主成分分析（PCA）——以2维图像为例

这一节不论是思想还是实现都比较容易。

主成分分析（PCA）就是模式识别里面说的K-L变换，思想是完全相同的。

详情可见我的博文：特征选择（三）-K-L变换

这里简单介绍几个概念。顺便贴出代码和效果图。

xRot = zeros(size(x));
xRot=u'*x;
figure(2);
scatter(xRot(1, :), xRot(2, :));
title('xRot');

得到原始图和主轴方向，如图1所示。

图1

PCA变换

就是要找到数据分布最大的方向，作为主轴方向，然后以这些主轴方向为基，旋转过去，就完成了数据的去相关性，这是因为此时数据的协方差矩阵成了对角阵。如图2所示。

xRot = zeros(size(x)); 
xRot=u'*x;
figure(2);
scatter(xRot(1, :), xRot(2, :));
title('xRot');

图2

PCA降维

如果我们只取了特征根最大的几个特征向量作为旋转矩阵，那么这就是PCA降维。如图3。

k = 1; 
xHat = zeros(size(x));
xHat=u(:,1:k)*u(:,1:k)'*x;
figure(3);
scatter(xHat(1, :), xHat(2, :));
title('xHat');

图3

 

PCA白化

我们不降维，而此基础上将数据左乘一个，那么数据就按照各自主轴方向进行压缩拉伸，成了一个球形，这就是PCA白化。

epsilon = 1e-5;
xPCAWhite = zeros(size(x));
xPCAWhite=diag(1./(diag(s)+epsilon))*u'*x;
figure(4);
scatter(xPCAWhite(1, :), xPCAWhite(2, :));
title('xPCAWhite');

这里加了一个epsilon是因为有的特征根已经很小了，归一化的时候根号了一下，容易出现数据上溢。同时它还有消除噪声的作用。如图4。

图4

 

 ZCA白化

我们在PCA白化的基础上，左乘一个特征向量矩阵，数据的方向就会又转回去了。这就是ZCA白化，ZCA白化去除了数据的相关性、保留了最大限度原始数据的形式。是数据预处理的好方法。如图5。

xZCAWhite = zeros(size(x)); 
xZCAWhite=u*diag(1./(diag(s)+epsilon))*u'*x;
figure(5);
scatter(xZCAWhite(1, :), xZCAWhite(2, :));
title('xZCAWhite');

图5

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