基于人工智能算法的圖像識別與生成

陳軻

摘要：本次報告的工作是利用PCA，SVM以及人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ANN）實現(xiàn)對人臉的特征提取、分類和預(yù)測。然后利用GAN（生成對抗網(wǎng)絡(luò)）實現(xiàn)對手寫數(shù)字的生成，并用SVM做預(yù)測，驗證生成效果。

本次報告采用的數(shù)據(jù)源自劍橋大學(xué)的ORL 人臉數(shù)據(jù)庫，其中包含40個人共400張人臉圖像。

關(guān)鍵詞：人工智能；圖像識別；數(shù)據(jù)

中圖分類號：TP18 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2018）13-0173-02

1 PCA降維

PCA（principal components analysis）即主成分分析，又稱主分量分析。旨在利用降維的思想，把多指標(biāo)轉(zhuǎn)化為少數(shù)幾個綜合指標(biāo)。

首先我們給出了數(shù)據(jù)庫的平均臉的圖像，并利用PCA對人臉降維，通過改變降低到的維度研究了保留維度的多少帶來的影響。最后給出了每一個維度的特征臉圖像，討論了每一個維度所能夠代表的人臉信息。

1.1 平均臉

首先，我們將數(shù)據(jù)庫中400張人臉按行存儲到一個矩陣中，即每一行為一張人臉（10304像素），每張人臉共10304維特征。我們對每一個維度去平均，構(gòu)成一個新的行向量，這就是平均臉。

平均臉反映了數(shù)據(jù)庫中400張人臉的平均特征，可以看清人臉的輪廓，但無法識別人臉的局部細(xì)節(jié)。

1.2 降低至不同維度時還原臉的情況

從左到右從上到下依次是同一張臉降低至10，30，50，100，200，250，300，350，400的圖像?？梢钥吹剑S著保留維數(shù)的增多，圖像越清晰，與原圖的差異越小。

1.3 提取單一維度的特征做還原

為了研究不同維度所代表的人臉的信息，我們把PCA之后的每一個特征向量單獨提取出來對人臉做還原，還原的時候不加入平均臉并且做直方圖均衡化。

結(jié)果如下：

每一張圖像下方的數(shù)字代表了PCA之后按特征值從大到小排序的順序，比如第一張圖代表PCA之后最大特征值所對應(yīng)的特征向量還原出的人臉。

特征累積圖的縱坐標(biāo)代表了所保留的特征占總特征的比例。它是這樣計算出來的，假設(shè)保留k維信息，則縱坐標(biāo)值為這k個特征值的和除以總的400（400*10304的矩陣，最多有400個非零特征值）個特征值的和。

從圖4可以看出，當(dāng)保留維數(shù)為100維時，即能保留人臉90%的信息，而之后隨著保留維數(shù)的增多，保留信息的增多變緩。

同樣的結(jié)論也可由提取每個維度所代表的特征獲得。從前到后觀察實驗所得的圖像，我們可以發(fā)現(xiàn)，人臉變得越來越模糊，到100維以后已經(jīng)分辨不清人臉了。這就說明前面的維度反映了大眾臉的特征，而越往后面的維度則反映不同人臉的細(xì)節(jié)，比如頭發(fā)長短等等，以及圖片噪聲。

2 SVM對人臉分類

SVM（支持向量機）是Corinna Cortes和Vapnik等于1995年首先提出的，在機器學(xué)習(xí)中，支持向量機是與相關(guān)的學(xué)習(xí)算法有關(guān)的監(jiān)督學(xué)習(xí)模型，可以分析數(shù)據(jù)，識別模式，用于分類和回歸分析。

2.1 制作多分類器

用PCA對人臉降維以后，我們用SVM將400張人臉進(jìn)行分類。我們?nèi)∶總€人的前五張照片合并起來共200張作為訓(xùn)練集，每個人后五張照片合并起來共200張作為測試集。40個人即有40個標(biāo)簽，也就是有40類，但SVM只能作二分類器，因此我們利用二分類器生成多分類器，基本思想是制作C（40，2）個一對一分類器（也就是每兩個類別一個），每一張照片都分別用所有一對一分類器分類，分類結(jié)果存儲到投票矩陣中，分類結(jié)果就是投票矩陣中數(shù)字最大的那個。

分類前，我們還需對PCA后的數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理，將圖像矩陣的每一個元素映射到（-1，1）之間。

2.2 參數(shù)選擇及程序結(jié)果

1）分類數(shù)據(jù)：每人取前五張做訓(xùn)練，后五張做測試（不加入自己的人臉）

SVM參數(shù)設(shè)定：k = 75（PCA降至75維）

Sigma = 30

c = 15

預(yù)測準(zhǔn)確率： accuracy=0.8950

2）每人取前五張做訓(xùn)練，后五張做測試（加入自己的人臉）

SVM參數(shù)同上，

預(yù)測準(zhǔn)確率： accuracy=0.8585

我們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)加入自己拍攝的人臉圖像后，預(yù)測準(zhǔn)確率有一定的下降，這可能是由于拍照時的光線，角度等造成的。

3 ANN對人臉分類

人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（Artificial Neural Networks，簡寫為ANNs）也簡稱為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（NNs）或稱作連接模型（Connection Model），它是一種模仿動物神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)行為特征，進(jìn)行分布式并行信息處理的算法數(shù)學(xué)模型。這種網(wǎng)絡(luò)依靠系統(tǒng)的復(fù)雜程度，通過調(diào)整內(nèi)部大量節(jié)點之間相互連接的關(guān)系，從而達(dá)到處理信息的目的。

為了方便與SVM的結(jié)果作比對，ANN的訓(xùn)練集和測試集與SVM相同，并且不加入自己人臉。

3.1 ANN結(jié)果及與SVM分類比較

ANN分類結(jié)果：

ANN參數(shù)設(shè)定為：1個隱層，含200個神經(jīng)元

學(xué)習(xí)率：1

dropout fraction：0.5

激活函數(shù)：sigmoid

L2正則：0.0001

epoch：200

batchsize：50

分類錯誤率：

即分類準(zhǔn)確率（accuracy）為：93.5%

實驗過程中可以發(fā)現(xiàn)，通過對神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)多個參數(shù)的調(diào)節(jié)，準(zhǔn)確率的變化是很復(fù)雜的，最終的93.5%的準(zhǔn)確率應(yīng)該還有上升的空間，參數(shù)還待進(jìn)一步調(diào)整。

與SVM比較起來，ANN準(zhǔn)確率更高，但分析表明，對于本次報告所采用的數(shù)據(jù)庫，ANN和SVM的準(zhǔn)確度不會有太大差異，因此SVM的參數(shù)或許還可以進(jìn)一步優(yōu)化。

4 GAN生成手寫數(shù)字

生成對抗網(wǎng)絡(luò)（GAN）是一種深度學(xué)習(xí)模型，是近年來復(fù)雜分布上無監(jiān)督學(xué)習(xí)最具前景的方法之一。模型通過框架中（至少）兩個模塊：生成模型（Generative Model）和判別模型（Discriminative Model）的互相博弈學(xué)習(xí)產(chǎn)生相當(dāng)好的輸出。原始 GAN 理論中，并不要求 G 和 D 都是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，只需要是能擬合相應(yīng)生成和判別的函數(shù)即可。但實用中一般均使用深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)作為 G 和 D 。

在下面的工作中，我們利用已有的手寫數(shù)字（0-9）圖片（60000張用于訓(xùn)練，10000張用于測試），對生成對抗網(wǎng)絡(luò)（GAN）進(jìn)行訓(xùn)練并生成手寫數(shù)字，每個數(shù)字提取5000個樣本作為訓(xùn)練集。最后用SVM對電腦生成的手寫數(shù)字分類，看是否能“騙過”分類器。

4.1 參數(shù)設(shè)定及程序結(jié)果

首先，我們選取一個想要生成的手寫字體，將已有數(shù)據(jù)中所有該字體挑出并取前5000個作為訓(xùn)練集。

參數(shù)設(shè)定：生成器（generator）：輸入層、隱層和輸出層分別有100，512，784個神經(jīng)元。

識別器（discriminator）：輸入層、隱層和輸出層分別有784，200，1個神經(jīng)元。

學(xué)習(xí)率：0.01

Batchsize：50

更新判別器時的迭代次數(shù)設(shè)為1

生成訓(xùn)練集：

load（'mnist_uint8'）；

classify_num = 9；

classify_matrix = zeros（1，10）；

classify_matrix（classify_num+1） = 1；

choose = zeros（size（train_x，1），1）；

for i=1：size（train_x，1）

if（train_y（i，：）==classify_matrix）

choose（i） = choose（i）+1；

end

end

choose = logical（choose）；

train_x = train_x（choose，：）；

train_x = train_x（1：5000，：）；

train_x = double（reshape（train_x， 5000， 28， 28））/255；

train_x = permute（train_x，[1，3，2]）；

train_x = reshape（train_x， 5000， 784）；

生成器損失雖然不是很低，但是最終基本穩(wěn)定。

4.2 SVM對生成手寫數(shù)字做分類

我們用GAN分別生成0到9的手寫數(shù)字，將生成的圖片作為測試集用SVM做分類，看是否能分到正確的類別。

Result是SVM中的投票矩陣，投票數(shù)最多的一個的序號減一即為所分到的類別（數(shù)字0-9）。這里的SVM區(qū)別于前面所討論的人臉識別的SVM，它是由45個（C（10，2））一對一分類器生成的多分類器。

可以看到，每一個由GAN生成的手寫數(shù)字均被SVM分到了正確的類別，如此可見GAN實在強大。

5 總結(jié)

運用PCA對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行降維，不僅能夠保留原始的主要信息，而且可以減少算法的執(zhí)行時間。通過組合SVM的二分類器來生成多分類器實現(xiàn)對人臉的識別，準(zhǔn)確率達(dá)到89.5%，用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)ANN進(jìn)行分類準(zhǔn)確率達(dá)到93.5%。最后利用GAN生成手寫字體，SVM全部正確地進(jìn)行了分類，這表明GAN生成的手寫數(shù)字是十分逼真的。

參考文獻(xiàn)：

[1] 劉振明.基于J2EE新聞門戶網(wǎng)站的設(shè)計與研究[D].吉林大學(xué)，2010（06）：65-102.