關(guān)于opencv

OpenCV 是 Intel 開(kāi)源計(jì)算機(jī)視覺(jué)庫(kù) (Computer Version) 。它由一系列 C 函數(shù)和少量 C++ 類(lèi)構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)了圖像處理和計(jì)算機(jī)視覺(jué)方面的很多通用算法。

OpenCV 擁有包括 300 多個(gè) C 函數(shù)的跨平臺(tái)的中、高層 API 。它不依賴(lài)于其它的外部庫(kù) —— 盡管也可以使用某些外部庫(kù)。 OpenCV 對(duì)非商業(yè)應(yīng)用和商業(yè)應(yīng)用都是免費(fèi) 的。同時(shí) OpenCV 提供了對(duì)硬件的訪(fǎng)問(wèn)，可以直接訪(fǎng)問(wèn)攝像頭，并且 opencv 還提供了一個(gè)簡(jiǎn)單的 GUI(graphics user interface) 系統(tǒng) :highgui 。 我們就通過(guò) OpenCV 提供的一些方法來(lái)構(gòu)造出這個(gè)人臉檢測(cè)（face detection） 程序來(lái)。

opencv的python包裝 

OpenCV 本身是有 C/C++ 編寫(xiě)的，如果要在其他語(yǔ)言中使用，我們可以通過(guò)對(duì)其動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)文件進(jìn)行包裝即可，幸運(yùn)的是， Python 下有很多個(gè)這樣的包裝，本文中使用的是 Cvtypes 。

事實(shí)上，在 Python 中很多的包都是來(lái)自第三方的，比如 PIL(Python Image Library) 即為 C 語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)的一個(gè)圖形處理包，被包裝到了 Python 中，這些包裝可以讓你像使用 Python 的內(nèi)建函數(shù)一樣的使用這些 API 。

人臉檢測(cè)原理

人臉檢測(cè)屬于目標(biāo)檢測(cè)(object detection) 的一部分，主要涉及兩個(gè)方面

1.先對(duì)要檢測(cè)的目標(biāo)對(duì)象進(jìn)行概率統(tǒng)計(jì)，從而知道待檢測(cè)對(duì)象的一些特征，建立起目標(biāo)檢測(cè)模型。
2.用得到的模型來(lái)匹配輸入的圖像，如果有匹配則輸出匹配的區(qū)域，否則什么也不做。 

計(jì)算機(jī)視覺(jué)

計(jì)算機(jī)的視覺(jué)系統(tǒng)，跟人的眼睛是大不相同的，但是其中也有類(lèi)似之處。人眼之能夠看到物體，是通過(guò)物體上反射出來(lái)的光線(xiàn)刺激人眼的感光細(xì)胞，然后視覺(jué)神經(jīng)在大腦中形成物體的像。計(jì)算機(jī)通過(guò)攝像頭看到的東西要簡(jiǎn)單的多，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，就是一堆由數(shù)字組成的矩陣。這些數(shù)字表明了物體發(fā)出的光的強(qiáng)弱，攝像頭的光敏元件將光信號(hào)轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào)，將其量化為矩陣。

如何從這些數(shù)字中得出:"這是一個(gè)人臉"的結(jié)論，是一個(gè)比較復(fù)雜的事情。物理世界是彩色的，一般來(lái)說(shuō)，計(jì)算機(jī)中的彩色圖片都是由若干個(gè)色彩通道累積出來(lái)的，比如RGB模式的圖片，有紅色通道(Red)，綠色通道(Green)和藍(lán)色通道(Blue),這三個(gè)通道都是灰度圖，比如一個(gè)點(diǎn)由8位來(lái)表示，則一個(gè)通道可以表示2^8=256個(gè)灰度。那樣三個(gè)通道進(jìn)行疊加以后可以表3*8=24位種色彩，也就是我們常說(shuō)的24位真彩。

對(duì)這樣的圖片做處理，無(wú)疑是一件很復(fù)雜的事，所以有必要先將彩色圖轉(zhuǎn)為灰度圖，那樣可以減少數(shù)據(jù)量(比如RGB模式，可以減少到原圖片的1/3)，同時(shí)可以去掉一些噪聲信號(hào)。先將圖片轉(zhuǎn)化為灰度圖，然后將這個(gè)灰度圖的對(duì)比度增高，這樣可以使得圖片本來(lái)暗的地方更暗，亮的地方更亮一些。這樣處理以后，圖片就更容易被算法設(shè)別出來(lái)了。

Harr特征級(jí)聯(lián)表

OpenCV在物體檢測(cè)上使用的是haar特征的級(jí)聯(lián)表，這個(gè)級(jí)聯(lián)表中包含的是boost的分類(lèi)器。首先，人們采用樣本的haar特征進(jìn)行分類(lèi)器的訓(xùn)練，從而得到一個(gè)級(jí)聯(lián)的boost分類(lèi)器。訓(xùn)練的方式包含兩方面：

1. 正例樣本，即待檢測(cè)目標(biāo)樣本
2. 反例樣本，其他任意的圖片

首先將這些圖片統(tǒng)一成相同的尺寸，這個(gè)過(guò)程被稱(chēng)為歸一化，然后進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。一旦分類(lèi)器建立完成，就可以用來(lái)檢測(cè)輸入圖片中的感興趣區(qū)域的檢測(cè)了，一般來(lái)說(shuō)，輸入的圖片會(huì)大于樣本，那樣，需要移動(dòng)搜索窗口，為了檢索出不同大小的目標(biāo)，分類(lèi)器可以按比例的改變自己的尺寸，這樣可能要對(duì)輸入圖片進(jìn)行多次的掃描。

什么是級(jí)聯(lián)的分類(lèi)器呢？級(jí)聯(lián)分類(lèi)器是由若干個(gè)簡(jiǎn)單分類(lèi)器級(jí)聯(lián)成的一個(gè)大的分類(lèi)器，被檢測(cè)的窗口依次通過(guò)每一個(gè)分類(lèi)器，可以通過(guò)所有分類(lèi)器的窗口即可判定為目標(biāo)區(qū)域。同時(shí)，為了考慮效率問(wèn)題，可以將最嚴(yán)格的分類(lèi)器放在整個(gè)級(jí)聯(lián)分類(lèi)器的最頂端，那樣可以減少匹配次數(shù)。

基礎(chǔ)分類(lèi)器以haar特征為輸入，以0/1為輸出，0表示未匹配，1表示匹配。

Haar特征

 邊界特征，包含四種
 線(xiàn)性特征，包含8種
 中心圍繞特征，包含兩種

在掃描待檢測(cè)圖片的時(shí)候，以邊界特征中的(a)為例，正如前面提到的那樣，計(jì)算機(jī)中的圖片是一個(gè)數(shù)字組成的矩陣，程序先計(jì)算整個(gè)窗口中的灰度值x，然后計(jì)算矩形框中的黑色灰度值y，然后計(jì)算(x-2y)的值，得到的數(shù)值與x做比較，如果這個(gè)比值在某一個(gè)范圍內(nèi)，則表示待檢測(cè)圖片的當(dāng)前掃描區(qū)域符合邊界特征(a)，然后繼續(xù)掃描。

關(guān)于這個(gè)算法的更詳細(xì)描述已經(jīng)超出了本文的范圍，可以在參考資源中獲得更多的信息。

非固定大小目標(biāo)檢測(cè)

因?yàn)槭腔谝曨l流的目標(biāo)檢測(cè)，我們事先不太可能知道要檢測(cè)的目標(biāo)的大小，這就要求我們的級(jí)聯(lián)表中的分類(lèi)器具有按比例增大(或者縮小)的能力，這樣，當(dāng)小的窗口移動(dòng)完整個(gè)待檢測(cè)圖片沒(méi)有發(fā)現(xiàn)目標(biāo)時(shí)，我們可以調(diào)整分類(lèi)器的大小，然后繼續(xù)檢測(cè)，直到檢測(cè)到目標(biāo)或者窗口與待檢測(cè)圖片的大小相當(dāng)為止。

步驟一：圖片預(yù)處理

在從攝像頭中獲得一個(gè)幀(一張圖片)后，我們需要先對(duì)這張圖片進(jìn)行一些預(yù)處理：
1.將圖片從RGB模式轉(zhuǎn)為灰度圖將灰度圖
2.進(jìn)行灰度圖直方圖均衡化操作

這兩個(gè)步驟在OpenCV中是非常簡(jiǎn)單的：

image_size = cv.cvGetSize(image)#獲取原始圖像尺寸 
 
grayscale = cv.cvCreateImage(image_size, 8, 1)# 建立一個(gè)空的灰度圖 
cv.cvCvtColor(image, grayscale, cv.CV_BGR2GRAY)#轉(zhuǎn)換 
 
storage = cv.cvCreateMemStorage(0)#新建一塊存儲(chǔ)區(qū)，以備后用 
cv.cvClearMemStorage(storage) 
 
cv.cvEqualizeHist(grayscale, grayscale)# 灰度圖直方圖均衡化 

步驟二：檢測(cè)并標(biāo)記目標(biāo)

OpenCV中，對(duì)于人臉檢測(cè)的模型已經(jīng)建立為一個(gè)XML文件，其中包含了上面提到的harr特征的分類(lèi)器的訓(xùn)練結(jié)果，我們可以通過(guò)加載這個(gè)文件而省略掉自己建立級(jí)聯(lián)表的過(guò)程。有了級(jí)聯(lián)表，我們只需要將待檢測(cè)圖片和級(jí)聯(lián)表一同傳遞給OpenCV的目標(biāo)檢測(cè)算法即可得到一個(gè)檢測(cè)到的人臉的集合。

# detect objects 
cascade = cv.cvLoadHaarClassifierCascade('haarcascade_frontalface_alt.xml', 
      cv.cvSize(1,1)) 
faces = cv.cvHaarDetectObjects(grayscale, cascade, storage, 1.2, 2, 
    cv.CV_HAAR_DO_CANNY_PRUNING, 
    cv.cvSize(50, 50))#設(shè)置最小的人臉為50*50像素 
 
if faces: 
 print 'face detected here', cv.cvGetSize(grayscale) 
 for i in faces: 
 cv.cvRectangle(image, cv.cvPoint( int(i.x), int(i.y)), 
   cv.cvPoint(int(i.x + i.width), int(i.y + i.height)), 
   cv.CV_RGB(0, 255, 0), 1, 8, 0)#畫(huà)一個(gè)綠色的矩形框 

步驟三：用highgui畫(huà)出視頻窗口

highgui.cvNamedWindow ('camera', highgui.CV_WINDOW_AUTOSIZE) 
highgui.cvMoveWindow ('camera', 50, 50) 
 
highgui.cvShowImage('camera', detimg) 

可以看到，OpenCV的API相當(dāng)清晰，使用Python的包裝，可以使得代碼非常小。好了，我們可以看看程序的運(yùn)行結(jié)果： 

由于視頻流是動(dòng)態(tài)的，所以我們可以在程序的入口中使用一個(gè)無(wú)限循環(huán)，在循環(huán)中，每次從視頻中讀入一個(gè)幀，將這個(gè)幀傳輸給人臉檢測(cè)模塊，檢測(cè)模塊在這個(gè)幀上進(jìn)行標(biāo)記(如果有人臉的話(huà))，然后返回這個(gè)幀，主程序拿到這個(gè)幀后，更新顯示窗口。

opencv的其他特性

拉普拉斯邊緣檢測(cè)

def laplaceTransform(image): 
 laplace = None 
 colorlaplace = None 
 planes = [None, None, None] 
 
 image_size = cv.cvGetSize(image) 
 if not laplace: 
 for i in range(len(planes)): 
  planes[i] = cv.cvCreateImage(image_size, 8, 1) 
 laplace = cv.cvCreateImage(image_size, cv.IPL_DEPTH_16S, 1) 
 colorlaplace = cv.cvCreateImage(image_size, 8, 3) 
 
 cv.cvSplit(image, planes[0], planes[1], planes[2], None) 
 
 for plane in planes: 
 cv.cvLaplace(plane, laplace, 3) 
 cv.cvConvertScaleAbs(laplace, plane, 1, 0) 
 
 cv.cvMerge(planes[0], planes[1], planes[2], None, colorlaplace) 
 colorlaplace.origin = image.origin 
 
 return colorlaplace 

效果圖：

CVtypes中自帶了一個(gè)關(guān)于圖像色彩空間的直方圖的例子：

結(jié)束語(yǔ)

OpenCV的功能十分強(qiáng)大，而且提供了大量的算法實(shí)現(xiàn)，文中涉及到的內(nèi)容只是計(jì)算機(jī)視覺(jué)中很小的一部分。讀者可以考慮將采集到的人臉進(jìn)行標(biāo)識(shí)，從而實(shí)現(xiàn)特定人的人臉識(shí)別?；蛘呖紤]將人臉檢測(cè)移植到網(wǎng)絡(luò)上，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。試想一下，原來(lái)沒(méi)有生命的機(jī)器，我們可以通過(guò)自己的思想，動(dòng)作來(lái)使得它們看起來(lái)像是有思想一樣，這件事本身就非常的有趣。

以上就是本文的全部?jī)?nèi)容，希望對(duì)大家的學(xué)習(xí)有所幫助，也希望大家多多支持腳本之家。

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