01、数据集介绍与分析

ORL人脸数据集共包含40个不同人的400张图像，是在1992年4月至1994年4月期间由英国剑桥的Olivetti研究实验室创建。

此数据集下包含40个目录，每个目录下有10张图像，每个目录表示一个不同的人。所有的图像是以PGM格式存储，灰度图，图像大小宽度为92，高度为112。对每一个目录下的图像，这些图像是在不同的时间、不同的光照、不同的面部表情（睁眼/闭眼，微笑/不微笑）和面部细节（戴眼镜/不戴眼镜）环境下采集的。所有的图像是在较暗的均匀背景下拍摄的，拍摄的是正脸（有些带有略微的侧偏）。

数据集链接：

https://pan.baidu.com/s/1hxeo38rJJFstLDG4lg67SA

提取码：8m9i

图1 数据集可视化结果

如图1所示，在该数据集中，每个人有10张照片，这10张照片中，前8张作为训练集，而后2张归为测试集。即可以获得一个408大小的训练集，以及402大小的测试集。人脸识别的任务即为在训练集上训练模型，并预测该照片属于哪一个人。因此，与手写数字相似，都是基于图片的多分类任务。与MNIST手写数字识别任务不同的地方在于，人脸图片比数字图片更为复杂，且训练样本较少，深度学习模型可能会带来过拟合的风险，在这种情况下，本文采取传统方法来进行求解。

首先，为了更好的表征图片中人脸的特性，将使用传统算子(LBP算子)从原始图片中提取特征，再进行PCA降维，最后使用随机森林、GBDT等机器学习模型对特征进行分类学习。在机器学习领域，如何根据任务目标去构造特征是一项非常重要的任务，特征的好坏直接决定了后面分类模型预测结果的上限和下限，而模型的选取相比特征来说差异化并不是非常大，在现实应用中，由于时限等要求不能选取太过复杂的模型，这时候，特征的选择就显得更为重要。

02、LBP算子

LBP是Local Binary Pattern（局部二值模式）的缩写，具有灰度不变性和旋转不变性等显著优点。

图2 LBP算子计算过程示意图

如图2所示，原始的LBP算子定义为在3 3的窗口内，以窗口中心像素为阈值，将相邻的8个像素的灰度值与其进行比较，若周围像素值大于等于中心像素值，则该像素点的位置被标记为1，否则为0。这样，3 3邻域内的8个点经比较可产生8位二进制数（通常转换为十进制数即LBP码，共256种），即得到该窗口中心像素点的LBP值，并用这个值来反映该区域的纹理信息。需要注意的是，LBP值是按照顺时针方向组成的二进制数。

基本的 LBP算子的最大缺陷在于它只覆盖了一个固定半径范围内的小区域，这显然不能满足不同尺寸和频率纹理的需要。为了适应不同尺度的纹理特征，并达到灰度和旋转不变性的要求，Ojala等对 LBP 算子进行了改进，将 3*3邻域扩展到任意邻域，并用圆形邻域代替了正方形邻域，改进后的 LBP 算子允许在半径为 R 的圆形邻域内有任意多个像素点。从而得到了诸如半径为R的圆形区域内含有P个采样点的LBP算子，称为Extended LBP。

03、提取图片特征

在训练模型之前，首先应完成加载数据集以及提取图片特征的相关函数。如代码清单1所示，首先导入相关的包，以及设置超参数CUT_X和CUT_Y，分别指原图可以在高和宽方向可以被裁减的次数，例如原图大小为11292，高112可以被切分为814，同理宽92可被切分为4*28，该项参数的具体用途将在后文中具体说明。

代码清单1 导入相关库以及超参数设置

from PIL import Image
from sklearn.decomposition import PCA
from sklearn.ensemble import RandomForestClassifier
from sklearn.ensemble import GradientBoostingClassifier
from sklearn.metrics import confusion_matrix, precision_score, accuracy_score,recall_score, f1_score
import numpy as np
import cv2
import os
import math
import random
 
CUT_X = 8
CUT_Y = 4

代码清单2中定义了load_data函数，其中ORL_PATH指数据集所在的路径。从路径中读取图片转化为numpy数组，并将图片和标签分别返回，需要注意的是打乱训练集时需要用同一个种子进行打乱，这样可以保证X和y以相同的方式进行打乱。每个人的子文件夹下包含同一人的10张图像，选取前八张作为训练集数据，后两张为测试集数据。

代码清单2 读取数据并进行预处理

def load_data():
    ORL_PATH = './orl'
    train_X = [] # 训练集
    train_y = []
    test_X = [] # 测试集
    test_y = []
    person_dirnames = os.listdir(ORL_PATH)
    for dirname in person_dirnames:
        for i in range(1, 9):
            pic_path = os.path.join(ORL_PATH, dirname, str(i) + '.pgm')
            im = np.array(Image.open(pic_path).convert("L")) # 读取文件并转化为灰度图
            train_X.append(im)
            train_y.append(int(dirname[1:]) - 1)
        for i in range(9, 11):
            pic_path = os.path.join(ORL_PATH, dirname, str(i) + '.pgm')
            im = np.array(Image.open(pic_path).convert("L")) # 读取文件并转化为灰度图
            test_X.append(im)
            test_y.append(int(dirname[1:]) - 1)
    # 同时打乱X和y数据集。
    randnum = random.randint(0, 100)
    random.seed(randnum)
    random.shuffle(train_X)
    random.seed(randnum)
    random.shuffle(train_y)
    print("训练集大小为: {}, 测试集大小为: {}".format(len(train_X), len(test_X)))
    return np.array(train_X), np.array(train_y).T, np.array(test_X), np.array(test_y).T

如图3所示为LBP提取特征的可视化结果。

图3 LBP特征可视化结果

其中minBinary这个辅助函数的实现如代码清单4所示，正是由于minBinary这个函数，LBP特征会有较好的旋转不变性，因为无论图片如何旋转，其min值都不会改变。

代码清单4 LBP旋转不变性实现

# 为了让LBP具有旋转不变性，将二进制串进行旋转。
# 假设一开始得到的LBP特征为10010000，那么将这个二进制特征，
# 按照顺时针方向旋转，可以转化为00001001的形式，这样得到的LBP值是最小的。
# 无论图像怎么旋转，对点提取的二进制特征的最小值是不变的，
# 用最小值作为提取的LBP特征，这样LBP就是旋转不变的了。
def minBinary(pixel):
    length = len(pixel)
    zero = ''
    # range(length)[::-1] 使得i从01234变为43210
    for i in range(length)[::-1]:
        if pixel[i] == '0':
            pixel = pixel[:i]
            zero += '0'
        else:
            return zero + pixel
    if len(pixel) == 0:
        return '0'

提取LBP特征后，如代码清单5所示，将图片分割为84=32个小块，即前面设置的CUT_X和CUT_Y。每个小块统计像素值分别为0-256的数目，最后将32个小区域的统计结果合并，得到最终的特征数目为32256个。

代码清单5 对图片进行切片并统计直方图特征

# 统计直方图
def calHistogram(ImgLBPope, h_num=CUT_X, w_num=CUT_Y):
    # 112 = 14 * 8, 92 = 23 * 4
    Img = ImgLBPope.reshape(112, 92)
    H, w = np.shape(Img)
    # 把图像分为8 * 4份
    Histogram = np.mat(np.zeros((256, h_num * w_num)))
    maskx, masky = H / h_num, w / w_num
    for i in range(h_num):
        for j in range(w_num):
            # 使用掩膜opencv来获得子矩阵直方图
            mask = np.zeros(np.shape(Img), np.uint8)
            mask[int(i * maskx): int((i + 1) * maskx), int(j * masky):int((j + 1) * masky)] = 255
            hist = cv2.calcHist([np.array(Img, np.uint8)], [0], mask, [256], [0, 255])
            Histogram[:, i * w_num + j] = np.mat(hist).flatten().T
    return Histogram.flatten().T

以及将上述函数串联，封装得到总的预处理函数如代码清单6。

代码清单6 提取特征函数

def getfeatures(input_face):
    LBPoperator = LBP(input_face) # 获得实验图像的LBP算子 一列是一张图
    # 获得实验图像的直方图分布
    exHistograms = np.mat(np.zeros((256 * 4 * 8, np.shape(LBPoperator)[1]))) # 256 * 8 * 4行, 图片数目列
    for i in range(np.shape(LBPoperator)[1]):
        exHistogram = calHistogram(LBPoperator[:, i], 8, 4)
        exHistograms[:, i] = exHistogram
    exHistograms = exHistograms.transpose()
    return exHistograms

到目前已经完成了特征提取过程，模型部分就可以调用sklearn库从而简化了代码编写，由于每一张图片最终的特征数目非常大，如果直接用这些特征去训练模型，会降低模型训练的速度，使用PCA算法可以大幅降低特征数目，仅保留关键的信息，如代码清单7所示，编写PCA函数，完成降维过程，其中n_components为降维后保留的特征数目。

代码清单7 使用PCA进行降维

def pca(train_X, test_X, n_components=150):
    pca = PCA(n_components=n_components, svd_solver='randomized', whiten=True)
    pca.fit(train_X)
    train_X_pca = pca.transform(train_X)
    test_X_pca = pca.transform(test_X)
    return train_X_pca, test_X_pca

04、基于随机森林算法的人脸识别问题

在上文已经完成了特征提取以及预处理相关的函数，接下来使用随机森林算法来完成接下来模型训练以及测试的过程，首先是训练模型的函数，如代码清单8所示，以训练集的特征和标签作为输入，返回训练好的模型。

代码清单8 训练随机森林模型

def train_rf(train_X, train_y):
    rf = RandomForestClassifier(n_estimators=200)
    rf.fit(train_X, train_y)
    return rf

以及如代码清单9所示为测试模型的函数，以模型、测试集特征、测试集标签作为输入，计算混淆矩阵以及多分类问题的评价指标。

代码清单9 测试随机森林模型

# 测试模型
def test(model, x_test, y_test):
    # 预测结果
    y_pre = model.predict(x_test)
 
    # 混淆矩阵
    con_matrix = confusion_matrix(y_test, y_pre)
    print('confusion_matrix:\n', con_matrix)
    print('accuracy:{}'.format(accuracy_score(y_test, y_pre)))
    print('precision:{}'.format(precision_score(y_test, y_pre, average='micro')))
    print('recall:{}'.format(recall_score(y_test, y_pre, average='micro')))
    print('f1-score:{}'.format(f1_score(y_test, y_pre, average='micro')))

最后编写main函数如代码清单10所示，将特征提取、PCA降维、模型训练以及测试串联起来。

代码清单10 编写main函数

if __name__ == "__main__":
    train_X, train_y, test_X, test_y = load_data()
    print("开始提取训练集特征")
    feature_train_X = getfeatures(train_X)
    print("开始提取测试集特征")
    feature_test_X = getfeatures(test_X)
    print("PCA降维")
    feature_train_X_pca, feature_test_X_pca = pca(feature_train_X, feature_test_X)
    model = train_rf(feature_train_X_pca, train_y)
    test(model, feature_test_X_pca, test_y)

运行脚本，可以得到如下图4所示的输出，至此就完成了基于随机森林的人脸识别问题。

图4 随机森林模型在测试集上的表现结果

05、基于SVM算法的人脸识别问题

如代码清单11所示，定义一个训练SVM模型的函数，与前面训练随机森林函数的参数以及返回值相同。

代码清11 训练SVM模型

# 训练SVM模性
from sklearn import svm
def trainSVM(x_train, y_train):
    # SVM生成和训练
    clf = svm.SVC(kernel='rbf', probability=True)
    clf.fit(x_train, y_train)
    return clf

同样修改main函数如代码清单12所示。

代码清单12 修改main函数

if __name__ == "__main__":
    train_X, train_y, test_X, test_y = load_data()
    print("开始提取训练集特征")
    feature_train_X = getfeatures(train_X)
    print("开始提取测试集特征")
    feature_test_X = getfeatures(test_X)
    print("PCA降维")
    feature_train_X_pca, feature_test_X_pca = pca(feature_train_X, feature_test_X)
    model = trainSVM(feature_train_X_pca, train_y)
    test(model, feature_test_X_pca, test_y)

运行程序可得最终输出如图5所示。

图5 SVM模型在测试集上的表现结果