Opeｎcv object detection_takmin

第１０回CV勉強会 OpenCV祭り
物体検出徹底解説！
takmin

＜質問＞
OpenCVで一番有名な機能
といったらなんでしょう？

＜答え＞
顔検出
（※この発言は個人の見解であり、所属す
る組織の公式見解ではありません）

実は認識出来るのは「顔」だけ
じゃないんです

というわけで、「物体」検出の仕
組みと使い方を徹底解説

物体検出徹底解説！
 物体検出の仕組み
 Viola & Johnsのアルゴリズムを解説
 物体検出の使い方
 2.0以降の変更点
 物体検出器を作ってみよう！
 opencv_createsamples
 opencv_traincascade

Viola & Johnsのアルゴリズム
 OpenCVの物体検出は、以下の手法を実装している
 Rainer Lienhart and Jochen Maydt, "An Extended Set of Haar-like
Features for Rapid Object Detection", IEEE ICIP 2002,Vol. 1, pp. 900-903,
Sep. 2002.
 Ojala and M. Pietikainen, “Multiresolution Gray-Scale and Rotation
Invariant Texture Classification with Local Binary Patterns”, IEEE Trans on
PAMI,Vol. 24. No.7, July, 2002. (LBPの論文)

ここでは、大元となった以下の論文を元に解説する
Paul Viola and Michael J. Jones,
"Rapid Object Detection using a Boosted Cascade of
Simple Features",
IEEE CVPR, 2001.

物体検出の流れ
探索窓

物体検出の基本原理
学習フェーズ認識フェーズ

学習画像
学習画像
学習画像入力画像
Haar-Like
特徴
特徴量抽出特徴量抽出

AdaBoost
学習認識

学習結果
認識結果
データ

機械学習とは？
 人間が自然に行っている学習能力と同様の機能をコン
ピュータで実現させるための技術・手法のこと
 事前にコンピュータにサンプルデータを与え、そのパターンを
統計的に抽出させる。
学習サンプル
学習結果

AdaBoost
 弱い識別器を並べて、強い識別器を作成する機械学習

非正解画教師
正解画像像信号

学習
弱い識別器強い識別器

・・・・

AdaBoostの学習の流れ
以下の処理を繰り返し、１ラウンドごとに１つの特徴を選ぶ

1. 学習画像（正解及び非正解）を用意する。（例：顔画像と顔を含まない画
像）

2. 各画像ごとの重みを、正解画像、非正解画像ごとに一様にする。（各々
の合計は0.5）

3. 以下を指定回数繰り返す。
1. 重みの合計が１になるように正規化
2. 各々の識別器に画像の判定を行わせ、学習画像毎の重みを元にエラー率を
算出する
3. エラー率が最も小さくなった識別器を選択する。
4. その識別器が判別を誤った画像の重みを重くする。

4. 選択した識別器の重み付き和を最終的な強識別器とする。

Haar-Like特徴

特徴量 = 白領域の画素値－黒領域の画素値

Haar-Like特徴と探索窓
 探索窓の中に、１つHaar-Like特徴を持つ。
 １つの弱識別器は、１つの探索窓から構成
 探索窓内のHaar-Like特徴の「位置」、「サイズ」、「種類」
を様々に変えて、約１２万個の識別器を用意。
矩形特徴
探索窓（Haar-Like特徴）

AdaBoostの学習結果の例
 AdaBoostを通して、最適な探索まで自動的に選択される

選択された特徴の例

画像出典：
P.Viola and M.J. Jones, "Rapid Object Detection using a Boosted Cascade of Simple
Features", IEEE CVPR, 2001.

検出の高速化

1. 積分画像によるHaar-Like特徴計算の
高速化
2. Attentional Cascadeによる物体領域選
択の高速化

高速化の仕組み – 積分画像 -
 各画素の値を積分した画像を作成する。（右下に行くほど画
素の値が大きくなる）
 矩形領域の画素値の総和が非常に高速に計算可能になる。
P1 = 領域Aの画素値の総和
P2 = 領域A+Bの画素値の総和
P3 = 領域A+Cの画素値の総和
P4 = 領域A+B+C+Dの画素値の総和
P’2
A B B’
P1 P2

C D A’ P’1 D’ P’4

P4
P3
C’ P’3

D = P4 – P2 – P3 + P1 D’ = P’4 – P’2 – P’3 + P’1

高速化の仕組み – Attentional Cascade -
 画像中は「物体以外」の領域の方が多い
 効率よく「物体以外」の領域を削除するために、強識別器を複
数連結させ、上位で関係ない領域を早めに削除する。

全ての探索窓

TRUE TRUE TRUE
１２３更なる処理

FALSE FALSE FALSE

拒否された探索窓

物体検出器の構造（まとめ）
 物体検出器の学習データは以下の構造を持つ

カスケード型検出器

ステージ１（強識別器）ステージ２（強識別器）

弱識別器１弱識別器１
Haar-Like特徴 Haar-Like特徴

弱識別器２弱識別器２・・・・・

・・
・・
・・
・・

OpenCVで物体検出
OpenCV 2.0以降の変更点：

 CascadeClassifierクラスを追加
 CインターフェースのCvHaarClassifierCascadeに対応

 弱識別器として使用する特徴量の基底クラス導入
 FeatureEvaluatorクラスを継承することで、独自特徴量を実
装可能。
 現在はHaar特徴とLBP特徴が実装されている。

Local Binary Pattern (LBP)
• 注目画素の８近傍の値が、注目画素より高いか低いかで
ラベリングし、符号化
• 全画素で符号を計算し、ヒストグラムを作成

Jo Chang-yeon, “Face Detection using LBP features”, CS 229 Final Project Report

Local Binary Pattern (LBP) 続き
• 顔画像をM個のブロックへ分割（重なりなし）し、それぞれ
のヒストグラムを求めて結合する（256×M個のビン）
• この結合ヒストグラムの一つのビンが弱識別器

Jo Chang-yeon, “Face Detection using LBP features”, CS 229 Final Project Report

物体検出の実行（顔検出の例）
/* 正面顔検出器のロード */
cv::CascadeClassifier cascade( "haarcascade_frontalface_alt.xml" );

std::vector<cv::Rect> faces;
std::vector<cv::Rect>::iterator face_itr;

/* 顔検出 */
fcascade.detectMultiScale( image, faces);

/* 顔領域の描画 */
for( face_itr = faces.begin(); face_itr != face_itr.end(); face_itr++ )
{
cv::rectangle( image, *face_itr, CV_RGB(255,0,0), 3 );
}

/* 画像の表示(略) */

物体検出の実行
 実行の流れ
1. CascadeClassifierクラスへオブジェクトの学習ファイル
(XML)を読み込み
 コンストラクタの引数、もしくはload()メソッド
 ファイル読み込み時にHaar特徴かLBP特徴かは自動で
判断
2. CascadeClassifier::detectMultiScale ()関数で、物体検出
 std::vector<cv::Rect>クラスへ結果を格納

学習データ
 “＜OpenCV_HOME＞/data/”
 “haarcascades/” : Haar特徴を用いた学習データ
 正面顔
 顔パーツ
 横顔
 上・下半身
 “lbpcascades/” : LBP特徴を用いた学習データ
 正面顔

手順
1. 学習データを集める。（正解画像と非正解画像）

2. 学習用テキストファイルを作成する

3. “opencv_createsamples”を用いて正解画像データ
を作成する。

4. “opencv_traincascade”を用いて物体情報を学習さ
せて、XMLファイルを生成する。

参考資料
私の知る限り、ver2.0以降の物体検出器生成手順を
書いた正式なドキュメントはありません（！？）
ただし、ver1.1までのドキュメントでも、使い方はなんとか類推で
きる。

参考資料：
 “/doc/haartraining.htm”
 http://lab.cntl.kyutech.ac.jp/~kobalab/nishida/opencv/haa
rtraining_jp.htm（日本語訳）
 http://robotik.inflomatik.info/other/opencv/OpenCV_O
bjectDetection_HowTo.pdf

学習画像を集める
正解画像3000枚、非正解画像7000枚程度

 Google Image
 http://images.google.co.jp/
 Flickr
 http://www.flickr.com/
 研究用データ
 Pascal VOC
 http://pascallin.ecs.soton.ac.uk/challenges/VOC/
 MITの顔画像データ
 http://cbcl.mit.edu/software-datasets/FaceData2.html
 カリフォルニア工科大学の物体画像データ
 http://www.vision.caltech.edu/Image_Datasets/Caltech101/Caltech101.html
 http://www.vision.caltech.edu/Image_Datasets/Caltech256/
 etc
 自分で撮影する

学習用テキストを編集する
 画像のリストファイルを作成する（非正解画像の例）
NG.txt
＜作業ディレクトリ＞ NG¥image_0001.jpg
NG.txt NG¥image_0002.jpg
OK.txt NG¥image_0003.jpg
NG¥image_0004.jpg
NG NG¥image_0005.jpg
image_0001.jpg .
image_0002.jpg .
.
image_0003.jpg
.
OK
image_0001.jpg
image_0002.jpg
image_0003.jpg

学習用テキストを編集する
 画像のリストファイルを作成する（正解画像の例）

OK.txt
＜作業ディレクトリ＞
OK¥image_0001.jpg 1 120 100 45 45
NG.txt
OK¥image_0002.jpg 2 100 200 50 50 50 30 25 25
OK.txt OK¥image_0003.jpg 1 40 55 60 60
OK¥image_0004.jpg 1 104 98 40 40
NG
OK¥image_0005.jpg 2 62 70 50 50 120 162 30 30
image_0001.jpg
.
image_0002.jpg .
image_0003.jpg .
.
OK
image_0001.jpg
image_0002.jpg ファイル名物体の位置×物体数
物体数 (x,y,width,height)
image_0003.jpg

物体座標の表記
（0, 0） x

（X,Y）

Heigh
t

Width
y

以下のサイトから、”ObjectMaker”というプロットツールをダウンロード可能！
http://opencv.willowgarage.com/wiki/ObjectDetection

“ObjectMarker”を日本語化他、色々と使いやすく改造した物
http://www.hvrl.ics.keio.ac.jp/~takuya/profile_j.html

正解画像データの作成
コマンドラインで“opencv_createsamples”という実
行ファイルを使用して、正解画像を変換する。
 ２通りの正解データ作成方法
1. １枚の画像を、歪めたり、回転させたり、色の分布を変える
などして、大量の学習データを作成する場合。（ロゴなど）
 正直精度悪くてあんまり使えない。

2. 大量の学習画像を集めて、オブジェクトの領域をプロットす
る場合。（顔、バイク、車など）

正解画像データの作成
画像ファイルリストから生成する場合

場所：
このファイルを次のカス
<OpenCV_HOME>/bin/opencv_createsamples” ケード学習時に使用する

コマンド例：
opencv_createsamples -info OK.txt -vec uiuc_car.vec -num 500 -w
50 -h 20 –show

-info: 正解画像リストファイル
-vec: 出力データファイル名
-num: 正解画像数
-w: 学習時の画像幅
-h: 学習時の画像高さ
-show: 学習画像のGUIによる確認

学習の開始
場所：
“<OpenCV_HOME>/bin/opencv_traincascade”

コマンド例：
opencv_traincascade -data uiuc_car -vec uiuc_car.vec -bg NG.txt -numPos 500
-numNeg 1327 -w 50 -h 20 -numStages 9 -featureType HAAR -mode ALL

-data: 作成するファイル名。拡張子に”.xml”が付与される。
-vec: createsamplesで作成した正解画像データ名
-bg: 非正解画像ファイル名
-numPos: 正解画像数
-numNeg:非正解画像数
-w, -h: 画像サイズ。createsamplesで指定したものと同じにする。
-numStages: 作成するステージ数
-featureType: 特徴の型。HAARまたはLBP
-mode: Haar-Like特徴の種類を指定

学習の開始
学習の様子
===== TRAINING 0-stage =====
<BEGIN
POS count : consumed 500 : 500
NEG count : acceptanceRatio 1327 : 1
Precalculation time: 44.686
+----+---------+---------+
| N | HR | FA |
+----+---------+---------+
| 1| 1| 1|
+----+---------+---------+
| 2| 1| 1|
+----+---------+---------+
| 3| 1| 1|
+----+---------+---------+
| 4| 0.998| 0.517709|
+----+---------+---------+
| 5| 0.996| 0.37679|
+----+---------+---------+
END>

実験
 UIUC Car Datasetを使って車を学習させてみる
 正解画像:500枚非正解画像:500枚
 学習画像サイズ100x40
 更にCaltech256のclutterデータ827枚を非正解画像として追
加
 HAAR特徴は50x20の画像サイズに対し、LBP特徴は100x40
の画像サイズに対して学習
学習画像例
positive negative

結果
HAAR特徴

LBP特徴

結果

特徴量 Recall Precision F-measure

HAAR特徴 64% 23% 34%

LBP特徴 70% 46% 56%

まとめ
 OpenCVの物体検出は顔以外にも使える
 物体検出の原理の解説
 原理を分かっていたほうが、学習パラメータの意味も理解しや
すい
 OpenCVで検出器を作成する方法の解説
 学習画像をたくさん集める必要
 createsamplesで正解画像データを作成し、traincascadeで学習
データXMLを生成

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