基于Gabor特征和支持向量引导字典学习的人脸识别

稀疏编码中的字典学习在稀疏表示的图像识别中扮演着重要的作用。由于Gabor特征对表情、光照和姿态等变化具有一定的鲁棒性,提出一种基于Gabor特征和支持向量引导字典学习（GSVGDL）的稀疏表示人脸识别算法。先提取图像的Gabor特征,然后用增广Gabor特征矩阵来构造初始字典。字典学习模型中综合了重构误差项、判别项和正则化项,判别项公式化定义为所有编码向量对平方距离的加权总和;通过字典学习同时得到字典原子与类别标签相对应的结构化字典和线性分类器。该字典学习方法能够自适应地为不同的编码向量对分配不同的权值,提高了字典的判别性能。实验结果表明该方法具有很好的识别精度和较高的识别效率。     

字典学习和稀疏表示的海马子区图像分割

目的 海马子区体积极小且结构复杂,现有多图谱的分割方法难以取得理想的分割结果,为此提出一种字典学习和稀疏表示的海马子区分割方法。方法 该方法为目标图像中的每个体素点建立稀疏表示和字典学习模型以获取该点的标记。其中,字典学习模型由图谱灰度图像中的图像块构建。提出利用图谱标记图像的局部二值模式(LBP)特征增强训练字典的判别性;然后求解目标图像块在训练字典中的稀疏表示以确定该点标记;最后依据图谱的先验知识纠正分割结果中的错误标记。结果 与现有典型的多图谱方法进行定性和定量对比,该方法优于现有典型的多图谱分割方法,对较大海马子区的平均分割准确率可达到0.890。结论 本文方法适用于在大脑核磁共振图像中精确分割海马子区,且具有较强的鲁棒性,可为神经退行性疾病的诊断提供可靠的依据。     

核稀疏表示和原子相关度的图像重建

目的 针对目前基于稀疏表示的超分辨率重建算法中对字典原子的选取效率低、图像重建效果欠佳的问题,本文提出了核方法与一种高效的字典原子相关度筛选方法相融合的图像超分辨重建算法,充分利用字典原子与图像的相关度,选用对重建的贡献最大的原子来提高重建的效率和效果。方法 首先,通过预处理高分辨率图像得到高、低分辨率图像样本集,再用字典学习得到高、低分辨率字典对;然后,对字典原子进行非相关处理提高字典原子的表达能力;此后,再利用低分辨率字典,引入核方法和字典原子筛选方法进行稀疏表示,设置阈值筛选高相关原子,低相关度原子对重建贡献度低,在迭代过程中耗费计算量,所以舍去低相关原子,再对普通原子进行正则化处理后加入支撑集,处理后的字典原子对于重建具有很好的表达能力;最后,利用处理后的字典原子对低分辨率图求解稀疏表示问题得到稀疏表示系数,结合高分辨率字典重建出高分辨率图像。结果 实验通过与其他学习算法对比,得到结构相似度（SSIM）、峰值信噪比（PSNR）以及重建时间的结果。实验结果表明：本文方法与对比方法相比,图像重建时间提高了22.2%;图像结构相似度提高了9.06%;峰值信噪比提高了2.30 dB。原有的基于字典学习的方法对于字典选取具有一定的盲目性,所选取的原子与重建图像相关度较低,使重建效果差,本文方法获得的字典原子可以减少稀疏表示过程的时耗,同时提高稀疏表示的精度。引入核方法,改善经典算法中对原子选取的低精度问题,经实验证明,本方法能有效提高重建算法性能。结论 实验结果表明,图像的稀疏表示过程的重建时间明显减少,重建效果也有一定的提高,并且在训练样本较少的情况下同样有良好的重建效率和效果,适合在实际中使用。     

基于拓展稀疏表示模型和LC-KSVD的人脸识别

为了提高人脸的识别率和识别速度及其识别的鲁棒性,提出了基于拓展稀疏表示模型和LC-KSVD（Label Consist K-SVD）的人脸识别算法。针对字典学习中只包含表示能力没有包含类别信息的问题,在原始的稀疏表示模型中添加了残差向量作为系数修正向量,使得拓展稀疏表示模型具有更强的鲁棒性;在字典学习中添加稀疏编码和分类器参数约束项,通过字典学习同时更新稀疏编码和分类器参数,使字典中包含很好的表示能力和判别分类能力。实验结果表明,基于拓展稀疏表示模型和LC-KSVD的人脸识别具有高识别率和低识别速度,并且有很好的鲁棒性。     

联合判别性低秩类字典与稀疏误差字典学习的人脸识别

目的 由于受到光照变化、表情变化以及遮挡的影响,使得采集的不同人的人脸图像具有相似性,从而给人脸识别带来巨大的挑战,如果每一类人有足够多的训练样本,利用基于稀疏表示的分类算法（SRC）就能够取得很好地识别效果。然而,实际应用中往往无法得到尺寸大以及足够多的人脸图像作为训练样本。为了解决上述问题,根据基于稀疏表示理论,提出了一种基于联合判别性低秩类字典以及稀疏误差字典的人脸识别算法。每一类的低秩字典捕捉这类的判别性特征,稀疏误差字典反映了类变化,比如光照、表情变化。方法 首先利用低秩分解理论得到初始化的低秩字典以及稀疏字典,然后结合低秩分解和结构不相干的理论,训练出判别性低秩类字典和稀疏误差字典,并把它们联合起来作为测试时所用的字典;本文的方法去除了训练样本的噪声,并在此基础上增加了低秩字典之间的不相关性,能够提高的低秩字典的判别性。再运用l₁范数法（同伦法）求得稀疏系数,并根据重构误差进行分类。结果 针对Extended Yale B库和AR库进行了实验。为了减少算法执行时间,对于训练样本利用随机矩阵进行降维。本文算法在Extended Yale B库的504维每类32样本训练的识别结果为96.9%。在无遮挡的540维每类4样本训练的AR库的实验结果为83.3%,1 760维的结果为87.6%。有遮挡的540维每类8样本训练的AR库的结果为94.1%,1 760维的结果为94.8%。实验结果表明,本文算法的结果比SRC、DKSVD（Discriminative K-SVD）、LRSI（Low rank matrix decomposition with structural incoherence）、LRSE+SC（Low rank and sparse error matrix+sparse coding）这4种算法中识别率最高的算法还要好,特别在训练样本比较少的情况下。结论 本文所提出的人脸识别算法具有一定的鲁棒性和有效性,尤其在训练样本较少以及干扰较大的情况下,能够取得很好地识别效果,适合在实际中进行应用。     

Gabor特征集结合判别式字典学习的稀疏表示图像识别

稀疏编码中字典的选择无论对图像重建还是模式分类都有重要影响,为此提出Gabor特征集结合判别式字典学习的稀疏表示图像识别算法.考虑到Gabor局部特征对光照、表情和姿态等变化的鲁棒性,首先提取图像对应不同方向、不同尺度的多个Gabor特征;然后将降维的增广Gabor特征矩阵作为初始特征字典,通过对该字典的学习得到字典原子对应类别标签的新结构化字典,新字典中特定类的子字典对相关的类具有好的表示能力,同时应用Fisher判别约束编码系数,使它们具有小的类内散度和大的类间散度;最后同时用具有判别性的重构误差和编码系数来进行模式分类.基于3个数据库的实验结果表明本文方法具有可行性和有效性.     

加权局部特征结合判别式字典的目标跟踪

目的 当前大多数基于稀疏表示的跟踪方法只考虑全局特征或局部特征的最小重构误差,没有充分利用稀疏编码系数,或者忽略了字典判别性的作用,尤其当目标被相似物遮挡时,往往会导致跟踪目标丢失。针对上述问题,提出一种新的基于判别式字典和加权局部特征的稀疏外观模型(SPAM-DDWF)跟踪算法。方法 首先利用Fisher准则学习判别式字典,对提取的局部特征进行结构性分析来区分目标和背景,其次,提出一种新的基于加权的相似性度量方法来处理遮挡问题,从而提高跟踪的精确度。此外,基于重构系数的权重更新策略,使算法能更好地适应跟踪目标的外观变化,并降低了遮挡发生时跟踪漂移的概率。结果 在多个基准图像序列上,与多种流行方法对比,本文算法在光照变化、复杂背景、遮挡等场景中保持较高的跟踪成功率与较低的漂移误差。平均成功率和漂移误差分别为76.8%和3.7。结论 实验结果表明,本文算法具有较好的有效性和鲁棒性,尤其在目标被相似物遮挡的情况下,也能较准确地跟踪到目标。     

基于稀疏编码的动态纹理识别

目的 线性动态系统有效地捕捉了动态纹理在时间和空间的转移信息。然而,线性动态系统属于非欧氏空间模型,无法直接应用传统的稀疏编码进行分类识别,为此提出一种基于稀疏编码线性动态系统的求解方法并应用于动态纹理识别。方法 基于约束凸优化公式,将稀疏编码和控制论中相似性变换结合,优化学习模型参数,解决应用稀疏编码进行分类识别的问题,实现有效的动态纹理识别。结果 在公开的动态纹理图像数据库UCLA上进行实验并与其他方法进行比较,实验结果表明,本文方法具有更好的性能,识别率可达97%,且对遮挡具有更好的鲁棒性。结论 本文方法对动态纹理及遮挡情况具有更好的识别率。     

基于互信息的多通道联合稀疏模型及其组织病理图像分类

针对传统联合稀疏模型中共有分量与独有分量都采用相同的字典进行特征表示,导致编码系数判别性低的问题,提出一种基于互信息的多通道联合稀疏模型,并将其应用于组织病理图像的分类.该模型通过K均值对样本特征进行聚类,分别得到R,G与B通道的字典;其次利用样本特征与3个字典之间的互信息,剔除弱相关原子且构造了1个共有字典与3个独有字典,以此为基础建立了多通道联合稀疏模型;同时引入图像的空间信息,结合空间金字塔匹配模型对不同层次的图像特征进行联合稀疏编码,利用编码系数训练SVM分类器.实验结果表明,该模型具有更好的特征表示能力,大大提高了编码系数的判别性,获得了较好的分类性能与较强的鲁棒性.     

基于改进字典学习算法的人脸识别

为了提高基于稀疏表示的人脸识别速度和对图像的噪声、遮挡、损坏的鲁棒性,提出了拓展的稀疏表示模型和D-KSVD(Discrimination K-SVD)的人脸识别算法。在原始的稀疏表示模型中添加了残差向量作为系数修正向量,使得拓展的稀疏表示模型具有更强的鲁棒性。针对字典学习中只包含表示能力没有包含类别信息的问题,在字典学习中添加了稀疏编码和分类器参数约束项,在字典学习的过程中同时更新稀疏编码和分类器参数,使字典中包含很好的表示能力和判别分类能力,用其稀疏编码系数进行人脸识别分类时能获得更好的识别性能。     

基于改进初始化判别K SVD方法的人脸识别

基于稀疏表示的人脸识别问题希望字典同时具有良好的表示能力和较强的辨识性。采用判别式K SVD（D ksvd）算法,可训练得到较好的字典和线性判别函数,但该算法中的初始化字典是从各类样本中选择部分样本经K SVD方法得到的,不能较完整地表示所有样本的特性,影响了基于该初始字典的训练字典的表示能力和分类器的辨识性。在字典初始化方法上进行了改进,先训练类内字典再级联成新的初始化字典,由于类内训练字典是各类别的优化字典,降低了训练字典的误差,提高了训练字典与线性分类器的判别性,在保持较快识别速度的同时,提高了人脸识别率。     

Bilinear discriminative dictionary learning for face recognition

This work presents a novel dictionary learning method based on the _l2$l_2$-norm regularization to learn a dictionary more suitable for face recognition. By optimizing the reconstruction error for each class using the dictionary atoms associated with that class, we learn a structured dictionary which is able to make the reconstruction error for each class more discriminative for classification. Moreover, to make the coding coefficients of samples coded over the learned dictionary discriminative, a discriminative term bilinear to the training samples and the coding coefficients is incorporated in our dictionary learning model. The bilinear discriminative term essentially resolves a linear regression problem for patterns concatenated by the training samples and the coding coefficients in the Reproducing Kernel Hilbert Space (RKHS). Consequently, a novel classifier based on the bilinear discriminative model is also proposed. Experimental results on the AR, CMU PIE, CAS-PEAL-R1, and the Sheffield (previously UMIST) face databases show that the proposed method is effective to expression, lighting, and pose variations in face recognition as well as gender classification, compared with the recently proposed face recognition methods and dictionary learning methods.     

结构化低秩字典学习的人脸识别

目的 现实中采集到的人脸图像通常受到光照、遮挡等环境因素的影响,使得同一类的人脸图像具有不同程度的差异性,不同类的人脸图像又具有不同程度的相似性,这极大地影响了人脸识别的准确性。为了解决上述问题对人脸识别造成的影响,在低秩矩阵恢复理论的基础上提出了具有识别力的结构化低秩字典学习的人脸识别算法。方法 该算法基于训练样本的标签信息将低秩正则化以及结构化稀疏同时引入到学习的具有识别力的字典上。在字典学习过程中,首先利用样本的重建误差约束样本与字典之间的关系;其次将Fisher准则应用到稀疏编码过程中,使其编码系数具有识别能力;由于训练样本中的噪声信息会影响字典的识别力,所以在低秩矩阵恢复理论的基础上将低秩正则化应用到字典学习过程中;接着,在字典学习过程中加入了结构化稀疏使其不丢失结构信息以保证对样本进行最优分类;最后再利用误差重构法对测试样本进行分类识别。结果 本文算法在AR以及ORL人脸数据库上分别进行了实验仿真。在AR人脸数据库中,为了分析样本不同维数对实验结果造成的影响,选取了第一时期拍摄的每人6幅图像,包括1幅围巾遮挡,2幅墨镜遮挡以及3幅脸部表情变化以及光照变化（未被遮挡）的图像作为训练样本,同时选取相同组合的样本图像作为测试样本,无论哪种方法,图像的维度越高识别率越高。对比SRC （sparse representation based on classification）算法与DKSVD （discriminative K-means singular value decomposition）算法的识别率可知,DKSVD算法通过字典学习减缓了训练样本中的不确定因素对识别结果的影响;对比DLRD_SR （discriminative low-rank dictionary learning for sparse representation）算法与FDDL （Fisher discriminative dictionary learning）算法的识别率可知,当图像有遮挡等噪声信息存在时,字典低秩化可以提高至少5.8%的识别率;对比本文算法与DLRD_SR算法可知,在字典学习的过程中加入Fisher准则后识别率显著提高,同时理想稀疏值能保证对样本进行最优的分类。当样本图像的维度达到500维时人脸图像在有围巾、墨镜遮挡的情况下识别率可达到85.2%;其中墨镜和围巾的遮挡程度分别可以看成是人脸图像的20%和40%,为了验证本文算法在不同脸部表情变化、光照改变以及遮挡情况下的有效性,根据训练样本的具体图像组合情况进行实验。无论哪种样本图像组合,本文算法在有遮挡存在的样本识别中具有显著优势。在训练样本只包含脸部表情变化、光照变化以及墨镜遮挡图像的情况下,本文算法的识别率高于其他算法至少2.7%,在训练样本只包含脸部表情变化、光照变化以及围巾遮挡图像的情况下,本文算法的识别率高于其他算法至少3.6%,在训练样本包含脸部表情变化、光照变化、围巾遮挡以及墨镜遮挡图像的情况下,其识别率高于其他算法至少1.9%。在ORL人脸数据库中,人脸图像在无遮挡的情况下识别率达到95.2%,稍低于FDDL算法的识别率;在随机块遮挡程度达到20%时,相比较于SRC算法、DKSVD算法、FDDL算法以及DLRD_SR算法,本文算法的识别率最高;当随机块遮挡程度达到50%时,以上算法的识别率均不高,但本文算法的其识别率仍然最高。结论 本文算法在人脸图像受到遮挡等因素的影响时具有一定的鲁棒性,实验结果表明该算法在人脸识别方面具有可行性。     

Sparse coding and dictionary learning with class-specific group sparsity

In recent years, sparse coding via dictionary learning has been widely used in many applications for exploiting sparsity patterns of data. For classification, useful sparsity patterns should have discrimination, which cannot be well achieved by standard sparse coding techniques. In this paper, we investigate structured sparse coding for obtaining discriminative class-specific group sparsity patterns in the context of classification. A structured dictionary learning approach for sparse coding is proposed by considering the \(\ell _{2,0}\) norm on each class of data. An efficient numerical algorithm with global convergence is developed for solving the related challenging \(\ell _{2,0}\) minimization problem. The learned dictionary is decomposed into class-specific dictionaries for the classification that is done according to the minimum reconstruction error among all the classes. For evaluation, the proposed method was applied to classifying both the synthetic data and real-world data. The experiments show the competitive performance of the proposed method in comparison with several existing discriminative sparse coding methods.

     

字典重建和空间分布关系约束下的特征选择与图像拼接

目的 针对大型图像检索领域中,复杂图像中SIFT特征描述子的冗余和高维问题,提出了一种基于字典重建和空间分布关系约束的特征选择的方法,来消除冗余特征并保留最具表现力的、保留原始空间结构性的SIFT特征描述子。方法 首先,实验发现了特征选择和字典学习方法在稀疏表示方面的内在联系,将特征选择问题转化为字典重构任务;其次,在SIFT特征选择问题中,为了保证特征空间中特征的鲁棒性,设计了新型的字典学习模型,并采用模拟退火算法进行迭代求解;最后,在字典学习的过程中,加入熵理论来约束特征的空间分布,使学习到的特征描述子能最大限度保持原始SIFT特征空间的空间拓扑关系。结果 在公开数据集Holiday大型场景图片检索数据库上,通过与国际公认的特征选择方法进行实验对比,本文提出的特征选择方法在节省内存空间和提高时间效率（30%~ 50%）的同时,还能保证所筛选的特征描述子的检索准确率比同类特征提高8%~ 14.1%;在国际通用的大型场景图片拼接数据库IPM上,验证本文方法在图像拼接应用中特征提取和特征匹配上的有效性,实验表明本文方法能节省（50% ~70%）图像拼接时间。结论 与已有的方法比较,本文的特征选择方法既不依赖训练数据集,也不丢失重要的空间结构和纹理信息,在大型图像检索、图像拼接领域和3D检索领域中,能够精简特征,提高特征匹配效率和准确率。     

Learning structured visual dictionary for object tracking

In this paper, we propose a visual tracking algorithm by incorporating the appearance information gathered from two collaborative feature sets and exploiting its geometric structures. A structured visual dictionary (SVD) can be learned from both appearance and geometric structure, thereby enhancing its discriminative strength between the foreground object and the background. Experimental results show that the proposed tracking algorithm using SVD (SVDTrack) performs favorably against the state-of-the-art methods.     

Fault feature extraction of rolling element bearings based on wavelet packet transform and sparse representation theory

Extracting reliable features from vibration signals is a key problem in machinery fault recognition. This study proposes a novel sparse wavelet reconstruction residual (SWRR) feature for rolling element bearing diagnosis based on wavelet packet transform (WPT) and sparse representation theory. WPT has obtained huge success in machine fault diagnosis, which demonstrates its potential for extracting discriminative features. Sparse representation is an increasingly popular algorithm in signal processing and can find concise, high-level representations of signals that well matches the structure of analyzed data by using a learned dictionary. If sparse coding is conducted with a discriminative dictionary for different type signals, the pattern laying in each class will drive the generation of a unique residual. Inspired by this, sparse representation is introduced to help the feature extraction from WPT-based results in a novel manner: (1) learn a dictionary for each fault-related WPT subband; (2) solve the coefficients of each subband for different classes using the learned dictionaries and (3) calculate the reconstruction residual to form the SWRR feature. The effectiveness and advantages of the SWRR feature are confirmed by the practical fault pattern recognition of two bearing cases.     

Object tracking via collaborative multi-task learning and appearance model updating

In this paper, we propose a novel visual tracking algorithm using the collaboration of generative and discriminative trackers under the particle filter framework. Each particle denotes a single task, and we encode all the tasks simultaneously in a structured multi-task learning manner. Then, we implement generative and discriminative trackers, respectively. The discriminative tracker considers the overall information of object to represent the object appearance; while the generative tracker takes the local information of object into account for handling partial occlusions. Therefore, two models are complementary during the tracking. Furthermore, we design an effective dictionary updating mechanism. The dictionary is composed of fixed and variational parts. The variational parts are progressively updated using Metropolis–Hastings strategy. Experiments on different challenging video sequences demonstrate that the proposed tracker performs favorably against several state-of-the-art trackers.     

结合层次分割和跨域字典学习的服装检索

目的 针对现有的跨场景服装检索框架在服装躯干部分检索问题上,因服装款式识别优化存在服装信息丢失和跨场景款式识别的问题,提出一种新的服装分割方法和基于跨域字典学习的服装款式识别。方法 首先,提出基于超像素融合和姿态估计相结合的方法分割出完整的服装,用完整的服装进行检索可以最大限度地保留服装信息。然后,在服装款式识别时,通过学习服装商品数据集与日常服装图像数据的中间数据集字典,使其逐渐适应日常服装图像数据的方式,调节字典的适应性,进而提高不同场景下的服装款式识别的准确性。另外,由于目前国际缺少细粒度标注的大型服装数据库,本文构建了2个细粒度标注的服装数据库。结果 在公认的Fashionista服装数据集及本文构建的数据库上验证本文方法并与目前国际上流行的方法进行对比,本文方法在上下装检索中精度达到62.1%和63.4%,本文方法在服装分割、款式识别,检索方面的准确度要优于当前前沿的方法。结论 针对现有的跨场景服装检索框架分割服装不准确的问题,提出一种新的层次服装过分割融合方法及域自适应跨域服装款式识别方法,保证了服装的完整性,提高了跨场景服装检索及款式识别的精度,适用于日常服装检索。