使用特征脸算法进行实验。
以下是特征脸的实现过程:
- 准备一个训练集的人脸图像。本实验选取剑桥大学ORL人脸数据库。一共40个不同的人,每人10张人脸图像,随机选取7张用作训练(取平均后作为一张脸),图像分辨率为112*92.
- 将原始图像的每一行的像素串联在一起,产生一个具有112*92个元素的列向量,每个图像被视为一个向量。然后,使所有的训练集的图像(一共40张)存储在一个单一的矩阵T中,矩阵的每一列是一个图像。
- 减去均值向量. 均值向量a要首先计算,并且T中的每一个图像都要减掉均值向量。
- 计算协方差矩阵S的特征值和特征向量。每一个特征向量的维数与原始图像的一致,因此可以被看作是一个图像。因此这些向量被称作特征脸。
- 选择主成分。一般选择最大的k个特征值,保留对应的特征向量。
- 对每个训练图像的向量,投影到特征空间后得到一组坐标。对测试图像,也作同样的投影运算,得到坐标,与训练图像的坐标进行二范数最小匹配。
完整代码见附件main.m,MinMaxTransform.m文件。
image_dims = [112, 92];
num_images = 40;
test_images = cell(40, 3);
train_images = zeros(prod(image_dims), num_images);
input_dir = 'att_faces';
for i=1:40
sub_dir = strcat('s', num2str(i));
images = cell(10);
for j=1:10
filename = fullfile(input_dir, sub_dir, strcat(num2str(j), '.pgm'));
images{j} = imread(filename);
end
images = images(randperm(10));
img = zeros(image_dims);
for j=1:7
img = img + double(images{j});
end
img = img / 7;
train_images(:, i) = img(:);
for j=8:10
test_images{i,j-7}=images{j};
end
end
mean_face = mean(train_images, 2);
shifted_images = train_images - repmat(mean_face, 1, num_images);
[full_evectors, score, evalues] = pca(train_images');
figure;
for i = 1:num_eigenfaces
subplot(5, ceil(num_eigenfaces/5), i);
evector = MinMaxTransform(reshape(evectors(:,i), image_dims));
imshow(evector);
end
其中MinMaxTransform函数用于将特征向量变换到[0,255]值域上,定义如下:
function [res] = MinMaxTransform(image)
[m,n] = size(image);
Min = min(min(image));
Max = max(max(image));
range = Max - Min;
res = zeros(m,n);
for i=1:m
for j=1:n
res(i,j)=(image(i,j)-Min)*255/range;
end
end
res = uint8(res);
end
evectors = full_evectors(:, 1:num_eigenfaces);
features = evectors' * shifted_images;
cnt = 0;
for i=1:40
for j=1:3
input_image = double(test_images{i,j});
feature_vec = evectors' * (input_image(:) - mean_face);
similarity_score = arrayfun(@(n) 1 / (1 + norm(features(:,n) - feature_vec)), 1:num_images);
% find the image with the highest similarity
[match_score, match_ix] = max(similarity_score);
if match_ix == i
cnt = cnt + 1;
end
end
cnt即正确识别的图像数。
特征维数取不同值时的准确率 测试图像:120张
特征维数 | 测试正确的图像数 | 正确率 |
---|---|---|
1 | 17 | 14.17% |
2 | 47 | 39.17% |
3 | 66 | 55.00% |
4 | 80 | 66.67% |
5 | 87 | 72.50% |
6 | 86 | 71.67% |
7 | 93 | 77.50% |
8 | 100 | 83.33% |
9 | 102 | 85.00% |
10 | 102 | 85.00% |
11 | 106 | 88.33% |
12 | 105 | 87.50% |
13 | 105 | 87.50% |
14 | 105 | 87.50% |
15 | 107 | 89.17% |
16 | 108 | 90.00% |
17 | 108 | 90.00% |
18 | 108 | 90.00% |
19 | 108 | 90.00% |
20 | 108 | 90.00% |
21 | 108 | 90.00% |
22 | 108 | 90.00% |
23 | 109 | 90.83% |
24 | 110 | 91.67% |
25 | 110 | 91.67% |
26 | 109 | 90.83% |
27 | 109 | 90.83% |
28 | 110 | 91.67% |
29 | 110 | 91.67% |
30 | 109 | 90.83% |
31 | 109 | 90.83% |
32 | 109 | 90.83% |
33 | 109 | 90.83% |
34 | 109 | 90.83% |
35 | 109 | 90.83% |
36 | 109 | 90.83% |
37 | 109 | 90.83% |
38 | 109 | 90.83% |
39 | 109 | 90.83% |
如果有 N 个训练样本,则最多有 N − 1 个对应非零特征值的特征向量。本实验中有40个训练样本,所以特征向量有39个。
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Eigenfaces face recognition (MATLAB): https://blog.cordiner.net/2010/12/02/eigenfaces-face-recognition-matlab/
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PCA 10, eigen-faces: https://www.youtube.com/watch?v=_lY74pXWlS8
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特征脸,维基百科:https://zh.wikipedia.org/wiki/%E7%89%B9%E5%BE%81%E8%84%B8