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HOG:从理论到OpenCV实践汇编
一、理论1、HOG特征描述子的定义:? ? locally normalised histogram of gradient orientation in dense overlapping grids,即局部归一化的梯度方向直方图,是一种对图像局部重叠区域的密集型描述符,?它通过计算局部区域的梯度方向直方图来构成特征。?2、本质:? ? Histogram of Oriented Gradient descriptors provide a dense overlapping description of image regions,即统计图像局部区域的梯度方向信息来作为该局部图像区域的表征。?3、OpenCV中的HOG算法来源:? ??Histograms of Oriented Gradients for Human Detection, CVPR 2005。详细的算法可以参考这个文章。这里是英文和中文的介绍。?4、检测窗口Win、块Block、单元格Cell的基本信息(1)大小:A、检测窗口:WinSize=128*64像素,在图像中滑动的步长是8像素(水平和垂直都是)B、块:BlockSize=16*16像素,在检测窗口中滑动的步长是8像素(水平和垂直都是)C、单元格:CellSize=8*8像素D、梯度方向:一个Cell的梯度方向分为9个方向,在一个单元格内统计9个方向的梯度直方图(2)HOG描述子? ? OpenCV中一个Hog描述子是针对一个检测窗口而言的,一个检测窗口有((128-16)/8+1)*((64-16)/8+1)=105个Block,一个Block有4个Cell,一个Cell的Hog描述子向量的长度是9,所以一个检测窗口的Hog描述子的向量长度是105*4*9=3780维。? ??HOG特征提取是统计梯度直方图特征。具体来说就是将梯度方向(0-360°)划分为9个区间,将图像化为16x16的若干个block,每个block再化为4个cell(8x8)。对每一个cell,算出每一像素点的梯度方向和模,按梯度方向增加对应bin的值,最终综合N个cell的梯度直方图形成一个高维描述子向量。实际实现的时候会有各种插值。?算法流程:(1)灰度化? ? 由于颜色信息作用不大,通常转化为灰度图。(2)标准化gamma空间? ? 为了减少光照因素的影响,首先需要将整个图像进行规范化(归一化),这种处理能够有效地降低图像局部的阴影和光照变化。? ? ? ? ? ? Gamma压缩公式:? ? ? ? ? ??? ? ? ? ? ? ?比如可以取Gamma=1/2;?(3)计算图像每个像素的梯度(包括大小和方向)? ? 计算图像横坐标和纵坐标方向的梯度,并据此计算每个像素位置的梯度方向值;求导操作不仅能够捕获轮廓,人影和一些纹理信息,还能进一步弱化光照的影响。? ? 梯度算子:水平边缘算子: [-1, 0, 1] ;垂直边缘算子: [-1, 0, 1]T???? ? 图像中像素点(x,y)的梯度为:? ? 作者也尝试了其他一些更复杂的模板,如3×3 Sobel 模板,或对角线模板(diagonal masks),但是在这个行人检测的实验中,这些复杂模板的表现都较差,所以作者的结论是:模板越简单,效果反而越好。? ? 作者也尝试了在使用微分模板前加入 一个高斯平滑滤波,但是这个高斯平滑滤波的加入使得检测效果更差,原因是:许多有用的图像信息是来自变化剧烈的边缘,而在计算梯度之前加入高斯滤波会把这些边缘滤除掉。?(4)将图像分割为小的Cell单元格? ? 由于Cell单元格是HOG特征最小的结构单位,而且其块Block和检测窗口Win的滑动步长就是一个Cell的宽度或高度,所以,先把整个图像分割为一个个的Cell单元格(8*8像素)。?(5)为每个单元格构建梯度方向直方图【重点】? ? 这步的目的是:统计局部图像梯度信息并进行量化(或称为编码),得到局部图像区域的特征描述向量。同时能够保持对图像中人体对象的姿势和外观的弱敏感性。? ? 我们将图像分成若干个“单元格cell”,例如每个cell为8*8个像素(可以是矩形的(rectangular),也可以是星形的(radial))。假设我们采用9个bin的直方图来统计这8*8个像素的梯度信息。也就是将cell的梯度方向360度分成9个方向块,如图所示:例如:如果这个像素的梯度方向是20-40度,直方图第2个bin的计数就加一,这样,对cell内每个像素用梯度方向在直方图中进行加权投影(映射到固定的角度范围),就可以得到这个cell的梯度方向直方图了,就是该cell对应的9维特征向量(因为有9个bin)。? ? 像素梯度方向用到了,那么梯度大小呢?梯度大小就是作为投影的权值的。
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