CN111292237B - 基于二维多集偏最小二乘的人脸图像超分辨率重建方法 - Google Patents

基于二维多集偏最小二乘的人脸图像超分辨率重建方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了基于二维多集偏最小二乘的人脸图像超分辨率重建方法，包括以下步骤，1人脸图像首先被分为多个重叠的图像块，再利用二维多集偏最小二乘方法提取二维人脸图像块的潜在特征；2利用邻域重建策略以及图像块合并对输入的低分辨率人脸图像进行高频人脸图像重建；3最终输出的超分辨率重建图像为重建出的高频图像加上输入的低分辨率人脸图像。本发明具有一定的理论基础，创新性地提出了二维多集偏最小二乘方法，在不同数据库下测试结果表明具有较强的鲁棒性，有一定的市场实施的可行性，解决了目前绝大多数现有算法无法处理的多视图超分辨率问题，具有较大的创新性与实用性。

Description

基于二维多集偏最小二乘的人脸图像超分辨率重建方法
技术领域
本发明涉及超分辨率重建领域，特别涉及基于二维多集偏最小二乘的人脸图像超分辨率重建方法。
背景技术
传统的人脸识别方法是在理想的姿态以及光照条件下工作，但是，大多数实际生活中捕获到的人脸图像是低分辨率的，前面提到的人脸识别算法通常在低分辨率问题下表现较差，为了解决这一问题，近些年来许多有效的人脸超分辨率重建方法被提出，其目标是从输入的低分辨率图像中重建出高分辨率的人脸图像。但传统的人脸超分辨率算法无法保持图像的二维结构，且无法同时处理多种分辨率人脸图像输入的问题。
除了低分辨率问题以外，在现实生活中，人们通常需要面对同一人脸具有多种不同分辨率视图的情况，例如一段视频序列中的同一个人，随着距离、姿态的变化通常有着不同分辨率大小的人脸图像。对于多种不同的低分辨率视图，目前大多数方法一次只能训练一对高低分辨率视图，这种处理方式十分耗时且效率低下，不能有效利用不同分辨率视图之间的相关关系，迄今为止，共同学习多种视图之间关系还没有得到广泛关注。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术缺陷，提供基于二维多集偏最小二乘的人脸图像超分辨率重建方法，将人脸图像分为多个重叠的图像块，再利用二维多集偏最小二乘方法提取二维人脸图像块的潜在特征，利用邻域重建策略以及图像块合并对输入的低分辨率人脸图像进行高频人脸图像重建，最终输出的超分辨率重建图像为重建出的高频图像加上输入的低分辨率人脸图像。
本发明的目的是这样实现的：基于二维多集偏最小二乘的人脸图像超分辨率重建方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1在训练阶段利用训练集学习不同分辨率视图之间的潜在相关关系，将训练集中的不同视图的高频图像和其相对应的低分辨率图像分成重叠的图像块，利用二维多集偏最小二乘法对二维图像块进行特征提取，计算二维多集偏最小二乘投影矩阵，将二维图像块投影到二维多集偏最小二乘子空间；
步骤2在测试阶段，将输入的多种低分辨率图像分成重叠的图像块，利用训练阶段得到的相应低分辨率的二维多集偏最小二乘投影矩阵将输入的二维低分辨率图像块投影到二维多集偏最小二乘法子空间，利用邻域重建策略以及图像块合并对输入的低分辨率人脸图像进行高频人脸图像重建。
步骤3最终输出的超分辨率重建图像为重建出的高频图像加上输入的低分辨率人脸图像。
作为本发明的进一步限定，步骤1中所述计算二维多集偏最小二乘投影矩阵包含以下步骤：
(1)对于m个视图二维中心化随机变量其中pi和qi分别表示xi的两个维度，二维多集偏最小二乘法目的为寻找两组线性变换/>和其中d1和d2分别为左投影向量和右投影向量的维度。二维多集偏最小二乘的最优化问题表示如下：
s.t.(Li)TLi＝(Ri)TRi＝I,i＝1,…,m,
其中Cov(·)表示矩阵的协方差；
(2)对于该最优化问题，利用递归方法求解，令假设前k-1个方向/>和/>已经得到，其中t≤d，对于第k个左投影方向通过求解如下最优化问题得到：
s.t.
固定左投影方向，计算第k个右投影方向
循环迭代计算第k个左、右投影方向直至收敛，其中：
其可以利用拉格朗日乘子法转换成如下多元特征值问题进行求解：
PlSll＝Λll,
PrSrr＝Λrr,
其中和/>为分块矩阵，其第(i,j)块为/>和/>并且
和/>为多元特征值，/>和/>为单位矩阵。
作为本发明的进一步限定，步骤1中所述训练阶段包括以下步骤：
(1)对于训练集中的原始高低分辨率人脸图像集X0和m个不同低分辨率人脸图像集每幅低分辨率图像均通过插值函数将其放大到高分辨率图像大小，n为每种视图中的人脸图像数量，通过Yi＝X0-Xi,i＝1,2,…,m提取人脸高频图像，再将所有高频图像以及低分辨率图像分成重叠且边长为s×s的图像块，在第j个位置上的所有高频图像块的集合和所有低分辨率图像块的集合分别为和/>其中/>和/>分别为第i个分辨率视图中第t个高频人脸的位于第j个位置的高频图像块和低分辨率图像块；
(2)通过和/>对每个图像块去均值，其中/>和/>分别表示第i个分辨率视图中位于j位置的所有高频块以及所有低分辨率块的均值；
(3)利用二维多集偏最小二乘法获得左投影矩阵和右投影矩阵将高频二维图像块和低分辨率二维图像块投影到潜在子空间：
作为本发明的进一步限定，步骤2中所述的测试阶段包括以下步骤：
(1)对于输入的第i种分辨率视图的低分辨率人脸，利用插值函数将其上采样到与高分辨率视图相同大小，与使用与训练阶段相同的分块策略并进行中心化：其潜在相干特征/>由/>得出；
(2)对于使用邻域重建策略重建出高频特征：从/>中搜索k个最近邻得到最小化如下重建误差以得到权重系数/>
定义权重系数为/>将其应用到/>中相应的高频块相干特征/>以计算输入低分辨率块重建出的高频特征/>利用逆运算将高频特征恢复为高频图像块:
其中表示摩尔-彭若斯广义逆，将所有重建出的高频图像块合并为完整的高频图像/>其中重叠的部分求平均计算。
作为本发明的进一步限定，步骤3中所述最终输出的超分辨率重建图像为：
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：本发明将人脸图像分为多个重叠的图像块，再利用二维多集偏最小二乘方法提取二维人脸图像块的潜在特征，最后利用邻域重建策略构建超分辨率重建后二维人脸图像块，合并图像块并输出最终人脸图像超分辨率结果，本发明具有一定的理论基础，创新性地提出了二维多集偏最小二乘方法，具有较强的鲁棒性，具有一定的市场实施的可行性，解决了目前绝大多数现有算法无法处理的多视图超分辨率问题，具有较大的创新性与实用性。
附图说明
图1是本发明的实现流程图。
图2是六种方法在CAS-PEAL-R1数据库上超分辨率重建结果对比图。
图3是六种方法在CelebA数据库上超分辨率重建结果对比图。
具体实施方式
如图1所示的基于二维多集偏最小二乘的人脸图像超分辨率重建方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1在训练阶段利用训练集学习不同分辨率视图之间的潜在相关关系，将训练集中的不同视图的高频图像和其相对应的低分辨率图像分成重叠的图像块，利用二维多集偏最小二乘法对二维图像块进行特征提取，计算二维多集偏最小二乘投影矩阵，将二维图像块投影到二维多集偏最小二乘子空间；
步骤1中计算二维多集偏最小二乘投影矩阵包含以下步骤：
(1)对于m个视图二维中心化随机变量其中pi和qi分别表示xi的两个维度，二维多集偏最小二乘法目的为寻找两组线性变换/>和其中d1和d2分别为左投影向量和右投影向量的维度。二维多集偏最小二乘的最优化问题表示如下：
s.t.(Li)TLi＝(Ri)TRi＝I,i＝1,…,m,
其中Cov(·)表示矩阵的协方差；
(2)对于该最优化问题，利用递归方法求解，令假设前k-1个方向/>和/>已经得到，其中t≤d，对于第k个左投影方向通过求解如下最优化问题得到：
固定左投影方向，计算第k个右投影方向
循环迭代计算第k个左、右投影方向直至收敛，其中：
其可以利用拉格朗日乘子法转换成如下多元特征值问题进行求解：
PlSll＝Λll,
PrSrr＝Λrr,
其中和/>为分块矩阵，其第(i,j)块为/>和/>并且
和/>为多元特征值，/>和/>为单位矩阵。
步骤1中训练阶段包括以下步骤：
(1)对于训练集中的原始高低分辨率人脸图像集X0和m个不同低分辨率人脸图像集每幅低分辨率图像均通过插值函数将其放大到高分辨率图像大小，n为每种视图中的人脸图像数量，通过Yi＝X0-Xi,i＝1,2,…,m提取人脸高频图像，再将所有高频图像以及低分辨率图像分成重叠且边长为s×s的图像块，在第j个位置上的所有高频图像块的集合和所有低分辨率图像块的集合分别为和/>其中/>和/>分别为第i个分辨率视图中第t个高频人脸的位于第j个位置的高频图像块和低分辨率图像块；
(2)通过和/>对每个图像块去均值，其中/>和/>分别表示第i个分辨率视图中位于j位置的所有高频块以及所有低分辨率块的均值；
(3)利用二维多集偏最小二乘法获得左投影矩阵和右投影矩阵将高频二维图像块和低分辨率二维图像块投影到潜在子空间：
步骤2在测试阶段，将输入的多种低分辨率图像分成重叠的图像块，利用训练阶段得到的相应低分辨率的二维多集偏最小二乘投影矩阵将输入的二维低分辨率图像块投影到二维多集偏最小二乘法子空间，利用邻域重建策略以及图像块合并对输入的低分辨率人脸图像进行高频人脸图像重建。
步骤2中测试阶段包括以下步骤：
(1)对于输入的第i种分辨率视图的低分辨率人脸，利用插值函数将其上采样到与高分辨率视图相同大小，与使用与训练阶段相同的分块策略并进行中心化：其潜在相干特征/>由/>得出；
(2)对于使用邻域重建策略重建出高频特征：从/>中搜索k个最近邻得到最小化如下重建误差以得到权重系数/>
定义权重系数为/>将其应用到/>中相应的高频块相干特征/>以计算输入低分辨率块重建出的高频特征/>利用逆运算将高频特征恢复为高频图像块:
其中表示摩尔-彭若斯广义逆，将所有重建出的高频图像块合并为完整的高频图像/>其中重叠的部分求平均计算。
步骤3最终输出的超分辨率重建图像为重建出的高频图像加上输入的低分辨率人脸图像：
本发明可通过以下实验进一步说明：
为了测试本发明的有效性，分别利用CAS-PEAL-R1数据库以及CelebA数据库与其他方法进行对比测试。在CAS-PEAL数据库中选择1040幅人脸图像，每人一张，高分辨率图像为96×96，其中1020张人脸作为训练图像，剩下的作为测试图像。所有的训练图像分别下采样2倍、4倍以及6倍，其分辨率分别为48×48、24×24以及16×16。在CelebA数据库中选取1000张人脸图像作为训练集，20张图像作为测试集，原始高分辨率为80×80。所有训练集和测试集图像分别下采样2倍、4倍、6倍以及8倍，对应低分辨率为40×40、20×20、14×14以及10×10。在实验中，本发明将图像分成边长为12、重叠8像素的方块，保留12维TDMPLS特征，对于2倍、4倍、6倍以及8倍低分辨率图像分别采用350、250、175以及125最近邻数目。
实验1基于CAS-PEAL数据库的超分辨率重建对比实验
在本实验中，如图2所示六种方法在CAS-PEAL-R1数据库上分别以2倍、4倍、6倍缩放倍数的超分辨率重建结果对比，图中从左到右每一列分别为高分辨率原图、低分辨率图像、本发明重建结果、SR2DCCA方法重建结果、VDSR方法重建结果、MSRN方法重建结果、TLcR方法重建结果以及Bicubic方法重建结果，从上到下每一行分别表示2倍、4倍以及6倍缩放；下表为七种方法在三种分辨率视图下人脸重建结果的平均PSNR、SSIM指标得分，可以看出本发明在每种情况下都取得了最好的指标成绩。另外，本发明在重建的视觉效果上也更加出色，尤其是在更高的缩放倍数场景下。
表1七种方法全局脸的PSNR、SSIM指标得分
实验2基于CelebA数据库的超分辨率重建对比实验
在本实验中，本发明的参数与实验1参数保持一致。本实验基于Celeb A数据集，如图3所示是六种方法在CelebA数据库上分别以2倍、4倍、6倍、8倍放大倍数的超分辨率重建结果对比，图中从左到右每一列分别为高分辨率原图、低分辨率图像、本发明重建结果、SR2DCCA方法重建结果、VDSR方法重建结果、MSRN方法重建结果、TLcR方法重建结果以及Bicubic方法重建结果，从上到下每一行分别表示2倍、4倍、6倍以及8倍缩放；下表为七种方法在三种分辨率视图下人脸超分辨率结果的平均PSNR、SSIM指标得分。可以看出本发明无论从重建视觉效果还是从数据指标方面衡量都取得了最好的成绩。
表2七种方法超分辨率结果的PSNR、SSIM指标得分
综上所述，本发明利用二维多集偏最小二乘，同时为同源的不同低分辨率视图的二维人脸图像学习左、右投影方向，将多视图人脸图像分成重叠的图像块，再共同学习多视图二维图像块的潜在相干特征，利用邻域重建策略和块合并对输入的低分辨率人脸进行超分辨率重建。实验结果表明，本发明的重建效果从主观视觉效果和客观指标评价上均有较好的性能。
本发明并不局限于上述实施例，在本发明公开的技术方案的基础上，本领域的技术人员根据所公开的技术内容，不需要创造性的劳动就可以对其中的一些技术特征作出一些替换和变形，这些替换和变形均在本发明的保护范围内。

Claims (2)

1.基于二维多集偏最小二乘的人脸图像超分辨率重建方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1)在训练阶段利用训练集学习不同分辨率视图之间的潜在相关关系，将训练集中的不同视图的高频图像和其相对应的低分辨率图像分成重叠的图像块，利用二维多集偏最小二乘法对二维图像块进行特征提取，计算二维多集偏最小二乘投影矩阵，将二维图像块投影到二维多集偏最小二乘子空间；
步骤1)中所述计算二维多集偏最小二乘投影矩阵包含以下步骤：
(1)对于m个视图二维中心化随机变量其中pi和qi分别表示xi的两个维度，二维多集偏最小二乘法目的为寻找两组线性变换/>和其中d1和d2分别为左投影向量和右投影向量的维度，二维多集偏最小二乘的最优化问题表示如下：
s.t.(Li)TLi＝(Ri)TRi＝I,i＝1,…,m,
其中Cov(·)表示矩阵的协方差；
(2)对于该最优化问题，利用递归方法求解，令假设前k-1个方向和/>已经得到，其中t≤d，对于第k个左投影方向/>通过求解如下最优化问题得到：
固定左投影方向，计算第k个右投影方向
循环迭代计算第k个左、右投影方向直至收敛，其中：
其可以利用拉格朗日乘子法转换成如下多元特征值问题进行求解：
PlSll＝Λll,
PrSrr＝Λrr,
其中Sl∈RP×P和Sr∈RQ×Q为分块矩阵，其第(i,j)块为和/>并且
和/>为多元特征值，/>和/>为单位矩阵；
步骤1)中所述训练阶段包括以下步骤：
(1)对于训练集中的原始高低分辨率人脸图像集X0和m个不同低分辨率人脸图像集每幅低分辨率图像均通过插值函数将其放大到高分辨率图像大小，n为每种视图中的人脸图像数量，通过Yi＝X0-Xi,i＝1,2,…,m提取人脸高频图像，再将所有高频图像以及低分辨率图像分成重叠且边长为s×s的图像块，在第j个位置上的所有高频图像块的集合和所有低分辨率图像块的集合分别为和/>其中/>和/>分别为第i个分辨率视图中第t个高频人脸的位于第j个位置的高频图像块和低分辨率图像块；
(2)通过和/>对每个图像块去均值，其中/>和/>分别表示第i个分辨率视图中位于j位置的所有高频块以及所有低分辨率块的均值；
(3)利用二维多集偏最小二乘法获得左投影矩阵和右投影矩阵/>将高频二维图像块和低分辨率二维图像块投影到潜在子空间：
步骤2)在测试阶段将输入的多种低分辨率图像分成重叠的图像块，利用训练阶段得到的相应低分辨率的二维多集偏最小二乘投影矩阵将输入的二维低分辨率图像块投影到二维多集偏最小二乘法子空间，利用邻域重建策略以及图像块合并对输入的低分辨率人脸图像进行高频人脸图像重建；
步骤2)中所述的测试阶段包括以下步骤：
(1)对于输入的第i种分辨率视图的低分辨率人脸，利用插值函数将其上采样到与高分辨率视图相同大小，li∈Rp×q，使用与训练阶段相同的分块策略并进行中心化：其潜在相干特征/>由/>得出；
(2)对于使用邻域重建策略重建出高频特征：从/>中搜索k个最近邻得到/>最小化如下重建误差以得到权重系数/>
定义权重系数为/>将其应用到/>中相应的高频块相干特征/>以计算输入低分辨率块重建出的高频特征/>利用逆运算将高频特征恢复为高频图像块:
其中表示摩尔-彭若斯广义逆，将所有重建出的高频图像块合并为完整的高频图像其中重叠的部分求平均计算；
步骤3)最终输出的超分辨率重建图像为重建出的高频图像加上输入的低分辨率人脸图像。
2.根据权利要求1所述的基于二维多集偏最小二乘的人脸图像超分辨率重建方法，其特征在于，步骤3)中所述最终输出的超分辨率重建图像为：
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