El an´alisis de expresiones faciales tuvo sus inicios antes del siglo XIX. Darwin demostr´o en 1872 la universalidad de las expresiones faciales y su continuidad en hombres y animales y afirm´o otras cosas, que existen emociones innatas espec´ıficas las cuales se originaron en los h´abitos asociados. En 1971, Ekman y Friesen postularon seis emo- ciones primarias cada una de las cuales posee un contenido distintivo asociado a una expresi´on facial ´unica. Las representaciones de estos prototipos emocionales se conocen
como emociones b´asicas. Estas son diferentes a trav´es de las diferentes etnias y culturas y son: felicidad, tristeza, miedo, disgusto, sorpresa y enojo. En el pasado, el an´alisis de las expresiones faciales fue sujeto de investigaci´on para los psic´ologos, pero en 1978 Suwaet. al. presentaron una investigaci´on preliminar en el an´alisis autom´atico de expresiones faciales de una secuencia de im´agenes. Ya en el siglo XX, la investigaci´on en el an´alisis de expresiones faciales tuvo mucha inercia empezando con el trabajo de Mase y Pentland.
El an´alisis de expresiones faciales (del ingl´es facial expression analysis) es un ´area de investigaci´on muy importante dentro de la comunidad de visi´on por computadora debido a sus implicaciones en el desarrollo de sistemas interactivos humano-computadora.
Las razones de este renovado inter´es en expresiones faciales son muchas pero princi- palmente son debido a los avances en ´areas relacionadas comola detecci´on, seguimiento
y reconocimiento de rostros adem´as de la reciente disponibilidad de poder computacio-
nal barato. Se pueden concebir distintas aplicaciones utilizando el an´alisis de expre- siones faciales para un futuro cercano, fomentando el inter´es en hacer investigaci´on en diferentes ´areas incluyendo el entendimiento de im´agenes, estudios sicol´ogicos, nervios faciales en medicina y animaci´on de rostros.
El an´alisis autom´atico de expresiones faciales es una tarea compleja ya que la apa- riencia de los rostros puede variar considerablemente de un individuo a otro debido a su edad, etnia, g´enero, productos cosm´eticos y oclusi´on de objetos como lentes y ca- bello. En la Tabla I se presentan diversos trabajos a realizar en el ´area y sus fuentes de variaci´on correspondiente.
El proceso del an´alisis de expresiones faciales se puede dividir en varios estados para la construcci´on de un sistema autom´atico de expresiones faciales. Esto se muestra gr´aficamente en la Figura 7.
Tabla I: Fuentes de variaci´on en apariencias faciales.
F uente T areas posibles
Identidad Clasificaci´on, conocido-desconocido, verificaci´on, identificaci´on completa
Expresi´on facial Inferencia de emociones o intenciones Habla Lectura de labios
Sexo Decisi´on de si es hombre o mujer Edad Estimaci´on de la edad
Normalización del rostro Representación de características faciales Reconocimiento Iluminación Escala Posición Enfoque local Enfoque holístico Interpretación
Adquisición de rostros características facialesExtracción de Clasificación de características faciales
Figura 7: Esquema gen´erico del an´alisis de expresiones faciales
II.3.1
Adquisici´on de rostros
Idealmente, en la fase de adquisici´on de rostros se requiere de un detector autom´atico de rostros que mantenga la ubicaci´on de ´estos en escenas complejas con la presencia de fondos desconocidos. Ciertos m´etodos de an´alisis de rostros necesitan la posici´on exacta de la cara con el fin de extraer las caracter´ısticas faciales que son de inter´es mientras que en otros solo se encuentra disponible la ubicaci´on de ´esta.
El an´alisis de rostros es complejo por los cambios de apariencia del rostro, causado principalmente por la variaci´on de la posici´on de la cara y los cambios en la iluminaci´on.
las expresiones faciales depende del ´angulo y la distancia a la cual se observa un rostro dado.
• Iluminaci´on: La variaci´on de la iluminaci´on es inevitable y se presenta con solo
cambiar la posici´on del rostro. Las condiciones de luz pueden variar de un d´ıa a otro y de ambientes al aire libre (exteriores) e interiores.
II.3.2
Extracci´on de caracter´ısticas
Los m´etodos de extracci´on de caracter´ısticas se pueden categorizar, principalmente, si ´estos act´uan de manera local u hol´ıstica.
Enfoque local contra enfoque hol´ıstico
El procesamiento de las caracter´ısticas del rostro puede tomar lugar de manera hol´ıstica, donde las caras son procesadas como un todo, o localmente, enfoc´andose en las carac- ter´ısticas del rostro o ´areas que est´an propensas a cambiar con las expresiones faciales. Se pueden distinguir dos tipos de caracter´ısticas faciales:
• Caracter´ısticas faciales no-transitorias est´an siempre presentes en la cara pero
pueden deformarse debido a las expresiones faciales. Entre estas est´an los ojos, las cejas y la boca.
• Caracter´ısticas faciales transitoriasabarcan diferentes tipos de arrugas y protube-
rancias que ocurren con las expresiones faciales. Especialmente, la frente, regiones alrededor de la boca y los ojos son propensos a contener ´estas caracter´ısticas fa- ciales transitorias.
II.3.3
Clasificaci´on de expresiones faciales
La clasificaci´on de las caracter´ısticas se lleva a cabo en la ´ultima etapa de un sistema de an´alisis autom´atico de expresiones faciales. Esta se realiza haciendo el reconocimiento
de expresiones faciales.
Reconocimiento de expresiones faciales
Enfoques tradicionales han sido introducidos por cient´ıficos en computaci´on en el curso de sus investigaciones en expresiones faciales. Al inicio era necesaria la experiencia humana para mapear estas representaciones simb´olicas en emociones. La tarea de hacer clases de emociones manualmente es sumamente dif´ıcil por lo que se ha hecho investigaci´on en esta ´area para realizarlo de manera automatizada.
Resumiendo el proceso de an´alisis de expresiones faciales: antes de analizar una expresi´on facial, primero se debe detectar el rostro en una escena. Despu´es se conciben los mecanismos para la extracci´on de la informaci´on de expresiones faciales del rostro observado en la imagen. Al proceso de extracci´on de la informaci´on de las expresiones faciales se le conoce como ubicaci´on del rostro y sus caracter´ısticas en la escena. El rostro se puede representar de varias maneras ya sea como una unidad completa (re- presentaci´on hol´ıstica o integral), como un conjunto de caracter´ısticas (representaci´on anal´ıtica o local) o como la combinaci´on de ´estas (enfoque h´ıbrido). La elecci´on de la representaci´on del rostro y del tipo de im´agenes de entrada determinan los mecanis- mos seleccionados para la extracci´on autom´atica de la informaci´on de las expresiones faciales. El paso final es definir alg´un conjunto de categor´ıas las cuales se querr´an usar para la clasificaci´on y/o interpretaci´on de las expresiones faciales.