【翻译】HOG, Histogram of Oriented Gradients / 方向梯度直方图 介绍

本文翻译自 SATYA MALLICK 的 "Histogram of Oriented Gradients"

原文链接： https://www.learnopencv.com/histogram-of-oriented-gradients/

翻译：coneypo

在这篇文章中，我们将会学习 HOG （Histogram of Oriented Gradients，方向梯度直方图）特征描述子 的详细内容。

我们将学习 HOG 算法是如何实现的，以及在 OpenCv / MATLAB 或者其他工具里面如何计算特征子。

这篇文章是我正在写的，关于 Image Recognition / 图像识别 和 Object Detection / 目标检测 系列文章中的一部分。

很多事情看起来困难又神秘，但是你一旦花时间去了解，揭开神秘面纱，你就会发现神奇之处。

如果你是一个初学者，觉得计算机视觉又难又神秘，请记住一句话：

问：如何吃掉一个大象？

答：一口一口吃

什么是 Feature Desciptor / 特征描述子

Feature Desciptor / 特征描述子 从图像中提取有用信息，剔除无关信息；

典型的，特征描述子从将一张 宽度 * 高度 * 3 ( 通道数 ) 大小的图像，提取出长度为 n 的 Feature Vector / 特征向量 或者 Feature Array / 特征矩阵；

比如 HOG 特征描述子会从一张 64 * 128 * 3 的图像中提取出长度为 3780 的特征向量；

请记住， HOG 的特征描述子也可以计算其他尺寸，但是这篇文章中，我使用上述尺寸，以便你能够轻松的理解概念。

这些概念听起来都挺不错，但是哪些是“有用的信息”，有些又是“无用的信息"？

定义“有用的信息”，我们需要知道有用的信息用来干什么的；

很明显，通过特征向量用来浏览图像是没用的，但是在图像识别或者目标检测中，特征向量会变得很有用；

在一些图像分类算法中比如 SVM，Support Vector Machine，支持向量机 中，用特征向量进行分类会达到很好的结果。

但是在分类任务中，哪些特征是有用的呢？

我们借助下面的例子来讨论，比如现在我们想通过一个目标检测器，可以检测衬衫和大衣的纽扣；

一个纽扣是一个圆形（图片中也有可能看起来像是椭圆），一般来说有几个孔，用于缝到衣服上面；

你可以在纽扣的图像上使用一个 Edge detector / 边缘检测器，可以轻松通过检测边缘来辨别它是不是一个纽扣；

这个例子中，边缘信息是“有用的”而颜色信息是 ”无用的“；

除此之外，特征也需要有足够特殊的地方。比如一个好的特征，应该能够让你辨别出纽扣和其他圆形的物体，比如硬币和汽车轮胎。

如何计算 Histogram of Oriented Gradients / 方向梯度直方图？

在这一节，我们会继续深入学习如何计算 HOG 特征描述子。

步骤1：预加工

之前提到用于行人检测的 HOG 特征描述子，是基于 64×128 大小的图像。当然，图像可能是任何尺寸的；

对于这些之后用于分析的图像，唯一需要进行的处理是调整纵横比图像大小；

在我们的例子中，需要调整纵横比为1：2，比如图像可以被调整为 100×200, 128×256, 或者 1000×2000，但是不能是 101×205；

原始图像大小是 720×475，我们截切出来 100×200 大小图像用来计算 HOG 特征描述子，然后重新调整大小到 64×128；

现在我们就做完了计算 HOG 特征描述子准备工作。

Dalal 和 Triggs 的论文也提到了 Gamma Correction / 伽马校正 作为预处理步骤，但性能提升很小，因此我们选择预处理中跳过这一步。

步骤 2 ：计算梯度图像

为了计算 HOG 特征描述子，我们第一步需要计算水平和垂直方向的梯度。我们通过下面的 Kernel / 核 来处理图像，很容易计算出梯度的直方图。

我们可以使用核大小为 1 的 OpenCv 的 Sobel 算子：

    // C++ gradient calculation.
    // Read image
    Mat img = imread("bolt.png");
    img.convertTo(img, CV_32F, /255.0);
     
    // Calculate gradients gx, gy
    Mat gx, gy;
    Sobel(img, gx, CV_32F, , , );
    Sobel(img, gy, CV_32F, , , );

1    # Python gradient calculation
2     
3    # Read image
4    im = cv2.imread('bolt.png')
5    im = np.float32(im) / 255.0
6     
7    # Calculate gradient
8    gx = cv2.Sobel(img, cv2.CV_32F, 1, 0, ksize=1)
9    gy = cv2.Sobel(img, cv2.CV_32F, 0, 1, ksize=1)

接下来，我们通过下面的公式来计算梯度的幅值和方向：

在 OpenCv 中，我们可以使用 cartToPolar 函数来计算上述数值：

// C++ Calculate gradient magnitude and direction (in degrees)
Mat mag, angle;
cartToPolar(gx, gy, mag, angle, );
The same code in python looks like this.

# Python Calculate gradient magnitude and direction ( in degrees )
mag, angle = cv2.cartToPolar(gx, gy, angleInDegrees=True)

下图展示了梯度计算结果：

左边：x 方向梯度的绝对值
中间：y 方向梯度的绝对值
右边：梯度的幅值

注意 x 方向的梯度代表垂直方向的变化趋势，而 y 方向代表的是水平方向的变化；

如果图像像素变换迅速的话，可以在梯度图中明显看出，而当区域内变化缓慢时，不会出现梯度幅值；

梯度图像去除了很多不必要的信息，保留了关键信息。换句话说，你可以看着梯度图，然后轻松的辨别出来照片里的人；

每一个像素点，都有一个 Magnitude / 幅值 和 Direction / 方向；

对于彩色的图像，三种通道的梯度都会被评估计算，取的是最大的梯度。

步骤 3：在 8*8 cells / 网格 中计算梯度直方图

这一步，图像会被分割成 8*8 大小的单独 cells / 小格子，然后对于每个 8*8 的小格子，分别计算梯度直方图；

我们先来了解下为什么要把图像分割为 8*8 的小格子；

有一个重要的原因是使用特征描述子来描述一幅 image / 图像 的一个 patch / 子图像 的话，网格分割会提供了一个 compact / 紧凑 的表示方式；

一个 8*8 的子图像包含 8*8*3 = 192 个像素值。每个像素梯度有两个值（ Magnitude / 幅值 和 Direction / 方向 ），所以每个子图像会有 8*8*2=128 个数值；

在这节结束之前，我们会看到这 128 个数值如何使用 9 位的数组来 存储在 9 位的直方图中。经过压缩处理之后的数据具有更好的 抗噪性。

但是为什么取得是 8*8 的子图像而不是 32*32? 这是根据我们所要检测的目标来决定的；

对于 HOG 行人检测， 从 64*128 的行人图像中提取出的 8*8 子图像，已经足够用来提取出有用的信息（比如脸部，头的顶部等等）

直方图有必要是 9 位的向量，与 0，20，40，60… 160 度对应；

让我们来看看在一个 8*8 的子图像中，梯度是什么样的：

中间：用箭头来代表颜色和梯度的变化；

右边：用数字来代表子图像中的梯度；

如果你是一个计算机视觉的初学者，中间的图像会很有帮助很形象；

通过箭头来表示图像中梯度的变化，箭头的方向表示着像素强度变化的方向，幅值表示变化的缓慢；

通过右边的图，我们可以看到 8*8 子图像中提取出来的代表梯度的数值，这些角度从 0~180 度而不是 0~360 度，这些被称之为 unsigned gradients / 无符号梯度，因为一个梯度和它取负之后得到的是同样的数值；

换句话说，一个梯度箭头旋转180度之后被认为是一样的；

但是为什么我们不使用 0-360 度呢？经验告诉我们使用无符号的梯度，比使用有符号的梯度在行人检测中性能更好。不过一些 HOG 的实现中也可以允许你使用有符号的梯度。

接下来就是为这些 8*8 的子图像，建立一个梯度直方图。直方图有 9 位，来与 0, 20, 40…160 度相对应；

下面的图像向我们展示了操作过程，我们关注从 8*8 子图像中提取出来的幅值和方向；

* 根据梯度的方向来选择使用填充到哪一位，然后根据梯度的幅值来填充数值；

我们先来看看 蓝圈的数值，角度为 80，幅值为2，所以在直方图第五位加 2；

再来看看 红圈的数值，角度为 10，幅值为 4，角度 10 的话在 0 和 20 之间，所以将它的幅值 4 被一分为 2 ，分别在直方图的 "0 位" 和 "20 位" 里面放 2 。

还需要注意的一点是，如果 角度比 160 大，在 160 和 180 之间。我们知道在这里 0 度和 180 度一样，所以下面这个例子，角度 165 度被分到了 0 度和 160 度 两个位里面。

8*8 子图像提取出来的数值，经过处理，可以得到一个 9 位的直方图，对于上面的子图像，我们可以得到如下的直方图：

在我们的表示中，y 轴默认为 0 度。你可以从直方图中看到，在 0~180 度之间有很多分布，这也表明子图像中的梯度方向要么朝上要么朝下。

步骤 4：16*16 块归一化

在之前的步骤中，我们根据图像的梯度制作了直方图。但是对于亮度不同的图像，梯度很敏感。

如果你让所有像素点的数值除 2 来让图像变暗，梯度幅值也会相应的减半，因此直方图也会对应着减半。

理想情况下，我们希望我们的描述器是不随着亮度变化而变化的，换句话说，我们想要归一化直方图，所以让它不受亮度影响；

在我说明直方图如何被归一化之前，让我们来看看，一个长度为 3 的向量是如何被归一化的；

比如我们有个 RGB 颜色向量为 [ 128, 64, 32 ]，计算出长度为：

这也被称为这个向量的 L2 范数；

对向量的每个元素除以 146.64，得到归一化之后的向量 [ 0.87, 0.43, 0.22 ]。

现在考虑另一个向量，它的数值是之前向量的两倍，2 x [ 128, 64, 32 ] = [ 256, 128, 64 ]；

通过同样的计算方式，你可以得到同样的归一化向量 [ 0.87, 0.43, 0.22 ]，这就可以解决之前提到的亮度的影响问题。

现在我们知道了如何去归一化向量，也许你会认为，归一化 9*1 的直方图和上面介绍的 3*1 的向量归一化一样。这想法并没有错，但是更好的方式是用一个更大尺寸 16*16 的块去归一化；

也就是 36*1 的直方图可以看成 4 个 9*1 的直方图构成，然后窗口以 8 像素移动（见上图），计算出归一化的 36*1 大小的向量然后重复这个过程遍历图像。

可视化 HOG

通过在 8*8 子图像里面进行 9*1 归一化的直方图，我们可以可视化子图像的 HOG 的描述子。

在下图中你会发现，直方图的 Dominant direction / 主要方向 捕获了这个人的外形，尤其在躯干和腿。

不幸的是，在 OpenCv 中进行 HOG 的特征描述子的可视化比较困难。

# 英文版权 @ SATYA MALLICK 

# 翻译中文版权 @ coneypo

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