基于HOG-LBP特征融合的頭肩檢測研究

肖華軍，趙曙光，張 樂（東華大學　信息科學與技術學院，上海 201600）

基于HOG-LBP特征融合的頭肩檢測研究

肖華軍，趙曙光，張 樂
（東華大學信息科學與技術學院，上海 201600）

提出了一種基于HOG-LBP特征融合的人體頭肩檢測方法，其要點是將人體頭肩圖像等分為多個部分重疊的塊，從每個塊內提取HOG和LBP特征并加以融合，以得到更有效的人體頭肩的邊緣輪廓和紋理特征，融合后的特征送入支持向量機 SVM（Support Vector Machine）通過Bootstrapping的方式進行訓練，得到最終的判別模型。實驗結果表明，該方法的檢測效果優于基于單一HOG、LBP特征的方法。

梯度方向直方圖；局部二值模式；頭肩檢測；支持向量機

0　引言

近年來，行人檢測是計算機視覺、圖像處理、模式識別領域中一個十分重要的研究方向。傳統的行人檢測特征提取方法都將人體目標作為一個整體，從大量包含人體目標的圖像集中學習并提取整體特征，然后采用統計分類技術進行目標檢測與分類。然而這種識別方法由于沒有利用圖像中人體的局部信息，比如人體目標存在局部遮擋、姿態發生較大變化等情況下，會導致整體特征的顯著變化，對人體目標檢測的準確性造成很大的影響。由于人體頭肩呈現比較固定的類似“Ω”形狀和不易被遮擋等優點，為行人的準確檢測提供了先決條件。

當前頭肩檢測大致分為基于知識的方法和基于統計學習的方法。在基于知識的方法方面，MERAD D［1］等人提出利用骨架圖的方法檢測頭肩，該方法首先是前景圖像的提取，然后用骨架描述前景圖像，接著在骨架圖中找到人體的頭部。Chen Juan［2］等人假定頭肩為俯視圖像并接近圓形，通過 Hough圓檢測頭肩輪廓，然后把檢測到的輪廓與YUV顏色空間的U、V顏色直方圖匹配，從而實現頭肩的檢測與定位。在基于統計學習的方法方面，Li Min［3］等人提出基于Haar特征的級聯分類器和局部HOG特征的AdaBoost分類器的先粗后細的篩選來檢測頭肩；Li Zhixuan［4］等人采用 Edgelet和 LBP特征融合，送入real AdaBoost構造頭肩檢測分類器等等。

由于現實中的頭肩顏色、輪廓等先驗知識存在較大差異，無法用統一的形式來描述。但是可以選用基于統計模式識別的方法，通過對大量樣本的學習來獲得頭肩的描述規則，自動分析頭肩與非頭肩的細微差別。基于此，本文根據人體頭肩的特點，提出了一種基于HOGLBP特征融合的人體頭肩檢測方法。

1　相關特征介紹

1.1HOG特征

HOG描述是在一個網格密集、大小統一的細胞單元（Cell）上計算，并且為了提高性能，還采用了重疊的局部對比度歸一化技術。其主要思想是：在一幅圖像中，局部目標的表象和形狀能夠被梯度或邊緣的方向密度分布很好地描述。按照Dalal［5］提出的方法，HOG特征提取方法包括 5個步驟：顏色空間 Gamma校正、計算梯度、統計單元內的方向梯度、重疊塊內的梯度強度的歸一化、塊內直方圖組合成HOG特征向量。下面簡要介紹以上五個步驟。

（1）顏色空間Gamma校正

為了減少光照因素的影響，一般情況下，首先需要將整幅圖像進行歸一化。但是后來研究人員通過實驗發現，顏色空間標準化處理對實驗結果影響不大，分析其原因，可能是接下來的計算過程中的特征歸一化處理也能達到相似的效果。這樣在實際應用中，這個計算步驟可以省略。

（2）梯度的計算

設像素（x，y）處的灰度值為 I，梯度幅值為 G，梯度方向為 θ，采用［-1，0，1］的一維中心梯度算子，計算水平方向和垂直方向的梯度分別如下：

然后計算該像素點的梯度強度和方向：

對于RGB彩色圖像，即對每個顏色通道計算梯度，選取梯度幅值最大的顏色通道所對應的梯度作為該像素點的梯度。

（3）將圖像窗口區域劃分成均勻分布的單元（如8× 8像素大小的單元），每相鄰的2×2單元組合成一個小區域塊。在小塊內的每個像素以幅值作為權值投票到近鄰單元直方圖的相應梯度方向柱里。不考慮梯度方向的正負，即將方向轉化到0°～180°內，直方圖取9個方向柱。

（5）將所有小塊的特征向量串聯起來，形成窗口的HOG特征。

1.2LBP特征

LBP［6］最早是作為一種有效的紋理描述算子提出來的，由于其對圖像局部紋理特征的卓越描繪能力而獲得了十分廣泛的應用。LBP算子的特點是計算高效、判別性強且對單調的灰度級變化具有不變性。

基本的LBP算子是對于圖像中的每一個像素點，以該點的灰度值作為閾值，對其3×3鄰域內的像素灰度值作比較，若周圍8個像素點的值大于閾值，則為1，否則為0。按照一定的順序比較，得到一個8位的二進制數，以此二進制數作為對該像素點的響應。圖1所示為提取過程。

圖1　基本LBP算子

其計算公式如下：

后來，基本LBP算子被進一步推廣為使用不同大小和形狀的鄰域。采用圓形的鄰域并結合雙線性插值運算，從而可以獲得任意半徑和任意數目的鄰域像素點。圖2給出幾種不同圓形鄰域的LBP算子。

圖2　LBP采樣圖

其中P是采樣點的數目，R是采樣半徑。

對于一個局部二進制模式，在將其二進制位串視為循環的情況下，如果其中包含的從0到1或者從1到0轉變不超過2個，這樣局部二進制模式統一為一致性模式。例如模式 00000000（0個轉變）和 01110000（2個轉變）都是一致性模式。而模式 00100010（4個轉變）和01010011（6個轉變）都是非一致性模式。經過映射，編碼方式由256種縮短為59種，使得特征向量的維數減少。當背景中噪聲邊緣成分多時，HOG特征的表現不足，而LBP算子的一致性模式可濾除這類噪聲，彌補這一缺陷。將各個一致性模式對應到直方圖柱，而所有的非一致性模式都歸為一個柱。

2　HOG-LBP特征融合

特征提取是人體頭肩檢測中最為關鍵的環節之一，提取具有鑒別意義的特征對準確檢測人體頭肩起著重要作用。特征融合技術既融合了多種特征的有效鑒別信息，又能消除大部分冗余的信息，從而實現了信息的有效壓縮，節約了信息存儲空間，有利于加快運算速度和進行信息的實時處理。目前常用的特征融合方法為串行融合和并行融合。

設模式樣本空間Ω上存在兩個不同的特征空間A、B，對于任意模式樣本 ε∈Ω，設它對應的兩個特征向量分別為 α∈A和 β∈B，串行融合后的特征矩陣 γ=（α，β）。若特征向量α和β分別為n和m維，由組合原理可知，其組合后的串行特征空間為（n+m）維。并行融合后的特征矩陣γ=α+iβ，其中i為虛數單位。若兩組特征α 與β的維數不等，則低維的特征向量用零補足，此時特征矩陣維數為max｛dim（A），dim（B）｝。

串行特征向量的計算過程如圖3所示，分別計算HOG特征直方圖和LBP特征直方圖，串行連接形成聯合直方圖。

圖3　聯合直方圖

3　實驗過程及結果分析

3.1實驗樣本

為了測試HOG特征和 LBP特征融合的有效性，建立了一個基于行人頭肩的數據庫。數據庫圖片大多通過現有的行人樣本集，手工摳取人體頭肩區域形成樣本圖片，用于訓練與測試。原始行人及負樣本集來自INRIA、MIT樣本集以及網上收集的一些人物圖片。訓練庫包含了2 500個正樣本和5 500個負樣本，部分正樣本圖片如圖4所示。

圖4　部分正樣本圖像

3.2樣本HOG和LBP特征計算以及融合

本文實驗中，樣本HOG特征計算步驟：對正負樣本集中每一幅大小 32×32的灰度圖片（這里采用灰度圖片是考慮計算量大小的影響，并且對最終的檢測結果影響微小），計算矩形HOG特征描述子R-HOG，設定的Cell大小為8×8，Block的大小為 16×16，滑動步長是以一個Cell的寬度大小，HOG特征計算的具體過程如下：

（1）為了減少光照等的影響，首先對樣本圖像進行Gamma標準化，本實驗中這一步驟省略。

（2）計算灰度圖像中各個像素點x方向和y方向的梯度，采用簡單的［-1，0，1］模板計算梯度的方向和幅值。

（3）在每個 Cell內，設定投影方向為 9個 bin，用各個像素點的梯度幅值作為權重，投票統計各Cell的梯度方向加權直方圖，此直方圖的維數為9。

（4）對一個 Block（Block之間有重疊）內的 4個 Cell采用L2-norm進行歸一化處理，然后統計 4個 Cell的梯度直方圖，維數為36。

（5）每幅圖像需要計算 HOG特征向量的 Block數目為：（（32-16）/8+1）（（32-16）/8+1），最后串聯圖像中所有的Block，計算得到的HOG特征向量的維數是：9×36= 324維。

本實驗中，樣本LBP特征計算步驟：對正負樣本集中每一幅大小為32×32的灰度圖片，采用基于滑動窗口的LBP特征提取。滑動窗口針對圖像算法的一般描述如下：在一幅大小為W×H的圖像中，按一定規律移動w×h的窗口（W＞＞w，H＞＞h），對窗口內像素點進行一系列運算，運算結束后窗口向右或向下移動一步，直至完成對整幅圖像的處理。設定窗口的大小為16×16，并設定窗口在水平方向和垂直方向的滑動步長為窗口寬度的一半。LBP特征計算的具體過程如下：

（2）根據窗口內計算的 LBP特征值，計算每個窗口的直方圖，即每個LBP特征值出現的次數，然后采用L2-norm進行歸一化處理，此直方圖的維數為59。

（3）每幅圖像需要計算LBP特征向量的窗口數目為：（（32-16）/8+1）（（32-16）/8+1），最后串聯圖像中所有窗口的統計直方圖，計算得到的LBP特征向量的維數是：9×59=531維。

最后，將樣本HOG特征向量和LBP特征向量串行連接形成聯合特征向量。

3.3分類器訓練

在目標檢測分類器算法中，應用比較廣泛的是線性SVM和AdaBoost算法。SVM在分類器過程中主要通過核函數，將線性不可分的低維空間轉換為線性可分的高維空間，但訓練過程中，容易出現數據分類失衡的問題。本文選擇了線性SVM分類器訓練，并且使用交叉驗證的方法選擇SVM最優參數，使分類器對輸入的訓練樣本分類精度最高。

3.4實驗結果與分析

本文用HOG特征、LBP特征以及本文的HOG-LBP融合特征，結合SVM分類器進行實驗。實驗測試圖像大小為 352×384，算法基于 OpenCV2.4.9修改，運行在VS2012環境下，Inter Core i3-3220（3.30 GHz）的四核處理器和4 GB內存的電腦上。實驗結果如表1所示。

表1　不同特征檢測的實驗結果

分析表1可知，采用SVM分類器進行訓練，HOGLBP融合特征與HOG特征、LBP特征相比，能有效地降低誤檢率和漏檢率，但是由于融合特征的維數增加，融合特征檢測時間比單一特征的檢測時間要長。

基于本文的HOG-LBP特征融合，結合SVM分類器，對INRIA庫測試集圖像進行多尺度遍歷后的識別效果如圖5所示，其中圖 5（a）、圖 5（b）都進行了較為準確的多目標檢測，其中圖 5（a）中的人體頭肩有部分遮擋也可檢測出，圖5（b）中遠處的人體頭肩也可檢測出。圖 5（c）和圖 5（d）展示了部分誤檢與漏檢，漏檢是由于人體頭肩的形變過大或遮擋引起，誤檢則是因為物體的輪廓與人體頭肩輪廓很相似。

圖5　INRIA測試集檢測結果

4　結束語

本文提出了一種基于HOG-LBP融合特征的人體頭肩的檢測方法，融合的特征不僅準確地表征了人體頭肩輪廓信息，而且能夠對人體頭肩輪廓紋理有很好的描述。實驗結果表明，本文所提的算法可以達到較好的識別效果。

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Head-shoulder detection HOG-LBP-based feature fusion

Xiao Huajun，Zhao Shuguang，Zhang Le
（College of Information Science and Technology，Donghua University，Shanghai 201600，China）

This paper presents a people′s head-shoulder detection method based on HOG-LBP feature fusion.The important problem is that head-shoulder image is divided into a plurality of overlapping blocks，in order to get a more effective head-shoulder edge contour and texture features，HOG and LBP features are extracted from each block and make integration，and the features are fused into support vector machine SVM （Supprot Vector Machine）and are trained by Bootstrapping way to get the final discriminative model.Experimental results show that the effect of this method is superior detection method based on a single HOG，LBP features.

Histogram of Gradient（HOG）；Local Binary Pattern（LBP）；head-shoulder detection；Supporting Vector Machine（SVM）

TP391.41

A

1674-7720（2015）05-0043-04

（2014-12-04）

肖華軍（1988-），男，研究生，主要研究方向：圖形處理、模式識別。

趙曙光（1965-），男，博士，教授，主要研究方向：電子設計自動化、電路進化設計、模式識別與智能系統。

張樂（1987-），男，研究生，主要研究方向：可逆邏輯電路綜合與優化。