OpenCV（11）：人脸检测、物体识别
1 人脸检测
人脸检测是计算机视觉中的一个经典问题，而 OpenCV 提供了基于 Haar 特征分类器的人脸检测方法，简单易用且效果显著。本文将详细介绍如何使用 OpenCV 中的 cv2.CascadeClassifier() 进行人脸检测。
1.1 Haar 特征分类器
Haar 特征分类器是一种基于 Haar-like 特征的机器学习方法，由 Paul Viola 和 Michael Jones 在 2001 年提出。它通过提取图像中的 Haar-like 特征，并使用 AdaBoost 算法进行训练，最终生成一个分类器，用于检测图像中的目标（如人脸）。
Haar-like 特征是一种简单的矩形特征，通过计算图像中不同区域的像素值差异来提取特征。例如，一个 Haar-like 特征可以是两个相邻矩形的像素值之和的差值。这些特征能够捕捉到图像中的边缘、线条等结构信息。
OpenCV 提供了预训练的 Haar 特征分类器，可以直接用于人脸检测。这些分类器以 XML 文件的形式存储，包含了训练好的模型参数。OpenCV 中的 cv2.CascadeClassifier() 类用于加载和使用这些分类器。
人脸检测的实现步骤：
-
加载 Haar 特征分类器模型: 使用
cv2.CascadeClassifier()加载预训练的人脸检测模型。 -
读取图像: 使用
cv2.imread()读取待检测的图像。 -
转换为灰度图: 将图像转换为灰度图，因为 Haar 特征分类器在灰度图上运行更快。
-
检测人脸: 使用
detectMultiScale()方法检测图像中的人脸。 -
绘制检测结果: 在图像中绘制检测到的人脸矩形框。
-
显示结果: 显示检测结果。
1.2 Python实现
读取图片并转为灰度图像。
import cv2
# 加载 Haar 特征分类器
face_cascade = cv2.CascadeClassifier(cv2.data.haarcascades + 'haarcascade_frontalface_default.xml')
# 读取图像
image = cv2.imread('image.jpg')
# 转换为灰度图像
gray_image = cv2.cvtColor(image, cv2.COLOR_BGR2GRAY)
使用 cv2.CascadeClassifier.detectMultiScale() 方法进行人脸检测。该方法返回检测到的人脸区域的矩形框（x, y, w, h），其中 (x, y) 是矩形框的左上角坐标，w 和 h 分别是矩形框的宽度和高度。
# 进行人脸检测
faces = face_cascade.detectMultiScale(gray_image, scaleFactor=1.1, minNeighbors=5, minSize=(30, 30))scaleFactor: 表示每次图像尺寸减小的比例，用于构建图像金字塔。默认值为 1.1。minNeighbors: 表示每个候选矩形框应该保留的邻居数量。默认值为 5。minSize: 表示检测目标的最小尺寸。默认值为 (30, 30)。
在检测到人脸后，可以使用 cv2.rectangle() 方法在图像上绘制矩形框，标记出人脸的位置。最后，使用 cv2.imshow() 方法显示检测结果。
# 绘制检测结果
for (x, y, w, h) in faces:
cv2.rectangle(image, (x, y), (x + w, y + h), (255, 0, 0), 2)
# 显示结果
cv2.imshow('Detected Faces', image)
cv2.waitKey(0)
cv2.destroyAllWindows()
2 物体识别
在计算机视觉领域，物体识别是一个非常重要的任务。OpenCV 是一个强大的开源计算机视觉库，提供了多种方法来实现物体识别。本文将详细介绍如何使用 OpenCV 中的模板匹配方法（cv2.matchTemplate()）来进行物体识别。
2.1 模版匹配
2.1.1 什么是模板匹配？
模板匹配是一种在图像中寻找与给定模板图像最相似区域的技术。简单来说，模板匹配就是在一幅大图像中寻找与模板图像（即我们想要识别的物体）最匹配的部分，这种方法适用于物体在图像中的大小、方向和形状基本不变的情况。
- 模板图像: 目标物体的图像片段。
- 搜索图像: 待检测的图像。
- 匹配结果: 表示模板图像在搜索图像中的相似度分布。
2.1.2 模板匹配的基本原理
模板匹配的基本原理是通过滑动模板图像在目标图像上移动，计算每个位置的相似度，并找到相似度最高的位置。OpenCV 提供了多种相似度计算方法，如平方差匹配（cv2.TM_SQDIFF）、归一化平方差匹配（cv2.TM_SQDIFF_NORMED）、相关匹配（cv2.TM_CCORR）、归一化相关匹配（cv2.TM_CCORR_NORMED）、相关系数匹配（cv2.TM_CCOEFF）和归一化相关系数匹配（cv2.TM_CCOEFF_NORMED）。
2.1.3 应用场景
- 物体识别: 用于在图像中定位特定物体，如标志、图标等。
- 目标跟踪: 用于在视频中跟踪目标物体。
- 图像配准: 用于将两幅图像对齐。
2.1.4 模板匹配的实现步骤
- 加载图像: 读取搜索图像和模板图像。
- 模板匹配: 使用
cv2.matchTemplate()在搜索图像中查找模板图像。 - 获取匹配结果: 使用
cv2.minMaxLoc()获取最佳匹配位置。 - 绘制匹配结果: 在搜索图像中绘制匹配区域。
- 显示结果: 显示匹配结果。
2.1.5 匹配方法
OpenCV 提供了多种模板匹配方法，可以通过 cv2.matchTemplate() 的第三个参数指定：
| 方法 | 说明 |
|---|---|
cv2.TM_SQDIFF | 平方差匹配，值越小匹配度越高。 |
cv2.TM_SQDIFF_NORMED | 归一化平方差匹配，值越小匹配度越高。 |
cv2.TM_CCORR | 相关匹配，值越大匹配度越高。 |
cv2.TM_CCORR_NORMED | 归一化相关匹配，值越大匹配度越高。 |
cv2.TM_CCOEFF | 相关系数匹配，值越大匹配度越高。 |
cv2.TM_CCOEFF_NORMED | 归一化相关系数匹配，值越大匹配度越高。 |
2.2 使用 cv2.matchTemplate() 进行物体识别
加载图像和模板
import cv2
import numpy as np
# 加载目标图像和模板图像
img = cv2.imread('target.jpg', 0)
template = cv2.imread('template.jpg', 0)为了在目标图像中滑动模板图像，我们需要知道模板图像的宽度和高度。
# 获取模板图像的尺寸
w, h = template.shape[::-1] 使用 cv2.matchTemplate() 函数进行模板匹配。该函数返回一个结果矩阵，其中每个元素表示目标图像中对应位置与模板图像的相似度。
# 进行模板匹配
res = cv2.matchTemplate(img, template, cv2.TM_CCOEFF_NORMED) 我们可以设置一个阈值来确定匹配是否成功。然后，使用 cv2.minMaxLoc() 函数找到结果矩阵中的最大值和最小值的位置。
# 设置匹配阈值
threshold = 0.8
# 找到匹配位置
loc = np.where(res >= threshold)最后，我们可以在目标图像中标记出与模板匹配的位置。通常，我们使用矩形框来标记匹配区域。
# 在目标图像中标记匹配位置
for pt in zip(*loc[::-1]):
cv2.rectangle(img, pt, (pt[0] + w, pt[1] + h), (0, 255, 0), 2)
# 显示结果图像
cv2.imshow('Matched Image', img)
cv2.waitKey(0)
cv2.destroyAllWindows()这里没有标记，估计与模版差距过大吧。
