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Nel riconoscimento facciale 2D abbiamo principalmente due problematiche da risolvere:

• Costruzione di feature discriminative e rappresentative
  • difficile avere una separazione lineare tra classi
  • in certi casi dobbiamo combinare classificatori lineari (AdaBoost) o usare classificatori non lineari (molto più complesso)
• Costruzione di un classificatore che possa generalizzare anche su oggetti mai visti nel training

In questo caso quindi ci troviamo a rappresentare le facce all’interno di immagini digitali, che vengono rappresentate da matrici a due dimensioni (w × h) oppure vettori unidimensionali (d = w × h). L’alta dimensionalità dei dati (es.: immagine 100 × 100 ha dimensione 10000) ci porta subito a un primo problema, ovvero il “Curse of dimensionality”: quando la dimensionalità aumenta, il volume dello spazio aumenta cosı̀ velocemente che i dati diventano sparsi/radi, rendendo difficile la classificazione. La sparsità dei dati, nel momento in cui vengono utilizzati strumenti statistici come ad esempio i modelli di machine learning, diminuisce drasticamente la capacità predittiva di questi in quanto si hanno bisogno di tanti più esempi per generalizzarne le regole predittive.

[!PDF|yellow] LEZIONE6_Face recognition2D, p.7

Some consequences

leggi le conseguenze

Un'alternativa è rappresentare un'immagine nel feature space:

• Gabor filters
• discrete cosine transform (DCT)
• local binary pattern (LBP) operator
• fractal encoding

PCA

possibile soluzione al curse of dimensionality: PCA. Metodo statistico che consente di ridurre l'alta dimensionalità di uno spazio mappando i dati in un altro spazio con dimensionalità decisamente più piccola minimizzando la perdita di informazioni. Vengono individuati dei nuovi assi, ortogonali tra loro, su cui proiettare i dati che però ne massimizzano la varianza. L'ortogonalità di questi ci permette di escludere componenti correlate tra loro che risultano quindi ridondanti. Nello spazio delle immagini, i principali componenti sono ortogonali quando sono gli autovettori della matrice di covarianza.

L'obiettivo è di eliminare features con varianza molto bassa, che quindi sono comuni tra tutti i sample e poco utili a discriminare classi.

Calcoliamo l'optimal k Dato un training set TS di m sample di n dimensioni, calcoliamo

• il vettore medio \hat{x} del training set \hat{x}=\frac{1}{m}\sum_{i=1}^{m}x_{i}
• matrice di covarianza C C=\frac{1}{m}\sum_{i=1}^m(x_{i}-\hat{x})(x_{i}-\hat{x})^T
• la dimensione di C è (n x n)
• il nuovo spazio k-dimensionale è dato dalla matrice di proiezione dove le colonne sono i k autovettori di C, corrispondenti ai k autovalori di C. Plottando gli autovalori possiamo ottenere la varianza lungo gli autovettori.

[!PDF|red] LEZIONE6_Face recognition2D, p.14

PCA and Eigenfaces

esempio

! da questo otteniamo l'elemento medio: !

problema: bisogna avere tutte le facce ben centrate!!

! autovettori (completamente diverse da quelle di partenza se ci facciamo caso) dobbiamo estrarre quelle

Proiezione: eseguita moltiplicando la matrice di proiezione trasposta 𝜑_{k}^T per il vettore originale. ! !

Problemi di PCA

• mancanza di potere discriminativo
  • la separazione degli autovettori dipende anche dalle differenze intra-classe
  • ma il sistema è unsupervised learning
• in in presenza di variazioni PIE, il modello potrebbe usare quelle come componenti facciali e non essere quindi in grado di separare correttamente le classi

Possibile soluzione: Fisherfaces, un'applicazione di FLD (Fisher's linear discriminant), spesso menzionato nel contesto del Linear Discriminant Analysis (LDA).

LDA

Alcuni dei problemi di PCA possono essere dati dal fatto che lavoriamo su dati in una maniera unsupervised (non supervisionata), ovvero senza tenere in considerazione le classi dei vari sample. Una soluzione supervised è proposta da LDA, ovvero un metodo simile a PCA ma che minimizza la distanza intra-classe e cerca di massimizzare invece la distanza tra classi.

Nell'immagine la riduzione è da 2 a 1 dimensioni. In alcuni casi tipo questo non basta ridurre da due a un asse, gli assi sono ruotati per massimizzare la separazione tra classi. L'importante è che le coordinate rimangano ortogonali tra loro ! the best subspace is better cause we are able to separate class among the 1D axis. As we can see, in the worst one, we are definitely not able to.

Possibile approccio

• partiamo, come nel PCA, da un set di m sample di n dimensioni.
• a differenza del PCA, splittiamo il set in base ai label che rappresentano le classi PTS=\{P_{1},P_{2},{_{3},\dots,P_{s}}\}, dove P_{i} è una classe di cardinalità m_{i}
• cerchiamo di ottenere uno scalare y proiettando il sample x su una linea, in modo che y=w^Tx
  • chiaramente x è un punto nell'immagine 2D
  • y è il punto proiettato invece nel nuovo spazio 1D

Consideriamo due classi P_1 e P_{2}, rispettivamente con m_{1} e m_{2} vettori ciascuna

• consideriamo i vettori medi di ogni classe nei due spazi: \mu_{i}=\frac{1}{m_{i}}\sum_{j=1}^{m_{i}}x_{j}
• nel nuovo spazio si avrà (la tilde indica che è nel nuovo spazio) \tilde{}\mu_{i}=\frac{1}{m_{i}}\sum_{j=1}^{m_{i}}y_{j}=\frac{1}{m_{i}}\sum_{j=1}^{m_{i}}w^Tx_{j}=w^T\mu_{i}
• possiamo scegliere la distanza dai vettori medi proiettati (quindi nel nuovo spazio) come una funzione che chiaramente vogliamo cercare di massimizzare J(w)=|\tilde{\mu_{1}}-\tilde{\mu_{2}}|=|w^T(\mu_{1}-\mu_{2})| ! in questo caso però notiamo come in un asse abbiamo un'ottima separabilità tra classi, nell'altro abbiamo una distanza maggiore tra i due vettori medi. E mo come cazzo famo? Proviamo a cercare un metodo migliore

Scattering matrices

Dobbiamo prendere in considerazione lo spread tra le classi. Dobbiamo massimizzare il rapporto tra la varianza tra classi e la varianza della singola classe

• varianza della singola classe
  • indica come i vettori sono distribuiti/dispersi rispetto al centro della stessa classe
• varianza tra classi
  • indica come i centri sono distribuiti rispetto al centro di tutto (ok si potrebbe spiegare meglio ma so le 9:00

Approccio

• partiamo, come nel PCA, da un set di m sample di n dimensioni.

• a differenza del PCA, splittiamo il set in base ai label che rappresentano le classi PTS=\{P_{1},P_{2},{_{3},\dots,P_{s}}\}, dove P_{i} è una classe di cardinalità m_{i}

• per ogni classe P_{i} calcoliamo il vettore medio e la "media dei medi"$$\mu_{i}=\frac{1}{m_{i}}\sum_{j=1}^{m_{i}}x_{j}$$\mu_{TS}=\frac{1}{m}\sum_{i=1}^{S}m_{i}\mu_{i}

• calcoliamo la matrice di covarianza per la classe {P_{i}} C_{i}=\frac{1}{m_{i}}\sum_{j=1}^{m_{i}}(x_{j}-\mu_{i})(x_{j}-\mu_{i})^T

• ora possiamo calcolare scatter matrix whithin-class (della stessa classe) S_{W}=\sum_{i=1}^Sm_{i}C_{i}

• scatter matrix tra classi $$S_{B}=\sum_{i=1}^Sm_{i}(\mu_{i}-\mu_{TS})(\mu_{i}-\mu_{TS})^T$$per due classi è anche definita come (\mu_{1}-\mu_{2})(\mu_{1}-\mu_{2})^T

• le stesse definizioni sono valide anche nel nuovo spazio con \tilde{S_{W}} e \tilde{S_{B}} con y=w^Tx e la dispersione (scatter) della classe proiettata P_{i} è definito come \tilde{s_{i}}^2=\sum_{y \in P_{i}}(y-\tilde{\mu_{i}})^2 la somma di tutti gli \tilde{s_{i}}^2 (di tutte le classi) è la within-class scatter (dispersione tra classi)

• adesso vogliamo massimizzare la differenza tra i vettori medi, normalizzati secondo una misura della dispersione della singola classe (within-class scatter)

• con due classi, è definita come la funzione lineare w^Tx che massimizza la funzione J(w)=\frac{{|\tilde{\mu_{1}}-\tilde{\mu_{2}}|^2}}{\tilde{s_{1}}²+\tilde{s_{2}}^2}

• cerchiamo una proiezione dove sample della stessa classe sono proiettati molto vicini tra loro, ma con i valori medi delle classi il più possibile lontani tra loro!

Feature spaces

• possiamo estrarre feature applicando filtri o trasformazioni alle immagini
• possiamo usare uno dei metodi appena descritti se le feature estratte hanno una dimensionalità alta Quali sono le migliori feature da estrarre? Vediamo alcuni operatori

Bubbles

• un osservatore umano può subito ipotizzare il genere, l'identità, l'età e l'espressione guardando una faccia
• l'esperimento consiste nel mostrare l'immagine con sopra un pattern a bolle e vedere se l'osservatore umano e un sistema biometrico riescono a classificarlo bene!
• alla fine dell'esperimento riusciamo a capire quali sono gli elementi (le features quindi) della faccia che vengono prese in considerazione da un essere umano o che un sistema biometrico utilizza per classificare

Wavelet

provides a time-frequency representation of the signal. Fornisce tempo e frequenza contemporaneamente. !

Gabor filters

È un filtro lineare utilizzato in applicazioni di edge detection, analisi di texture e estrazione di feature, e si pensa che sia simile al sistema percettivo visivo di noi umani. Un Gabor filter 2D non è altro che un kernel Gaussiano modulato da un’onda piana sinusoidale.

[!PDF|yellow] LEZIONE6_Face recognition2D, p.43

An example of filters: Gabor filters

guarda dalle slide

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Un feature vector viene ricavato eseguendo varie convoluzioni con un insieme Gabor filter (Gabor filter bank) con diversi orientamenti e scale (nell'immagine sull'asse x troviamo gli orientamenti e su y le scale)

Otteniamo quindi diversi filtri andando a cambiare i parametri:

• λ: frequenza, controlla lo spessore della striscia; più è grande più sarà spessa
• θ: orientamento, controlla la rotazione della striscia ed è espresso come un angolo
• γ: aspect ratio, controlla l’altezza della striscia; più è grande più l’altezza diminuirà
• σ: larghezza di banda, controlla la scala generale determinando anche il numero di strisce; aumentando questo valore avremo più strisce con meno distanza tra loro.

Questa procedura, su immagini molto grandi, porta ad un’alta dimension- alità; possibili soluzioni sono:

• Applicare il filtro su un subset di pixel, come ad esempio una griglia =⇒ dimensionalità ridotta, ma possibile perdità di informazioni salienti (dovuta a possibili rotazioni ad esempio)
• Applico il filtro su tutti i pixel, ma poi seleziono solo i punti con picchi di valori =⇒ problemi di allineamento

Ma come facciamo la convoluzione?

• Griglia fissa
  • possiamo perdere punti importanti
• Griglia definita a mano in modo che i vertici sono vicini alle feature importanti, come gli occhi

EBGM Elastic Bunch Graph Matching

Questo metodo fa uso di grafi, nello specifico abbiamo per ogni soggetto una collezione di grafi (per questo il nome “bunch”), uno per ogni posa, dove:

• i vertici (edges) sono labellati (pesati) con la distanza tra i nodi
• i nodi contengono un insieme di risultati di diversi gabor filter (in genere 5 differenti frequenze e 8 diversi orientamenti), conservati in questa struttura chiamata “Jet”, e sono posizionati in punti importanti come ad esempio naso, occhi e bocca ! !

oggi non lo usa nessuno.

LBP Local Binary Pattern

Lavora sempre su un kernel, ma il kernel è "trasparente". Lavora pixel epr pixel e ci aiuta ad estrarre informazioni riguardo le texture all'interno di un'immagine (utile anche per antispoofing). Nella sua prima versione va a considerare una griglia 3x3 dove a ognuno dei quali viene assegnato un valore binario: se il suo valore era maggiore del pixel centrale viene assegnato 1, altrimenti 0. Effettuando questa operazione con un ordine di processo dei vicini (parto dal vicino in alto a sinistra ad es.) si ottiene una stringa binaria, il cui valore convertito in decimale viene assegnato al pixel centrale. Sarà il valore del pixel nella nuova immagine. È tipo una convoluzione ma molto più semplice.

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Possiamo ottenere l'istogramma di questi valori e considerarlo come una feature. Inoltre possiamo ottenere una misura di contrasto: (media valori dei pixel con valore maggiore del centrale) - (media valori dei pixel con valore minore del centrale)

! Ottengo un'immagine LBP (grayscale) e un istogramma LBP. L'immagine può banalmente poi essere usata come input di una deep network. Si può estendere per RGB? Beh sì basta che ripeto il processo per ogni immagine e faccio la media dei 3 risultati, ma ci sono strategie migliori.

Versione migliorata

In questa versione scelgo io il numero di pixel vicini (P) e il loro raggio di distanza (R), il valore di un pixel p_{c} si calcolerà quindi come:

LBP_{R,P}=\sum_{i=0}^{P-1}sign(p_{i}-p_{c})2^P

sign torna 1 se >= 0, altrimenti 0.

! p.s. la rappresentazione come immagine LBP è possibile solo se P=8.

Un pattern viene detto uniforme se nella stringa binaria contiene al massimo due transizioni 0 \to 1, 1 \to 0. Questi rappresentano le informazioni essenziali e ci consentono di ridurre notevolmente il numero di punti da considerare riducendo la dimensionalità, dato che sono solo P(P-1)+2 su un totale di P^2 possibili pattern. !

Da questo esempio si dovrebbe capire come le informazioni importanti alla fine siano tutte comprese nei pattern uniformi: ! La seconda immagine contiene i pixel associati a pattern uniformi, la terza pixel associati a pattern non uniformi.

Come possiamo ottenere un vettore di features?

• l'immagine viene suddivisa in sotto-finestre, ottenendo una griglia k \times k
• per ogni sotto-finestra calcoliamo un istogramma (ad ogni bin corrisponde un pattern)
• il vettore finale viene costruito concatenando i k^2 istogrammi. !

! Le rotazioni modificano l'LBP.

Classificazioni di sistemi di riconoscimento facciale

• Metodi basati sull'apparenza della faccia (global/holistic appearance methods): PCA, LDA, alcune reti neurali. Utilizzano l'immagine per intero invece di concentrarsi solo su alcune regioni, non perdendo informazioni da subito. Svantaggi: danno la stessa importanza ad ogni pixel, necessitano di alta correlazione tra training e test set, non performano bene su grandi variazioni PIE.
• Metodi basati su feature locali: EBGM, LBP. Sono robusti a varianze di posizione in quanto vengono prima individuati i punti da cui estrarre le feature, e inoltre sono computazionalmente veloci. Come principale svantaggio hanno la scelta a priori dei punti da cui estrarre le feature, se non sono molto discriminativi le performance saranno pessime.
• Sistemi basati su grafi: a ogni faccia è associato un grafo, dove ogni nodo corrisponde a punti discriminativi della faccia. Ottimi dal punto di vista di variazioni di posizione e illuminazione. Train e test molto lunghi.
• Sistemi basati su immagini termografiche o a infrarossi: ottimi per quanto riguarda variazioni di illuminazione, però richiedono attrezzatura adeguata e la temperatura misurata varia in base allo stato del soggetto. Molto sensibili ai movimenti.
• Reti neurali: mirano a simulare il modo in cui funzionano i neuroni del cervello. Ogni neurone è rappresentato da una funzione matematica, approccio ideale: usare un neurone per pixel ma richiede tantissimi neuroni. Quindi spesso si usa una rete per estrarre feature dall'immagine / comprimere l'immagine e poi una rete per la recognition effettiva. Sono molto robuste ma richiedono un training set molto grande. Altri possibili problemi: overfitting, overtraining (non generalizza), diventano inefficienti all'aumentare del numero di soggetti nel database.

Overfitting

Quando la rete ha troppi parametri rispetto alla dimensione dell'input.

Overtraining

Il sistema perde la capacità di generalizzare.

Approcci Deep Learning: DeepFace di Facebook

Include una fase di allineamento.

• l'obiettivo della fase di allineamento è generale una faccia frontale a partire dall'immagine che può contenere facce con posizioni o angoli differenti. Il metodo proposto si basa dei "fiducial point" (punti estratti dalla faccia) per estrarre la fraccia frontale
• generazione della faccia 2D, che non è altro che la faccia croppata dall'immagine di partenza
• applicazione dei 67 fiducial point sull'immagine. Generazione di un modello 3D
• frontalizzazione della faccia

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Le facce "frontalizzate" saranno l'input della rete neurale: !

Approcci Deep Learning: FaceNet di Google

Raggiunse il miglior risultato sul dataset Labeled Faces in the Wild e Youtube Face Database. Fa uso di deep architectures come ZF-Net e Inception Network. Usa poi un metodo chiamato triplet loss come funzione loss per il training.

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• normalizzazione least squares: riscala i vettori in modo che la loro norma L2 sia 1 (ogni vettore è diviso per la norma L2)
  • la norma L2 calcola la distanza delle coordinate del vettore dall'origine dello spazio vettoriale, anche detta norma euclidea.

Triplet loss

ha l'obiettivo di rendere piccola la distanza al quadrato (squared distance) tra gli embedding di due immagini corrispondenti alla stessa identità, indipendentemente dalla posa o altre condizioni, e di rendere grande la distanza tra immagini corrispondenti a identità diverse. !