Nghiên cứu Khoa học

Phân tích thành phần chính PCA để nhận dạng khuôn mặt

Ý tưởng chính của thuật toán phân tích thành phần chính là giảm số chiều của tập dữ liệu có sự tương quan lớn giữa các biến. Mặc dù giảm số chiều của biến nhưng vẫn duy trì sự biến đổi nhiều nhất có thể của tập dữ liệu ban đầu. Nếu một tập dữ liệu đa biến được xem xét như tập các tọa độ trong một không gian dữ liệu nhiều chiều  (mỗi trục biểu diễn một biến)  thì phương pháp PCA cung cấp cho chúng ta một bức ảnh ít chiều, một cái bóng của vật thể khi quan sát từ chính những đặc trưng cơ bản nhất của vật thể đó. Thực chất của PCA là giải quyết bài toán tìm trị riêng và vector riêng cho ma trận. Phương pháp PCA sẽ giữ lại K thuộc tính “mới” từ M các thuộc tính ban đầu (K<M).

* Tính toán các Eigenfaces

Bước 1:

Sử dụng các ảnh khuôn mặt I₁, I₂, … I_n(tập các khuôn mặt huấn luyện) với khuôn mặt phải chính diện & tất cả ảnh phải cùng kích thước.

Giả sử có M ảnh, khi đó i = 1...M.

Bước 2:

Sau đó ta tương ứng mỗi ảnh I_i với một vector Γ_i

I_i (ảnh N×N) → Γ_i (vector N² ×1)                                                  

Bước 3:

Tính vector khuôn mặt trung bình  theo công thức:

=                                                                                    

Trong đó :

M là số ảnh trong tập luyện

Γ_i là vector 1 chiều (N²×1) đại diện cho mỗi ảnh.

Ψ là  vector trung bình (kích thước N²×1) của tập tất cả các  Γ_i trên; còn được gọi là vector trung bình mặt của tập luyện

Bước 4:

Sai số của các ảnh so với giá trị vector mặt trung bình được tính toán theo công thức sau:

Φ_i = Γ_i –  Ψ                                                                                         

Trong  đó:  

Φ_i là vector sai số ứng với mỗi ảnh

Ψ là vector trung bình mặt.

Bước 5:

Tính ma trận hiệp phương sai (covariance) C:

C =  = A.A^T                                                                         

Khi đó, C sẽ có kích thước N²xN², và A = [Φ₁ Φ_{2 ...} Φ_M ]

Trong đó:    

A sẽ có kích thước là N²xM

𝚽_n là giá trị sai số

Cụ thể ta có:

Bước 6:

   Tính các Eigenvector u_i(“vector riêng”) của ma trận vuông A.A^T (C có kích thước N²xN²). Rõ ràng ma trận này có kích thước quá lớn nên việc tính toán rất khó khăn. Vì vậy ta thực hiện bằng phương pháp tính nhanh dựa trên vecto riêng của ma trận A^T.A có kích thước M x M. Gọi v_i và λ_i là các vecto riêng và trị riêng của ma trận A^T.A. Như vậy :

A^T.A . v_i = λ_i. v_i

   Nhân 2 vế với A được:  A A^T.A.v_i = λ_i.A. v_i. Như vậy Av_i chính là vecto riêng của ma trận hiệp phương sai C ứng với trị riêng λ_i

-  Bước 6.1:

   Xét ma trận A^T.A

-  Bước 6.2:

   Tính các vector riêng v_i (eigenvectors) của ma trận vuông A^T.A này.

   Ở đây ta sẽ tìm được 4 trị riêng của ma trận A^T.A, tuy nhiên ta sẽ sắp xếp lại theo thứ tự giảm dần, và chỉ lấy các trị riêng “non-zero”. Kết quả ta được 3 trị riêng (từ đó tính ra 3 vector riêng tương ứng):

Sau khi đã tính được các vector v_i (có kích thước là Mx1), ta sẽ dễ dàng suy ra được các vector riêng u_i (kích thước N²x1) mong muốn cần tìm, theo công thức:

u_i = Av_i                                                                                              

Chuẩn hóa các vector u_i

   M trị riêng của ma trận A^T.A (kèm với các vector riêng tương ứng), sẽ ứng với M trị riêng lớn nhất của A.A^T, đây là các kết quả cho biết các hướng biến thiên quan trọng nhất. Các vecto cơ sở này trực giao từng đôi một, được gọi là các eigenface. Tập hợp các vecto ban đầu được biểu diễn trong không gian tạo bởi các vecto u là:

Φ_i = Γ_i –  Ψ = w₁u₁  + w₂u₂ + w₃u_{3 .....} + w_Mu_M =

Bước 7:

   Chỉ giữ lại K vector riêng trong số các vector nói trên ứng với K trị riêng lớn nhất. Khi đó mỗi khuôn mặt trong tập huấn luyện có thể được biểu diễn lại là 1 tổ hợp tuyến tính của K vector riêng lớn nhất:

Φ_i = Γ_i –  Ψ = w₁u₁  + w₂u₂ + w₃u_{3 .....} + w_Ku_K =                              

Trong đó : w_i = Φ_i

Vecto với các hệ số khai triển [w₁, w₂, w₃,... w_K] chính là biểu diễn mới của ảnh được tạo ra trong không gian PCA, và vẫn mang các đặc tính của ảnh cũ

   Có 2 cách để xác định K.

-  Cách 1:

+ Sắp xếp theo thứ tự dãy giảm dần các eigenvalues tìm được.

+ Theo dõi sự biến thiên của dãy trên, khi không còn biến thiên (hoặc xấp xỉ bằng không) thì lúc đó ta đã chọn đủ K.

-  Cách 2:

Chọn K theo công thức sau:

Các tin khác

• Ứng dụng trí tuệ nhân tạo trong ngành Điện
• Điều khiển nồng độ pH cho hồ cá
• Xây dựng hệ thống Điều khiển động cơ dùng FPGA
• Giới thiệu về Công nghệ Nén Ảnh
• Bài toán xác định vị trí và tìm đường cho Mobile Robot