前述面部定位相同的像素點遍歷方法確定襠部初步定位的坐標范圍。

6)定位復查校準

為了保證各個部位定位的準確性，本發明提供定位復查校準算法對胸部和襠部的定位準確性進行驗證。對于胸部位置定位驗證，首先遍歷胸部待定框左右兩側的像素點，確認左側或右側是否存在連續的灰度值為255的像素點，若存在，則相應地向左或向右擴大胸部待定框的寬度，然后利用前述的像素點遍歷方法確定胸部最終定位的坐標范圍。對于襠部位置定位驗證，首先遍歷襠部待定框下方的像素點，確認下方是否存在連續的灰度值為255的像素點，若存在，則相應地向下擴大襠部待定框的高度，然后利用前述的像素點遍歷方法確定襠部最終定位的坐標范圍。應該理解，各個隱私部位的鎖定框可以根據實際定位情況調整大小。

3、隱私部位模糊化處理步驟

本發明在隱私部位(即胸部和襠部最終定位的坐標范圍內)選用濾波速度比卷積濾波更快的快速均值濾波算法進行隱私部位模糊化處理。圖2示出了隱私部位區域原圖，用函數f(x,y)表示，x＝1,2,3…M，y＝1,2,3…N，整個圖像區域包含像素點個數為M×N，S^(x,y)是以點(x,y)為中心的待濾波區域，同理S^(x,y+1)是以點(x,y+1)為中心的待濾波區域，p(x,y)為濾波處理后的圖像。S^(x,y)可以劃分為S₁^(x,y)和S₂^(x,y)，S^(x,y+1)可以劃分為S₂^(x,y+1)和S₃^(x,y+1)，如圖5所示，則f(x,y)經過濾波處理后的表達式為：

f(x,y+1)濾波處理后的表達式為：

由圖3可知，S₂^(x,y)和S₂^(x,y+1)為相同的區域，故式(13)又可表示為：

式(14)即為快速均值濾波算法的數學表達式。

在模糊化處理隱私部位時，模糊區域大小可根據部位的不同進行調整，模糊程度也可以由快速均值濾波的迭代次數控制，迭代次數越多，圖像模糊程度越高。

綜上所述，本發明可以快速獲得不同身高人員的隱私部位的準確定位和保護，效果如圖6所示，處理時間在0.1s內。與圖7所示的常規橫向分割法面部定位往往會發生橫向偏移相比，本發明可實現不同站姿人員隱私部位的準確定位，效果如圖8所示。

以上所述的，僅為本發明的較佳實施例，并非用以限定本發明的范圍，本發明的上述實施例還可以做出各種變化。即凡是依據本發明申請的權利要求書及說明書內容所作的簡單、等效變化與修飾，皆落入本發明專利的權利要求保護范圍。本發明未詳盡描述的均為常規技術內容。