OpenCV实例：行人检测

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1.行人检测概述

行人检测是目标检测的一个分支。目标检测的任务是从图像中识别出预定义类型目标，并确定每个目标的位置。用来检测行人的目标检测系统被称为行人检测系统。

行人检测主要用来判断输入图片（或视频）内是否包含行人。若检测到行人，则给出其具体的位置信息。该位置信息是智能视频监控、人体行为分析、智能驾驶、智能机器人等应用的关键基础。由于行人可能处于移动状态，也可能处于静止状态，且外观容易受到体型、姿态、衣着、拍摄角度、遮挡等多种因素的影响，因此行人检测在计算机视觉领域内成为研究热点与难点。

一种比较常用的行人检测方式是统计学习方法，即根据大量样本构建行人检测分类器。提取的特征主要有目标的灰度、边缘、纹理、颜色、梯度等信息。分类器主要包括人工神经网络、SVM、Adaboost及卷积神经网络等。

OpenCV采用的行人检测算法是基于Dalal的论文实现的，我们可以直接调用行人检测器实现行人检测。

2.行人检测基础实现

2.1基本流程

在OpenCV中直接调用行人检测器即可完成行人检测，具体过程如下：

● 调用hog=cv2.HOGDescriptor()，初始化HOG描述符。
● 调用setVMDetector，将SVM设置为预训练的行人检测器。该检测器通过cv2.HOGDescriptor_getDefaultPeopleDetector()函数加载。

● 使用detectMultiScale函数检测图像中的行人，返回值为行人对应的矩形框和矩形框的权重值。在该函数中待检测图像是必选参数，除此之外，还有若干个很重要的可选参数，19.3节将对这些可选参数进行介绍。

2.2实现程序

代码实例：使用OpenCV自带的行人检测器实现行人检测。

import cv2
image = cv2.imread("back.jpg")            
hog = cv2.HOGDescriptor()   #初始化方向梯度直方图描述子
#设置SVM为一个预先训练好的行人检测器
hog.setSVMDetector(cv2.HOGDescriptor_getDefaultPeopleDetector())  
#调用函数detectMultiScale，检测行人对应的边框
(rects, weights) = hog.detectMultiScale(image)
#遍历每一个矩形框，将之绘制在图像上
for (x, y, w, h) in rects:  
    cv2.rectangle(image, (x, y), (x + w, y + h), (0, 0, 255), 2)
cv2.imshow("image", image)     #显示检测结果
cv2.waitKey(0)
cv2.destroyAllWindows()

输出结果：

从本例的运行结果可以看出，当前识别效果还不错。但是，在面对复杂情况时，该程序的识别效果将差很多，还需要进一步的优化。

2.3参数优化

OpenCV为了提高自带的行人检测器的识别准确率提供了非常多的参数。函数detectMultiScale的语法格式如下：

其中：
● rects表示检测到的行人对应的矩形框。
● weights表示矩形框的权重值。
● image表示待检测行人的输入图像。
● winStride表示HOG检测窗口移动步长。
● padding表示边缘扩充的像素个数。
● scale表示构造金字塔结构图像时使用的缩放因子，默认值为1.05。
● useMeanshiftGrouping表示是否消除重叠的检测结果。

参数winStride

● WinStride值越小，覆盖的对象越多，能够找到的对象越多，但是运算效率会降低。● WinStride值越大，覆盖的对象越少，能够找到的对象越少，但是运算效率会提高，具有更好的实时性。通常，需要在实时性和提取精度之间取得平衡。一般，将WinStride设置为（4，4）会有比较好的效果。

代码实例：观察不同的winStride值的使用情况

import cv2
import time
def detect(image,winStride):
    imagex=image.copy()   #函数内部做个副本，让每个函数运行在不同的图像上        
    hog = cv2.HOGDescriptor()   #初始化方向梯度直方图描述子
    #设置SVM为一个预先训练好的行人检测器
    hog.setSVMDetector(cv2.HOGDescriptor_getDefaultPeopleDetector())  
    #调用函数detectMultiScale，检测行人对应的边框
    time_start = time.time()     #记录开始时间
    #获取（行人对应的矩形框、对应的权重）
    (rects, weights) = hog.detectMultiScale(imagex,winStride=winStride)    
    time_end = time.time()    #记录结束时间
    # 绘制每一个矩形框
    for (x, y, w, h) in rects:  
        cv2.rectangle(imagex, (x, y), (x + w, y + h), (0, 0, 255), 2)
    print("size:",winStride,",time:",time_end-time_start)
    name=str(winStride[0]) + "," + str(winStride[0])
    cv2.imshow(name, imagex)     #显示原始效果
    # cv2.imwrite( str(time.time())+".bmp" ,imagex)   #保存，书稿用的
image = cv2.imread("back.jpg") 
detect(image,(4,4))
detect(image,(12,12))
detect(image,(24,24))
cv2.waitKey(0)
cv2.destroyAllWindows()

输出结果：

从程序输出结果可以看出，当步长较小时，遍历的区域更多，花费的时间更长。

参数padding

代码实例：观察参数padding不同值的检测效果。

import cv2
import time
def detect(image,padding):
    imagex=image.copy()   #函数内部做个副本，让每个函数运行在不同的图像上        
    hog = cv2.HOGDescriptor()   #初始化方向梯度直方图描述子
    #设置SVM为一个预先训练好的行人检测器
    hog.setSVMDetector(cv2.HOGDescriptor_getDefaultPeopleDetector())  
    #调用函数detectMultiScale，检测行人对应的边框
    time_start = time.time()     #记录开始时间
    #获取（行人对应的矩形框、对应的权重）
    (rects, weights) = hog.detectMultiScale(imagex,
                        winStride=(16,16),padding=padding)    
    time_end = time.time()    #记录结束时间
    # 绘制每一个矩形框
    for (x, y, w, h) in rects:  
        cv2.rectangle(imagex, (x, y), (x + w, y + h), (0, 0, 255), 2)
    print("Padding size:",padding,",time:",time_end-time_start)
    name=str(padding[0]) + "," + str(padding[0])
    cv2.imshow(name, imagex)     #显示原始效果
image = cv2.imread("backPadding2.jpg") 
detect(image,(0,0))
detect(image,(8,8))
cv2.waitKey(0)
cv2.destroyAllWindows()

输出结果：

由程序输出结果可以看出，在扩边后可检测到靠近图像边缘的行人，但是运算量加大，耗时更长。

参数scale

参数scale是检测过程构造金字塔结构图像使用的比例值。

代码实例：观察不同scale参数值的检测效果

import cv2
import time
def detect(image,scale):
    imagex=image.copy()   #函数内部做个副本，让每个函数运行在不同的图像上        
    hog = cv2.HOGDescriptor()   #初始化方向梯度直方图描述子
    #设置SVM为一个预先训练好的行人检测器
    hog.setSVMDetector(cv2.HOGDescriptor_getDefaultPeopleDetector())  
    #调用函数detectMultiScale，检测行人对应的边框
    time_start = time.time()     #记录开始时间
    #获取（行人对应的矩形框、对应的权重）
    (rects, weights) = hog.detectMultiScale(imagex,scale=scale)    
    time_end = time.time()    #记录结束时间
    # 绘制每一个矩形框
    for (x, y, w, h) in rects:  
        cv2.rectangle(imagex, (x, y), (x + w, y + h), (0, 0, 255), 2)
    print("sacle size:",scale,",time:",time_end-time_start)
    name=str(scale) 
    cv2.imshow(name, imagex)     #显示原始效果
image = cv2.imread("back.jpg") 
detect(image,1.01)
detect(image,1.05)
detect(image,1.3)
cv2.waitKey(0)
cv2.destroyAllWindows()

输出结果：

从程序输出结果可以看出，使用小的scale值能够更好地检测到图像内的行人目标，但是耗时较长；使用较大的scale值，速度较快，实时性好，但是可能会发生漏检。因此，需要在二者之间取得平衡。通常情况下，scale值的设置范围为[1.01，1.5]。

参数useMeanshiftGrouping
参数useMeanshiftGrouping用来控制是否消除重叠的检测结果。

代码实例：观察重叠边界处理结果

import cv2
import time
def detect(image,useMeanshiftGrouping):
    imagex=image.copy()   #函数内部做个副本，让每个函数运行在不同的图像上        
    hog = cv2.HOGDescriptor()   #初始化方向梯度直方图描述子
    #设置SVM为一个预先训练好的行人检测器
    hog.setSVMDetector(cv2.HOGDescriptor_getDefaultPeopleDetector())  
    #调用函数detectMultiScale，检测行人对应的边框
    time_start = time.time()     #记录开始时间
    #获取（行人对应的矩形框、对应的权重）
    (rects, weights) = hog.detectMultiScale(imagex,
                            scale=1.01,
                            useMeanshiftGrouping=useMeanshiftGrouping)    
    time_end = time.time()    #记录结束时间
    # 绘制每一个矩形框
    for (x, y, w, h) in rects:  
        cv2.rectangle(imagex, (x, y), (x + w, y + h), (0, 0, 255), 2)
    print("useMeanshiftGrouping:",useMeanshiftGrouping,",time:",time_end-time_start)
    name=str(useMeanshiftGrouping) 
    cv2.imshow(name, imagex)     #显示原始效果
image = cv2.imread("back.jpg") 
detect(image,False)
detect(image,True)
cv2.waitKey(0)
cv2.destroyAllWindows()

输出结果：

3.完整行人检测程序

代码实例：

import cv2
def detect(image,winStride,padding,scale,useMeanshiftGrouping):   
    hog = cv2.HOGDescriptor()   #初始化方向梯度直方图描述子
    #设置SVM为一个预先训练好的行人检测器
    hog.setSVMDetector(cv2.HOGDescriptor_getDefaultPeopleDetector())  
    #获取（行人对应的矩形框、对应的权重）
    (rects, weights) = hog.detectMultiScale(image,
                            winStride = winStride,
                            padding = padding,
                            scale = scale,
                            useMeanshiftGrouping=useMeanshiftGrouping)    
    # 绘制每一个矩形框
    for (x, y, w, h) in rects:  
        cv2.rectangle(image, (x, y), (x + w, y + h), (0, 0, 255), 2)
    cv2.imshow("result", image)     #显示原始效果
image = cv2.imread("back.jpg") 
winStride = (8,8)
padding = (2,2)
scale = 1.03
useMeanshiftGrouping=True
detect(image,winStride,padding,scale,useMeanshiftGrouping)
cv2.waitKey(0)
cv2.destroyAllWindows()

输出结果：