《電子技術(shù)應(yīng)用》
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一种基于KPCA与LDA的人脸识别改进算法
来源：电子技术应用2013年第12期
郝静静1， 李 莉2
1. 开封大学 信息工程学院，河南 开封 475004； 2. 河南工程学院 计算机科学与工程系， 河南 郑州 450007
摘要： 提出一种核主元分析和线性判别分析相结合的人脸特征识别改进算法。采用核主元分析法对人脸特征信息数据进行主分量提取，以消除数据特征间的相关性和压缩特征向量的维数。通过引入成对加权Fisher准则和正则化规则对线性判别分析法进行改进，进而实现人脸的自动识别。基于ORL人脸库进行的实验表明，此改进算法能够有效识别库中的人脸，识别率达91.7%，与K近邻法和主元分析法相比有较高的识别率。
中圖分類號(hào)： TP391.4
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A
文章編號(hào)： 0258-7998(2013)12-0132-03
An improved face recognition algorithm based on KPCA and LDA
Hao Jingjing1, Li Li2
1. College of Information Engineering, Kaifeng University, Kaifeng 475004, China; 2. College of Computer Science and Technology, Henan Institute of Engineering, Zhengzhou 450007, China
Abstract： Put forward a kind of the face feature recognition method combining kernel principal component analysis and linear discriminant analysis. According to the characteristics of human face information, first use kernel principal component analysis method to principal component extraction of data, eliminate the correlation between data characteristics and compression feature vector dimensions, and then improve the linear discriminant analysis method by introducing Weighted Pairwise Fisher Criterion(WPFC) and regularization rules, thus realize face automatic identification. The experiment based on ORL face database shows that this method can effectively identify faces in libraries and recognition rate reaches 91.7%. Application of this method has higher recognition rate compared with neighboring method and PCA.
Key words : KPCA; LDA; face recognition; feature extraction; dimension disaster

    人臉識(shí)別是一種重要的生物特征識(shí)別技術(shù)，在公共安全、信息安全、金融等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景[1]。近年來(lái)隨著檢測(cè)技術(shù)、信號(hào)處理技術(shù)和模式識(shí)別技術(shù)的長(zhǎng)足發(fā)展，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)人臉識(shí)別技術(shù)進(jìn)行了更加深入的研究[2]。國(guó)外學(xué)者DABBAGHCHIANA S采用離散余弦變換DCT(Discrete Cosine Transform)對(duì)ORL人臉庫(kù)的圖像進(jìn)行特征提取，用鑒別能力分析DPA(Discrimination Power Analysis)對(duì)其進(jìn)行識(shí)別[3]；國(guó)內(nèi)李勇周等人采用核嶺回歸的鄰域保持最大間隔分析法,在標(biāo)準(zhǔn)人臉庫(kù)中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，取得很好的識(shí)別性能[4]；甘俊英采用非線性Radon變換對(duì)ORL人臉庫(kù)中圖像進(jìn)行特征提取與識(shí)別,識(shí)別率為90.5%[5]。在眾多已有的人臉識(shí)別方法中,主成分分析PCA(Principal Component Analysis)和線性判別分析LDA(Linear Discriminant Analysis)具有運(yùn)算少、描述能力強(qiáng)和可分性好等特點(diǎn)[6]。PCA是一種線性數(shù)據(jù)降維算法， 但不能取出數(shù)據(jù)中非線性的結(jié)構(gòu)。針對(duì)人臉識(shí)別過(guò)程中數(shù)據(jù)非線性的特點(diǎn),采用核主元分析法KPCA(Kernel Principal Component Analysis)能夠很好地保留數(shù)據(jù)的非線性結(jié)構(gòu)，從而更好地保留原數(shù)據(jù)信息量[7-8]。線性判別分析法(LDA)是用于判斷樣本所屬類型的一種統(tǒng)計(jì)分析方法，廣泛應(yīng)用于不同領(lǐng)域。在人臉識(shí)別中，LDA分類器的準(zhǔn)確率優(yōu)于前面提到的那些復(fù)雜的判別方法，同時(shí)還具有易于實(shí)現(xiàn)和訓(xùn)練更迅速等優(yōu)點(diǎn)[9-10]。實(shí)驗(yàn)證明采用LDA分類器對(duì)ORL人臉數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行模式識(shí)別正確率高，達(dá)到91.7%以上，且魯棒性好。

1 核主元分析法在人臉識(shí)別中的應(yīng)用
    采用核主元分析(KPCA)來(lái)解決有監(jiān)督情況下的非線性數(shù)據(jù)的降維問(wèn)題。KPCA的核心思想是采用非線性變換將輸入數(shù)據(jù)空間映射到高維空間，使非線性問(wèn)題轉(zhuǎn)換為

 



    當(dāng)多項(xiàng)式核指數(shù)參數(shù)為0.7時(shí)，識(shí)別率最高達(dá)到91.7%。表1所示為K近鄰、PCA+LDA和KPCA+改進(jìn)LDA 三種識(shí)別方法對(duì)ORL人臉庫(kù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

    從表1可得,使用KPCA+改進(jìn)LDA方法的人臉識(shí)別率達(dá)91.7%，特征維數(shù)為14維。與K近鄰法和PCA+LDA法相比KPCA+改進(jìn)LDA方法不僅識(shí)別率更高，且更能有效地提取ORL人臉庫(kù)中圖像數(shù)據(jù)特征。
    針對(duì)人臉識(shí)別過(guò)程中樣本數(shù)據(jù)的非線性、高維數(shù)和小樣本等特點(diǎn)，提出了一種KPCA和改進(jìn)LDA相結(jié)合的人臉識(shí)別新方法。由實(shí)驗(yàn)可得，應(yīng)用KPCA不僅能夠很好地對(duì)ORL人臉數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行降維，降低數(shù)據(jù)間的冗余度，而且能夠抽取數(shù)據(jù)中的非線性結(jié)構(gòu)，有效地保留非線性數(shù)據(jù)。應(yīng)用LDA改進(jìn)算法對(duì)降維后的數(shù)據(jù)進(jìn)行分類識(shí)別，識(shí)別率達(dá)91.7%，與K近鄰和PCA相比，該算法識(shí)別率較高，而且算法簡(jiǎn)單，運(yùn)算量小，魯棒性好。
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