Python PCA LDA 臉部辨識

FaceRecognitionUsingPCA&LDA Github Link

實作作方法與步驟：

1. 依據資料的影像格式，讀取pgm影像檔。
2. 每張人臉影像均為92x112=10304的灰階影像，將其轉為10304x1的向量，即成為一個樣本。
3. 資料共含有400張影像（40人，每人10張），訓練時只用200張（每人隨機取5張）。
4. 利用PCA計算此200張影像的轉換矩陣，設法將維度從10304降至10, 20, 30, 40, 50維
5. 以較低維度的樣本訓練出SVM分類器來進行辨識。
6. 比較不同維度的辨識率，並統計出混淆矩陣
7. 以降維後的樣本，利用FLD(LDA)找出另一轉換矩陣，轉為有較佳的類別分離度之新樣本。
8. 以SVM辨識器再次評量辨識率以及統計混淆矩陣。

資料說明：

• att_faces資料集，由劍橋大學AT&T實驗室創建,包含40人共400張面部圖像,部分志願者的圖像包括了姿態,表情和面部飾物的變化。大小是92×112(Face recognition database, a total of 40 individuals, each person 10 images, size is 92×112)。

程式架構圖：

PCA 模型：

    def PCA_model(dimension, xTrain, xTest):
        pca = PCA(n_components=dimension)
        pca.fit(xTrain)
        xTrain = pca.transform(xTrain)
        xTest = pca.transform(xTest)
        return xTrain, xTest

LDA 模型：

    def LDA_model(xTrain, xTest):
        lda = LDA()
        xTrain = lda.fit_transform(xTrain)
        xTest = lda.transform(xTest)
        return xTrain, xTest

SVM 分類器：

    def recognizer(dimension, xTrain, xTest, yTrain, yTest):
        svm = SVC(kernel='linear')  # 支援向量機方法
        svm.fit(np.array(xTrain), np.float32(yTrain))
        yPredict = svm.predict(np.float32(xTest))
        # print('really: {}'.format(np.array(yTest)))
        # print('predict: {}'.format(yPredict))
        print('維度%d: SVM向量機識別率: %.2f%%' % (dimension, (yPredict == np.array(yTest)).mean() * 100))
        return yTest.tolist(), yPredict

混淆矩陣：

    def plot_confusion_matrix(name, dimension, confusion_mat):
        plt.imshow(confusion_mat, interpolation='nearest', cmap=plt.cm.gray)
        plt.title('{} Dimension {} Confusion matrix'.format(name, dimension))
        plt.colorbar()
        tick_marks = np.arange(4)
        plt.xticks(tick_marks, tick_marks)
        plt.yticks(tick_marks, tick_marks)
        plt.ylabel('True label')
        plt.xlabel('Predicted label')
        plt.show()

辨識結果：

• 分為兩列，第一列為PCA結果，第二列為LDA結果

根據上圖可以發現經過PCA降維之後的樣本與再經過LDA降維的樣本相比
後者的辨識度幾乎都有提升，除了降成10維的樣本沒有符合這個規律

計算多次的之後結果依然，我認為是因為維度太低，無法有足夠的特徵去有效辨認樣本

這個論點可以根據維度慢慢提升，後者的辨識率都有慢慢提升而得到驗證。

混淆矩陣結果：

• 根據上面兩張10維的混淆矩陣可以發現，LDA的版本雖然有效的修正了一些不良的特徵，但是卻也新增了一些不完整的特徵，造成結果不能優於PCA的版本。
  
• 根據維度的慢慢提升，LDA版本的表現慢慢高於PCA的表現。
  
• 錯誤的比數越來越低
  
• 維度升高特徵比較充足，整體表現都有提升
  

結果探討與心得

這次的作業內容還蠻特別的，一般人臉辨識的訓練資料及目標，像素特徵都會以較多的數量、以當前最完整的方式去做辨認偵測，但是這樣數學的模式將資料先行降維之後再作辨認，沒想到辨識效果也很好，辨識率竟然也可以達到99%讓我有點驚訝。

但是我認為如果資料量大了之後可能會造成辨識率降低，因為特徵不夠多。對於一般人臉辨識的實際應用上也不切實際，僅只能應用於學術討論上。

整體而言，以實作的方式去寫出PCA及LDA的模型，概念需要理解一下，整體來說不算太困難。另外PGM的影像檔是以往沒有使用過的圖像類型，是個特別的體驗。