趙亞鵬

摘 要：為了解決快速、準(zhǔn)確人臉識(shí)別的問題，提出了一種基于并行PCA算法的人臉識(shí)別方法。利用主成分分析法（PCA）能夠降低特征維數(shù)、容易實(shí)現(xiàn)、訓(xùn)練時(shí)間較短的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種并行PCA算法，首先根據(jù)整幅圖像提取出4幅部分人臉圖像，然后將整幅圖像和4幅部分圖像同時(shí)由相同結(jié)構(gòu)的PCA模型進(jìn)行學(xué)習(xí)，提取人臉特征向量，通過歐氏距離進(jìn)行測(cè)試圖像與訓(xùn)練圖像的匹配計(jì)算，最后通過測(cè)試圖像與5級(jí)并行PCA模型的識(shí)別結(jié)果進(jìn)行加權(quán)決策，從而實(shí)現(xiàn)人臉識(shí)別的目的。利用ORL人臉庫的圖像數(shù)據(jù)，在Matlab進(jìn)行的仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方法在準(zhǔn)確性上有了很大程度的提升，識(shí)別的速度也相對(duì)較快，具有較高的魯棒性。

關(guān)鍵詞：PCA算法；人臉識(shí)別；五級(jí)并行PCA模型；權(quán)重計(jì)算；均值濾波

中圖分類號(hào)：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2016）19-0147-02

Research on Face Recognition System Based on Parallel PCA Algorithm

ZHAO Ya-peng

（College of Information Science and Engineering， Shandong University of Science and Technology， Qingdao 266590， China ）

Abstract：In order to solve the problem of fast and accurate face recognition， a face recognition method based on parallel PCA algorithm is proposed. Using principal component analysis （PCA） method can reduce the dimension of features， easy to implement， training time is short， the design and implementation of a parallel algorithm for PCA， first of all according to the whole image to extract the 4 part of face images， then the whole image and 4 partial images at the same time by the same structure of the PCA model of learning， face feature vector extraction， the Euclidean distance for matching calculation of the test images and training images， finally through the test image with the five level parallel PCA model identification results are weighted decision， in order to achieve face recognition. Using the image data of the ORL face database ， the simulation results in Matlab show that the method has a great degree of improvement in accuracy， the recognition speed is relatively fast， with a high degree of robustness.

Key words：PCA algorithm；Face recognition；Five level parallel PCA model；Weight calculation；Mean filter

1 概述

隨著智能終端設(shè)備（手機(jī)、Pad、門禁等）的不斷發(fā)展，身份識(shí)別已經(jīng)成為我們?nèi)粘Ｉ畹闹匾M成部分，身份驗(yàn)證技術(shù)被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，特別是人們對(duì)于個(gè)人隱私信息的保護(hù)，使得身份識(shí)別再次成為關(guān)注的焦點(diǎn)。人臉識(shí)別作為身份識(shí)別的重要手段之一，因其具有識(shí)別率高、采集性強(qiáng)、接受性高等特點(diǎn)，在身份識(shí)別的各類方法中具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，成為了目前比較熱門的研究領(lǐng)域。

目前，卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（Convolutional Neural Networks）是圖像識(shí)別領(lǐng)域最重要的研究熱點(diǎn)，而且在語音識(shí)別領(lǐng)域也取得了不錯(cuò)的效果，但是卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的整個(gè)訓(xùn)練過程比較費(fèi)時(shí)，而且實(shí)現(xiàn)相對(duì)復(fù)雜，而基于PCA算法的人臉識(shí)別技術(shù)因其自身存在的許多缺陷，一直沒有被廣泛應(yīng)用，但該方法實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、學(xué)習(xí)速度較快，因此，本文主要研究改進(jìn)的并行PCA算法，以彌補(bǔ)傳統(tǒng)PCA算法在人臉識(shí)別領(lǐng)域的不足。

本文提出的基于并行PCA算法的人臉識(shí)別技術(shù)，首先對(duì)原始圖像進(jìn)行預(yù)處理，如灰度歸一化和中值濾波等操作，以消除圖像噪聲、光照等因素造成的影響，使得特征提取更加準(zhǔn)確可靠。然后，通過5級(jí)并行PCA模型獲取數(shù)據(jù)的不同特征矩陣，然后將訓(xùn)練圖像和測(cè)試圖像分別進(jìn)行子空間的投影，利用歐氏徑向基函數(shù)（Euclidean Radial Basis Function）進(jìn)行人臉的匹配，最后根據(jù)訓(xùn)練得到的權(quán)值向量進(jìn)行加權(quán)決策。本文通過ORL人臉數(shù)據(jù)庫的仿真實(shí)驗(yàn)證明，該算法的效果明顯好于PCA算法。

2 并行PCA算法

PCA（Principal Component Analysis）即主成分分析技術(shù)，PCA是基于K-L變換的統(tǒng)計(jì)學(xué)分析方法，是多元分析中常用的方法，其基本思想是將高維數(shù)據(jù)投影到低維空間，主要過程在于特征值的計(jì)算和矩陣的降維。將PCA應(yīng)用于人臉識(shí)別時(shí)，首先將圖像轉(zhuǎn)化成矩陣向量，然后進(jìn)行矩陣的奇異值分解（Singular Value Decomposition），將高維向量通過計(jì)算得到的特征向量矩陣投影到低維的向量空間，從而減少數(shù)據(jù)的計(jì)算量。

2.1 基于并行PCA算法的人臉識(shí)別流程

本文中提出的并行PCA算法，正是基于上述的PCA算法，通過建立5級(jí)的PCA算法模型同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)特征的學(xué)習(xí)，使得最終的人臉識(shí)別準(zhǔn)確率得到進(jìn)一步的提高，具體的人臉識(shí)別流程如圖1所示。

2.2 并行PCA算法的實(shí)現(xiàn)的步驟

2.2.1 人臉圖像的預(yù)處理

首先，需要把ORL人臉數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)庫的所有訓(xùn)練圖像大小進(jìn)行歸一化，并轉(zhuǎn)化為像素矩陣，矩陣大小記為，為矩陣的行數(shù)，為矩陣的列數(shù)。之后利用均值濾波和灰度歸一化進(jìn)行圖像的去噪處理，以消除光線等問題對(duì)圖像造成的影響，以方便后期的特征提取等操作。

2.2.2 人臉圖像的PCA降維

根據(jù)PCA的原理，可以將每一張圖像看成是一個(gè)高維的向量，所有的圖像可以看成是這個(gè)高維空間中的一點(diǎn)，PCA要做的就是找出另外一個(gè)盡可能多的反應(yīng)圖像特征的低維空間。

假如樣本由n張大小為p*q的人臉圖像組成，那么每一張圖像可以保存為一列向量，向量維數(shù)是p*q，真?zhèn)€樣本可以看成是一個(gè)行數(shù)為n，列數(shù)為p*q的矩陣記為矩陣A。

根據(jù)上述過程，首先求出矩陣A的協(xié)方差矩陣，然后求出協(xié)方差矩陣的特征值，選取前m個(gè)最大的特征值，然后求出對(duì)應(yīng)的特征向量，組成一個(gè)特征矩陣。通常所說的“特征臉”就是這些特征向量，而特種功能矩陣就是“特征臉”空間或者說子空間。然后可以將每一張圖片投影到該子空間，得到了每一張圖像的投影矩陣（l*m）。

2.2.3 人臉圖像的識(shí)別

對(duì)于待識(shí)別的圖像，也可以看成是一列向量，投影到子空間得到一個(gè)投影矩陣，然后一一求出這個(gè)投影矩陣與樣本圖像投影矩陣最相似的。然而有可能該人臉不是人臉庫中的，所以最相似的人臉也不一定是同一個(gè)人臉，還需要設(shè)置一個(gè)閾值來判斷待識(shí)別人臉是否是人臉庫中的。

人臉識(shí)別部分正是基于上述的PCA算法，在本文所提出的并行PCA模型中，是由5級(jí)的PCA模型同時(shí)進(jìn)行人臉識(shí)別這一操作，最后根據(jù)訓(xùn)練得到的權(quán)值向量進(jìn)行決策，通過使用多個(gè)PCA模型，從而使得整個(gè)識(shí)別過程的準(zhǔn)確率得到進(jìn)一步的提升。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

3.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本文中所提出的基于并行PCA算法的人臉識(shí)別系統(tǒng)，包括人臉圖像采集模塊、圖像預(yù)處理模塊、識(shí)別模塊。人臉圖像采集模塊主要是采集訓(xùn)練圖像數(shù)據(jù)和測(cè)試圖像數(shù)據(jù)，并由原始圖像提取出4幅與之對(duì)應(yīng)的部分圖像；圖像預(yù)處理模塊主要就是進(jìn)行圖像歸一化和圖像的去噪工作，圖像的歸一化包括大小歸一化和灰度歸一化，可以使用比較常見的直方圖均衡化等技術(shù)，而圖像的去噪可以使用中值濾波技術(shù)，以去除比較常見的高斯噪聲等；人臉識(shí)別模塊是基于5級(jí)相互獨(dú)立的PCA模型進(jìn)行特征值的學(xué)習(xí)和比對(duì)，而且通過訓(xùn)練得到的權(quán)值向量進(jìn)行最終的是臉識(shí)別決策。整個(gè)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)是基于Matlab進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)的，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來自劍橋大學(xué)AT&T實(shí)驗(yàn)室創(chuàng)建的ORL人臉數(shù)據(jù)庫。

3.2系統(tǒng)功能模塊實(shí)現(xiàn)

3.2.1人臉圖像采集實(shí)現(xiàn)

圖像采集模塊主要就是將存儲(chǔ)在本地的圖像文件通過Matlab的imread函數(shù)讀入矩陣中，以方便后期的PCA操作，其核心語句為Image{t}=imread（[[filepath，F(xiàn)ilDir（ii）.name]，'＼'，ImDir{ii}（jj）.name]）；

使用上述語句即可讀入訓(xùn)練數(shù)據(jù)和測(cè)試數(shù)據(jù)文件。

3.2.2 圖像預(yù)處理模塊

該模塊的主要任務(wù)就是利用中值濾波和直方圖均衡化進(jìn)行圖像的去噪工作，以消除不同光照和圖像噪聲的影響，提高準(zhǔn)確率。其核心代碼為：

S1=zeros（1，256）；

for i=1：256

for j=1：i

S1（i）=GP（j）+S1（i）；

end

end

S2=round（（S1*256）+0.5）；

for i=1：256

GPeq（i）=sum（GP（find（S2==i）））；

end

3.2.3 識(shí)別模塊

圖像經(jīng)過之前的預(yù)處理之后，需要將圖像矩陣轉(zhuǎn)化為列向量，一幅圖像就是一列向量，整個(gè)訓(xùn)練圖像構(gòu)成了整個(gè)特征空間矩陣，測(cè)試圖像也會(huì)轉(zhuǎn)化為一列向量，之后會(huì)利用矩陣之間的運(yùn)算進(jìn)行圖像的分析計(jì)算。識(shí)別模塊的工作就是根據(jù)測(cè)試圖像和之前所有的訓(xùn)練數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，查找到與之最相似的圖像，實(shí)驗(yàn)的結(jié)果如圖2所示。

4 結(jié)論

PCA算法作為傳統(tǒng)的人臉識(shí)別算法，因其自身存在的許多缺陷而沒能發(fā)揮較好的作用，但是其自身具有其他算法所不具有的特點(diǎn)，本文設(shè)計(jì)的并行PCA算法雖然是基于PCA算法，但是借鑒了卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的多層結(jié)構(gòu)，而且使用加權(quán)操作進(jìn)行最終人臉識(shí)別的決策?；贠RL人臉數(shù)據(jù)庫的測(cè)試結(jié)果表明，該并行PCA算法的準(zhǔn)確率和魯棒性均得到了進(jìn)一步的提升，與其他的單獨(dú)PCA算法具有十分明顯的優(yōu)勢(shì)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 張利芳. 基于PCA算法的人臉識(shí)別系統(tǒng)研究[D].太原：中北大學(xué)，2015.

[2] 楊海燕，蔣新華. 基于并行卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的人臉關(guān)鍵點(diǎn)定位方法研究[J]. 計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究， 2015， 32（8）： 2517-2519.

[3] 楊穎嫻. 基于PCA算法和小波變換的人臉識(shí)別技術(shù)[J]. 微電子與計(jì)算機(jī)， 2011， 28（1）： 92-94.

[4] 段寶彬，韓立新. 改進(jìn)的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)及在碎紙拼接中的應(yīng)用[J]. 計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用， 2014， 50（9）： 176-181.

[5] 顧佳玲，彭宏京. 增長(zhǎng)式卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)及其在人臉檢測(cè)中的應(yīng)用[J]. 系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)， 2009， 21（8）： 2441-2445.

[6] 伊力哈木·亞爾買買提. 基于改進(jìn)型PCA和LDA融合算法的人臉圖像識(shí)別[J]. 計(jì)算機(jī)仿真， 2013， 30（1）： 415-418.