1 背景及理論基礎
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算子定義為在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位二進制數（通常轉換為十進制數即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征。如下圖所示：
原始的LBP提出后，研究人員不斷對其提出了各種改進和優化。
1.1 圓形LBP算子
基本的 LBP算子的最大缺陷在於它只覆蓋了一個固定半徑范圍內的小區域，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征，Ojala等對LBP算子進行了改進，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，改進后的LBP算子允許在半徑為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個采樣點的LBP算子，OpenCV中正是使用圓形LBP算子，下圖示意了圓形LBP算子：
1.2 旋轉不變模式
從LBP的定義可以看出，LBP算子是灰度不變的，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算子進行了擴展，提出了具有旋轉不變性的LBP算子，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，圖中算子下方的數字表示該算子對應的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算子可以產生不同的二進制模式，對於半徑為R的圓形區域內含有P個采樣點的LBP算子將會產生P2種模式。很顯然，隨着鄰域集內采樣點數的增加，二進制模式的種類是急劇增加的。例如：5×5鄰域內20個采樣點，有220＝1,048,576種二進制模式。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。為了解決二進制模式過多的問題，提高統計性，Ojala提出了采用一種“等價模式”（Uniform Pattern）來對LBP算子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：當某個局部二進制模式所對應的循環二進制數從0到1或從1到0最多有兩次跳變時，該局部二進制模式所對應的二進制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，二進制模式的種類大大減少，模式數量由原來的2P種減少為P(P-1)+2+1種，其中P表示鄰域集內的采樣點數，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個采樣點來說，二進制模式由原始的256種減少為59種，這使得特征向量的維數更少，並且可以減少高頻噪聲帶來的影響。
2 LBP特征用於檢測的原理
顯而易見的是，上述提取的LBP算子在每個像素點都可以得到一個LBP“編碼”，那么，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算子之后，得到的原始LBP特征依然是“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特征沒什么區別，在實際的LBP應用中一般采用LBP特征譜的統計直方圖作為特征向量進行分類識別，並且可以將一幅圖片划分為若干的子區域，對每個子區域內的每個像素點都提取LBP特征，然后，在每個子區域內建立LBP特征的統計直方圖。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范圍內減小圖像沒完全對准而產生的誤差，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，划分為10*10=100個子區域（可以通過多種方式來划分區域），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特征，然后，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。之后，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：
3 LBPH人臉識別關鍵部分源碼
以OpenCV2.4.9為例，LBPH類源碼該文件——opencv2.4.9\sources\modules\contrib\src\facerec.cpp中，如LBPH類創建函數的聲明及實現如下：
1 CV_EXPORTS_W Ptr<FaceRecognizer> createLBPHFaceRecognizer(int radius=1, int neighbors=8, 2 int grid_x=8, int grid_y=8, double threshold = DBL_MAX); 3 4 Ptr<FaceRecognizer> createLBPHFaceRecognizer(int radius, int neighbors, 5 int grid_x, int grid_y, double threshold) 6 { 7 return new LBPH(radius, neighbors, grid_x, grid_y, threshold); 8 }
由代碼可見LBPH使用圓形LBP算子，默認情況下，圓的半徑是1，采樣點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，最后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：
1 void LBPH::train(InputArrayOfArrays _in_src, InputArray _in_labels, bool preserveData) { 2 if(_in_src.kind() != _InputArray::STD_VECTOR_MAT && _in_src.kind() != _InputArray::STD_VECTOR_VECTOR) { 3 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<...> >)."; 4 CV_Error(CV_StsBadArg, error_message); 5 } 6 if(_in_src.total() == 0) { 7 string error_message = format("Empty training data was given. You'll need more than one sample to learn a model."); 8 CV_Error(CV_StsUnsupportedFormat, error_message); 9 } else if(_in_labels.getMat().type() != CV_32SC1) { 10 string error_message = format("Labels must be given as integer (CV_32SC1). Expected %d, but was %d.", CV_32SC1, _in_labels.type()); 11 CV_Error(CV_StsUnsupportedFormat, error_message); 12 } 13 // get the vector of matrices 14 vector<Mat> src; 15 _in_src.getMatVector(src); 16 // get the label matrix 17 Mat labels = _in_labels.getMat(); 18 // check if data is well- aligned 19 if(labels.total() != src.size()) { 20 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()); 21 CV_Error(CV_StsBadArg, error_message); 22 } 23 // if this model should be trained without preserving old data, delete old model data 24 if(!preserveData) { 25 _labels.release(); 26 _histograms.clear(); 27 } 28 // append labels to _labels matrix 29 for(size_t labelIdx = 0; labelIdx < labels.total(); labelIdx++) { 30 _labels.push_back(labels.at<int>((int)labelIdx)); 31 } 32 // store the spatial histograms of the original data 33 for(size_t sampleIdx = 0; sampleIdx < src.size(); sampleIdx++) { 34 // calculate lbp image 35 Mat lbp_image = elbp(src[sampleIdx], _radius, _neighbors); 36 // get spatial histogram from this lbp image 37 Mat p = spatial_histogram( 38 lbp_image, /* lbp_image */ 39 static_cast<int>(std::pow(2.0, static_cast<double>(_neighbors))), /* number of possible patterns */ 40 _grid_x, /* grid size x */ 41 _grid_y, /* grid size y */ 42 true); 43 // add to templates 44 _histograms.push_back(p); 45 } 46 }
參數_in_src為訓練的人臉圖像組數據（人臉庫），_in_labels是對應的標簽數組，這兩個數組長度應保持一致，_in_src中兩個人臉圖像對應下標處的標簽值如果相同則說明兩個人臉是同一個人的人臉。函數最后的for循環實現訓練的核心功能，elbp計算人臉庫每一個人臉的lbp圖像，spatial_histogram求每一個人臉lbp圖像的分區直方圖，_histograms保存相應的分區直方圖，以上兩個函數的實現如下：
1 template <typename _Tp> static 2 inline void elbp_(InputArray _src, OutputArray _dst, int radius, int neighbors) { 3 //get matrices 4 Mat src = _src.getMat(); 5 // allocate memory for result 6 _dst.create(src.rows-2*radius, src.cols-2*radius, CV_32SC1); 7 Mat dst = _dst.getMat(); 8 // zero 9 dst.setTo(0); 10 for(int n=0; n<neighbors; n++) { 11 // sample points 12 float x = static_cast<float>(radius * cos(2.0*CV_PI*n/static_cast<float>(neighbors))); 13 float y = static_cast<float>(-radius * sin(2.0*CV_PI*n/static_cast<float>(neighbors))); 14 // relative indices 15 int fx = static_cast<int>(floor(x)); 16 int fy = static_cast<int>(floor(y)); 17 int cx = static_cast<int>(ceil(x)); 18 int cy = static_cast<int>(ceil(y)); 19 // fractional part 20 float ty = y - fy; 21 float tx = x - fx; 22 // set interpolation weights 23 float w1 = (1 - tx) * (1 - ty); 24 float w2 = tx * (1 - ty); 25 float w3 = (1 - tx) * ty; 26 float w4 = tx * ty; 27 // iterate through your data 28 for(int i=radius; i < src.rows-radius;i++) { 29 for(int j=radius;j < src.cols-radius;j++) { 30 // calculate interpolated value 31 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)); 32 // floating point precision, so check some machine-dependent epsilon 33 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; 34 } 35 } 36 } 37 } 38 39 static void elbp(InputArray src, OutputArray dst, int radius, int neighbors) 40 { 41 int type = src.type(); 42 switch (type) { 43 case CV_8SC1: elbp_<char>(src,dst, radius, neighbors); break; 44 case CV_8UC1: elbp_<unsigned char>(src, dst, radius, neighbors); break; 45 case CV_16SC1: elbp_<short>(src,dst, radius, neighbors); break; 46 case CV_16UC1: elbp_<unsigned short>(src,dst, radius, neighbors); break; 47 case CV_32SC1: elbp_<int>(src,dst, radius, neighbors); break; 48 case CV_32FC1: elbp_<float>(src,dst, radius, neighbors); break; 49 case CV_64FC1: elbp_<double>(src,dst, radius, neighbors); break; 50 default: 51 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); 52 CV_Error(CV_StsNotImplemented, error_msg); 53 break; 54 } 55 } 56 57 static Mat 58 histc_(const Mat& src, int minVal=0, int maxVal=255, bool normed=false) 59 { 60 Mat result; 61 // Establish the number of bins. 62 int histSize = maxVal-minVal+1; 63 // Set the ranges. 64 float range[] = { static_cast<float>(minVal), static_cast<float>(maxVal+1) }; 65 const float* histRange = { range }; 66 // calc histogram 67 calcHist(&src, 1, 0, Mat(), result, 1, &histSize, &histRange, true, false); 68 // normalize 69 if(normed) { 70 result /= (int)src.total(); 71 } 72 return result.reshape(1,1); 73 } 74 75 static Mat histc(InputArray _src, int minVal, int maxVal, bool normed) 76 { 77 Mat src = _src.getMat(); 78 switch (src.type()) { 79 case CV_8SC1: 80 return histc_(Mat_<float>(src), minVal, maxVal, normed); 81 break; 82 case CV_8UC1: 83 return histc_(src, minVal, maxVal, normed); 84 break; 85 case CV_16SC1: 86 return histc_(Mat_<float>(src), minVal, maxVal, normed); 87 break; 88 case CV_16UC1: 89 return histc_(src, minVal, maxVal, normed); 90 break; 91 case CV_32SC1: 92 return histc_(Mat_<float>(src), minVal, maxVal, normed); 93 break; 94 case CV_32FC1: 95 return histc_(src, minVal, maxVal, normed); 96 break; 97 default: 98 CV_Error(CV_StsUnmatchedFormats, "This type is not implemented yet."); break; 99 } 100 return Mat(); 101 } 102 103 104 static Mat spatial_histogram(InputArray _src, int numPatterns, 105 int grid_x, int grid_y, bool /*normed*/) 106 { 107 Mat src = _src.getMat(); 108 // calculate LBP patch size 109 int width = src.cols/grid_x; 110 int height = src.rows/grid_y; 111 // allocate memory for the spatial histogram 112 Mat result = Mat::zeros(grid_x * grid_y, numPatterns, CV_32FC1); 113 // return matrix with zeros if no data was given 114 if(src.empty()) 115 return result.reshape(1,1); 116 // initial result_row 117 int resultRowIdx = 0; 118 // iterate through grid 119 for(int i = 0; i < grid_y; i++) { 120 for(int j = 0; j < grid_x; j++) { 121 Mat src_cell = Mat(src, Range(i*height,(i+1)*height), Range(j*width,(j+1)*width)); 122 Mat cell_hist = histc(src_cell, 0, (numPatterns-1), true); 123 // copy to the result matrix 124 Mat result_row = result.row(resultRowIdx); 125 cell_hist.reshape(1,1).convertTo(result_row, CV_32FC1); 126 // increase row count in result matrix 127 resultRowIdx++; 128 } 129 } 130 // return result as reshaped feature vector 131 return result.reshape(1,1); 132 } 133 134 //------------------------------------------------------------------------------ 135 // wrapper to cv::elbp (extended local binary patterns) 136 //------------------------------------------------------------------------------ 137 138 static Mat elbp(InputArray src, int radius, int neighbors) { 139 Mat dst; 140 elbp(src, dst, radius, neighbors); 141 return dst; 142 }
需要注意的是在求圖像中每個位置的8個采樣點的值時，是使用的采樣點四個角上相應位置的加權平均值才作為采樣點的值（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函數把最后的分區直方圖結果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：
1 void LBPH::predict(InputArray _src, int &minClass, double &minDist) const { 2 if(_histograms.empty()) { 3 // throw error if no data (or simply return -1?) 4 string error_message = "This LBPH model is not computed yet. Did you call the train method?"; 5 CV_Error(CV_StsBadArg, error_message); 6 } 7 Mat src = _src.getMat(); 8 // get the spatial histogram from input image 9 Mat lbp_image = elbp(src, _radius, _neighbors); 10 Mat query = spatial_histogram( 11 lbp_image, /* lbp_image */ 12 static_cast<int>(std::pow(2.0, static_cast<double>(_neighbors))), /* number of possible patterns */ 13 _grid_x, /* grid size x */ 14 _grid_y, /* grid size y */ 15 true /* normed histograms */); 16 // find 1-nearest neighbor 17 minDist = DBL_MAX; 18 minClass = -1; 19 for(size_t sampleIdx = 0; sampleIdx < _histograms.size(); sampleIdx++) { 20 double dist = compareHist(_histograms[sampleIdx], query, CV_COMP_CHISQR); 21 if((dist < minDist) && (dist < _threshold)) { 22 minDist = dist; 23 minClass = _labels.at<int>((int) sampleIdx); 24 } 25 } 26 }
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。
4 LBP人臉識別示例
最后給出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人臉數據庫），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：
1 #include "opencv2/core/core.hpp" 2 #include "opencv2/highgui/highgui.hpp" 3 #include "opencv2/contrib/contrib.hpp" 4 5 #define CV_VERSION_ID CVAUX_STR(CV_MAJOR_VERSION) CVAUX_STR(CV_MINOR_VERSION) CVAUX_STR(CV_SUBMINOR_VERSION) 6 7 #ifdef _DEBUG 8 #define cvLIB(name) "opencv_" name CV_VERSION_ID "d" 9 #else 10 #define cvLIB(name) "opencv_" name CV_VERSION_ID 11 #endif 12 13 #pragma comment( lib, cvLIB("core") ) 14 #pragma comment( lib, cvLIB("imgproc") ) 15 #pragma comment( lib, cvLIB("highgui") ) 16 #pragma comment( lib, cvLIB("flann") ) 17 #pragma comment( lib, cvLIB("features2d") ) 18 #pragma comment( lib, cvLIB("calib3d") ) 19 #pragma comment( lib, cvLIB("gpu") ) 20 #pragma comment( lib, cvLIB("legacy") ) 21 #pragma comment( lib, cvLIB("ml") ) 22 #pragma comment( lib, cvLIB("objdetect") ) 23 #pragma comment( lib, cvLIB("ts") ) 24 #pragma comment( lib, cvLIB("video") ) 25 #pragma comment( lib, cvLIB("contrib") ) 26 #pragma comment( lib, cvLIB("nonfree") ) 27 28 #include <iostream> 29 #include <fstream> 30 #include <sstream> 31 32 using namespace cv; 33 using namespace std; 34 35 static void read_csv(const string& filename, vector<Mat>& images, vector<int>& labels, char separator =';') { 36 std::ifstream file(filename.c_str(), ifstream::in); 37 if (!file) { 38 string error_message ="No valid input file was given, please check the given filename."; 39 CV_Error(CV_StsBadArg, error_message); 40 } 41 string line, path, classlabel; 42 while (getline(file, line)) { 43 stringstream liness(line); 44 getline(liness, path, separator); 45 getline(liness, classlabel); 46 if(!path.empty()&&!classlabel.empty()) { 47 images.push_back(imread(path, 0)); 48 labels.push_back(atoi(classlabel.c_str())); 49 } 50 } 51 } 52 53 int main(int argc, const char *argv[]) { 54 if (argc !=2) { 55 cout <<"usage: "<< argv[0]<<" <csv.ext>"<< endl; 56 exit(1); 57 } 58 string fn_csv = string(argv[1]); 59 vector<Mat> images; 60 vector<int> labels; 61 try { 62 read_csv(fn_csv, images, labels); 63 } catch (cv::Exception& e) { 64 cerr <<"Error opening file "<< fn_csv <<". Reason: "<< e.msg << endl; 65 // nothing more we can do 66 exit(1); 67 } 68 if(images.size()<=1) { 69 string error_message ="This demo needs at least 2 images to work. Please add more images to your data set!"; 70 CV_Error(CV_StsError, error_message); 71 } 72 int height = images[0].rows; 73 Mat testSample = images[images.size() -1]; 74 int testLabel = labels[labels.size() -1]; 75 images.pop_back(); 76 labels.pop_back(); 77 // TLBPHFaceRecognizer 使用了擴展的LBP 78 // 在其他的算子中他可能很容易被擴展 79 // 下面是默認參數 80 // radius = 1 81 // neighbors = 8 82 // grid_x = 8 83 // grid_y = 8 84 // 85 // 如果你要創建 LBPH FaceRecognizer 半徑是2，16個鄰域 86 // cv::createLBPHFaceRecognizer(2, 16); 87 // 88 // 如果你需要一個閾值，並且使用默認參數: 89 // cv::createLBPHFaceRecognizer(1,8,8,8,123.0) 90 // 91 Ptr<FaceRecognizer> model = createLBPHFaceRecognizer(); 92 model->train(images, labels); 93 int predictedLabel = model->predict(testSample); 94 // int predictedLabel = -1; 95 // double confidence = 0.0; 96 // model->predict(testSample, predictedLabel, confidence); 97 // 98 string result_message = format("Predicted class = %d / Actual class = %d.", predictedLabel, testLabel); 99 cout << result_message << endl; 100 // 有時你需要設置或者獲取內部數據模型, 101 // 他不能被暴露在 cv::FaceRecognizer類中. 102 // 103 // 首先我們對FaceRecognizer的閾值設置到0.0，而不是重寫訓練模型 104 // 當你重新估計模型時很重要 105 // 106 model->set("threshold",0.0); 107 predictedLabel = model->predict(testSample); 108 cout <<"Predicted class = "<< predictedLabel << endl; 109 // 由於確保高效率，LBP圖沒有被存儲在模型里面。 110 cout <<"Model Information:"<< endl; 111 string model_info = format("tLBPH(radius=%i, neighbors=%i, grid_x=%i, grid_y=%i, threshold=%.2f)", 112 model->getInt("radius"), 113 model->getInt("neighbors"), 114 model->getInt("grid_x"), 115 model->getInt("grid_y"), 116 model->getDouble("threshold")); 117 cout << model_info << endl; 118 // 我們可以獲取樣本的直方圖: 119 vector<Mat> histograms = model->getMatVector("histograms"); 120 // 我需要現實它嗎? 或許它的長度才是我們感興趣的: 121 cout <<"Size of the histograms: "<< histograms[0].total()<< endl; 122 return 0; 123 }
程序中用一個CSV文件指明人臉數據庫文件及標簽，即CSV文件中每一行包含一個文件名路徑之后是其標簽值，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：
1 import sys 2 import os 3 4 def read_images(path, sz=None): 5 c = 0 6 X,y = [], [] 7 fp = open(os.path.join(path,"test.txt"),'w') 8 for dirname, dirnames, filenames in os.walk(path): 9 #print dirname 10 #print dirnames 11 #print filenames 12 for subdirname in dirnames: 13 subject_path = os.path.join(dirname, subdirname) 14 for filename in os.listdir(subject_path): 15 str = "%s;%d\n"%(os.path.join(subject_path, filename), c) 16 print str 17 fp.write(str) 18 c += 1 19 fp.close() 20 21 if __name__ == '__main__': 22 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。
示例程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。
示例程序（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，一並致謝！