Python实现人脸识别经典算法:特征脸法(Eigenface)详解
本文介绍如何使用Python和OpenCV实现经典的人脸识别算法——特征脸法。该方法基于PCA降维技术,通过将二维图像灰度化并转换为高维向量,利用特征值分解降低维度以解决计算复杂度问题。文章详细讲解了数据组织方式、核心算法原理及完整Python代码实现,适合希望深入理解人脸识别底层逻辑的开发者参考。
近期计划开展人脸识别相关研究,旨在构建一个完整的集成系统。虽然OpenCV已内置多种性能优异的人脸识别算法,但为了深入理解其底层逻辑,决定亲自尝试实现这些较为基础的算法。
开发环境配置为Python 2.7。
所需第三方库包括用于图像处理与机器学习的OpenCV for Python以及数值计算库numpy。
首先介绍经典的特征脸法,其核心本质是主成分分析(PCA)降维。该算法的基本流程如下:首先将二维图像转换为灰度图,使其成为单通道图像;随后将图像像素值首尾相连,展平为一个列向量。例如,若图像尺寸为20×20,则该向量维度为400维。理论上,任何机器学习算法均可直接应用于此类向量,但由于维度极高会导致算法复杂度急剧上升,因此必须引入PCA算法进行降维处理,最后可结合简单的排序策略或K近邻(KNN)算法进行分类识别。
此处仅作为资料整理,提供相关参考链接。
关于PCA的详细讲解,推荐参考博客《PCA的数学原理》,该文章从理论推导到代码实现均有详尽阐述,足以支撑基本功能的开发。
特征脸法即是将PCA应用于人脸识别场景。与标准PCA不同,由于由图像组成的列向量维度极高,直接套用PCA算法求解特征值分解速度极慢,因此此处采用了一种特殊的优化处理方法。
训练数据的组织形式为:将若干样本图片按类别放入对应的子文件夹中,所有子文件夹统一存放于名为“face”的主文件夹下。测试阶段只需提供单张测试图像即可。
鉴于PCA中维度处理较为复杂,程序中打印了多处维度信息,旨在帮助读者理解PCA的工作流程并辅助调试。
具体实现代码如下:
#encoding=utf-8
import numpy as np
import cv2
import os
class EigenFace(object):
def __init__(self,threshold,dimNum,dsize):
self.threshold = threshold # 阈值暂未使用
self.dimNum = dimNum
self.dsize = dsize
def loadImg(self,fileName,dsize):
'''''
载入图像,灰度化处理,统一尺寸,直方图均衡化
:param fileName: 图像文件名
:param dsize: 统一尺寸大小。元组形式
:return: 图像矩阵
'''
img = cv2.imread(fileName)
retImg = cv2.resize(img,dsize)
retImg = cv2.cvtColor(retImg,cv2.COLOR_RGB2GRAY)
retImg = cv2.equalizeHist(retImg)
# cv2.imshow('img',retImg)
# cv2.waitKey()
return retImg
def createImgMat(self,dirName):
'''''
生成图像样本矩阵,组织形式为行为属性,列为样本
:param dirName: 包含训练数据集的图像文件夹路径
:return: 样本矩阵,标签矩阵
'''
dataMat = np.zeros((10,1))
label = []
for parent,dirnames,filenames in os.walk(dirName):
# print parent
# print dirnames
# print filenames
index = 0
for dirname in dirnames:
for subParent,subDirName,subFilenames in os.walk(parent+'/'+dirname):
for filename in subFilenames:
img = self.loadImg(subParent+'/'+filename,self.dsize)
tempImg = np.reshape(img,(-1,1))
if index == 0 :
dataMat = tempImg
else:
dataMat = np.column_stack((dataMat,tempImg))
label.append(subParent+'/'+filename)
index += 1
return dataMat,label
def PCA(self,dataMat,dimNum):
'''''
PCA函数,用于数据降维
:param dataMat: 样本矩阵
:param dimNum: 降维后的目标维度
:return: 降维后的样本矩阵和变换矩阵
'''
# 均值化矩阵
meanMat = np.mat(np.mean(dataMat,1)).T
print '平均值矩阵维度',meanMat.shape
diffMat = dataMat-meanMat
# 求协方差矩阵,由于样本维度远远大于样本数目,所以不直接求协方差矩阵,采用下面的方法
covMat = (diffMat.T*diffMat)/float(diffMat.shape[1]) # 归一化
#covMat2 = np.cov(dataMat,bias=True)
#print '基本方法计算协方差矩阵为',covMat2
print '协方差矩阵维度',covMat.shape
eigVals, eigVects = np.linalg.eig(np.mat(covMat))
print '特征向量维度',eigVects.shape
print '特征值',eigVals
eigVects = diffMat*eigVects
eigValInd = np.argsort(eigVals)
eigValInd = eigValInd[::-1]
eigValInd = eigValInd[:dimNum] # 取出指定个数的前n大的特征值
print '选取的特征值',eigValInd
eigVects = eigVects/np.linalg.norm(eigVects,axis=0) #归一化特征向量
redEigVects = eigVects[:,eigValInd]
print '选取的特征向量',redEigVects.shape
print '均值矩阵维度',diffMat.shape
lowMat = redEigVects.T*diffMat
print '低维矩阵维度',lowMat.shape
return lowMat,redEigVects
def compare(self,dataMat,testImg,label):
'''''
比较函数,这里只是用了最简单的欧氏距离比较,还可以使用KNN等方法,如需修改修改此处即可
:param dataMat: 样本矩阵
:param testImg: 测试图像矩阵,最原始形式
:param label: 标签矩阵
:return: 与测试图片最相近的图像文件名
'''
testImg = cv2.resize(testImg,self.dsize)
testImg = cv2.cvtColor(testImg,cv2.COLOR_RGB2GRAY)
testImg = np.reshape(testImg,(-1,1))
lowMat,redVects = self.PCA(dataMat,self.dimNum)
testImg = redVects.T*testImg
print '检测样本变换后的维度',testImg.shape
disList = []
testVec = np.reshape(testImg,(1,-1))
for sample in lowMat.T:
disList.append(np.linalg.norm(testVec-sample))
print disList
sortIndex = np.argsort(disList)
return label[sortIndex[0]]
def predict(self,dirName,testFileName):
'''''
预测函数
:param dirName: 包含训练数据集的文件夹路径
:param testFileName: 测试图像文件名
:return: 预测结果
'''
testImg = cv2.imread(testFileName)
dataMat,label = self.createImgMat(dirName)
print '加载图片标签',label
ans = self.compare(dataMat,testImg,label)
return ans
if __name__ == '__main__':
eigenface = EigenFace(20,50,(50,50))
print eigenface.predict('d:/face','D:/face_test/1.bmp')
以上就是本文的全部内容,希望对各位的学习有所助益,也欢迎大家继续支持本站。
本站声明
本文内容仅供参考,不代表本站观点。转载或引用请注明出处。如发现内容问题,请通过联系我们页面反馈。













