（计算机科学与技术专业论文）信号自适应分解方法与应用研究.pdf

f ilrlr ! i ri rr rr lrl rit li y 1 7 7 9 3 2 1 信号自适应分解方法与应用研究 博士后：杨志景 合作导师：杨力华教授、汤庸教授 关键字：信号分解，经验模式分解，稀疏表示，虹膜识别，人脸姿势 估计 k e y w o r d s ：s i g n a ld e c o m p o s i t i o n ，e m p i r i c a lm o d ed e c o m p o s i t i o n ( e m d ) ， s p a r s er e p r e s e n t a t i o n ，i r i sr e c o g n i t i o n ，f a c i a lp o s ee s t i m a t i o n - 2 - 信号自适应分解方法与应用研究 博士后：杨志景 合作导师：杨力华教授、汤庸教授 摘要 信号分解是信号处理的基本方法，可以有效刻划和分析信号的特征，是理论 研究和交际应刖中的重要工具。将一个复杂的信号分解为简单原子的线性组合， 将有利于我们了解信号所隐含的本质属性，可以在许多实际问题中得到j 泛应 用。随着科学技术的不断发展，科学家发展了各种包括f o u r i e r 分析，w a l s h ，小 波等各种信号分解方法。最近，适用于非平稳非线性信号的自适应分解方法一经 验模式分解( e m d ) 与基于超完备字典的稀疏表示方法受到理论界与工程界越水 越多的关注与研究。本文专注于信号分解的方法及其应h j 研究，并取得了以下的 研究结果： 1 针对二维e m d 推广中定义二维极值点与二维包络的困难，提出了一种新 的二维e m d 方法，该方法无需定义二维极值点与二维包络，对噪声有较 强的鲁棒性，且计算复杂度较低。大量的分析与实验表明，该方法在纹理 分析与人脸图像处理中取得了良好的结果。 2 在视频人脸姿势估计中，我们提出了两种有效的方法：( 1 ) 摹于e m d 与瓦 信息的人脸姿势估计算法，该方法埘噪声与光照有较强的鲁棒性；( 2 ) 提 出一种新的互信息标准共生互信息，并将其应用到人脸姿势估计中， 取得了更高的识别效果。 3 针对虹膜识别中的遮掩问题，我们提了一种基于稀疏表示的虹膜识别方 法，分析与实验表明该方法4 i 仅识别率高，且对于遮掩有较强的鲁棒性。 而稀疏表示系数的集中程度可以用于判别测试样本的有效性，可进一步提 高识别效果。 r e s e a r c h e so na d a p t i v es i g n a ld e c o m p o s i t i o n m e t h o d sa n di t sa p p l i c a t i o n s n a m e ：z h i j i n gy a n g a d v i s o r ：p r o f l i h u a y a n ga n dp r o f y o n gt a n g a b s t r a c t s i g n a ld e c o m p o s i t i o ni s a l li m p o r t a n tt o o l i nb o t hp u r er e s e a r c ha n dp r a c t i c a l a p p l i c a t i o n s d e c o m p o s i t i o no fac o m p l e xs i g n a li n t oal i n e a rc o m b i n a t i o no ft h e i r b u i l d i n gs i m p l e ra t o m si so fg r e a ti n t e r e s ti nm a n ya p p l i c a t i o n s r e c e n t l y , e m p i r i c a l m o d ed e c o m p o s i t i o n ( e m d ) a n ds p a r s e r e p r e s e n t a t i o n a r et w op o p u l a rs i g n a l d e c o m p o s i t i o nm e t h o d sw h i c h a t t r a c ti n c r e a s i n ga t t e n t i o n si ns c i e n t i f i ca n de n g i n e e r i n g c o m m u n i t i e s t h i st h e s i ss t u d i e st h es i g n a ld e c o m p o s i t i o nm e t h o d sa n di n t sa p p l i c a t i o n s s o m ef a v o r a b l ea c h i e v e m e n t sa r eo b t a i n e dw h i c hi n c l u d e ： ( 1 ) an e wa l g o r i t h mf o rb e m dt h a td o e sn o tn e e dt h ei d e n t i f i c a t i o no ft h e2 de x t r e m a a n d2 de n v e l o p ei sp r o p o s e d e x t e n s i v ea n a l y s i sa n de x p e r i m e n t a lr e s u l t ss u p p o r tt h a t ， i nc o m p a r i s o nw i t ht h ee x i s t i n gt e c h n i q u e s ，t h ep r o p o s e da l g o r i t h mp r o v i d e st h e f o l l o w i n ga d v a n t a g e s ：( i ) n on e e df o re x t r a c t i n go ri d e n t i f y i n gt h e2 de x t r e m aa n d2 d e n v e l o p e s ；( i i ) t h ep r o p o s e da l g o r i t h mi sv e r ys t a b l ea n dr o b u s tt on o i s e s ；( i i i ) t h e c o m p u t a t i o n a lc o s ti sv e r yl o wa si n d i c a t e db yt h ec o m p l e x i t ya n a l y s i s ；( i v ) t h es c a l e so f t h eb i m f so b t a i n e db yt h ep r o p o s e db e m di l l u s t r a t e sav e r yu s e f u lp r o p e r t yt h a t n o i s e sa r em a i n l yd e c o m p o s e di n t ot h ef i r s tb i m fa n dt h er e s i d u er e p r e s e n t st h ei m a g e t e n d e n c yv e r yw e l l 4 ( 2 ) r e g a r d i n gf a c i a lp o s ee s t i m a t i o ni n s i d ev i d e o s ，t h em a i nc o n t r i b u t i o n sc a nb e h i g h l i g h t e da s - ( i ) p r e s e n t i n gan e w f a c i a lp o s ed e t e c t i o na l g o r i t h mv i ai n t e g r a t i o no ft h e s t r e n g t hi nb o t he m p i r i c a lm o d ed e c o m p o s i t i o n ( e m d ) a n dm u t u a li n f o r m a t i o n ；( i i ) p r o p o s i n gan e ws i m i l a r i t ym e a s u r e m e n t ，n o r m a l i z e dc o - o c c u r r e n c em u t u a li n f o r m a t i o n ( n c m i ) ，b a s e do nt h ec o - o c c u r r e n c em a t r i x ；( i i i ) i n t r o d u c i n gan o v e la l g o r i t h mb a s e d o nn c m if o ra u t o m a t e df a c i a lp o s ed e t e c t i o n ；a n d ( i v ) e x t r a c t i n gd i s c r i m i n a t i n gf e a t u r e f a c ef o rf a c i a lp o s ed e t e c t i o n ( 3 ) r e g a r d i n gt h ep r o b l e mo fi r i sr e c o g n i t i o nu n d e ro c c l u s i o n s ，w ep r o p o s ear o b u s ti r i s r e c o g n i t i o nm e t h o db a s e do ns p a r s er e p r e s e n t a t i o n t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a t t h ec o r r e c tr e c o g n i t i o nr a t eo ft h ep r o p o s e dm e t h o di s e n c o u r a g i n g m o r e o v e r , t h e p r o p o s e dm e t h o di sr o b u s tt or e a lo c c l u s i o n so rs i m u l a t i v eo c c l u s i o n s f i n a l l y ，w ea l s o v a l i d a t et h a tt h es p a r s i t yc o n c e n t r a t i o ni n d e x ( s c i ) c a nb eu s e dt or e j e c ti n v a l i dt e s t i m a g e ss u c c e s s f u l l y 5 t a b l eo fc o n t e n t s i 1b a c k g r o u n d 1 2t h e s i sc o n t r i b u t i o n s 1 3t h e s i so r g a n i s a t i o n 9 1 1 量e e 基! ! y 星曼! 坠! 丛e 丛苎l q 丛l 匪丛! b ! l 丛q 坠基坠錾q 丛q 苎! ! ! q 丛 坠! ! y 量丛l 苎q ! b q ! ! 世毯g 竖l i ! q 趟苎! 三 2 1i n t r o d u c t i o n 2 2an e wb l d i m e n s l o n a le m dv i aa d a p t i v ea n i s o t r o p i ct r i a n g u l a t i o n s 2 - 2 1r e v i e wo ft h eo r i g i n a le m da l g o r i t h m 2 2 2a d a p t r v ea n i s o t r o p i ct r i a n g u l a t i o n s 2 2 3t h ep r o p o s e db e m d 2 3f a s tc o m p u t i n ga n dc o m p l e x i t ya n a l y s i so fa d a p t i v ea n i s o t r o p i c 1 囊i a n g u l a t l 0 n s 2 4 e x p e r i m e n t a lr e s u l t sa n dd i s c u s s i o n 2 4 1o v e r a l lp e r f o r m a n c e so fo u rp r o p o s e db e m d 2 4 2t e x l u r ea n a l y s i s 2 4 3a p p l i c a t i o nt of a c ei l l u m i n a l l o nn o r m a l l z a l l 0 n 2 4 4r o b u s l n e s st on o i s e 2 5 s u m m a r y 1 3 1 5 1 5 1 6 2 0 6 弱 汐 凹 如 鲐 弘 3 1 i n t r o d u c t i o n 3 2 e m p i r i c a lm o d ed e c o m p o s i t i o nb a s e df a c i a lp o s e d e t e c t i o n 3 2 1 b a c k g r o u n d 3 2 2 f e a t u r ef a c ee x t r a c t i o n 3 2 3 e m d b a s e df a c i a lp o s ee s t i m a t i o n 3 2 4 e x p e r i m e n t a lr e s u l t sa n dd i s c u s s i o n s 3 2 4 1r o b u s t n e s st on o i s e 3 242r o b u s t n e s st oi l l u m i n a t i o n 3 243c o m p a r i s o n so n t h ev i d t i m i td a t a b a s e 3 3 n o r m a l i z e dc o - o c c u r r e n c em u t u a li n f o r m a t i o nb a s e df a c i a lp o s e d e t e c t i o n 3 3 1 b a c k g r o u n d 3 3 2 n o r m a l i z e dc o - o c c u r r e n c em u t u a li n f o r m a t i o n 3 3 3 n c m ib a s e df a c i a l p o s ed e t e c t i o na l g o r i t h m 3 3 4 e x p e r i m e n t a lr e s u l t sa n dd i s c u s s i o n s 3 3 4 1r o b u s t n e s st of a c i a le x p r e s s i o n s 3 3 4 2r o b u s t n e s st on o i s e 3 3 4 3c o m p a r i s o n sw i t ho t h e ra p p r o a c h e s 3 3 44c o m p a r i s o n so fc o m p u t a t i o n a lc o m p l e x i t y 3 4 s u m m a r y b q 旦坠! ! b ! 苎墼q g 丛! ! ! q 盟垦苎量坠q 丛苎b 墨量墼墼墨量基! ! ! q 丛至q 巡! 塑曼 4 1 i n t r o d u c t i o n 4 2 i r i si m a g ep r e p r o c e s s i n g 4 3 c l a s s i f i c a t i o nb a s e do ns p a r s er e p r e s e n t a t i o n 4 3 1 s p a r s er e p r e s e n t a t i o n 7 7 5 7 8 势 柏 仉 如 钇 弱 鲐 鼹 钞 钞 的 锯 毋 竹 记 竹 4 3 2 d e a l i n gw i t hs m a l ld e n s en o i s e 4 3 3 c l a s s i f i c a t i o nb a s e do ns p a r s er e p r e s e n t a t i o n 4 3 4 r o b u s t n e s st oo c c l u s i o no rc o r r u p t i o n 4 4 e x p e r i m e n t a lr e s u l t sa n dd i s c u s s i o n 4 4 1 g e n e r a lp e r f o r m a n c eo ft h ep r o p o s e dm e t h o d 4 4 2 r o b u s t n e s st oo c c l u s i o no rc o r r u p t l o n 4 4 3 r e j e c t i n gi n v a l i dt e s t i m a g e s 4 5 s u m m a r y 1 个人简历 9 7 2 在站期间发表与完成的论文 在站期间获得的科研基金 4 在站期间参加国内外学术会议情况 5 在站期间承担教学情况 8 为 踮 配 站 辨 髓 踮 盯 c h a p t e r i n t r o d u c t io n 1 1 b a c k g r o u n d s i g n a la n a l y s i si sa ni m p o r t a n tt o o l i nb o t hp u r er e s e a r c ha n dp r a c t i c a la p p l i c a t i o n s e s p e c i a l l y ，n o w a d a y s ，w i t ht h ed e v e l o p m e n to f s c i e n c ea n d t e c h n o l o g y ，al a r g ea m o u n t o fd a t ai sw a i t i n gf o rf u r t h e rs c i e n t i f i ce x p l o r a t i o n t h ea n a l y s i sd i r e c t l yi nt h eo r i g i n a l c o m p l e xs i g n a li sn o r m a l l yd i f f i c u l tb e c a u s eo f t h ei m m e n s em u l t i - d i m e n s i o n a ld a t as e t s i n v o l v e d t h e r e f o r ed e c o m p o s i t i o no fac o m p l e xs i n g a li n t oal i n e a rc o m b i n a t i o no f t h e i rb u i l d i n gs i m p l e ra t o m si so fg r e a ti n t e r e s t i nm a n ya p p l i c a t i o n s ，s u c ha st i m e - f r e q u e n c ya n a l y s i s ，s i g n a lc o m p r e s s i o n ，s i g n a ld e n o i s i n g ，s i g n a le n h a n c e m e n t ，s i g n a l ( o r i m a g e ) r e c o g n i t i o na n ds oo n t h et r a d i t i o n a la n dc l a s s i cs i g n a ld e c o m p o s i t i o nm e t h o di sf o u r i e ra n a l y s i s ，w h i c h r e p r e s e n t sas i g n a la sas u p e r p o s i t i o no fs i n e sa n dc o s i n e sj u s ta sc o m p l e xs o u n d sc a nb e d e c o m p o s e di n t or i c hc o m b i n a t i o n so fs i m p l et o n e s h o w e v e r , f o u r i e ra n a l y s i sb a s e d o nt h el i n e a rs t a t i o n a r ya s s u m p t i o nh a sb e e ns h o w nt ob eo n l ye f f i c i e n tf o rp r o c e s s i n g o fl i n e a ra n ds t a t i o n a r yd a t a w a v e l e td e c o m p o s i t i o n s 【l 】a n dw i n d o w e df o u r i e r d e c o m p o s i t i o n s 【2 】h a v ee m e r g e di nt h el a s tf e wy e a r sa st o o l so fg r e a ti m p o r t a n c ef o r t h ea n a l y s i so fs i g n a l si nw h i c hl o c a lf r e q u e n c i e sc a nb ee x t r a c t e d r e c e n t l y ，t h e r eh a sb e e na ne x p l o s i o no fi n t e r e s ti na l t e r n a t i v e st ot r a d i t i o n a ls i g n a l r e p r e s e n t a t i o n s i n s t e a do f j u s tr e p r e s e n t i n gs i g n a l si na no r t h o g o n a lb a s i s ，d e c o m p o s i n g 9 as i n g a li na no v e r c o m p l e t ed i c t i o n a r yi sv e r yu s e f u li nm a n ya p p l i c a t i o n s s p a r s e r e p r e s e n t a t i o ni so n eo ft h e s em e t h o d s t h ep r o b l e ms o l v e db yt h es p a r s er e p r e s e n t a t i o n i st os e a r c hf o rt h em o s tc o m p a c tr e p r e s e n t a t i o no fas i g n a li nt e r m so fl i n e a r c o m b i n a t i o no fa t o m si na no v e r c o m p l e t ed i c t i o n a r y c o m p a r e dt om e t h o d sb a s e do n o r t h o n o r m a lt r a n s f o r m so rd i r e c tt i m ed o m a i np r o c e s s i n g , s p a r s er e p r e s e n t a t i o nu s u a l l y o f f e r s b e t t e rp e r f o r m a n c ew i t hi t s c a p a c i t yf o re f f i c i e n ts i g n a lm o d e l l i n g r e c e n t r e s e a r c hh a sm a i n l yf o c u s e do nt h r e ea s p e c t so ft h es p a r s er e p r e s e n t a t i o n ：p u r s u i t m e t h o d sf o r s o l v i n gt h eo p t i m i z a t i o np r o b l e m ，s u c ha sm a t c h i n gp u r s u i t 【8 5 ， o r t h o g o n a lm a t c h i n gp u r s u i t 【8 6 ，b a s i sp u r s u i t 8 7 ，l a r s h o m o t o p ym e t h o d s 【8 8 】； d e s i g no ft h ed i c t i o n a r y ，s u c ha st h ek - s v dm e t h o d 【8 9 】；t h ea p p l i c a t i o n so ft h es p a r s e r e p r e s e n t a t i o nf o rd i f f e r e n tt a s k s ，s u c ha ss i g n a ls e p a r a t i o n ，d e n o i s i n g ，i m a g ei n p a i n t i n g , r e c o g n i t i o na n dr e s t o r a t i o n 9 0 - 【9 5 】 f o rn o n l i n e a ra n dn o n s t a t i o n a r ys i g n a lp r o c e s s i n g ，o n eh a st oa d o p tt h ea d a p t i v e s i g n a ld e c o m p o s i t i o nm e t h o d e m p i r i c a lm o d ed e c o m p o s i t i o n ( e m d ) i so n eo ft h e m o s tp o p u l a rm e t h o d s ，w h i c hw a so r i g i n a l l yd e v e l o p e db yh u a n ge ta 1 【3 】，【4 】i n19 9 8 a n dp r o v i d e sap o w e r f u lt o o lf o ra d a p t i v em u l t i s c a l ea n a l y s i so fn o n s t a t i o n a r ya n d n o n l i n e a rs i g n a l s w i t he m d ，a n yc o m p l i c a t e dd a t as e tc a nb ed e c o m p o s e di n t oaf i n i t e n u m b e ro fi n t r i n s i cm o d ef u n c t i o n s ( i m f s ) t h a tg e n e r a l l ya d m i tw e l l - b e h a v e dh i l b e r t t r a n s f o r m s e m di saf u l l ya d a p t i v es c h e m es i n c et h ed e c o m p o s i t i o ni sc a r r i e do u tb y d i r e c te x t r a c t i o no ft h el o c a le n e r g ya s s o c i a t e dw i t ht h ei n t r i n s i cm o d eo ft h es i g n a l i t s e l et h i si sd i f f e r e n tf r o mt h ef o u r i e ra n dw a v e l e tt r a n s f o r m st h a tc h a r a c t e r i z ea s i g n a le v e n tw i t hp r e g i v e nb a s i sf u n c t i o n s e m dp r o d u c e sb a s i sf u n c t i o n sa d a p t i v e l y a c c o r d i n gt o t h ew a v e f o r m so ft h es i g n a ld u r i n gt h ep r o c e s s b e c a u s eo fs u c h a d v a n t a g e s ，e m dh a sa t t r a c t e di n c r e a s i n ga t t e n t i o n s i n s c i e n t i f i ca n de n g i n e e r i n g c o m m u n i t i e se v e rs i n c ei t si n t r o d u c t i o n r e c e n t l y , i n c r e a s i n gi n t e r e s t si ne m dt h e o r i e s 1 0 a n da p p l i c a t i o n sa r es h o w ni nt h ep u b l i s h e dw o r k 5 】- 【l l 】，a n de m dh a sb e e na p p l i e d w i t hg r e a ts u c c e s st oar a n g eo fa p p l i c a t i o n s ，i n c l u d i n ge a r t h q u a k er e s e a r c h ，o c e a n s c i e n c e ，g e a r b o xf a u l td i a g n o s i s ，d e n o i s i n g ，w a t e r m a r k i n g ，i m a g ea n a l y s i se t c 【4 】，【12 - 【1 9 i nt h i st h e s i sw ew i l ld e v o t eo u rm i n dt oa d a p t i v es i g n a ld e c o m p o s i t i o nm e t h o d sa n d i t sa p p l i c a t i o n s w ew i l lp r o p o s ea ne f f e c t i v eb i d i m e n s i o n a le m d b a s e do na d a p t i v e a n i s o t r o p i ct r i a n g u l a t i o n s t h e nw ew i l la p p l ye m di nf a c i a lp o s ee s t i m a t i o ni n s i d e v i d e os e q u e n c e sa n dp r e s e n tas oc a l l e dn o r m a l i z e dc o - o c c u r r e n c em u t u a li n f o r m a t i o n t oi m p r o v et h er e c o g n i t i o nr e s u l t s f i n a l l y ，w ea p p l ys p a r s er e p r e s e n t a t i o ns u c c e s s f u l l y i ni r i sr e c o g n i t i o nt o w a r d so c c u l a s i o n s 1 2t h e s i sc o n t r i b u t i o n s t h em a i nc o n t r i b u t i o n si nt h i st h e s i sc a nb es u m m a r i s e da sf o l l o w s ： ( 1 ) an e wa l g o r i t h mf o rb e m d t h a td o e sn o tn e e dt h ei d e n t i f i c a t i o no ft h e2 de x t r e m a a n d2 de n v e l o p ei sp r o p o s e d e x t e n s i v ea n a l y s i sa n de x p e r i m e n t a lr e s u l t ss u p p o r tt h a t ， 。 i nc o m p a r i s o nw i t ht h ee x i s t i n gt e c h n i q u e s ，t h ep r o p o s e da l g o r i t h mp r o v i d e st h e f o l l o w i n ga d v a n t a g e s ：( i ) n on e e df o re x t r a c t i n go ri d e n t i f y i n gt h e2 de x t r e m aa n d2 d e n v e l o p e s ，w h i c hi sd i f f i c u l ti np r a c t i c e ；( i i ) t h ep r o p o s e da l g o r i t h mi sv e r ys t a b l ea n d r o b u s tt on o i s e s ；( i i i ) t h ec o m p u t a t i o n a lc o s ti sv e r yl o wa si n d i c a t e db yt h ec o m p l e x i t y a n a l y s i s ；( i v ) t h es c a l e so ft h eb i m f so b t a i n e db yt h ep r o p o s e db e m d i l l u s t r a t e sav e r y u s e f u lp r o p e r t yt h a tn o i s e sa r em a i n l yd e c o m p o s e di n t ot h ef i r s tb i m fa n dt h er e s i d u e r e p r e s e n t st h ei m a g et e n d e n c yv e r yw e l l ( 2 ) r e g a r d i n gf a c i a lp o s ee s t i m a t i o n i n s i d ev i d e o s ，t h em a i nc o n t r i b u t i o n sc a nb e h i g h l i g h t e da s ：( i ) p r e s e n t i n gan e wf a c i a lp o s ed e t e c t i o na l g o r i t h mv i ai n t e g r a t i o no f t h e s t r e n g t hi nb o t he m p i r i c a lm o d ed e c o m p o s i t i o n ( e m d ) a n dm u m a li n f o r m a t i o n ；( i i ) p r o p o s i n gan e ws i m i l a r i t ym e a s u r e m e n t ，n o r m a l i z e dc o o c c u r r e n c em u m a li n f o r m a t i o n ( n c m i ) ，b a s e do nt h ec o - o c c u r r e n c em a t r i x ；( i i i ) i n t r o d u c i n gan o v e la l g o r i t h mb a s e d o nn c m if o ra u t o m a t e df a c i a lp o s ed e t e c t i o n ；a n d ( i v ) e x t r a c t i n gd i s c r i m i n a t i n gf e a t u r e f a c ef o rf a c i a lp o s ed e t e c t i o n ( 3 ) r e g a r d i n gt h ep r o b l e mo fi r i sr e c o g n i t i o nu n d e ro c c l u s i o n s ，w ep r o p o s ear o b u s ti r i s r e c o g n i t i o nm e t h o db a s e do ns p a r s er e p r e s e n t a t i o n t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a t t h ec o r r e c tr e c o g n i t i o nr a t eo ft h ep r o p o s e dm e t h o di s e n c o u r a g i n g m o r e o v e r , t h e p r o p o s e dm e t h o di sr o b u s tt or e a lo c c l u s i o n so rs i m u l a t i v eo c c l u s i o n s f i n a l l y , w ea l s o v a l i d a t et h a tt h es p a r s i t yc o n c e n t r a t i o ni n d e x ( s c i ) c a nb eu s e dt or e j e c ti n v a l i dt e s t i m a g e ss u c c e s s f u l l y 1 3t h e s i so r g a ni s a t i o n t h er e s to ft h i st h e s i si sc o m p o s e do ft h r e ec h a p t e r s ，a n dt h eo r g a n i z a t i o no ft h em a i n c o n t e n t sc a nb es u m m a r i z e da sf o l l o w s ： c h a p t e rt w og i v e sa ne f f e c t i v eb i d i m e n s i o n a le m p i r i c a lm o d ed e c o m p o s i t i o nv i a a d a p t i v ea n i s o t r o p i ct