基于QR和PCA的人脸识别

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PCA（Principal Component Analysis，主成分分析）是一种很常用的根据变量协方差对数据进行降维、压缩的方法。它的精髓在于尽量用最少数量的维度，尽可能精确地描述数据。

PCA对数据进行降维的过程可以用下面这个动图来解释（图片摘自http://stats.stackexchange.com/a/140579/93946）：

在上图中，一组位于直角坐标系的二维样本集，沿着斜线的方向有很强的相关性。所以如果我们将直角坐标系转换到斜向，也就是让横轴沿斜线方向，纵轴垂直于斜线方向。于是，在这个新的坐标系下，数据点在横轴上分布很分散，但是在纵轴方向比较集中。如果在误差允许范围内，我们完全可以将数据点在新纵轴上的坐标全部置为0，只用新横轴上的坐标来表示点的位置。这样，就完成了对数据降维的过程（即将原始直角坐标系的2个维度减小到新坐标系的1个维度）。对更高维的情况，处理过程与之类似。

PCA人脸识别

将PCA用于人脸识别的过程如下：

1.假设有400幅尺寸为100*100的图像，构成10000*400的矩阵 $基于QR和PCA的人脸识别$ ；

2.计算均值 $基于QR和PCA的人脸识别$ ，令 $基于QR和PCA的人脸识别$ ；

3.根据定义，计算协方差矩阵 $基于QR和PCA的人脸识别$ ；

4.计算 $基于QR和PCA的人脸识别$ 的特征值与特征向量，取前h个最大特征值所对应的特征向量，构成矩阵 $基于QR和PCA的人脸识别$ ；

5.矩阵 $基于QR和PCA的人脸识别$ 可对数据降维： $基于QR和PCA的人脸识别$ ，Y是h行400列的矩阵，也就是将数据从10000维降为h维。

这种做法一个明显的缺陷在于， $基于QR和PCA的人脸识别$ 的维度为10000×10000，直接进行奇异值分解计算量非常大。利用QR分解，作间接的奇异值分解，可以减小计算量。

利用QR分解减小计算量

基于QR分解的PCA算法步骤如下：

1.已知 $基于QR和PCA的人脸识别$ ，其中 $基于QR和PCA的人脸识别$ 为d*d，H为d*n，d代表原始数据的维数，n代表样本数，d远大于n；

2.对H作QR分解， $基于QR和PCA的人脸识别$ ，其中Q为d*t，R为t*n， $基于QR和PCA的人脸识别$ ；

3.则 $基于QR和PCA的人脸识别$ ，对 $基于QR和PCA的人脸识别$ 作奇异值分解 $基于QR和PCA的人脸识别$ ，其中U为n*t，V为t*t， $基于QR和PCA的人脸识别$ ；

4.于是 $基于QR和PCA的人脸识别$ ，其中 $基于QR和PCA的人脸识别$ ；

5.由于 $基于QR和PCA的人脸识别$ ，所以QV可将 $基于QR和PCA的人脸识别$ 对角化，QV为 $基于QR和PCA的人脸识别$ 的特征向量矩阵， $基于QR和PCA的人脸识别$ 为 $基于QR和PCA的人脸识别$ 的特征值矩阵；

6.选取D前h个最大对角元所对应于V中的h个列，构成t*h的矩阵 $基于QR和PCA的人脸识别$ ，则降维矩阵 $基于QR和PCA的人脸识别$ ；

该过程涉及对一个很大的矩阵的QR分解，和对一个较小矩阵的奇异值分解。计算量与传统方法相比较的结果如下（图片摘自[1]）：

进一步，进行人脸识别的过程如下：

1.假设有c个类别，每类包含s个样本，则n=c∗s；

2.对X计算 $基于QR和PCA的人脸识别$ ，将Y（也称特征脸）按类别计算均值，得到c个长度为h的列向量 $基于QR和PCA的人脸识别$ ；

3.对于未知类别的新样本x，计算 $基于QR和PCA的人脸识别$ ，y的长度为h；

4.计算距离 $基于QR和PCA的人脸识别$ ，取距离最小的i作为x的类标号。

距离度量d

1.欧式距离

2.曼哈顿距离

3.马氏距离

在马氏距离中，x与y分布相同，且协方差矩阵为S。加入协方差矩阵的逆矩阵的作用是，将如下图（图片部分取自http://stats.stackexchange.com/a/62147/93946）中呈椭圆分布的数据归一化到圆形分布中，再来比较距离，可以抵消不同样本集在特征空间中的分布差异。

C++实现

环境要求：OpenCV（样本图像的读取），Armadillo（高性能线性代数C++函数库），Intel MKL（替代LAPACK为Armadillo提供矩阵分解计算）。

项目使用Visual Studio Ultimate 2012建立，不过核心代码只有一个cpp文件。

全部代码托管在github.com/johnhany/QR-PCA-FaceRec。

/************************************************************************/
/*                   QR-PCA-FaceRec  by John Hany                       */
/*																		*/
/*	A face recognition algorithm using QR based PCA.              		*/
/*																		*/
/*	Released under MIT license.											*/
/*																		*/
/*	Contact me at johnhany@163.com										*/
/*																		*/
/*	Welcome to my blog http://johnhany.net/, if you can read Chinese:)	*/
/*																		*/
/************************************************************************/

#include <opencv2/opencv.hpp>
#include <armadillo>
#include <iostream>
using namespace std;

int component_num = 7;

string orl_path = "G:\\Datasets\\orl_faces";

enum distance_type {ECULIDEAN = 0, MANHATTAN, MAHALANOBIS};
//double distance_criterion[3] = { 10.0, 30.0, 3.0};
double distance_criterion[3] = { 1000.0, 1000.0, 1000.0};

bool compDistance(pair<int, double> a, pair<int, double> b);
double calcuDistance(const arma::vec vec1, const arma::vec vec2, distance_type dis_type);
double calcuDistance(const arma::vec vec1, const arma::vec vec2, const arma::mat cov2, distance_type dis_type);

int main(int argc, const char *argv[]) {
	
	int class_num = 40;
	int sample_num = 10;

	int img_cols = 92;
	int img_rows = 112;
	cv::Size sample_size(img_cols, img_rows);

	arma::mat mat_sample(img_rows*img_cols, sample_num*class_num);

	//Load samples in one matrix `mat_sample`.

	for(int class_idx = 0; class_idx < class_num; class_idx++) {
		for(int sample_idx = 0; sample_idx < sample_num; sample_idx++) {

			string filename = orl_path + "\\s" + to_string(class_idx+1) + "\\" + to_string(sample_idx+1) + ".pgm";
			cv::Mat img_frame = cv::imread(filename, CV_LOAD_IMAGE_GRAYSCALE);
			cv::Mat img_sample;
			cv::resize(img_frame, img_sample, sample_size);

			for(int i = 0; i < img_rows; i++) {
				uchar* pframe = img_sample.ptr(i);
				for(int j = 0; j < img_cols; j++) {
					mat_sample(i*img_cols+j, class_idx*sample_num+sample_idx) = (double)pframe[j]/255.0;
				}
			}
		}
	}
//	cout <<	mat_sample.n_rows << endl << mat_sample.n_cols << endl << mat_sample(img_rows*img_cols/2, 0) << endl;

	//Calculate PCA transform matrix `mat_pca`.

	arma::mat H = mat_sample;
	arma::mat mean_x = arma::mean(mat_sample, 1);

	for(int j = 0; j < class_num * sample_num; j++) {
		H.col(j) -= mean_x.col(0);
	}
	H /= 1.0/sqrt(sample_num-1);

	arma::mat Q, R;
	arma::qr_econ(Q, R, H);

	arma::mat U, V;
	arma::vec d;
	arma::svd_econ(U, d, V, R.t());

//	cout << "d" << endl << d << endl;

//	arma::rowvec vec_eigen = d.head(component_num).t();
//	cout << "vec_eigen" << endl << vec_eigen << endl;

	arma::mat V_h(V.n_rows, component_num);
	if(component_num == 1) {
		V_h = V.col(0);
	}else {
		V_h = V.cols(0, component_num-1);
	}

	arma::mat mat_pca = Q * V_h;

	//Calculate eigenfaces `mat_eigen_vec`.

	arma::mat mat_eigen = mat_pca.t() * mat_sample;
//	cout << "mat_eigen" << endl << mat_eigen << endl;
	arma::mat mat_eigen_vec(component_num, class_num, arma::fill::zeros);
	vector mat_cov_list;

	for(int class_idx = 0; class_idx < class_num; class_idx++) {

		arma::vec eigen_sum(component_num, arma::fill::zeros);
		for(int sample_idx = 0; sample_idx < sample_num; sample_idx++) {
			eigen_sum += mat_eigen.col(class_idx*sample_num+sample_idx);
		}
		eigen_sum /= (double)sample_num;
		mat_eigen_vec.col(class_idx) = eigen_sum;

		mat_cov_list.push_back(arma::cov((mat_eigen.cols(class_idx*sample_num, class_idx*sample_num+sample_num-1)).t()));

//		cout << mat_cov_list[class_idx] << endl;

	}

//	cout << "mat_eigen_vec" << endl << mat_eigen_vec << endl;

/*
	cout << "dis within class" << endl;
	for(int class_idx = 0; class_idx < class_num; class_idx++) {
		for(int sample_idx = 0; sample_idx < sample_num; sample_idx++) {
			double dis = calcuDistance(mat_eigen.col(class_idx*sample_num+sample_idx), mat_eigen_vec.col(class_idx), mat_cov_list[class_idx], distance_type::MAHALANOBIS);
			cout << dis << " ";
		}
		cout << endl;
	}

	cout << "dis between classes" << endl;
	for(int class_idx = 0; class_idx < class_num; class_idx++) {
		for(int sample_idx = 0; sample_idx < class_num; sample_idx++) {
			double dis = calcuDistance(mat_eigen.col(sample_idx*sample_num), mat_eigen_vec.col(class_idx), mat_cov_list[class_idx], distance_type::MAHALANOBIS);
			cout << dis << " ";
		}
		cout << endl;
	}
*/

	//Classify new sample.

	int correct_count = 0;

	double max_dis = 0.0;

	for(int class_idx = 0; class_idx < class_num; class_idx++){
		for(int sample_idx = 0; sample_idx < sample_num; sample_idx++) {
			arma::mat mat_new_sample(img_rows*img_cols, 1);

			string filename = orl_path + "\\s" + to_string(class_idx+1) + "\\" + to_string(sample_idx+1) + ".pgm";
			cv::Mat img_new_frame = cv::imread(filename, CV_LOAD_IMAGE_GRAYSCALE);
			cv::Mat img_new_sample;
			cv::resize(img_new_frame, img_new_sample, sample_size);

			for(int i = 0; i < img_rows; i++) {
				uchar* pframe = img_new_sample.ptr(i);
				for(int j = 0; j < img_cols; j++) {
					mat_new_sample(i*img_cols+j, 0) = (double)pframe[j]/255.0;
				}
			}

			arma::mat mat_new_eigen = mat_pca.t() * mat_new_sample;

			vector<pair<int, double>> dis_list;
			for(int new_class_idx = 0; new_class_idx < class_num; new_class_idx++) {
				double dis = calcuDistance(mat_new_eigen.col(0), mat_eigen_vec.col(new_class_idx), mat_cov_list[new_class_idx], distance_type::MAHALANOBIS);
				dis_list.push_back(make_pair(new_class_idx, dis));
			}
			sort(dis_list.begin(), dis_list.end(), compDistance);

			if(dis_list[0].first == class_idx && dis_list[0].second <= distance_criterion[distance_type::MAHALANOBIS]) { 				correct_count++; 			} 			if(dis_list.back().second > max_dis) {
				max_dis = dis_list.back().second;
			}
		}
	}

	cout << "Maximum distance: " << max_dis << endl;

	double correct_ratio = (double)correct_count / (class_num * sample_num);
	cout << "Correctness ratio: " << correct_ratio * 100.0 << "%" << endl;

	cin.get();

	return 0;
}

bool compDistance(pair<int, double> a, pair<int, double> b) {
	return (a.second < b.second);
}

double calcuDistance(const arma::vec vec1, const arma::vec vec2, distance_type dis_type) {

	if(dis_type == ECULIDEAN) {
		return arma::norm(vec1-vec2, 2);
	}else if(dis_type == MANHATTAN) {
		return arma::norm(vec1-vec2, 1);
	}else if(dis_type == MAHALANOBIS) {
		arma::mat tmp = (vec1-vec2).t() * (vec1 - vec2);
		return sqrt(tmp(0,0));
	}

	return -1.0;
}

double calcuDistance(const arma::vec vec1, const arma::vec vec2, const arma::mat cov2, distance_type dis_type) {

	if(dis_type == ECULIDEAN) {
		return arma::norm(vec1-vec2, 2);
	}else if(dis_type == MANHATTAN) {
		return arma::norm(vec1-vec2, 1);
	}else if(dis_type == MAHALANOBIS) {
		arma::mat tmp = (vec1-vec2).t() * cov2.i() * (vec1 - vec2);
		return sqrt(tmp(0,0));
	}

	return -1.0;
}

分类测试

测试样本采用The AT&T Database of Faces，原称The ORL Database of Faces，包含取自40个人的样本，每人10幅，共400幅图像，图像尺寸92*112。

样本库的链接为http://www.cl.cam.ac.uk/research/dtg/attarchive/facedatabase.html。

1.欧式距离降维及分类效果：

即使将h设为最大的400（样本数），其分类正确率也只能达到99%。

2.曼哈顿距离降维及分类效果：

在h为128时，分类正确率可以达到100%，降维能力略好于欧式距离。

3.马氏距离降维及分类效果：

在h仅仅为7的时候，其分类正确率就已经达到100%了。采用马氏距离的PCA方法可以将人脸数据的维度从10000左右降到7，降维效果非常优秀。在h超过9时，分类过程中计算的最大马氏距离超出了双精度浮点数double的上限。

参考文献

[1] Sharma A, Paliwal K K, Imoto S, et al. Principal component analysis using QR decomposition[J]. International Journal of Machine Learning and Cybernetics, 2013, 4(6): 679-683.

[2] Raj D. A Realtime Face Recognition system using PCA and various Distance Classifiers[J]. 2011.

[3] Turk M, Pentland A. Eigenfaces for recognition[J]. Journal of Cognitive Neuroscience, 1991, 3(1): 71-86.

转载自johnhany.com

正文完

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