robust face via sparse representation

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Robust Face Recognition via Sparse Representation Authors: John Wright, Allen Y. Yang, Arvind Ganesh, S. Shankar Sastry, and Yi Ma Presented by Hu Han Jan. 30 2014 1 For CSE 902 by Prof. Anil K. Jain: Selected Topics in Recognition by Machine 

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Page 1: Robust Face via Sparse Representation

Robust Face Recognitionvia Sparse Representation

Authors: John Wright, Allen Y. Yang, Arvind Ganesh,S. Shankar Sastry, and Yi Ma

Presented byHu Han

Jan. 30 2014

1For CSE 902 by Prof. Anil K. Jain: Selected Topics in Recognition by Machine 

Page 2: Robust Face via Sparse Representation

Outline

• Background• Formulation of face recognition via sparse representation

• Experimental results• Summary and discussion

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Page 3: Robust Face via Sparse Representation

What is automatic face recognition (AFR)?

• Automatically identify or verify a person from still images, video sequences or even sketches

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Probe Gallery

The same person or not?

Verification

Who is this person?

Identification

Query Target

1 vs. 1Comparison

Page 4: Robust Face via Sparse Representation

Formulation of face identification

• Traditional formulation: Nearest neighbor classifier–

…,

– , is a similarity measure between the probe image  and a gallery image  

– Image is of vectorized form ( )

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The traditional formulation is to assign the identity of themost similar face image in the gallery set to a probe faceimage.

Page 5: Robust Face via Sparse Representation

Formulation of face identification

• Can we formulate the face identification problem based on spare representation?

– where a signal  is coded over a dictionary as   , and is a sparse coefficient vector

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Probe Gallery

Who is the person in a probe ?

Page 6: Robust Face via Sparse Representation

Formulation of face identification

• We can, provided a probe face image can be represented using a linear combination of the gallery face images

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Page 7: Robust Face via Sparse Representation

Mathematical fundamentals

• Mean (the average face)

• Covariance matrix  of the gallery set

– (The normalized gallery set)

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Page 8: Robust Face via Sparse Representation

Mathematical fundamentals

• Rank– The maximum number of linearly independent column or row vectors in a matrix

– One of the important properties of real matrices

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has the same number ( ) of non‐zero eigenvalues as  

Page 9: Robust Face via Sparse Representation

Mathematical fundamentals

• Eigenvectors and eigenvalues of the gallery set

• Principal component analysis (PCA)

9

Is the second term also a linear combination of all the gallery samples  ?

The first term is a linear combination of all the gallery samples 

Page 10: Robust Face via Sparse Representation

Rationality analysis

• is reasonable or not?

• Denote                   ;  is real and symmetric, and thus it has  non‐zero eigenvalues

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Page 11: Robust Face via Sparse Representation

Rationality analysis

11

=

Page 12: Robust Face via Sparse Representation

Rationality analysis

•– The eigenvectors  of a set of gallery face images 

is the linear combination of its original data  , and  is the coefficients for linear combination

• PCA model

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The first term is a linear combination of all the gallery samples 

The second term si also a linear combination of all the gallery samples 

Page 13: Robust Face via Sparse Representation

Formulation of face identification

• Therefore, it is reasonable to represent a probe face image using a simple linear combination of gallery face images

• We can also reversely solve the linear combination coefficients based on a sparse representation formulation

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Page 14: Robust Face via Sparse Representation

Formulation of face identification

• The sparse representation itself is not a classifier

• But a classifier can be built based on the solved sparse coefficients  

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Page 15: Robust Face via Sparse Representation

Classification using the sparse coefficients

• One classification scheme that we can naturally think of

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12x10downsampling

argmax…

The extended YaleB database: ~1200 training images of 38 subjects

, , … ,

Magnitude

Page 16: Robust Face via Sparse Representation

Classification using the sparse coefficients

• The classification scheme proposed in Wright et al.’s paper:

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argmin…

argmin…

∙ selects the coefficients associated with the i‐th subject(totally  subjects)

12x10downsampling

, , … ,

Magnitude

Page 17: Robust Face via Sparse Representation

Sparse Representation‐based Classification (SRC) Algorithm

17• In SRC, the training set is also the gallery set. All face images must  be aligned.• I am using I_p instead of y for a probe image.

Page 18: Robust Face via Sparse Representation

Why sparse representation?

• In practice, the linear system  is typically underdetermined, because there are fewer equations ( ) than unknowns ( )

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, , ,, , ,

, , ,

m= 12x10=120downsampling

n=1200

Page 19: Robust Face via Sparse Representation

Why sparse representation?

• An underdetermined system either has  no unique solution or has no solution– An example with no solution

– But for the linear system  in face recognition, we assume there is at least one solution 

19

Inconsistent

Page 20: Robust Face via Sparse Representation

Why sparse representation?

• If there is no sparsity constraint

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m= 12x10=120downsampling

is not discriminative, and it does not indicate any identity of the probe image;The nonzero entries in  are very unstable;

Page 21: Robust Face via Sparse Representation

Experimental evaluations

• Face recognition on Extended Yale B database – 2,414 images (192x168) of 38 subjects– Half (~ 32) of the images per subject used for training (gallery), the other half for testing

– Thus, the dictionary size (n) is ~1200– Features: Eigenfaces, Laplacianfaces, Randomfaces, Fisherfaces, and raw intensities with m= 30, 56, 120, and 504, respectively

– SRC is compared with Nearest Neighbor, Nearest Subspace, and Linear SVM

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Page 22: Robust Face via Sparse Representation

A brief description of different feature extraction methods

• Eigenfaces– Project a face image into a low‐dimensional subspace that keeps the largest the data variations

• Laplacianfaces– Project a face image into a low‐dimensional subspace that keeps the local relationship in high‐dimensional domain

• Randomfaces– Project a face image into a new subspace using a Gaussian random matrix

• Fisherfaces– Project a face image into a low‐dimensional subspace that best separates individual classes

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Page 23: Robust Face via Sparse Representation

Face recognition on Extended Yale B

• Example images of Extended Yale B

23http://vision.ucsd.edu/~leekc/ExtYaleDatabase/ExtYaleB.html

Extreme illumination

Page 24: Robust Face via Sparse Representation

Face recognition on Extended Yale B

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Good feature extraction  method is critical for SVM

Page 25: Robust Face via Sparse Representation

Experimental evaluations

• Face recognition on AR– 14,00 images (165x120) of 100 subjects (50 males & 50 females)

– 7 images per subject used for training (gallery), 7 images for testing

– Thus, the dictionary size (n) is ~700– Features: Eigenfaces, Laplacianface, Randomfaces, Fisherfaces, and raw intensities with m= 30, 56, 120, and 504, respectively

– SRC is compared with Nearest Neighbor, Nearest Subspace, and Linear SVM

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Page 26: Robust Face via Sparse Representation

Face recognition on AR

• Example images of AR

26http://www2.ece.ohio‐state.edu/~aleix/ARdatabase.html

Illumination, expression, occlusions

Page 27: Robust Face via Sparse Representation

Face recognition on AR

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Page 28: Robust Face via Sparse Representation

Experimental evaluations

• Face recognition on Extended YaleB with random pixel corruption– 1,170 images (96x84) of 38 subjects– 717 images used for training (gallery) and 453 images for testing

– Thus, the dictionary size is ~717– Percentage of random pixel corruption: 0%, 10%, 20%,…,90%

• Replace a pixel intensity with uniformly sampled value from [0, max‐pixel intensity]

– Feature: raw intensity (8064 dimensions)

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Page 29: Robust Face via Sparse Representation

Face recognition on Extended YaleBwith random pixel corruption

• Example images with random pixel corruption

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30%

50%

70%

Page 30: Robust Face via Sparse Representation

Face recognition on Extended YaleBwith random pixel corruption

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Page 31: Robust Face via Sparse Representation

Experimental evaluations

• Face recognition on Extended YaleB with random block occlusion– 1,170 images (96x84) of 38 subjects– 717images for training (gallery) and 453 images for testing

– Thus, the dictionary size is ~717– Percentage of random block size: 0%, 10%, 20%,…,50%

• The location of occlusion square block is random– Feature: raw intensity (8064 dimensions)

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Page 32: Robust Face via Sparse Representation

Face recognition on Extended YaleBwith random block occlusion

• Example images with random block occlusion

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30%

30%

30%by LS

Page 33: Robust Face via Sparse Representation

Face recognition on Extended YaleBwith random block occlusion

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Page 34: Robust Face via Sparse Representation

Experimental evaluations

• Face recognition on Extended Yale B database using partial face (component) features

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The holistic faces arealready aligned witheach other. Therefore,component images arealso aligned

Feature: raw intensity 

Page 35: Robust Face via Sparse Representation

Experimental evaluations

• Face recognition on AR database using block based features

35Feature: raw intensity 

Partition is based on the aligned holistic images, and thus each block is aligned

Page 36: Robust Face via Sparse Representation

Extension of SRC

• Sparse representation based rejection of invalid face images– The subject in a probe image is not enrolled in the gallery set

– A probe image is not a face image

• Sparsity concentration index (SCI):

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Page 37: Robust Face via Sparse Representation

Sparsity concentration index (SCI)

• Rejection criterion:  • Physical explanation: If a testing face image can be well represented by a single subject in the gallery set, the testing subject has been enrolled in the system; otherwise the subject has not been enrolled in the gallery

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Page 38: Robust Face via Sparse Representation

Experimental evaluations

• Invalid face rejection  on Extended YaleB with random block occlusion– 1,170 images (96x84) of 38 subjects– 360 images of 19 subjects for training (gallery) and 453 images of 38 subjects for testing

– Percentage of random block size: 0%, 10%, 30%, and 50%

• The location of occlusion square block is random

– Feature: raw intensity

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Page 39: Robust Face via Sparse Representation

Invalid face rejection  on Extended YaleB with random block occlusion

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0% 10%

30%50%

Page 40: Robust Face via Sparse Representation

Summary and discussion

• Sparsity constraint in SRC assures the discriminative characteristics of solved coefficients for face recognition

• SRC is robust to various feature extraction methods, such as Eigenfaces, Laplacianface, Randomfaces, Fisherfaces, and raw intensities. SVM achieves similar performance as SRC but SVM is sensitive to the feature extraction methods

• In the linear system  , the dictionary  should be significantly overcomplete ( ) in order to get good performance

• The SRC method requires that the face images are aligned 40

Page 41: Robust Face via Sparse Representation

Resources• L‐1 minimization algorithms (code)

– http://www.eecs.berkeley.edu/~yang/software/l1benchmark/

• Talks on sparse representation– http://www.cs.technion.ac.il/~elad/talks/

• Discussions on face recognition using SRC– R. Rigamonti, et al., Are sparse representations really relevant for image classification?, CVPR’2011

– Qinfeng Shi, et al, Is face recognition really a Compressive Sensing problem?, CVPR’2011

– Lei Zhang, et al. Sparse representation or collaborative representation: Which helps face recognition? ICCV’2011.

Page 42: Robust Face via Sparse Representation

Q&AThanks!

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