PCA算法主成分分析法

　　主成分分析（Principal Component Analysis，簡稱PCA）方法是目前應(yīng)用很廣泛的一種代數(shù)特征提取方法，可以說是常用的一種基于變量協(xié)方差矩陣對(duì)樣本中的信息進(jìn)行處理、壓縮和抽提的有效方法，主要通過K-L（Karhunen-Loeve）變換展開式從人臉數(shù)據(jù)庫中提取人臉的主要特征［i］，構(gòu)成特征臉空間，在識(shí)別時(shí)將待測試的人臉圖像投影到特征臉空間，得到一組投影系數(shù)，與數(shù)據(jù)庫中各個(gè)人臉圖像進(jìn)行比對(duì)識(shí)別。

　　這種方法保留了原向量在與其協(xié)方差矩陣最大特征值相對(duì)應(yīng)的特征向量方向上的投影，即主分量（Principal Components），因此被稱為主成分分析。由于PCA方法在進(jìn)行降維處理和人臉特征提取方面的有效性，在人臉識(shí)別領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。它的核心思想是：利用較少數(shù)據(jù)的特征對(duì)樣本進(jìn)行描述以達(dá)到降低特征空間維數(shù)的目的，根據(jù)樣本點(diǎn)在多維空間的位置分布，以樣本點(diǎn)在空間中變化最大方向，即方差最大方向，作為差別矢量來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的特征提取。利用K-L變換抽取人臉的主要成分，利用特征臉法進(jìn)行人臉識(shí)別的過程由訓(xùn)練階段和識(shí)別階段兩個(gè)階段組成。

　　基于PCA算法的人臉識(shí)別研究

　　1 人臉識(shí)別的發(fā)展及現(xiàn)狀

　　人臉識(shí)別的研究已經(jīng)有很長的歷史，在19世紀(jì)，法國人Galton就曾對(duì)此問題進(jìn)行了研究，他用一組數(shù)字代表不同的人臉側(cè)面特征來實(shí)現(xiàn)對(duì)人臉側(cè)面圖像的識(shí)別。國內(nèi)外對(duì)于人臉識(shí)別的研究發(fā)展，分別經(jīng)歷了三個(gè)階段：傳統(tǒng)的人機(jī)交互式階段、機(jī)器自動(dòng)識(shí)別初級(jí)階段、機(jī)器自動(dòng)識(shí)別高級(jí)階段。

　　1．1 傳統(tǒng)的人機(jī)交互式階段

　　第一階段是以BerTIlion為代表，主要研究人臉識(shí)別所需要的面部特征，該階段的識(shí)別依賴于人的操作。這些人臉識(shí)別方法都需要利用操作員的某些先驗(yàn)知識(shí)，仍然擺脫不了人的干預(yù)。

　　1．2 自動(dòng)識(shí)別初級(jí)階段

　　第二階段主要是采用機(jī)器自動(dòng)識(shí)別的手段進(jìn)行識(shí)別，20世紀(jì)90年代以來，隨著高速度高性能計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)，人臉識(shí)別方法有了重大突破，進(jìn)入了真正的機(jī)器自動(dòng)識(shí)別階段，人臉識(shí)別研究也得到了前所未有的重視。

　　1．3 機(jī)器自動(dòng)識(shí)別高級(jí)階段

　　第三階段是真正利用機(jī)器進(jìn)行對(duì)人臉的自動(dòng)識(shí)別，隨著計(jì)算機(jī)的大型化、高速化和人臉識(shí)別的方法的發(fā)展，提出了許多人臉自動(dòng)識(shí)別的系統(tǒng)。

　　2 PCA算法的原理

　　PCA（主成分分析）算法是人臉識(shí)別中比較新的一種算法，該算法的優(yōu)點(diǎn)是識(shí)別率高，識(shí)別速度快。

　　2．1 PCA算法介紹

　　2．1．1 PCA原理

　　令x為表示環(huán)境的m維隨機(jī)向量。假設(shè)x均值為零，即：

　　E［x］=O．

　　令w表示為m維單位向量，x在其上投影。這個(gè)投影被定義為向量x和w的內(nèi)積，表示為：

　　

　　而主成分分析的目的就是尋找一個(gè)權(quán)值向量w使得表達(dá)式E［y2］的值最大化：

　　

　　根據(jù)線性代數(shù)的理論，可以知道滿足式子值最大化的訓(xùn)應(yīng)該滿足下式：

　　

　　即使得上述式子最大化的w是矩陣Cx的最大特征值所對(duì)應(yīng)的特征向量。

　　2．1．2 主成分的求解步驟

　　在PCA中主要的是要求出使得方差最大的轉(zhuǎn)化方向，其具體的求解步驟如下：

　?。?）構(gòu)建關(guān)聯(lián)矩陣：Cx=E［x*xT］，Cx∈Pn*n.

　　在實(shí)際應(yīng)用中，由于原始數(shù)據(jù)的數(shù)學(xué)期望不容易求解，我們可以利用下式來近似構(gòu)造關(guān)聯(lián)矩陣：

　　

　　（其中x1，x2，…，xN，是各個(gè)原始灰度圖像所有象素點(diǎn)對(duì)應(yīng)的向量，N是原始圖像的個(gè)數(shù)）

　　（2）先計(jì)算出Cx的各個(gè)特征值

　?。?）把特征值按大小排序

　　

　?。?）計(jì)算出前m個(gè)特征值對(duì)應(yīng)正交的特征向量構(gòu)成w。

　?。?）將原始數(shù)據(jù)在特征向量w上進(jìn)行投影，即可獲得原始圖像的主特征數(shù)據(jù)。

　　2．1．3 主成分的求解方法

　　通過上面的分析我們可以知道，對(duì)于主成分分析的問題最后轉(zhuǎn)化為求解協(xié)方差矩陣的特征值和特征向量的問題，主成分的正交化分解的算法或求XXT特征值問題的算法常用的有雅可比方法和NIPALS方法。

　　2．2 Eigenface算法

　　在利用PCA進(jìn)行特征提取的算法中，特征臉方法（Eigenface）是其中的一個(gè)經(jīng)典算法。特征臉方法是從主成分分析導(dǎo)出的一種人臉識(shí)別和描述技術(shù)。特征臉方法就是將包含人臉的圖像區(qū)域看作是一種隨機(jī)向量，因此可以采用K-L變換獲得其正交K-L基底。對(duì)應(yīng)其中較大特征值的基底具有與人臉相似的形狀，因此又稱為特征臉。利用這些基底的線性組合可以描述、表達(dá)和逼近人臉圖像，因此可以進(jìn)行人臉識(shí)別與合成。識(shí)別過程就是將人臉圖像映射到由特征臉構(gòu)成的子空間上，比較其與己知人臉在特征空間中的位置，具體步驟如下：

　?。?）初始化，獲得人臉圖像的訓(xùn)練集并計(jì)算特征臉，定義為人臉空間，存儲(chǔ)在模板庫中，以便系統(tǒng)進(jìn)行識(shí)別；

　?。?）輸入新的人臉圖像，將其映射到特征臉空間，得到一組關(guān)于該人臉的特征數(shù)據(jù)；

　?。?）通過檢查圖像與人臉空間的距離判斷它是否是人臉；

　?。?）若為人臉，根據(jù)權(quán)值模式判斷它是否為數(shù)據(jù)庫中的某個(gè)人，并做出具體的操作。

　　2．2．1 計(jì)算特征臉

　　設(shè)人臉圖像I（x，y）為二維N*N灰度圖像，用N維向量R表示。人臉圖像訓(xùn)練集為{Ri|i=1，…，M}，其中M為訓(xùn)練集中圖像總數(shù)，這M幅圖像的平均向量為：

　　

　　每個(gè)人臉Ri與平均人臉ψ的差值向量是：

　　

　　訓(xùn)練圖像的協(xié)方差矩陣可表示為：

　　C=AAT.

　　其中，A=［φ1，…φM］。

　　特征臉有協(xié)方差矩陣C的正交特征向量組成。對(duì)于N*N人臉圖像，協(xié)方差矩陣C的大小為N2*N2，對(duì)它求解特征值和特征向量是很困難的。一種取而代之的方法是令L=ATA．

　　即協(xié)方差矩陣的轉(zhuǎn)置陣，則可以知道此矩陣是M*M（M是訓(xùn)練人臉的數(shù)量）的一個(gè)較小的矩陣。首先計(jì)算M*M矩陣L的特征向量vi（l=l，…，M），則矩陣C的特征向量ui（l=1，…，M）由差值圖像φi（i=1，…，M）與vi（l=l，…，M）線性組合得到：U=［u1，…，uM］=［［ψ1，…，ψM］T］［v1．…，vM］。實(shí)際上，m（m《M）個(gè)特征值足夠用于人臉識(shí)別。因此，僅取L的前m個(gè)最大特征值的特征向量計(jì)算特征臉。

　　3 PCA算法在人臉識(shí)別中的應(yīng)用

　　基于特征臉的人臉識(shí)別過程由訓(xùn)練階段和識(shí)別階段兩個(gè)階段組成。在訓(xùn)練階段，每個(gè)已知人臉Ri映射到由特征臉構(gòu)成的子空間上，得到m維向量

　　

　　在識(shí)別階段，首先把待識(shí)別的圖像R映射到特征臉空間。得到向量：

　　

　　為了區(qū)分人臉和非人臉，還需計(jì)算原始圖像R與其由特征空間重建的圖像Rf之間的距離ε：

　　

　　采用最小距離法對(duì)人臉進(jìn)行分類，分類規(guī)則如下：

　?。?）若ε≥θc，則輸入圖像不是人臉圖像；

　

　　4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

　　實(shí)驗(yàn)在兩個(gè)圖庫上測試，首先是一個(gè)ORL人臉庫，該庫包含40個(gè)不同人物，每人有l(wèi)O張圖片，共400幅。用訓(xùn)練樣本進(jìn)行測試，識(shí)別率為95％。一個(gè)是自建人臉庫，該庫包含20個(gè)不同人物，每人有5張不同表情和姿態(tài)下的圖片，總共100幅。隨著訓(xùn)練樣本的增加，識(shí)別率會(huì)有所提升，但是并不是越多越好，當(dāng)超過一定的訓(xùn)練樣本數(shù)目時(shí)，識(shí)別率反而有所下降。

　　5 人臉識(shí)別未來的發(fā)展

　　人臉識(shí)別是一個(gè)跨學(xué)科富挑戰(zhàn)性的前沿課題，人臉圖像中姿態(tài)、光照、表情、飾物、背景、時(shí)間跨度等因素的變化對(duì)人臉識(shí)別算法的魯棒性都有著負(fù)面的影響，單一的PCA方法識(shí)別率不高，今后的發(fā)展方向可以與其他方法（如：支持向量機(jī)、小波變化等）相結(jié)合來彌補(bǔ)單一方法的不足，讓身份識(shí)別更準(zhǔn)確。