如何用OpenCV训练自己的分类器

如何用OpenCV训练自己的分类器

首先，需要说明的是，OpenCV自带的haar training提取的特征是haar特征 分类器是AdaBoost级联分类器（如需了解Adaboost算法， 。所谓的级联分类器，就是将若干的简单的分量分类器（可以理解为一般的普通分类器）依次串联起来，最终的检测分类结果，要依次通过所有的分量分类器才能算是一个有效的检测分类结果。否则，就认为当前检测区域内没有我们需要找的目标。
利用OpenCV自带的haar training程序训练一个分类器，需要经过以下几个步骤：
（1）收集训练样本：
训练样本包括正样本和负样本。正样本，通俗点说，就是图片中只有你需要的目标。而负样本的图片只要其中不含有目标就可以了。但需要说明的是，负样本也并非随便选取的。例如，你需要检测的目标是汽车，那么正样本就应该是仅仅含有汽车的图片，而负样本显然不能是一些包含天空的，海洋的，风景的图片。因为你最终训练分类器的目的是检测汽车，而汽车应该出现在马路上。也就是说，分类器最终检测的图片应该是那些包含马路，交通标志，建筑物，广告牌，汽车，摩托车，三轮车，行人，自行车等在内的图片。很明显，这里的负样本应该是包含摩托车、三轮车、自行车、行人、路面、灌木丛、花草、交通标志、广告牌等。
另外，需要提醒的是，adaboost方法也是机器学习中的一个经典算法，而机器学习算法的前提条件是，测试样本和训练样本独立同分布。所谓的独立同分布，可以简单理解为：训练样本要和最终的应用场合非常接近或者一致。否则，基于机器学习的算法并不能保证算法的有效性。此外，足够的训练样本（至少得几千张正样本、几千张负样本）也是保证训练算法有效性的一个前提条件。
这里，假设所有的正样本都放在f:/pos文件夹下，所有的负样本都放在f:/neg文件夹下；

（2）对所有的正样本进行尺寸归一化：
上一步收集到的正样本，有很多的尺寸大小，有的是200*300，有的是500*800...尺寸归一化的目的，就是把所有的图片都缩放到同一大小。比如，都缩放到50*60的大小。

（3）生成正样本描述文件：
所谓的正样本描述文件，其实就是一个文本文件，只不过，很多人喜欢将这个文件的后缀改成.dat而已。正样本描述文件中的内容包括：文件名 目标个数 目标在图片中的位置（x,y,width,height）
典型的正样本描述文件如下所示：
0.jpg 1 0 0 30 40
1.jpg 1 0 0 30 40
2.jpg 1 0 0 30 40
.....
不难发现，正样本描述文件中，每一个正样本占一行，每一行以正样本图片开头，后面紧跟着该图片中正样本的数量（通常为1），以及正样本在图片中的位置
假如，f:\pos文件夹下有5000个正样本图片，每个图片中仅有一个目标。那么，我们可以写程序（遍历文件夹中的所有图片文件，将文件名写入到文件中，将正样本在图片中的位置，大小都写入文件中）生成一个pos.dat文件作为正样本描述文件。

（4）创建正样本vec文件
由于haarTraining训练的时候需要输入的正样本是vec文件，所以需要使用createsamples程序来将正样本转换为vec文件。
打开OpenCV安装目录下bin文件夹里面的名为createSamples（新版本的OpenCV里面改名为opencv_createSamples）的可执行程序。需要提醒的是，该程序应该通过命令行启动（可以参考我的另一篇博客：http://blog.csdn.net/carson2005/article/details/6704589 ）。并设置正样本所在的路径以及生成的正样本文件保存路劲（例如：f:\pos\pos.vec）。
Createsamples程序的命令行参数：
命令行参数：
－vec
训练好的正样本的输出文件名。
－img
源目标图片（例如：一个公司图标）
－bg
背景描述文件。
－num
要产生的正样本的数量，和正样本图片数目相同。
－bgcolor
背景色（假定当前图片为灰度图）。背景色制定了透明色。对于压缩图片，颜色方差量由bgthresh参数来指定。则在bgcolor－bgthresh和bgcolor＋bgthresh中间的像素被认为是透明的。
－bgthresh
－inv
如果指定，颜色会反色
－randinv
如果指定，颜色会任意反色
－maxidev
背景色最大的偏离度。
－maxangel
－maxangle，
－maxzangle
最大旋转角度，以弧度为单位。
－show
如果指定，每个样本会被显示出来，按下"esc"会关闭这一开关，即不显示样本图片，而创建过程继续。这是个有用的debug选项。
－w
输出样本的宽度（以像素为单位）
－h《sample_height》
输出样本的高度，以像素为单位。

（5） 创建负样本描述文件
在保存负样本的文件夹下生成一个负样本描述文件，具体步骤同（3），此处不再赘叙；

（6）进行样本训练
该步骤通过调用OpenCV\bin目录下的haartraining程序(新版本的opencv改名为opencv_haartraining)来完成。其中，Haartraining的命令行参数为：
－data
存放训练好的分类器的路径名。
－vec
正样本文件名（由trainingssamples程序或者由其他的方法创建的）
－bg
背景描述文件。
－npos，
－nneg
用来训练每一个分类器阶段的正/负样本。合理的值是：nPos = 7000;nNeg = 3000
－nstages
训练的级联分类器层数。
－nsplits
决定用于阶段分类器的弱分类器。如果1，则一个简单的stump classifier被使用。如果是2或者更多，则带有number_of_splits个内部节点的CART分类器被使用。
－mem
预先计算的以MB为单位的可用内存。内存越大则训练的速度越快。
－sym（default）
－nonsym
指定训练的目标对象是否垂直对称。垂直对称提高目标的训练速度。例如，正面部是垂直对称的。
－minhitrate《min_hit_rate》
每个阶段分类器需要的最小的命中率。总的命中率为min_hit_rate的number_of_stages次方。
－maxfalsealarm
没有阶段分类器的最大错误报警率。总的错误警告率为max_false_alarm_rate的number_of_stages次方。
－weighttrimming
指定是否使用权修正和使用多大的权修正。一个基本的选择是0.9
－eqw
－mode
选择用来训练的haar特征集的种类。basic仅仅使用垂直特征。all使用垂直和45度角旋转特征。
－w《sample_width》
－h《sample_height》
训练样本的尺寸，（以像素为单位）。必须和训练样本创建的尺寸相同。
一个训练分类器的例子：
"D:\Program Files\OpenCV\bin\haartraining.exe" -data data\cascade -vec data\pos.vec -bg negdata\negdata.dat -npos 49 -nneg 49 -mem 200 -mode ALL -w 20 -h 20
训练结束后，会在目录data下生成一些子目录，即为训练好的分类器。
（7） 生成xml文件
上一步在进行haartraining的时候，会在data目录下生成一些目录及txt文件，我们需要调用opencv\bin\haarconv.exe将这些txt文件转换为xml文件，也就是所谓的分类器。

至此，分类器的训练工作已完成。剩下的，就是在程序中加载xml文件，并调用相应的函数接口来实现分类检测的作用了。

一、简介
　　目标检测方法最初由Paul Viola [Viola01]提出，并由Rainer Lienhart [Lienhart02]对这一方法进行了改善。该方法的基本步骤为： 首先，利用样本（大约几百幅样本图片）的 harr 特征进行分类器训练，得到一个级联的boosted分类器。
　　分类器中的"级联"是指最终的分类器是由几个简单分类器级联组成。在图像检测中，被检窗口依次通过每一级分类器， 这样在前面几层的检测中大部分的候选区域就被排除了，全部通过每一级分类器检测的区域即为目标区域。
　　分类器训练完以后，就可以应用于输入图像中的感兴趣区域的检测。检测到目标区域分类器输出为1，否则输出为0。为了检测整副图像，可以在图像中移动搜索窗口，检测每一个位置来确定可能的目标。 为了搜索不同大小的目标物体，分类器被设计为可以进行尺寸改变，这样比改变待检图像的尺寸大小更为有效。所以，为了在图像中检测未知大小的目标物体，扫描程序通常需要用不同比例大小的搜索窗口对图片进行几次扫描。
　　目前支持这种分类器的boosting技术有四种： Discrete Adaboost, Real Adaboost, Gentle Adaboost and Logitboost。
　　"boosted" 即指级联分类器的每一层都可以从中选取一个boosting算法(权重投票)，并利用基础分类器的自我训练得到。
　　根据上面的分析，目标检测分为三个步骤：
　　1、 样本的创建
　　2、 训练分类器
　　3、 利用训练好的分类器进行目标检测。
　　二、样本创建
　　训练样本分为正例样本和反例样本，其中正例样本是指待检目标样本，反例样本指其它任意图片。
　　负样本
　　负样本可以来自于任意的图片，但这些图片不能包含目标特征。负样本由背景描述文件来描述。背景描述文件是一个文本文件，每一行包含了一个负样本图片的文件名（基于描述文件的相对路径）。该文件创建方法如下：
　　采用Dos命令生成样本描述文件。具体方法是在Dos下的进入你的图片目录，比如我的图片放在D:\face\posdata下，则：
　　按Ctrl+R打开Windows运行程序，输入cmd打开DOS命令窗口，输入d:回车，再输入cd D:\face\negdata进入图片路径，再次输入dir /b > negdata.dat，则会图片路径下生成一个negdata.dat文件，打开该文件将最后一行的negdata.dat删除，这样就生成了负样本描述文件。dos命令窗口结果如下图：
　　如何用OpenCV训练自己的分类器
　　正样本
　　对于正样本，通常的做法是先把所有正样本裁切好，并对尺寸做规整（即缩放至指定大小），如下图所示：
　　如何用OpenCV训练自己的分类器
　　由于HaarTraining训练时输入的正样本是vec文件，所以需要使用OpenCV自带的CreateSamples程序（在你所按照的opencv\bin下，如果没有需要编译opencv\apps\HaarTraining\make下的.dsw文件，注意要编译release版的）将准备好的正样本转换为vec文件。转换的步骤如下：
　　1) 制作一个正样本描述文件，用于描述正样本文件名（包括绝对路径或相对路径），正样本数目以及各正样本在图片中的位置和大小。典型的正样本描述文件如下：
　　posdata/1(10).bmp 1 1 1 23 23
　　posdata/1(11).bmp 1 1 1 23 23
　　posdata/1(12).bmp 1 1 1 23 23
　　不过你可以把描述文件放在你的posdata路径（即正样本路径）下，这样你就不需要加前面的相对路径了。同样它的生成方式可以用负样本描述文件的生成方法，最后用txt的替换工具将“bmp”全部替换成“bmp 1 1 1 23 23
　　”就可以了，如果你的样本图片多，用txt替换会导致程序未响应，你可以将内容拷到word下替换，然后再拷回来。bmp后面那五个数字分别表示图片个数，目标的起始位置及其宽高。这样就生成了正样本描述文件posdata.dat。
　　2) 运行CreateSamples程序。如果直接在VC环境下运行，可以在Project\Settings\Debug属性页的Program arguments栏设置运行参数。下面是一个运行参数示例：
　　-info D:\face\posdata\posdata.dat -vec D:\face\pos.vec -num 50 -w 20 -h 20
　　表示有50个样本，样本宽20，高20，正样本描述文件为posdata.dat，结果输出到pos.vec。
　　或者在dos下输入：
　　"D:\Program Files\OpenCV\bin\createsamples.exe" -info "posdata\posdata.dat" -vec data\pos.vec -num 50 -w 20 -h 20
　　运行完了会d:\face\data下生成一个*.vec的文件。该文件包含正样本数目，宽高以及所有样本图像数据。结果入下图：
　　如何用OpenCV训练自己的分类器
　　Createsamples程序的命令行参数：
　　命令行参数：
　　－vec
　　训练好的正样本的输出文件名。
　　－img
　　源目标图片（例如：一个公司图标）
　　－bg
　　背景描述文件。
　　－num
　　要产生的正样本的数量，和正样本图片数目相同。
　　－bgcolor
　　背景色（假定当前图片为灰度图）。背景色制定了透明色。对于压缩图片，颜色方差量由bgthresh参数来指定。则在bgcolor－bgthresh和bgcolor＋bgthresh中间的像素被认为是透明的。
　　－bgthresh
　　－inv
　　如果指定，颜色会反色
　　－randinv
　　如果指定，颜色会任意反色
　　－maxidev
　　背景色最大的偏离度。
　　－maxangel
　　－maxangle，
　　－maxzangle
　　最大旋转角度，以弧度为单位。
　　－show
　　如果指定，每个样本会被显示出来，按下"esc"会关闭这一开关，即不显示样本图片，而创建过程继续。这是个有用的debug选项。
　　－w
　　输出样本的宽度（以像素为单位）
　　－h《sample_height》
　　输出样本的高度，以像素为单位。
　　到此第一步样本训练就完成了。恭喜你，你已经学会训练分类器的五成功力了，我自己学这个的时候花了我一天的时间，估计你几分钟就学会了吧。
　　三、训练分类器
　　样本创建之后，接下来要训练分类器，这个过程是由haartraining程序来实现的。该程序源码由OpenCV自带，且可执行程序在OpenCV安装目录的bin目录下。
　　Haartraining的命令行参数如下：
　　－data
　　存放训练好的分类器的路径名。
　　－vec
　　正样本文件名（由trainingssamples程序或者由其他的方法创建的）
　　－bg
　　背景描述文件。
　　－npos，
　　－nneg
　　用来训练每一个分类器阶段的正/负样本。合理的值是：nPos = 7000;nNeg = 3000
　　－nstages
　　训练的阶段数。
　　－nsplits
　　决定用于阶段分类器的弱分类器。如果1，则一个简单的stump classifier被使用。如果是2或者更多，则带有number_of_splits个内部节点的CART分类器被使用。
　　－mem
　　预先计算的以MB为单位的可用内存。内存越大则训练的速度越快。
　　－sym（default）
　　－nonsym
　　指定训练的目标对象是否垂直对称。垂直对称提高目标的训练速度。例如，正面部是垂直对称的。
　　－minhitrate《min_hit_rate》
　　每个阶段分类器需要的最小的命中率。总的命中率为min_hit_rate的number_of_stages次方。
　　－maxfalsealarm
　　没有阶段分类器的最大错误报警率。总的错误警告率为max_false_alarm_rate的number_of_stages次方。
　　－weighttrimming
　　指定是否使用权修正和使用多大的权修正。一个基本的选择是0.9
　　－eqw
　　－mode
　　选择用来训练的haar特征集的种类。basic仅仅使用垂直特征。all使用垂直和45度角旋转特征。
　　－w《sample_width》
　　－h《sample_height》
　　训练样本的尺寸，（以像素为单位）。必须和训练样本创建的尺寸相同。
　　一个训练分类器的例子：
　　"D:\Program Files\OpenCV\bin\haartraining.exe" -data data\cascade -vec data\pos.vec -bg negdata\negdata.dat -npos 49 -nneg 49 -mem 200 -mode ALL -w 20 -h 20
　　训练结束后，会在目录data下生成一些子目录，即为训练好的分类器。
　　训练结果如下：
　　如何用OpenCV训练自己的分类器
　　
　　恭喜你，你已经学会训练分类器的九成功力了。
　　四：利用训练好的分类器进行目标检测。
　　这一步需要用到performance.exe，该程序源码由OpenCV自带，且可执行程序在OpenCV安装目录的bin目录下。
　　performance.exe -data data/cascade -info posdata/test.dat -w 20 -h 20 -rs 30
　　performance的命令行参数如下：
　　Usage: ./performance
　　-data
　　-info
　　[-maxSizeDiff ]
　　[-maxPosDiff ]
　　[-sf ]
　　[-ni]
　　[-nos ]
　　[-rs ]
　　[-w ]
　　[-h ]
　　也可以用opencv的cvHaarDetectObjects函数进行检测：
　　CvSeq* faces = cvHaarDetectObjects( img, cascade, storage,
　　1.1, 2, CV_HAAR_DO_CANNY_PRUNING,
　　cvSize(40, 40) ); //3. 检测人脸
　　注：OpenCv的某些版本可以将这些目录中的分类器直接转换成xml文件。但在实际的操作中，haartraining程序却好像永远不会停止，而且没有生成xml文件，后来在OpenCV的yahoo论坛上找到一个haarconv的程序，才将分类器转换为xml文件，其中的原因尚待研究。