Приложение D (справочное). Экспериментальные исследования

Приложение D
(справочное)

Экспериментальные исследования

D.1 Экспериментальные исследования при регистрации изображений полного для проездных документов. Спецификации и данные, используемые для исследования

В данном приложении представлены исследования, в результате которых обоснованы допустимые отклонения в:

- расстоянии между центрами глаз;

- положении лица по горизонтали;

- положении лица по вертикали;

- отношении горизонтального размера головы к горизонтальному размеру изображения;

- отношении вертикального размера головы к вертикальному размеру изображения.

D.1.1 Спецификации и данные, используемые для исследования

Для исследования использованы параметры и допустимые отклонения, являющиеся либо:

1) строгими допустимыми отклонениями в соответствии с требованиями настоящего стандарта и рекомендаций ИКАО (Международная организация гражданской авиации) [8];

2) увеличенными допустимыми отклонениями в соответствии с требованиями рекомендаций ИКАО [9] для приложений регистрации паспортных изображений.

Данными для исследований послужила выборка паспортных фотографий граждан четырех государств, применяющих электронные паспорта в большом количестве (таблица D.1). Все указанные изображения были использованы в выданных электронных паспортах.

Цель исследования - определение соответствия стандартных паспортных фотографий требованиям настоящего стандарта, в частности требованиям к:

1) положению лица;

2) числу пикселей между центрами глаз;

3) положению лица по горизонтали;

4) положению лица по вертикали;

5) отношению горизонтального размера головы к горизонтальному размеру изображения;

6) отношению вертикального размера головы к вертикальному размеру изображения.

Таблица D.1 - Базы изображений, использованные для анализа

База изображений страны	Число изображений	Размер изображения (горизонтальный размер х вертикальный размер), пиксели	Формат
0	1 000	413 x 531	JPEG
А	1 988	384 х 480	JPEG
В	1 911	449 х 599	JPEG
С	2 229	416 x 536	JPEG

Полученные данные по базам изображений далее сравнивали друг с другом и с допустимыми значениями, которые определены в настоящем стандарте.

D.1.2 Результаты исследований

D.1.2.1 Расстояние между центрами глаз

В соответствии с требованиями настоящего стандарта размер головы для полного фронтального изображения должен быть не менее 180 пикселей, что соответствует расстоянию между центрами глаз приблизительно 90 пикселей (см. 8.4.1).

На рисунке D.1 представлено распределение расстояний между центрами глаз для четырех исследуемых баз данных.

Рисунок D.1 - Нормированное распределение расстояния между центрами глаз на исследуемых паспортных фотографиях; красная пунктирная линия указывает значение 90 пикселей, соответствующее минимуму для полного фронтального изображения

Практически во всех случаях выполняется требование к горизонтальному размеру головы. Среднее расстояние между центрами глаз составляет 123,4 пикселя.

D.1.2.2 Положение лица по горизонтали

В соответствии с требованиями настоящего стандарта значение координаты X (точка ) точки М центра лица должно находиться между 45 и 55% горизонтального размера изображения (см. 8.3.2).

На рисунке D.2 представлено распределение положения лица по горизонтали (/А) для четырех исследуемых баз данных.

Рисунок D.2 - Нормированное распределение положения лица по горизонтали на исследуемых паспортных фотографиях; красные пунктирные линии - предельные значения в настоящем стандарте

Среднее значение положения лица по горизонтали для 7 128 изображений составляет 49% горизонтального размера изображения. Требованию к положению лица по горизонтали удовлетворяет 95,4% исследуемых паспортных фотографий.

D.1.2.3 Положение лица по вертикали

В соответствии с требованиями настоящего стандарта значение координаты Y (точка ) точки М центра лица должно находиться между 30 и 50% вертикального размера изображения В (см. 8.3.3), за исключением детей моложе 11 лет. На рисунке D.3 представлено распределение (1 - /В) для четырех исследуемых баз данных.

Рисунок D.3 - Распределение положения лица по вертикали (1 - ) на исследуемых паспортных фотографиях; красные пунктирные линии - предельные значения в настоящем стандарте

Среднее значение (1 - ) положения лица по вертикали (положения глаз по вертикали, т.е. горизонтальной линии, проходящей через центры глаз) для 7 128 изображений составляет 56% вертикального размера изображения. Это соответствует значению координаты Y точки М (), равному 44% вертикального размера изображения.

D.1.2.4 Отношение горизонтального размера головы к горизонтальному размеру изображения

В соответствии с требованиями настоящего стандарта для отображения лица на изображении целиком горизонтальный размер головы СС должен находиться в диапазоне 50 - 75% горизонтального размера изображения (см. 8.3.4). На рисунке D.4 представлено распределение отношения горизонтального размера головы к горизонтальному размеру изображения для четырех исследуемых баз данных.

Рисунок D.4 - Распределение отношения горизонтального размера головы к горизонтальному размеру изображения на исследуемых паспортных фотографиях; красные пунктирные линии - предельные значения в настоящем стандарте

Среднее значение отношения горизонтального размера головы к горизонтальному размеру изображения для 7 128 изображений составляет 0,62. Для большей части изображений требование к отношению горизонтального размера головы к горизонтальному размеру изображения выполняется.

D.1.2.5 Отношение вертикального размера головы к вертикальному размеру изображения

В соответствии с требованиями настоящего стандарта для отображения лица на изображении целиком вертикальный размер головы (DD) должен находиться в диапазоне 60 - 90% вертикального размера изображения (В) (см. 8.3.5). На рисунке D.5 представлено распределение отношения вертикального размера головы к вертикальному размеру изображения для четырех исследуемых баз данных.

Рисунок D.5 - Распределение отношения вертикального размера головы к вертикальному размеру изображения на исследуемых паспортных фотографиях; красные пунктирные линии - предельные значения в настоящем стандарте

Среднее значение отношения вертикального размера головы к вертикальному размеру изображения для 7 128 изображений составляет 0,73. Требованию к этому удовлетворяет 98,2% исследуемых паспортных фотографий.

D.1.3 Обсуждение ошибок исследования

Данное исследование основано исключительно на измерениях с автоматическим программным обеспечением контроля качества изображений (QA-SW). Так называемая проверка экспериментальными данными, т.е. анализ измеренных вручную значений, для всех исследуемых изображений не проводилась. Такая проверка проведена на ранней стадии исследования. Было обнаружено, что используемое программное обеспечение контроля качества является достаточно точным и способно представить надежные статистические данные.

Дополнительное исследование для сравнения программного обеспечения контроля качества, используемого в настоящем исследовании, с другими программными комплексами контроля качества на большом числе паспортных фотографий показало следующие отклонения QA-SW:

- расстояние между центрами глаз: +5%;

- положение лица по горизонтали: 1%;

- положение лица по вертикали: 1%;

- отношение горизонтального размера головы к головы к горизонтальному размеру изображения: 1%;

- отношение вертикального размера головы к вертикальному размеру изображения: 1%.

Таким образом, погрешность определения параметров составляет 1%, за исключением параметра "расстояние между центрами глаз", которое может иметь немного большее значение, чем в действительности.

D.1.4 Выводы

Проведенные исследования касаются геометрических параметров лица на паспортных фотографиях, имеющих большое значение при проведении биометрического сравнения. Результаты исследований основаны на статистической оценке результатов автоматического анализа изображений, выполненного с помощью программного обеспечения контроля качества. Даже при ошибках программного обеспечения на отдельных изображениях выводы, основанные на объединении результатов по приблизительно 7 200 изображениям, являются достоверными.

Вышеприведенный анализ показал достижимость требований, установленных настоящим стандартом, при использовании современных технологий и существующих приложений. Таблица D.2 и рисунок D.6 демонстрируют результаты данного исследования. Так как использованные для исследования изображения были получены от четырех стран, где электронные паспорта выдаются в большом количестве, настоящие результаты можно считать показательными для сферы применения данного анализа.

Таблица D.2 - Сводные сведения о соответствии выборки изображений требованиям настоящего стандарта

Критерий	Минимум	Максимум	Доля соответствующих изображений, %
Расстояние между центрами глаз, пиксели	90	-	99,9
Положение лица по горизонтали	0,45	0,55	95,4
Положение лица по вертикали	0,50	0,70	94,0
Отношение горизонтального размера головы к горизонтальному размеру изображения	0,50	0,75	98,4
Отношение вертикального размера головы к вертикальному размеру изображения	0,60	0,90	98,2

Рисунок D.6 - Соответствие исследуемых паспортных фотографий требованиям 8.3 настоящего стандарта

D.2 Экспериментальные исследования влияния расстояния между центрами глаз и положения головы (отклонения) на эффективность биометрического сравнения

D.2.1 Расстояние между центрами глаз

Расстояние между центрами глаз (т.е. пространственное разрешение изображения) является наиболее важным критерием для успешного распознавания лица. Для оценки влияния расстояния между центрами глаз при распознавании лица проведены исследования на изображениях с различным разрешением при использовании современного алгоритма сравнения лиц. На рисунке D.7 показано увеличение вероятности правильной верификации при увеличении расстояния между центрами глаз. Данные результаты применимы для оценки эффективности поиска "один-ко-многим" (ранговая статистика).

Рисунок D.7 - Зависимость вероятности правильной верификации от расстояния между центрами глаз при вероятности ложного допуска 0,1%

D.2.2 Положение головы (отклонение)

В автоматических системах распознавания лица эффективно проводится коррекция угла отклонения головы на изображении. На рисунке D.8 показана зависимость вероятности правильной верификации от угла отклонения головы.

Для тестирования была использована база данных "Color Feret" (994 эталонных изображения, 736 тестовых изображений). На первом этапе все изображения (эталонные и тестовые) были повернуты таким образом, чтобы угол отклонения головы был равен нулю.

При тестировании все тестовые изображения были повернуты на плюс 5°, все эталонные изображения на минус 5°, затем наоборот. Такая же обработка выполнена для плюс 10°, минус 10°; плюс 15° и минус 15°. Таким образом, разница углов отклонения головы на эталонных и тестовых изображениях составила 0, 10, 20 и 30°. На рисунке D.9 представлены примеры изображений с различными значениями угла отклонения головы.

Оценка снижения эффективности работы алгоритма при повороте изображения в плоскости проводилась относительно значения вероятности правильной верификации при вероятности ложного допуска 0,1% и угле отклонения, равном нулю, т.е. все значения вероятности правильной верификации были нормализованы по этому значению.

Тестирование включает худший сценарий, так как максимальным значением разницы углов отклонения, при котором соблюдается требование настоящего стандарта, является 10°. Таким образом, влияние на эффективность работы алгоритма при углах отклонения в пределах требования настоящего стандарта будет значительно меньше.

Очевидно, что до 8° значимого снижения эффективности не наблюдается. Данные результаты применимы для оценки эффективности поиска "один-ко-многим" (ранговая статистика с рангом, равным 1). Как правило, разработчики программного обеспечения автоматического распознавания лица имеют возможность проводить настройку допустимых значений для поворота изображений на плоскости. Программный продукт, использованный при данном тестировании, был настроен на допуск 10°-ного отклонения для одного изображения, т.е. на максимальную разность угла отклонения 20°. Это явилось причиной снижения эффективности при тестах на 15°.

Рисунок D.8 - Зависимость вероятности правильной верификации от угла отклонения головы при вероятности ложного допуска 0,1%

Рисунок D.9 - Примеры изображений с отклонением головы; углы отклонения равны 0°, +5°, -5°, +10°, -10°, +15°, -15° (слева направо)

D.2.3 Положение головы (поворот и наклон)

Компенсация изменения положения лица при наклоне и повороте является более сложной задачей для автоматических систем распознавания лица по сравнению с компенсацией отклонения головы. Исследование на данных, включающих 22 субъекта и 35 различных значений наклона и поворота головы, показало: выход за пределы требований настоящего стандарта приводит к статистически достоверному уменьшению эффективности алгоритма распознавания лица.