OpenCV人臉識別LBPH演算法源碼分析

人臉識別是指將一個需要識別的人臉和人臉庫中的某個人臉對應起來（類似於指紋識別），目的是完成識別功能，該術語需要和人臉檢測進行區分，人臉檢測是在一張圖片中把人臉定位出來，完成的是搜尋的功能。從OpenCV2.4開始，加入了新的類FaceRecognizer，該類用於人臉識別，使用它可以方便地進行相關識別實驗。

原始的LBP運算元定義為在3*3的窗口內，以窗口中心像素為閾值，將相鄰的8個像素的灰度值與其進行比較，若周圍像素值大於或等於中心像素值，則該像素點的位置被標記為1，否則為0。這樣，3*3鄰域內的8個點經比較可產生8位二進位數（通常轉換為十進位數即LBP碼，共256種），即得到該窗口中心像素點的LBP值，並用這個值來反映該區域的紋理特徵。如下圖所示：

原始的LBP提出後，研究人員不斷對其提出了各種改進和優化。

1.1 圓形LBP運算元

基本的 LBP運算元的最大缺陷在於它只覆蓋了一個固定半徑範圍內的小區域，這顯然不能滿足不同尺寸和頻率紋理的需要。為了適應不同尺度的紋理特徵，Ojala等對LBP運算元進行了改進，將3×3鄰域擴展到任意鄰域，並用圓形鄰域代替了正方形鄰域，改進後的LBP運算元允許在半徑為R的圓形鄰域內有任意多個像素點，從而得到了諸如半徑為R的圓形區域內含有P個採樣點的LBP運算元，OpenCV中正是使用圓形LBP運算元，下圖示意了圓形LBP運算元：

1.2 旋轉不變模式

從LBP的定義可以看出，LBP運算元是灰度不變的，但卻不是旋轉不變的，圖像的旋轉就會得到不同的LBP值。Maenpaa等人又將LBP運算元進行了擴展，提出了具有旋轉不變性的LBP運算元，即不斷旋轉圓形鄰域得到一系列初始定義的LBP值，取其最小值作為該鄰域的LBP值。下圖給出了求取旋轉不變LBP的過程示意圖，圖中運算元下方的數字表示該運算元對應的LBP值，圖中所示的8種LBP模式，經過旋轉不變的處理，最終得到的具有旋轉不變性的LBP值為15。也就是說，圖中的8種LBP模式對應的旋轉不變的LBP碼值都是00001111。

1.3 等價模式

一個LBP運算元可以產生不同的二進位模式，對於半徑為R的圓形區域內含有P個採樣點的LBP運算元將會產生P²種模式。很顯然，隨著鄰域集內採樣點數的增加，二進位模式的種類是急劇增加的。例如：5×5鄰域內20個採樣點，有2²⁰＝1,048,576種二進位模式。如此多的二值模式無論對於紋理的提取還是對於紋理的識別、分類及信息的存取都是不利的。為了解決二進位模式過多的問題，提高統計性，Ojala提出了採用一種「等價模式」（Uniform Pattern）來對LBP運算元的模式種類進行降維。Ojala等認為，在實際圖像中，絕大多數LBP模式最多只包含兩次從1到0或從0到1的跳變。因此，Ojala將「等價模式」定義為：當某個局部二進位模式所對應的循環二進位數從0到1或從1到0最多有兩次跳變時，該局部二進位模式所對應的二進位就成為一個等價模式類。如00000000（0次跳變），00000111（含一次從0到1的跳變和一次1到0的跳變），10001111（先由1跳到0，再由0跳到1，共兩次跳變）都是等價模式類。除等價模式類以外的模式都歸為另一類，稱為混合模式類，例如10010111（共四次跳變）。

通過這樣的改進，二進位模式的種類大大減少，模式數量由原來的2^P種減少為P(P-1)+2+1種，其中P表示鄰域集內的採樣點數，等價模式類包含P(P-1)+2種模式，混合模式類只有1種模式。對於3×3鄰域內8個採樣點來說，二進位模式由原始的256種減少為59種，這使得特徵向量的維數更少，並且可以減少高頻雜訊帶來的影響。

2LBP特徵用於檢測的原理

顯而易見的是，上述提取的LBP運算元在每個像素點都可以得到一個LBP「編碼」，那麼，對一幅圖像（記錄的是每個像素點的灰度值）提取其原始的LBP運算元之後，得到的原始LBP特徵依然是「一幅圖片」（記錄的是每個像素點的LBP值），如圖所示：

如果將以上得到的LBP圖直接用於人臉識別，其實和不提取LBP特徵沒什麼區別，在實際的LBP應用中一般採用LBP特徵譜的統計直方圖作為特徵向量進行分類識別，並且可以將一幅圖片劃分為若干的子區域，對每個子區域內的每個像素點都提取LBP特徵，然後，在每個子區域內建立LBP特徵的統計直方圖。如此一來，每個子區域，就可以用一個統計直方圖來進行描述，整個圖片就由若干個統計直方圖組成，這樣做的好處是在一定範圍內減小圖像沒完全對準而產生的誤差，分區的另外一個意義在於我們可以根據不同的子區域給予不同的權重，比如說我們認為中心部分分區的權重大於邊緣部分分區的權重，意思就是說中心部分在進行圖片匹配識別時的意義更為重大。例如：一幅100*100像素大小的圖片，劃分為10*10=100個子區域（可以通過多種方式來劃分區域），每個子區域的大小為10*10像素；在每個子區域內的每個像素點，提取其LBP特徵，然後，建立統計直方圖；這樣，這幅圖片就有10*10個子區域，也就有了10*10個統計直方圖，利用這10*10個統計直方圖，就可以描述這幅圖片了。之後，我們利用各種相似性度量函數，就可以判斷兩幅圖像之間的相似性了，OpenCV在LBP人臉識別中使用的是如下相似度公式：

以OpenCV2.4.9為例，LBPH類源碼該文件——opencv2.4.9sourcesmodulescontribsrcfacerec.cpp中，如LBPH類創建函數的聲明及實現如下：

CV_EXPORTS_W Ptr<FaceRecognizer> createLBPHFaceRecognizer(int radius=1, int neighbors=8,int grid_x=8, int grid_y=8, double threshold = DBL_MAX);Ptr<FaceRecognizer> createLBPHFaceRecognizer(int radius, int neighbors,int grid_x, int grid_y, double threshold){ return new LBPH(radius, neighbors, grid_x, grid_y, threshold);}

由代碼可見LBPH使用圓形LBP運算元，默認情況下，圓的半徑是1，採樣點P為8，x方向和y方向上的分區個數都為8，即有8*8=64個分區，最後一個參數為相似度閾值，待識別圖像也圖像庫中圖像相似度小於該值時才會產生匹配結果。對於LBPH類我們首先看一下其訓練過程函數train：

void LBPH::train(InputArrayOfArrays _in_src, InputArray _in_labels, bool preserveData) { if(_in_src.kind() != _InputArray::STD_VECTOR_MAT && _in_src.kind() != _InputArray::STD_VECTOR_VECTOR) { string error_message = "The images are expected as InputArray::STD_VECTOR_MAT (a std::vector<Mat>) or _InputArray::STD_VECTOR_VECTOR (a std::vector< vector<...> >)."; CV_Error(CV_StsBadArg, error_message); } if(_in_src.total() == 0) { string error_message = format("Empty training data was given. You"ll need more than one sample to learn a model."); CV_Error(CV_StsUnsupportedFormat, error_message); } else if(_in_labels.getMat().type() != CV_32SC1) { string error_message = format("Labels must be given as integer (CV_32SC1). Expected %d, but was %d.", CV_32SC1, _in_labels.type()); CV_Error(CV_StsUnsupportedFormat, error_message); } // get the vector of matrices vector<Mat> src; _in_src.getMatVector(src); // get the label matrix Mat labels = _in_labels.getMat(); // check if data is well- aligned if(labels.total() != src.size()) { string error_message = format("The number of samples (src) must equal the number of labels (labels). Was len(samples)=%d, len(labels)=%d.", src.size(), _labels.total()); CV_Error(CV_StsBadArg, error_message); } // if this model should be trained without preserving old data, delete old model data if(!preserveData) { _labels.release(); _histograms.clear(); } // append labels to _labels matrix for(size_t labelIdx = 0; labelIdx < labels.total(); labelIdx++) { _labels.push_back(labels.at<int>((int)labelIdx)); } // store the spatial histograms of the original data for(size_t sampleIdx = 0; sampleIdx < src.size(); sampleIdx++) { // calculate lbp image Mat lbp_image = elbp(src[sampleIdx], _radius, _neighbors); // get spatial histogram from this lbp image Mat p = spatial_histogram( lbp_image, /* lbp_image */ static_cast<int>(std::pow(2.0, static_cast<double>(_neighbors))), /* number of possible patterns */ _grid_x, /* grid size x */ _grid_y, /* grid size y */ true); // add to templates _histograms.push_back(p); }}

由代碼可見LBPH使用圓形LBP運算元，默認情況下，圓的半徑是1，採樣點P為8，x方向和y方向上的分區個數都為8，即有8*8=64個分區，最後一個參數為相似度閾值，待識別圖像也圖像庫中圖像相似度小於該值時才會產生匹配結果。對於LBPH類我們首先看一下其訓練過程函數train：

template <typename _Tp> staticinline void elbp_(InputArray _src, OutputArray _dst, int radius, int neighbors) { //get matrices Mat src = _src.getMat(); // allocate memory for result _dst.create(src.rows-2*radius, src.cols-2*radius, CV_32SC1); Mat dst = _dst.getMat(); // zero dst.setTo(0); for(int n=0; n<neighbors; n++) { // sample points float x = static_cast<float>(radius * cos(2.0*CV_PI*n/static_cast<float>(neighbors))); float y = static_cast<float>(-radius * sin(2.0*CV_PI*n/static_cast<float>(neighbors))); // relative indices int fx = static_cast<int>(floor(x)); int fy = static_cast<int>(floor(y)); int cx = static_cast<int>(ceil(x)); int cy = static_cast<int>(ceil(y)); // fractional part float ty = y - fy; float tx = x - fx; // set interpolation weights float w1 = (1 - tx) * (1 - ty); float w2 = tx * (1 - ty); float w3 = (1 - tx) * ty; float w4 = tx * ty; // iterate through your data for(int i=radius; i < src.rows-radius;i++) { for(int j=radius;j < src.cols-radius;j++) { // calculate interpolated value float t = static_cast<float>(w1*src.at<_Tp>(i+fy,j+fx) + w2*src.at<_Tp>(i+fy,j+cx) + w3*src.at<_Tp>(i+cy,j+fx) + w4*src.at<_Tp>(i+cy,j+cx)); // floating point precision, so check some machine-dependent epsilon dst.at<int>(i-radius,j-radius) += ((t > src.at<_Tp>(i,j)) || (std::abs(t-src.at<_Tp>(i,j)) < std::numeric_limits<float>::epsilon())) << n; } } }}static void elbp(InputArray src, OutputArray dst, int radius, int neighbors){ int type = src.type(); switch (type) { case CV_8SC1: elbp_<char>(src,dst, radius, neighbors); break; case CV_8UC1: elbp_<unsigned char>(src, dst, radius, neighbors); break; case CV_16SC1: elbp_<short>(src,dst, radius, neighbors); break; case CV_16UC1: elbp_<unsigned short>(src,dst, radius, neighbors); break; case CV_32SC1: elbp_<int>(src,dst, radius, neighbors); break; case CV_32FC1: elbp_<float>(src,dst, radius, neighbors); break; case CV_64FC1: elbp_<double>(src,dst, radius, neighbors); break; default: string error_msg = format("Using Original Local Binary Patterns for feature extraction only works on single-channel images (given %d). Please pass the image data as a grayscale image!", type); CV_Error(CV_StsNotImplemented, error_msg); break; }}static Mathistc_(const Mat& src, int minVal=0, int maxVal=255, bool normed=false){ Mat result; // Establish the number of bins. int histSize = maxVal-minVal+1; // Set the ranges. float range[] = { static_cast<float>(minVal), static_cast<float>(maxVal+1) }; const float* histRange = { range }; // calc histogram calcHist(&src, 1, 0, Mat(), result, 1, &histSize, &histRange, true, false); // normalize if(normed) { result /= (int)src.total(); } return result.reshape(1,1);}static Mat histc(InputArray _src, int minVal, int maxVal, bool normed){ Mat src = _src.getMat(); switch (src.type()) { case CV_8SC1: return histc_(Mat_<float>(src), minVal, maxVal, normed); break; case CV_8UC1: return histc_(src, minVal, maxVal, normed); break; case CV_16SC1: return histc_(Mat_<float>(src), minVal, maxVal, normed); break; case CV_16UC1: return histc_(src, minVal, maxVal, normed); break; case CV_32SC1: return histc_(Mat_<float>(src), minVal, maxVal, normed); break; case CV_32FC1: return histc_(src, minVal, maxVal, normed); break; default: CV_Error(CV_StsUnmatchedFormats, "This type is not implemented yet."); break; } return Mat();}static Mat spatial_histogram(InputArray _src, int numPatterns, int grid_x, int grid_y, bool /*normed*/){ Mat src = _src.getMat(); // calculate LBP patch size int width = src.cols/grid_x; int height = src.rows/grid_y; // allocate memory for the spatial histogram Mat result = Mat::zeros(grid_x * grid_y, numPatterns, CV_32FC1); // return matrix with zeros if no data was given if(src.empty()) return result.reshape(1,1); // initial result_row int resultRowIdx = 0; // iterate through grid for(int i = 0; i < grid_y; i++) { for(int j = 0; j < grid_x; j++) { Mat src_cell = Mat(src, Range(i*height,(i+1)*height), Range(j*width,(j+1)*width)); Mat cell_hist = histc(src_cell, 0, (numPatterns-1), true); // copy to the result matrix Mat result_row = result.row(resultRowIdx); cell_hist.reshape(1,1).convertTo(result_row, CV_32FC1); // increase row count in result matrix resultRowIdx++; } } // return result as reshaped feature vector return result.reshape(1,1);}//------------------------------------------------------------------------------// wrapper to cv::elbp (extended local binary patterns)//------------------------------------------------------------------------------static Mat elbp(InputArray src, int radius, int neighbors) { Mat dst; elbp(src, dst, radius, neighbors); return dst;}

需要注意的是在求圖像中每個位置的8個採樣點的值時，是使用的採樣點四個角上相應位置的加權平均值才作為採樣點的值（見上面函數elbp_中12~35行處代碼），這樣做能降低噪音點對LBP值的影響。而spatial_histogram函數把最後的分區直方圖結果reshape成一行，這樣做能方便識別時的相似度計算。識別函數有predict函數實現，源代碼如下：

void LBPH::predict(InputArray _src, int &minClass, double &minDist) const { if(_histograms.empty()) { // throw error if no data (or simply return -1?) string error_message = "This LBPH model is not computed yet. Did you call the train method?"; CV_Error(CV_StsBadArg, error_message); } Mat src = _src.getMat(); // get the spatial histogram from input image Mat lbp_image = elbp(src, _radius, _neighbors); Mat query = spatial_histogram( lbp_image, /* lbp_image */ static_cast<int>(std::pow(2.0, static_cast<double>(_neighbors))), /* number of possible patterns */ _grid_x, /* grid size x */ _grid_y, /* grid size y */ true /* normed histograms */); // find 1-nearest neighbor minDist = DBL_MAX; minClass = -1; for(size_t sampleIdx = 0; sampleIdx < _histograms.size(); sampleIdx++) { double dist = compareHist(_histograms[sampleIdx], query, CV_COMP_CHISQR); if((dist < minDist) && (dist < _threshold)) { minDist = dist; minClass = _labels.at<int>((int) sampleIdx); } }}

函數中7~15行是計算帶預測圖片_src的分區直方圖query，19~25行的for循環分別比較query和人臉庫直方圖數組_histograms中每一個直方圖的相似度（比較方法正是CV_COMP_CHISQR），並把相似度最小的作為最終結果，該部分也可以看成創建LBPH類時threshold的作用，即相似度都不小於threshold閾值則識別失敗。

最後給出LBP人臉識別的示例代碼，代碼中使用的人臉庫是AT&T人臉庫（又稱ORL人臉資料庫），庫中有40個人，每人10張照片，共400張人臉照片。示例代碼如下：

#include "opencv2/core/core.hpp"#include "opencv2/highgui/highgui.hpp"#include "opencv2/contrib/contrib.hpp"#define CV_VERSION_ID CVAUX_STR(CV_MAJOR_VERSION) CVAUX_STR(CV_MINOR_VERSION) CVAUX_STR(CV_SUBMINOR_VERSION)#ifdef _DEBUG#define cvLIB(name) "opencv_" name CV_VERSION_ID "d"#else#define cvLIB(name) "opencv_" name CV_VERSION_ID#endif#pragma comment( lib, cvLIB("core") )#pragma comment( lib, cvLIB("imgproc") )#pragma comment( lib, cvLIB("highgui") )#pragma comment( lib, cvLIB("flann") )#pragma comment( lib, cvLIB("features2d") )#pragma comment( lib, cvLIB("calib3d") )#pragma comment( lib, cvLIB("gpu") )#pragma comment( lib, cvLIB("legacy") )#pragma comment( lib, cvLIB("ml") )#pragma comment( lib, cvLIB("objdetect") )#pragma comment( lib, cvLIB("ts") )#pragma comment( lib, cvLIB("video") )#pragma comment( lib, cvLIB("contrib") )#pragma comment( lib, cvLIB("nonfree") )#include <iostream>#include <fstream>#include <sstream>using namespace cv;using namespace std;static void read_csv(const string& filename, vector<Mat>& images, vector<int>& labels, char separator =";") { std::ifstream file(filename.c_str(), ifstream::in); if (!file) { string error_message ="No valid input file was given, please check the given filename."; CV_Error(CV_StsBadArg, error_message); } string line, path, classlabel; while (getline(file, line)) { stringstream liness(line); getline(liness, path, separator); getline(liness, classlabel); if(!path.empty()&&!classlabel.empty()) { images.push_back(imread(path, 0)); labels.push_back(atoi(classlabel.c_str())); } }}int main(int argc, const char *argv[]) { if (argc !=2) { cout <<"usage: "<< argv[0]<<" <csv.ext>"<< endl; exit(1); } string fn_csv = string(argv[1]); vector<Mat> images; vector<int> labels; try { read_csv(fn_csv, images, labels); } catch (cv::Exception& e) { cerr <<"Error opening file "<< fn_csv <<". Reason: "<< e.msg << endl; // nothing more we can do exit(1); } if(images.size()<=1) { string error_message ="This demo needs at least 2 images to work. Please add more images to your data set!"; CV_Error(CV_StsError, error_message); } int height = images[0].rows; Mat testSample = images[images.size() -1]; int testLabel = labels[labels.size() -1]; images.pop_back(); labels.pop_back(); // TLBPHFaceRecognizer 使用了擴展的LBP // 在其他的運算元中他可能很容易被擴展 // 下面是默認參數 // radius = 1 // neighbors = 8 // grid_x = 8 // grid_y = 8 // // 如果你要創建 LBPH FaceRecognizer 半徑是2，16個鄰域 // cv::createLBPHFaceRecognizer(2, 16); // // 如果你需要一個閾值，並且使用默認參數: // cv::createLBPHFaceRecognizer(1,8,8,8,123.0) // Ptr<FaceRecognizer> model = createLBPHFaceRecognizer(); model->train(images, labels); int predictedLabel = model->predict(testSample); // int predictedLabel = -1; // double confidence = 0.0; // model->predict(testSample, predictedLabel, confidence); // string result_message = format("Predicted class = %d / Actual class = %d.", predictedLabel, testLabel); cout << result_message << endl; // 有時你需要設置或者獲取內部數據模型, // 他不能被暴露在 cv::FaceRecognizer類中. // // 首先我們對FaceRecognizer的閾值設置到0.0，而不是重寫訓練模型 // 當你重新估計模型時很重要 // model->set("threshold",0.0); predictedLabel = model->predict(testSample); cout <<"Predicted class = "<< predictedLabel << endl; // 由於確保高效率，LBP圖沒有被存儲在模型裡面。 cout <<"Model Information:"<< endl; string model_info = format("tLBPH(radius=%i, neighbors=%i, grid_x=%i, grid_y=%i, threshold=%.2f)", model->getInt("radius"), model->getInt("neighbors"), model->getInt("grid_x"), model->getInt("grid_y"), model->getDouble("threshold")); cout << model_info << endl; // 我們可以獲取樣本的直方圖: vector<Mat> histograms = model->getMatVector("histograms"); // 我需要現實它嗎? 或許它的長度才是我們感興趣的: cout <<"Size of the histograms: "<< histograms[0].total()<< endl; return 0;}

程序中用一個CSV文件指明人臉資料庫文件及標籤，即CSV文件中每一行包含一個文件名路徑之後是其標籤值，中間以分號為分隔符，可以手工創建該CSV文件，當然也可以用一個簡單的Python程序來幫你實現該文件，我的python腳本程序如下：

import sysimport osdef read_images(path, sz=None): c = 0 X,y = [], [] fp = open(os.path.join(path,"test.txt"),"w") for dirname, dirnames, filenames in os.walk(path): #print dirname #print dirnames #print filenames for subdirname in dirnames: subject_path = os.path.join(dirname, subdirname) for filename in os.listdir(subject_path): str = "%s;%d
"%(os.path.join(subject_path, filename), c) print str fp.write(str) c += 1 fp.close()if __name__ == "__main__": read_images("F:\mywork\facerec_demo\att_faces")

程序中22行需改成你自己的人臉庫路徑。

示常式序的運行結果如下所示：

結果第二行反應了當設置閾值為0.0時（model->set("threshold",0.0)），則不會有識別結果產生。

示常式序（包含人臉庫）下載地址：http://download.csdn.net/detail/weiwei22844/9557242

本博客參考了如下博文，一併致謝！

http://blog.csdn.net/xidianzhimeng/article/details/19634573

怎样使用OpenCV进行人脸识别