一、简介
1 PCA-SVM原理
1.1 主成分分析PCA
本文处理的所有原始图片都是112x 92大小的pgm格式图片, 每幅图片包含10304个像素点, 每一行代表一个样本,维数就是10304维。维数过大使得数据处理工作十分复杂,同时,图片特征之间的强相关性还会导致“维数灾难”。快速高效的人脸识别,其关键在于提取到精准表征人脸的特征。从人脸图像中找出最能表征人脸的特征空间,是主成分分析(Principal Component Analysis, PC A) [2] 在人脸特征提取中的基本思想。在这个过程中, 不能表征人脸的属性会被剔除(降维的过程),也就是在一个高维特征空间中利用一组系数对特征加权,来重新表示一张人脸图片。PCA过程的数学描述如下:
1.2 支持向量机SVM
给定训练集,在特征空间上找到一个分类超平面,将样本点分到不同的类。存在唯一的分类超平面,使得样本点距离分类超平面的距离最大。其中,距离超平面最近的点为该超平面的支持向量。找到该超平面后,对于待测点,通过计算该点相对于超平面的位置进行分类。其中,一个点距离分类超平面的距离越大,表明分类预测的确信程度越高。
支持向量机(Support Vector Machine, SVM) 需要做的就是找出一个超平面, 使得在两类样本点能完全分离的情况下,尽可能使样本边界的距离最大。
SVM是一个两类分类器, 而大多数实际分类问题都是多类分类问题, 那么就需要利用SVM这个二分类器去实现一个多类问题的分类。本文人脸识别程序中, 采用的是一对一的投票策略, 即在任意两类样本之间设计一个SVM分类器,分类为得票最多的类。
2 MATLAB工具软件
本文通过MATLAB工具软件, 对PC A-SVM人脸识别方法进行仿真计算。MATLAB人脸识别程序的使用界面上分为三个按钮:“测试准确率”“选择照片”和“图像匹配”,既可以方便操作,又可以使识别结果直观地显示出来。点击“开始运行”按钮调用的是主函数face.m, 对人脸数据进行处理; 点击“选择照片”按钮调用子函数GUl open, 用户可以在相应的文件路径下选择人脸照片; 点击“人脸识别”按钮调用子函数GUI reg, 通过每张图片所对应的标签来进行匹配, 从而得出识别结果。
3 PCA-SⅤM人脸识别模型的建立
3.1人脸库构建
人脸识别模型的建立首先需要适当的人脸库。本文分两步构建人脸库。
(1) 选择OR L人脸数据库加入本文人脸库, 其中包含40个人的每人10张人脸图片, 一共400张图片, 每张大小是112×92像素, 图片格式是pgm。
(2) 作者利用电脑摄像头拍了10张本人的照片, 将这10张图片的格式转化为pgm格式, 同时大小也转化为112×92像素,加入本文人脸库。
3.2训练集数据处理
这里将每个人的前5张人脸图片作为训练集,后5张人脸图片作为测试集。训练集数据处理步骤如下:
(1) 读入训练集数据, 储存在矩阵f_matrix(205*10304) 中。
(2) 对训练集数据进行PC A降维, 本文选择的降维维数是100。
(3)规范化特征数据,将同一个样本中的不同维度归一化,从而对于不同的属性之间也可以进行比较。
这里特别增加了一个显示特征脸的步骤。由于数据降至100维,在低维空间中的基就是100张特征脸,其他所有经过降维的脸都可以通过这100张特征脸线性表示。图1显示了前10个特征脸。
图1 特征脸显示
3.3 参数选择
在PCA-SVM人脸识别模型建立中, 参数取值如下:
(1) n persons:样本包含41个人的人脸, 将n persons设置为41。
(2)flag:flag为0时子函数ReadFace.m读取训练样本数据, flag为1时读取测试样本数据。
(3) k:表示降维至k维。该参数在子函数fast PC A.m中以输入参数出现, 在后面的SVM训练中也有用处。k值与gamma值有很大关联, 这里经过反复调整将k设置为100。
(4) low vec:经过降维后的图像数据pc a face的最小值, 通过设置low new,即新的边界的下限,对数据进行归一化处理。
(5) up vec:经过降维后的图像数据pc a face的最大值, 通过设置up new, 即新的边界的上限, 对数据进行归一化处理。
(6)核函数:本文选择的是高斯核函数。
(7) gamma:参数gamma是选择高斯核函数RBF作为核函数后该函数自带的一个参数。它隐含地决定了数据映射到新的特征空间后的分布。gamma越大, 支持向量越少, 反之支持向量越多。支持向量的个数直接影响到训练与预测的速度。gamma如果设置得很大, 会使得高斯分布显得高而窄,只作用于支持向量样本附近,对于未知样本的分类效果很差,最终会导致训练准确率很高,而识别准确率很低的结果,即过拟合。而gamma设置过小, 则会造成平滑效应过大, 对于噪声不敏感。本文设置参数gamma时, 在10-3~103的范围依次尝试,最终设置为0.01。
(8)c:参数c可以理解为惩罚参数,类似于正则化中一的作用。c越大,意味着拟合非线性的能力越强,但是容易入出现过拟合的情况,而c过小会导致出现欠拟合的情况,总而言之,c过大或者过小,泛化能力都会变差。本文设置参数c为1。
4 PCA-SⅤM人脸识别模型的测试
测试时,首先读取测试数据,类似于处理训练数据,需要对测试数据进行降维和归一化处理,然后利用训练所得的模型对测试数据集进行分类识别。将识别结果与本身自带的标签(即这是第几个人的人脸图片)进行比对,可以获得识别准确率。测试结果表明, 基于PCA-SVM的人脸识别方法准确率为83.9024%。这里选取第8个人的人脸图片作为示例,可以看到在最终的人脸识别阶段可以准确地进行人脸识别。
备注:简介部分仅作为理论参考,与本文程序和运行结果略有出入。
二、部分源代码
function varargout = test(varargin)gui_Singleton = 1;gui_State = struct('gui_Name', mfilename, ...'gui_Singleton', gui_Singleton, ...'gui_OpeningFcn', @test_OpeningFcn, ...'gui_OutputFcn', @test_OutputFcn, ...'gui_LayoutFcn', [] , ...'gui_Callback', []);if nargin && ischar(varargin{1})gui_State.gui_Callback = str2func(varargin{1});endif nargout[varargout{1:nargout}] = gui_mainfcn(gui_State, varargin{:});elsegui_mainfcn(gui_State, varargin{:});endfunction test_OpeningFcn(hObject, eventdata, handles, varargin)global imgrow imgcol V pcaface accuracyimgrow=112;imgcol=92;%读取的图像为112*92npersons=41;%选取41个人的脸disp('读取训练数据...');f_matrix=ReadFace(npersons,0);%读取训练数据nfaces=size(f_matrix,1);%样本人脸的数量%低维空间的图像是(npersons*5)*k的矩阵,每行代表一个主成分脸,每个脸20维特征disp('训练数据PCA特征提取...');mA=mean(f_matrix);%求每个属性的均值k=20;%降维至20维[pcaface,V]=fastPCA(f_matrix,k,mA);%主成分分析法特征提取%pcaface是200*20disp('训练特征数据规范化....')lowvec=min(pcaface);upvec=max(pcaface);scaledface=scaling(pcaface,lowvec,upvec);disp('SVM样本训练...')gamma=0.0078;c=128;multiSVMstruct=multiSVMtrain(scaledface,npersons,gamma,c);save('recognize.mat','multiSVMstruct','npersons','k','mA','V','lowvec','upvec');disp('读取测试数据...')[testface,realclass]=ReadFace(npersons,1);disp('测试数据降维...')m=size(testface,1);for i=1:mtestface(i,:)=testface(i,:)-mA;endpcatestface=testface*V;disp('测试特征数据规范化...')scaledtestface=scaling(pcatestface,lowvec,upvec);disp('样本分类...')class=multiSVM(scaledtestface,multiSVMstruct,npersons);disp('测试完成!')accuracy=sum(class==realclass)/length(class);set(handles.change_font,'string','请先选择照片......')handles.output = hObject;guidata(hObject, handles);function [f_matrix,realclass]=ReadFace(npersons,flag)%读取ORL人脸库照片里的数据到矩阵%输入:% npersons-需要读入的人数,每个人的前五幅图为训练样本,后五幅为验证样本% imgrow-图像的行像素为全局变量% imgcol-图像的列像素为全局变量% flag-标志,0表示读入训练样本,1表示读入测试样本%输出:%已知全局变量:imgrow=112;imgcol=92;global imgrow;global imgcol;realclass=zeros(npersons*5,1);%zeros 创建全零数组 矩阵创建了一个200*1的零矩阵f_matrix=zeros(npersons*5,imgrow*imgcol);%创建了一个200*(112*92)的零矩阵,把训练集中所有的人脸都放在这个f_matrix中for i=1:npersonsfacepath='./orl_faces/s';%训练样本集的路径facepath=strcat(facepath,num2str(i));%strcat 字符串拼接 num2str()把数字转为字符串facepath=strcat(facepath,'/');cachepath=facepath;%得到图片的路径for j=1:5unction [ scaledface] = scaling( faceMat,lowvec,upvec )%特征数据规范化%输入??faceMat需要进行规范化的图像数据,% lowvec原来的最小值% upvec原来的最大值upnew=1;lownew=-1;[m,n]=size(faceMat);scaledface=zeros(m,n);for i=1:mscaledface(i,:)=lownew+(faceMat(i,:)-lowvec)./(upvec-lowvec)*(upnew-lownew);endendvoting=zeros(m,nclass);for i=1:nclass-1for j=i+1:nclassclass=svmclassify(multiSVMstruct{i}{j},testface);voting(:,i)=voting(:,i)+(class==1);voting(:,j)=voting(:,j)+(class==0);endend[~,class]=max(voting,[],2);end
三、运行结果
四、matlab版本及参考文献
1 matlab版本
a
2 参考文献
[1] 蔡利梅.MATLAB图像处理——理论、算法与实例分析[M].清华大学出版社,.
[2]杨丹,赵海滨,龙哲.MATLAB图像处理实例详解[M].清华大学出版社,.
[3]周品.MATLAB图像处理与图形用户界面设计[M].清华大学出版社,.
[4]刘成龙.精通MATLAB图像处理[M].清华大学出版社,.
[5]孟逸凡,柳益君.基于PCA-SVM的人脸识别方法研究[J].科技视界. ,(07)
[6]张娜,刘坤,韩美林,陈晨.一种基于PCA和LDA融合的人脸识别算法研究[J].电子测量技术. ,43(13)
[7]陈艳.基于BP神经网络的人脸识别方法分析[J].信息与电脑(理论版). ,32(23)
[8]戴骊融,陈万米,郭盛.基于肤色模型和SURF算法的人脸识别研究[J].工业控制计算机. ,27(02)