LBP特征

此篇摘取

《LBP特征原理及代码实现》

《LBP特征 学习笔记》

另可参考实现：

《LBP特征学习及实现》

《LBP特征的实现及LBP+SVM分类》

《目标检测的图像特征提取之（二）LBP特征》

1 LBP特征背景介绍

LBP指局部二值模式，英文全称：Local Binary Pattern，是一种用来描述图像局部特征的算子，LBP特征具有灰度不变性和旋转不变性等显著优点。它是由T. Ojala, M.Pietikäinen, 和 D. Harwood [1][2]在1994年提出，由于LBP特征计算简单、效果较好，因此LBP特征在计算机视觉的许多领域都得到了广泛的应用，LBP特征比较出名的应用是用在人脸识别和目标检测中，在计算机视觉开源库Opencv中有使用LBP特征进行人脸识别的接口，也有用LBP特征训练目标检测分类器的方法，Opencv实现了LBP特征的计算，但没有提供一个单独的计算LBP特征的接口。

2 LBP特征原理

原始的LBP算子定义在像素3*3的邻域内，以邻域中心像素为阈值，相邻的8个像素的灰度值与邻域中心的像素值进行比较，若周围像素大于中心像素值，则该像素点的位置被标记为1，否则为0。这样，3*3邻域内的8个点经过比较可产生8位二进制数，将这8位二进制数依次排列形成一个二进制数字，这个二进制数字就是中心像素的LBP值，LBP值共有2⁸种可能，因此LBP值有256种。中心像素的LBP值反映了该像素周围区域的纹理信息。

备注：计算LBP特征的图像必须是灰度图，如果是彩色图，需要先转换成灰度图。
上述过程用图像表示为：

将上述过程用公式表示为：

(x c ,y c ) (xc,yc)
为中心像素的坐标，p为邻域的第p个像素，i p  ip
为邻域像素的灰度值，i c  ic
为中心像素的灰度值，s(x) s(x)
为符号函数

(x_c,y_c)为中心像素的坐标，p为邻域的第p个像素，i_p为邻域像素的灰度值，i_c为中心像素的灰度值，s（x）为符号函数。

公式推导的具体过程参考《LBP特征学习及实现》

3 LBP特征的改进

（1）圆形LBP特征(Circular LBP or Extended LBP)

由于原始LBP特征使用的是固定邻域内的灰度值，因此当图像的尺度发生变化时，LBP特征的编码将会发生错误，LBP特征将不能正确的反映像素点周围的纹理信息，因此研究人员对其进行了改进[3]。基本的 LBP 算子的最大缺陷在于它只覆盖了一个固定半径范围内的小区域，这显然不能满足不同尺寸和频率纹理的需要。为了适应不同尺度的纹理特征，并达到灰度和旋转不变性的要求，Ojala 等对 LBP 算子进行了改进，将 3×3 邻域扩展到任意邻域，并用圆形邻域代替了正方形邻域，改进后的 LBP 算子允许在半径为 R 的圆形邻域内有任意多个像素点。从而得到了诸如半径为R的圆形区域内含有P个采样点的LBP算子：

这种LBP特征叫做Extended LBP，也叫Circular LBP。使用可变半径的圆对近邻像素进行编码，可以得到如下的近邻：

对于给定中心点(x_c,y_c)，其邻域像素位置为(x_p,y_p)，，其采样点用如下公式计算，其采样点(x_p,y_p)用如下公式计算：

R是采样半径，p是第p个采样点，P是采样数目。由于计算的值可能不是整数，即计算出来的点不在图像上，我们使用计算出来的点的插值点。Opencv使用的是双线性插值，公式如下：

通过LBP特征的定义可以看出，LBP特征对光照变化是鲁棒的

（2）旋转不变LBP特征

从上面可以看出，上面的LBP特征具有灰度不变性，但还不具备旋转不变性，因此研究人员又在上面的基础上进行了扩展，提出了具有旋转不变性的LBP特征。
首先不断的旋转圆形邻域内的LBP特征，根据选择得到一系列的LBP特征值，从这些LBP特征值选择LBP特征值最小的作为中心像素点的LBP特征。

具体做法如下图所示：

（3）LBP等价模式

Uniform Pattern，也被称为等价模式或均匀模式，由于一个LBP特征有多种不同的二进制形式，对于半径为R的圆形区域内含有P个采样点的LBP算子将会产生2^p种模式。很显然，随着邻域集内采样点数的增加，二进制模式的种类是以指数形式增加的。例如：5*5邻域内20个采样点，有2²⁰=1,048,576种二进制模式。这么多的二进制模式不利于文理的提取、分类、识别及存取。例如，将LBP算子用于纹理分类或人脸识别时，常采用LBP模式的统计直方图来表达图像的信息，而较多的模式种类将是的数据量过大，且直方图过于稀疏。因此，需要对原始的LBP模式进行降维，使得数据量减少的情况下能最好的表示图像的信息。

为了解决二进制模式过多的问题，提高统计性，Ojala提出了采用一种“等价模式”（Uniform Pattern）来对LBP算子的模式种类进行姜维。Ojala等认为，在实际图像中，绝大多数LBP模式最多只包含两次从1到0或从0到1的跳变。因此，Ojala将“等价模式”定义为：当某个LBP所对应的循环二进制数从0到1或从0到1最多有两次跳变时，该LBP所对应的二进制就称为一个等价模式类。如00000000（0次跳变），00000111（只包含一次从0到1的跳变），10001111(先由1跳到0，再由0跳到1，共两次跳变)都是等价模式类。除等价模式类以外的模式都归为另一类，称为混合模式类，例如10010111(共四次跳变)。通过这样的改进，二进制模式的种类大大减少，而不会丢失任何信息。模式数量由原来的2p种减少为 P ( P-1)+2种，其中P表示邻域集内的采样点数。对于3*3邻域内8个采样点来说，二进制模式由原始的256种减少为58种，即：它把值分为59类，58个Uniform pattern为一类，其它的所有值为第59类。这样直方图从原来的256维变成59维。这使得特征向量的维数更少，并且可以减少高频噪声带来的影响。

具体实现：采样点数目为8个，即LBP特征值有2⁸=256种，正好对应灰度图像的0-255，因此原始的LBP特征图像是一副正常的灰度图像，而等价模式LBP特征，根据0-1跳变次数，将这256个LBP特征值分为了59类，从跳变次数上划分：跳变0次-2个，跳变1次-0个，跳变2次-56个，跳变3次-0个，跳变4次-140个，跳变5次-0个，跳变6次-56个，跳变7次-0个，跳变8次-2个。共9种跳变情况，将这256个值进行分配，跳变小于2次的为等价模式类，共58个，他们对应的值按照从小到大分别编码为1—58，即它们在LBP特征图像中的灰度值为1—58，而除了等价模式类之外的混合模式类被编码为0，即它们在LBP特征中的灰度值为0，因此等价模式LBP特征图像整体偏暗。

4 LBP用于检测的原理

显而易见的是，上述提取的LBP算子在每个像素点都可以得到一个LBP“编码”，那么，对一幅图像（记录的是每个像素点的灰度值）提取其原始的LBP算子之后，得到的原始LBP特征依然是“一幅图片”（记录的是每个像素点的LBP值）。

LBP的应用中，如纹理分类、人脸分析等，一般都不将LBP图谱作为特征向量用于分类识别，而是采用LBP特征谱的统计直方图作为特征向量用于分类识别。

因为，从上面的分析我们可以看出，这个“特征”跟位置信息是紧密相关的。直接对两幅图片提取这种“特征”，并进行判别分析的话，会因为“位置没有对准”而产生很大的误差。后来，研究人员发现，可以将一幅图片划分为若干的子区域，对每个子区域内的每个像素点都提取LBP特征，然后，在每个子区域内建立LBP特征的统计直方图。如此一来，每个子区域，就可以用一个统计直方图来进行描述；整个图片就由若干个统计直方图组成；

例如：一幅100*100像素大小的图片，划分为10*10=100个子区域（可以通过多种方式来划分区域），每个子区域的大小为10*10像素；在每个子区域内的每个像素点，提取其LBP特征，然后，建立统计直方图；这样，这幅图片就有10*10个子区域，也就有了10*10个统计直方图，利用这10*10个统计直方图，就可以描述这幅图片了。之后，我们利用各种相似性度量函数，就可以判断两幅图像之间的相似性了；

而实际检测人脸时，因为不同块的表示人脸的贡献值不同，如眼睛的LBP的统计直方图对识别人脸的贡献明显要比光秃秃的额头的贡献大，在检测到人脸的情况下，我们通常给不同位置的块不同的权重来提高人脸识别的准确率，下面给出一组7*7时用到的权重模板的例子

2,1,1,1,1,1,2,

2,4,4,1,4,4,2,

1,1,1,0,1,1,1,

0,1,1,0,1,1,0,

0,1,1,1,1,1,0,

0,1,1,2,1,1,0,

0,1,1,1,1,1,0

5 对LBP特征向量进行提取的步骤

（1）首先将检测窗口划分为16×16的小区域（cell）；

（2）对于每个cell中的一个像素，将相邻的8个像素的灰度值与其进行比较，若周围像素值大于中心像素值，则该像素点的位置被标记为1，否则为0。这样，3*3邻域内的8个点经比较可产生8位二进制数，即得到该窗口中心像素点的LBP值；

（3）然后计算每个cell的直方图，即每个数字（假定是十进制数LBP值）出现的频率；然后对该直方图进行归一化处理。

（4）最后将得到的每个cell的统计直方图进行连接成为一个特征向量，也就是整幅图的LBP纹理特征向量；

然后便可利用SVM或者其他机器学习算法进行分类了。

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种可能，因此LBP值有256种。中心像素的LBP值反映了该像素周围区域的纹理信息。
备注：计算LBP特征的图像必须是灰度图，如果是彩色图，需要先转换成灰度图。
上述过程用图像表示为：


将上述过程用公式表示为：

(x c ,y c ) (xc,yc)

为中心像素的坐标，p为邻域的第p个像素，i p  ip

为邻域像素的灰度值，i c  ic

为中心像素的灰度值，s(x) s(x)

为符号函[1] T. Ojala, M. Pietikäinen, and D. Harwood (1994), “Performance evaluation of texture measures with classification based on Kullback discrimination of distributions”, Proceedings of the 12th IAPR International Conference on Pattern Recognition (ICPR 1994), vol. 1, pp. 582 - 585.
[2] T. Ojala, M. Pietikäinen, and D. Harwood (1996), “A Comparative Study of Texture Measures with Classification Based on Feature Distributions”, Pattern Recognition, vol. 29, pp. 51-59.

[3] Ahonen, T., Hadid, A., and Pietikainen, M. Face Recognition with Local Binary Patterns. Computer Vision- ECCV 2004 (2004), 469–481.