文章目錄

• 2. 特征設(shè)計(jì)與提取過程q
• 2.1 局部特征--SIFT
• 2.2局部特征HOG
• 3. 特征匯聚或變換h
• • 3.1BoVW視覺詞袋模型
  • 3.2PCA
• 4.以人臉識(shí)別為例
• • 4.1 主動(dòng)統(tǒng)計(jì)模型
  • • 4.1.1ASM(active shape model)
    • 4.1.2 AAM主動(dòng)表觀模型
  • 4.2人臉特征提取和比對(duì)
  • • 特征臉
    • Fisherfaces方法--本質(zhì)（Fisher線性判別分析）=PCA+FLD
    • 貝葉斯人臉識(shí)別
    • LBP

• 計(jì)算機(jī)視覺的基本任務(wù)
  • 距離估計(jì)
    • 距離估計(jì)是指計(jì)算輸入圖像中的每個(gè)點(diǎn)距離攝像機(jī)的物理距離，該功能對(duì)于導(dǎo)盲系統(tǒng)顯然是至關(guān)重要的
  • 目標(biāo)檢測(cè)、跟蹤、定位
    • ? 在圖像視頻中發(fā)現(xiàn)感興趣的目標(biāo)，并給出其位置和區(qū)域。對(duì)導(dǎo)盲系統(tǒng)來說，各類車輛、行人、紅綠燈、交通標(biāo)示等都是需關(guān)注的目標(biāo)
  • 前景分割和物體分割
    • 將圖像視頻中前景物體所占據(jù)的區(qū)域或輪廓勾勒出來。為了導(dǎo)盲之目的，將視野中的車輛和斑馬線區(qū)域勾勒出來顯然是必要的，當(dāng)然，盲道的分割以及可行走區(qū)域的分割更加重要
  • 目標(biāo)分類和識(shí)別
    • 為圖像視頻中出現(xiàn)的目標(biāo)分配其所屬類別的標(biāo)簽。這里類別的概念是非常豐富的，例如畫面中人的男女、老少、種族等，視野內(nèi)車輛的款式乃至型號(hào)，甚至是對(duì)面走來的人是誰（認(rèn)識(shí)與否）等等
  • 場(chǎng)景分類與識(shí)別
    • 根據(jù)圖像視頻內(nèi)容對(duì)拍攝環(huán)境進(jìn)行分類，如室內(nèi)、室外、山景、海景、街景等等
  • 場(chǎng)景文字檢測(cè)與識(shí)別
    • 特別是在城市環(huán)境中，場(chǎng)景中的各種文字對(duì)導(dǎo)盲顯然是非常重要的，例如道路名、綠燈倒計(jì)時(shí)秒數(shù)、商店名稱等等
  • 事件監(jiān)測(cè)與識(shí)別
    • ? 對(duì)視頻中的人、物和場(chǎng)景等進(jìn)行分析，識(shí)別人的行為或正在發(fā)生的事件（特別是異常事件）
• 定義
  • 解讀wh3個(gè)0~255之間的數(shù)字中蘊(yùn)藏的、人類可理解的內(nèi)容（邊界，區(qū)域，物體，事件，意義）
• 數(shù)學(xué)建模
  • 多數(shù)計(jì)算機(jī)視覺問題可以建模為廣義的函數(shù)擬合問題
    • 學(xué)習(xí)一個(gè)以$\theta$為參數(shù)的函數(shù)F，使得$y=F_{\theta }(x)$
    • 其中y大致有兩大類：
      • ? 類別標(biāo)簽：有限種類的離散型變量
      • ? 續(xù)變量或向量或矩陣：連續(xù)的變量或向量

• 方法
• 圖像預(yù)處理過程p
• 用于實(shí)現(xiàn)目標(biāo)對(duì)齊、幾何歸一化、亮度或顏色矯正、圖像復(fù)原(如去模糊)、圖像增強(qiáng)等處理，從而提高數(shù)據(jù)的一致性，該過程一般是人為設(shè)定的。
• 特征設(shè)計(jì)與提取過程
• 其功能是從預(yù)處理后的圖像中提取描述圖像內(nèi)容的特征，這些特征可能反應(yīng)圖像的低層（如邊緣）、中層（如部件）或高層（如場(chǎng)景）特性，一般也是依據(jù)專家知識(shí)人工設(shè)計(jì)的
• 該步驟一般并不需要訓(xùn)練數(shù)據(jù)進(jìn)行學(xué)習(xí)
• 特征匯聚或變換t
• 其功能是對(duì)前步提取的局部特征（一般是向量）z,進(jìn)行統(tǒng)計(jì)匯聚或降維處理，從而得到維度更低、更利于后續(xù)分類或回歸過程的特征z′。
• 該過程一般通過專家設(shè)計(jì)的統(tǒng)計(jì)建模方法實(shí)現(xiàn)，通常需要訓(xùn)練數(shù)據(jù)進(jìn)行學(xué)習(xí)（與下一個(gè)步驟類似）
• 分類器或回歸器函數(shù)h的設(shè)計(jì)與訓(xùn)練
  $$y=F_{\theta }(x)=h(t(q(p(x))))$$
• 缺點(diǎn)——淺層視覺模型
  • 帶有強(qiáng)烈的“人工設(shè)計(jì)”色彩：不僅
    • 依賴于專家知識(shí)進(jìn)行步驟的劃分，
    • 更依賴專家知識(shí)選擇和設(shè)計(jì)各步驟的函數(shù)

2. 特征設(shè)計(jì)與提取過程q

• 設(shè)計(jì)某種流程來提取專家覺得“好”的特征
• 分類
  • 局部特征
    • 提取局部細(xì)節(jié)，主要建模邊緣、梯度、紋理基元等
    • 手段：濾波器+統(tǒng)計(jì)（直方圖）
    • 典型的局部特征：SIFT, HOG, LBP, Gabor, SURF, DAISY, BRIEF, ORB, BRISK
  • 全局特征
    • 顏色直方圖（統(tǒng)計(jì)各個(gè)顏色出現(xiàn)的頻度
    • GIST（對(duì)圖像場(chǎng)景的整體空間形狀屬性建模

2.1 局部特征–SIFT

• 尺度不變特征變換，
  • SIFT: Scale-Invariant Feature Transform
    • ? 由David Lowe于1999年提出，其發(fā)表的ICCV1999和IJCV2004兩篇文章被谷歌引用超過65000次
• ? 概況
  • 自動(dòng)發(fā)現(xiàn)一定數(shù)量的關(guān)鍵興趣點(diǎn)
    • ? 特征點(diǎn)數(shù)是不確定的，與圖像內(nèi)容有關(guān)
  • 自適應(yīng)確定合適的局部鄰域范圍
  • • ? 與特征點(diǎn)尺度有關(guān)
  • 提取方向直方圖作為描述特征
    • ? 特征維度通常固定為128維
    • ? 對(duì)尺度和旋轉(zhuǎn)等變化具有良好不變性
• 計(jì)算步驟
• 尺度空間上的極值檢測(cè)
  • 目標(biāo)：識(shí)別潛在的、對(duì)尺度和旋轉(zhuǎn)不變的候選興趣點(diǎn)
  • 做法：使用高斯差分（DoG）金字塔近似LoG算子，形成尺度空間用以計(jì)算極值點(diǎn)
    • 不僅要考慮圖像域中空間域上的極值，也要考慮尺度域中相鄰尺度上的極值點(diǎn)
    • 即：極值點(diǎn)是DoG尺度空間的本層及上下層的若干鄰域點(diǎn)中的最大/小值
• 關(guān)鍵點(diǎn)篩選和精確定位
  • why?上述極值點(diǎn)都未必是穩(wěn)定可靠的特征點(diǎn)，并且為之也未必精確
    • 篩選：去除部分對(duì)比度低的關(guān)鍵點(diǎn)，以及去除那些響應(yīng)大但不穩(wěn)定的邊緣點(diǎn)
    • 精確定位：采用函數(shù)擬合法，通過求解擬合曲線的極值點(diǎn)來得到位置和尺度
• 確定特征點(diǎn)主方向
  • ? 為實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)不變性，需確定每個(gè)特征點(diǎn)的主方向
    • 所謂主方向，是指該特征點(diǎn)鄰域像素梯度方向的統(tǒng)計(jì)顯著方向
  • ? 通過統(tǒng)計(jì)一定鄰域范圍內(nèi)像素的梯度方向直方圖得到（參見上圖）
  • ? 為準(zhǔn)確計(jì)算主方向，可以10度為間隔構(gòu)建直方圖
    • 注：清晰起見，上圖示例的只是8個(gè)方向，即以45度為間隔
• ? 確定描述子采樣鄰域的范圍(由步驟2所得尺度決定)以獲得尺度不變性

  • ? 用步驟3的主方向?qū)υ搮^(qū)域進(jìn)行旋轉(zhuǎn)以對(duì)齊到主方向，獲得旋轉(zhuǎn)不變性

  • ? 將旋轉(zhuǎn)后區(qū)域劃分為d×d個(gè)子區(qū)域（d通常取為4），在每個(gè)子區(qū)域內(nèi)計(jì)算O個(gè)方向的梯度直方圖

    • 與求主方向不同，這里通常取O為8，即每個(gè)方向區(qū)間為45°
    • 故最終每個(gè)特征點(diǎn)的SIFT特征維度為4x4x8=128

    
    
    SIFT講解視頻

2.2局部特征HOG

• 方向梯度直方圖
• 動(dòng)機(jī)：SIFT僅在稀疏關(guān)鍵點(diǎn)鄰域內(nèi)統(tǒng)計(jì)梯度特征（找關(guān)鍵點(diǎn)費(fèi)勁
• 特點(diǎn)
  • 也是統(tǒng)計(jì)局部梯度直方圖，但沒有關(guān)鍵點(diǎn)的概念
  • 按不長(zhǎng)滑動(dòng)窗口直接在圖像上均勻采樣，局部區(qū)域統(tǒng)計(jì)方向，梯度直方圖
  • 開啟了稠密特征描述子的先河
    
• 計(jì)算步驟
• 梯度計(jì)算
  • 將每個(gè)像素點(diǎn)作為中心點(diǎn)位置，計(jì)算其梯度強(qiáng)度和方向
  • 可以通過水平和豎直方向的濾波器核（[-1, 0, +1]和[-1, 0, +1]T）實(shí)現(xiàn)
• 將圖像分塊（Block）
  • 設(shè)定圖像塊大小，例如BxB個(gè)像素，然后在圖像上以一定的步長(zhǎng)S滑動(dòng)，滑動(dòng)到每個(gè)位置得到一個(gè)BxB大小的圖像塊
  • S一般小于B，所以圖像塊之間是有重疊的
• 分塊細(xì)分為Cell
  • 將每個(gè)分塊（BxB)均勻細(xì)分為若干個(gè)更小的分塊，每個(gè)分塊稱為cell
  • 假設(shè)每個(gè)cell大小為NxN像素, 則每個(gè)Block被劃分為(B/N)x(B/N)個(gè)Cell
• Cell內(nèi)統(tǒng)計(jì)梯度強(qiáng)度加權(quán)的方向直方圖
  • 以cell為基本統(tǒng)計(jì)單元計(jì)算方向直方圖，即
  • 將cell中每個(gè)像素的梯度方向按照梯度強(qiáng)度加權(quán)的方式，映射到預(yù)設(shè)的M個(gè)方向桶(bin)中，從而形成cell的方向梯度直方圖H_c
• 拼接Block內(nèi)所有Cell直方圖并歸一化
  • 每個(gè)Block 內(nèi)部所有cell的H_c直接拼接得到H_b
  • 然后用L1-norm或L2-Norm對(duì)其進(jìn)行歸一化處理，即得到該block的方向梯度直方圖
• 全圖HOG特征計(jì)算
  • 將圖像中所有Block的特征串接起來, 即得到最終的圖像HOG特征

3. 特征匯聚或變換h

• 原因
  `有效性（未充分考慮隨后的任務(wù)和目標(biāo)
• 方法
  • 特征匯聚
    • 視覺詞袋模型（BoVW),Fisher向量(FV),和局部聚合向量（VLAD)
  • 特征變換方法
    • PCA,線性判別分析、流形學(xué)習(xí)

3.1BoVW視覺詞袋模型

• 圖-文檔；局部特征-詞
• 計(jì)算過程
• ? 1. 圖像特征提取
  • 理論上，用于BoVW方法的圖像特征可以是任意特征
  • ? 既可以前述的稀疏關(guān)鍵點(diǎn)SIFT特征，也可以是稠密采樣的HOG特征
  • ? 實(shí)踐中，128維的稀疏關(guān)鍵點(diǎn)SIFT特征是應(yīng)用最廣泛的
• ? 2. 視覺詞典構(gòu)建
  • 用于文本處理的BoW基本單元是單詞（word）
    • ? 單詞是確定的，很容易統(tǒng)計(jì)詞頻
  • 面向計(jì)算機(jī)視覺的單詞應(yīng)該是什么？
    • ? 視覺局部特征幾乎不可能完全相同，需要首先構(gòu)建視覺單詞，形成視覺詞典（Visual Vocabulary），以便像BOW中一樣通過統(tǒng)計(jì)詞頻形成詞袋
    • ? 視覺單詞可以理解為一些經(jīng)常出現(xiàn)的視覺特征，需要從一個(gè)訓(xùn)練集中學(xué)習(xí)而來
    • 假設(shè)訓(xùn)練集中有M幅圖像，對(duì)第i幅圖像提取SIFT特征，設(shè)得到Ni個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)及其每個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)的128維SIFT描述子
    • 將所有訓(xùn)練圖像中的$N={\Sigma }_{i=1}^M{N}_i$個(gè)SIFT特征進(jìn)行聚類
      • 例如用K-Means，高斯混合模型等，得到K個(gè)聚類中心
      • 每個(gè)聚類中心是一個(gè)128維的向量Wk，即所謂視覺單詞
    • 所有K個(gè)視覺單詞的集合即形成視覺詞典$D=\{W_k:k=1,...,K\}$

圖像的視覺詞袋表示

• 給定任意圖像
• 計(jì)算其SIFT特征，得到l個(gè)128位的SIFT的描述子{xj}
• 將這些特征分別映射到視覺詞典中的某個(gè)視覺單詞 {Wj}
• 統(tǒng)計(jì)每個(gè)視覺單詞出現(xiàn)的頻次，可以得到一個(gè)K維的直方圖向量H

• 優(yōu)點(diǎn)
  • 從L*128的不定長(zhǎng)表示->K維定長(zhǎng)表示
  • 便于度量不同圖像間的距離，有利于后續(xù)圖像檢測(cè)分類等任務(wù)
• 應(yīng)用
  • 以圖搜圖SIFT+BoVW+Hashing(二值化)用于圖像檢索任務(wù)
  • 圖像分類 SIFT+BoVW+SVM用于圖像分類任務(wù)

3.2PCA

• 目標(biāo)
  
• 降維
  • 理論：特征值的大小對(duì)應(yīng)于特征向量所描述的方向上方差的大小==》所以從w中去掉那些對(duì)應(yīng)較小特征值的特征向量，因?yàn)樵谛畔G失最小的情況下降維
  • 誤差：x與重構(gòu)的x’的誤差為：${\Sigma }_{j=1}^n{\lambda }_j?{\Sigma }_{j=1}^d{\lambda }_j={\Sigma }_{j=1+d}^n{\lambda }_j$
• 小結(jié)：
  • ? 一種多元統(tǒng)計(jì)分析方法
  • ? 變換后各維數(shù)據(jù)之間的相關(guān)性最小
  • ? 最小均方誤差意義下的最佳變換
  • ? 限定有效的參數(shù)空間范圍（在訓(xùn)練集合對(duì)象變化論域下）

4.以人臉識(shí)別為例

• 面部特征點(diǎn)定位方法
  • 可變形模版的方法（下巴檢測(cè)、眼睛嘴唇檢測(cè)）

4.1 主動(dòng)統(tǒng)計(jì)模型

4.1.1ASM(active shape model)

• 人臉形狀表示（n個(gè)特征點(diǎn)形成的向量s
• 統(tǒng)計(jì)形狀模型
• 人工->S={s1,s2,…,sm}
• pca:$b_s=W_s^{\prime }(s?\bar{s})?$
• 重構(gòu)$s=\overline{(}s)+W_s{b}_s???改變bs，得到不同的人臉形狀(方向）$
  
• ? 目標(biāo)：求取最優(yōu)的人臉形狀(特征點(diǎn)位置)
  • 求取最優(yōu)的bs參數(shù)，使得用bs重建的形狀最佳的匹配輸入圖像中人臉的形狀
• ? 思路
  • 首先進(jìn)行不夠可靠的局部特征點(diǎn)紋理匹配
  • 然后通過全局形狀統(tǒng)計(jì)約束來對(duì)其進(jìn)行規(guī)范化
• ? 方法(迭代優(yōu)化
  • 局部紋理模型：每個(gè)特征點(diǎn)自己找自己該去哪里
    • ? 對(duì)每個(gè)特征點(diǎn)，在其法線鄰域內(nèi)搜索最佳匹配局部紋理模型的點(diǎn)
    • ? 局部紋理模型
      • 法線方向的紋理梯度，稱為Profile
      • 每個(gè)特征點(diǎn)的Profile模型都要在訓(xùn)練階段統(tǒng)計(jì)而來
    • ? 匹配方法
      • 在法線上逐點(diǎn)計(jì)算（馬氏）距離
      • 選擇距離最小的候選點(diǎn)作為匹配點(diǎn)
  • 全局統(tǒng)計(jì)形狀模型(PCA)約束：糾正不靠譜的(瞎跑的)特征點(diǎn)
• 缺點(diǎn)
  • 實(shí)質(zhì)上目標(biāo)函數(shù)缺失
  • 容易形成震蕩
    
    

4.1.2 AAM主動(dòng)表觀模型

4.2人臉特征提取和比對(duì)

• 人臉存儲(chǔ)
  • 幾何參數(shù)
  • 亮度向量
  • 特征臉
    • 本質(zhì)PCA or KLT（用于人臉提取特征問題）
    • Wi-像臉？Wi是協(xié)方差矩陣的特征向量
  • Fisherfaces方法–本質(zhì)（Fisher線性判別分析）=PCA+FLD
    • 尋找一種投影變換Y=WX
    • 同一人更緊致，不同人更離散
    • 類內(nèi)離散度Sw
    • 類間離散度Sb
    • $$\begin{gathered} S_w^{?1}{S}_{b}W=W\Lambda \\ 目標(biāo)函數(shù)：W_{fld}=argma{x}_W\frac{|W^T{S}_{B}W|}{|W^T{S}_{W}W|} \end{gathered}$$
    • 如果Sw是奇異的：正則化，Null-space
    • FLD假設(shè)：所有類別具有相同的協(xié)方差分布（實(shí)際不是這樣的
    • FLD的特征唯獨(dú)：最大為C-1(C類）
  • 貝葉斯人臉識(shí)別
    • ? 類內(nèi)差（${\Omega }_I$）類
      • 相同個(gè)體的多幅圖象之間的差別，即包含了表情、不同光照條件、不同姿態(tài)等差別
    • ? 類間差（${\Omega }_E$ ）類
      • 不同人的人臉圖象之間的差別，包含了身份變化的信息
    • 相似度建模為$\Delta =I_1?I_2$屬于類內(nèi)差別的概率$$\begin{gathered} S(I_1,I_2)=P(\Delta \in {\Omega }_I)=P({\Omega }_I|\Delta ) \\ =\frac{P(\Delta |{\Omega }_I)P({\Omega }_I)}{P(\Delta |{\Omega }_I)P({\Omega }_I)+P(\Delta |{\Omega }_E)P({\Omega }_E)} \\ 若為正態(tài)分布：P(\Delta |{\Omega }_I)=N(\Delta ,{\Sigma }_I) \\ P(\Delta |{\Omega }_E)=N(\Delta ,{\Sigma }_E) \end{gathered}$$
  • Tom-vs-pete:像誰就是誰
  • LBP:local binary patterns（圖像=語言）
  • Gabor+FLDA

特征臉

Fisherfaces方法–本質(zhì)（Fisher線性判別分析）=PCA+FLD

貝葉斯人臉識(shí)別

LBP

• 建模圖像中的微模式類型
  • 與中心點(diǎn)像素亮度上的大小關(guān)系
  • 一種建模鄰域像素與中心像素亮度序關(guān)系的局部特征
    • 3x3像素鄰域，中心像素和8-鄰域像素亮度大小關(guān)系
    • ? 比中心像素更亮則賦1，否則賦0，這樣會(huì)有256種不同的模式
  • 微模式類型可以類比語言中的word（單詞）
  • ? 視覺單詞的詞頻統(tǒng)計(jì)作為不同人臉的特征表示

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的国科大prml15-基于浅层模型的计算机视觉--以人脸识别为例的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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