使用Python+OpenCV進(jìn)行圖像處理(三)
角點(diǎn)檢測(cè)(Corner Detection)
角點(diǎn)檢測(cè)是另一種廣泛應(yīng)用于目標(biāo)檢測(cè)、運(yùn)動(dòng)檢測(cè)、視頻目標(biāo)追蹤等領(lǐng)域的檢測(cè)算法。圖像處理中的角是什么?應(yīng)該如何定義?在這里,我們把角看作是邊相交的連接點(diǎn)。那我們?cè)趺床拍苷业剿麄兡兀?你可能會(huì)想到一個(gè)最基礎(chǔ)的方式是先找到所有的邊,然后找到它們相交的點(diǎn)。但實(shí)際上,還有另一種更高效的方法確認(rèn)角點(diǎn)提高效率的方法,即Harris角點(diǎn)檢測(cè)和Shi&Tomasi角點(diǎn)檢測(cè)。接下來(lái)讓我們來(lái)詳細(xì)了解這兩種算法。
這兩種算法的工作原理如下。首先,檢測(cè)出各個(gè)方向上像素強(qiáng)度值有很大變化的點(diǎn)。然后構(gòu)造一個(gè)矩陣,從中提取特征值。通過(guò)這些特征值進(jìn)行評(píng)分從而決定它是否是一個(gè)角。數(shù)學(xué)表達(dá)式如下所示。
現(xiàn)在讓我們看看它們的代碼實(shí)現(xiàn)。首先,需要把圖片轉(zhuǎn)換為灰度圖。Harris角點(diǎn)檢測(cè)可以通過(guò)OpenCV中的cv2.cornerHarris()函數(shù)實(shí)現(xiàn)。
img = cv2.imread('images/desk.jpg')
img = cv2.cvtColor(img, cv2.COLOR_BGR2RGB)
img_gray = cv2.cvtColor(img, cv2.COLOR_RGB2GRAY)
# Apply Harris corner detection
dst = cv2.cornerHarris(img_gray, blockSize = 2, ksize = 3, k = .04)
參數(shù)blocksize是指定領(lǐng)域窗口設(shè)定的大小,k是Harris檢測(cè)的自由參數(shù)對(duì)應(yīng)上方公式中的k值。輸出結(jié)構(gòu)為得分R,我們將使用R得分檢測(cè)角點(diǎn)。
# Spot the detected corners
img_2 = img.copy()
img_2[dst>0.01*dst.max()]=[255,0,0]
# Plot the image
plt.figure(figsize = (20, 20))
plt.subplot(1, 2, 1); plt.imshow(img)
plt.a(chǎn)xis('off')
plt.subplot(1, 2, 2); plt.imshow(img_2)
plt.a(chǎn)xis('off')
下方是Shi-Tomasi角點(diǎn)檢測(cè)的代碼實(shí)現(xiàn)。使用函數(shù)cv2.goodFeaturesToTrack()實(shí)現(xiàn)。通過(guò)maxCorners參數(shù)指定最大角點(diǎn)個(gè)數(shù)。相應(yīng)地,通過(guò)minDistance指定角點(diǎn)間的最小距離和角點(diǎn)評(píng)定的最小質(zhì)量級(jí)別。得到檢測(cè)到的角點(diǎn)后,使用圓圈標(biāo)記這些角點(diǎn),如下所示:
# Apply Shi-Tomasi corner detection
corners = cv2.goodFeaturesToTrack(img_gray, maxCorners = 50,
qualityLevel = 0.01,
minDistance = 10)
corners = np.int0(corners)
# Spot the detected corners
img_2 = img.copy(
for i in corners:
x,y = i.ravel()
cv2.circle(img_2, center = (x, y),
radius = 5, color = 255, thickness = -1)
# Plot the image
plt.figure(figsize = (20, 20))
plt.subplot(1, 2, 1); plt.imshow(img)
plt.a(chǎn)xis('off')
plt.subplot(1, 2, 2); plt.imshow(img_2)
plt.a(chǎn)xis('off')
001 (9)人臉檢測(cè)
人臉檢測(cè)是一種識(shí)別圖像中是否存在人臉以及人臉的位置的技術(shù)。人臉檢測(cè)不同于人臉識(shí)別,人臉識(shí)別是通過(guò)一個(gè)人的臉來(lái)識(shí)別這個(gè)人。 所以人臉檢測(cè)并不能告訴我們這個(gè)人臉是屬于誰(shuí)。
人臉檢測(cè)本質(zhì)上是一項(xiàng)分類任務(wù),訓(xùn)練其分類物體是否存在來(lái)從而實(shí)現(xiàn)檢測(cè);贖aar特征的級(jí)聯(lián)分類器是OpenCV中常用的人臉檢測(cè)模型之一。它已經(jīng)在數(shù)千副圖像上進(jìn)行過(guò)預(yù)訓(xùn)練。理解該算法的四個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)分別是:Haar特征提取、積分圖像、Adaboost和級(jí)聯(lián)分類器。
類haar特征(Haar-like features)是用于目標(biāo)檢測(cè)的數(shù)字圖像特征,示例如上圖。Haar特征這個(gè)名字來(lái)源于其與Harr小波的直觀相似性,且Haar小波最初是由Alfred Haar提出的。在檢測(cè)過(guò)程中,通過(guò)滑動(dòng)窗口和濾波器上的卷積操作來(lái)確認(rèn)這些特征是不是我們所需要的特征。如下方所示:
那么,我們具體如何來(lái)確定給定區(qū)域是否含有需要的特征呢? 如上方圖片中所示。使用一個(gè)特定卷積核(上半?yún)^(qū)域是暗的,下半?yún)^(qū)域是亮的)得到每個(gè)區(qū)域像素值的平均值,并減去兩者之間的差距。如果結(jié)果高于閾值(比如0.5),則可得出結(jié)果,其就是我們正在檢測(cè)的特征。對(duì)每個(gè)內(nèi)核重復(fù)這個(gè)過(guò)程,同時(shí)在圖像上滑動(dòng)窗口。
雖然這個(gè)計(jì)算過(guò)程并不復(fù)雜,但如果在正個(gè)圖像重復(fù)這個(gè)過(guò)程計(jì)算量還是很大的。這也是積分圖像要解決的主要問(wèn)題。積分圖像是一種圖像表示方式,它是為了提高特征估計(jì)的速度與效率而衍生出來(lái)的。
如下圖所示,左邊是原始圖像的像素值,右邊是積分圖像的像素值。從左上角開(kāi)始計(jì)算給定矩形區(qū)域下像素的累加值。在積分圖像上,將虛線框像素值的累加和填充在右邊框的右下角處。
使用上方這個(gè)“預(yù)計(jì)算表”,我們可以通過(guò)子矩形(上圖中紅色、橙色、藍(lán)色和紫色框)的值方便地得到某個(gè)區(qū)域的像素值總和。
所以積分圖像可以幫助我們?cè)谝欢ǔ潭壬辖鉀Q計(jì)算量過(guò)大的問(wèn)題。但還不夠,還存在著計(jì)算量?jī)?yōu)化的空間。當(dāng)檢測(cè)窗口位于沒(méi)有目標(biāo)或人臉的空白背景時(shí),執(zhí)行檢測(cè)則會(huì)耗費(fèi)不必要的計(jì)算量。這時(shí)就可以通過(guò)使用Adaboost和級(jí)聯(lián)分類器,從而實(shí)現(xiàn)計(jì)算量進(jìn)一步優(yōu)化。
上圖展示了級(jí)聯(lián)分類器逐步構(gòu)造的各個(gè)階段,并對(duì)類haar特征進(jìn)行排序;咎卣鲿(huì)在早期階段被識(shí)別出來(lái),后期只識(shí)別有希望成為目標(biāo)特征的復(fù)雜特征。在每一個(gè)階段,Adaboost模型都將由集成弱分類器進(jìn)行訓(xùn)練。如果子部件或子窗口在前一階段被分類為“不像人臉的區(qū)域”,則將被拒絕進(jìn)入下一步。通過(guò)上述操作,只須考慮上一階段篩選出來(lái)的特征,從而實(shí)現(xiàn)更高的速度。

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