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机器学习PCA——实验报告

2022-06-26 10:06:00 【显然易证】

〇、实验报告pdf可在该网址下载

机器学习实验一：PCA
这个需要积分下载（因为实验报告后台查重，不建议直接白嫖）。
建议看博客，博客里面会有很多实验报告小说明会用【…】加粗注释。

一、实验目的与要求

实现 PCA 算法的人脸重构，即用 20,40,60,80,…,160 个投影来重构图像的效果；
实现 PCA 算法的人脸识别，给出 10,20,30,…,160 维的人脸识别识别率；
用 PCA 用来进行人脸图像降维，实现 3 个不同数据集多个子集的二维和三维空间实
现数据的可视化；
同时设计一个新的 PCA 算法，内容简要写在实验报告中，并与经典 PCA 比较。（详
细内容可另写成一篇论文提交到“论文提交处”。）；
所有的实验必须独立完成，实验报告与代码等绝对不要抄！！我们后台有查重功能，
COPY一旦发现该课程为0分。不要把大一时做的那个垃圾级的PCA项目报告再次交上来，我要查看重复率。

二、实验内容与方法

2.0 PCA算法学习与回顾

PCA 是一种最常用的降维方法，在周志华老师的《机器学习》一书中给出了两种性质：

最近重构性：样本点到这个超平面的距离都足够近；
最大可分性：样本点在这个超平面上的投影都尽可能分开。
书中给出了明确推导，并认为基于最近重构性和最大可分性，能分别得到主成分分析的
两种等价推导。

2.0.1 PCA推导的优化问题

在这里插入图片描述

2.0.2 优化问题的解

在这里插入图片描述

2.0.3 算法流程

在这里插入图片描述

2.1 人脸数据集

本次实验主要使用的人脸数据集有：

ORL56_46人脸数据集，该数据集共有40个人，每个人10张图片。每张图片像素大小为56×46。本次实验该数据集全部照片使用。

AR人脸数据集，该数据库由3个以上的数据库组成；126名受试者面部正面图像的200幅彩色图像。每个主题有26张不同的图片。对于每个受试者，这些图像被记录在两个不同的时段，间隔两周，每个时段由13张图像组成。所有图像均由同一台摄像机在严格控制的照明和视点条件下拍摄。数据库中的每个图像都是768×576像素大小，每个像素由24位RGB颜色值表示。本次实验采用前15个人的人脸子集，每个人只采用前7张未遮挡的人脸图像。

FERET人脸数据集，200人，每人7张，已分类，灰度图，80x80像素。第1幅为标准无变化图像，第2，5幅为大幅度姿态变化图像，第3，4幅为小幅度姿态变化图像。第7幅为光照变化图像。

2.2 实验流程图

在这里插入图片描述

三、实验步骤与过程

3.1 实验过程

在特征提取中，主成分分析是一种重要的线性变换方法，这里通过对ORL数据集进行实验来说明PCA提取人脸特征以及利用这些特征进行人脸重建的过程。最终展示20,40,60,80,…,160个投影来重构图像的效果。

1）首先导入40×10=400张人脸，并拉成列向量，拼成一个人脸矩阵faces；

%----------导入一类人脸样本----------
faces=zeros(face_length*face_width,sample*class);
for i=1:class
    for j=1:sample
    p=(i-1)*10+j;
    facepath = strcat('C:\Users\Vermouth\Desktop\ML\作业\ORL56_46\orl',num2str(i),'_',num2str(j),'.bmp');
    face=imread(facepath);
    faces(:,p)=face(:); %将人脸拉成列向量
    end
end

2）然后对人脸进行去中心化的操作，计算协方差faces_cov，对协方差矩阵进行特征值分解得到特征值和特征向量，计算出基base；

%----------pca算法----------
faces_average=mean(faces,2); %平均脸
faces_diff=faces-repmat(faces_average,1,sample*class); %减去平均脸
%计算协方差
faces_cov=faces_diff'*faces_diff;
%特征值分解
[V,D]=eig(faces_cov);
D1=diag(D);
D_sort = flipud(D1);
V_sort = fliplr(V);
base = faces_diff*V_sort(:,:)*diag(D_sort(:).^(-1/2)); %基

3）接着取出第一个人的第一张照片（orl1_1.bmp）进行重构；

%----------对第一张图片进行重构----------
img1=strcat('C:\Users\Vermouth\Desktop\ML\作业\ORL56_46\orl1_',num2str(1),'.bmp');
test1=imread(img1);
combined1(:,1)=test1(1:face_length*face_width);
combined1=double(combined1);
dis1=combined1-faces_average; %减去平均脸
factor1=base'*dis1;

4）投影向量归一化+结果可视化。

figure
for t=20:20:160
    base_temp = base(:,1:t)*factor1(1:t);
    base_temp = base_temp + faces_average;
    base_temp = reshape(base_temp, face_length,face_width);
    MAX=max(max(base_temp));                 %求出图像矩阵中灰度值最大的值
    MIN=min(min(base_temp));                 %求出图像矩阵中灰度值最小的值
    base_temp(:,:)=(base_temp(:,:)-MIN)/(MAX-MIN)*255;  %归一化后再映射到0-255
    base_temp=uint8(base_temp);
    subplot(2,4,t/20);
    imshow(base_temp);
end

【不建议在实验报告上粘代码，后面的实验报告不会直接粘贴代码】