OpenCV级联分类器识别车辆实践笔记

1. OpenCV 级联分类器的基本原理

基于Haar特征的级联分类器的目标检测是Paul Viola和Michael Jones在2001年的论文中提出的一种有效的目标检测方法。这是一种基于机器学习的方法，从大量的正面和负面图像中训练级联函数。然后用它来检测其他图像中的物体。

Haar特征是一种反映图像的灰度变化的，像素分模块求差值的一种特征。它分为三类：边缘特征、线性特征、中心特征和对角线特征。就像卷积核一样。每个特征都是一个单独的值，由黑色矩形下的像素和减去白色矩形下的像素和得到。用黑白两种矩形框组合成特征模板，在特征模板内用黑色矩形像素和减去白色矩形像素和来表示这个模版的特征值。

例如：脸部的一些特征能由矩形模块差值特征简单的描述，如：眼睛要比脸颊颜色要深，鼻梁两侧比鼻梁颜色要深，嘴巴比周围颜色要深等。但矩形特征只对一些简单的图形结构，如边缘、线段较敏感，所以只能描述在特定方向（水平、垂直、对角）上有明显像素模块梯度变化的图像结构。这样就可以进行区分人脸。

级联分类器（Cascade Classifier）是一种用于目标检测的机器学习模型，通常用于识别静态图像或视频流中的特定对象或物体。级联分类器的一个重要应用是人脸检测。

级联分类器基于强分类器的级联结构，其中每个强分类器都是由多个弱分类器组成的。弱分类器是一种简单而不太准确的分类器，但通过级联结构及其组合，可以达到高效且精确的目标检测效果。

2. 级联分类器CascadeClassifier检测的基本原理：

Haar特征分类器就是一个XML文件，用于存储检测特征，xml中存放的是训练后的特征池，特征size大小根据训练时的参数而定，检测的时候可以简单理解为就是将每个固定size特征（检测窗口）与输入图像的同样大小区域比较，如果匹配那么就记录这个矩形区域的位置，然后滑动窗口，检测图像的另一个区域，重复操作。由于输入的图像中特征大小不定，比如在输入图像中眼睛是50x50的区域，而训练时的是25x25，那么只有当输入图像缩小到一半的时候，才能匹配上，所以这里还有一个逐步缩小图像，也就是制作图像金字塔的流程。

利用Opencv自带的Haar特征分类器进行人脸检测，该文件中会描述人体各个部位的Haar特征值。包括人脸、眼睛、嘴唇等等。Haar特征分类器存放目录：OpenCV安装目录中的\data\ haarcascades目录下。

3. 静态图中车辆识别

python 复制代码

from PIL import Image
import cv2
import numpy as np

image = Image.open('V1.png')
w,h = image.size
#image = image.resize((int(w/2),int(h/2)))
image_arr = np.array(image)
image

python 复制代码

grey = cv2.cvtColor(image_arr,cv2.COLOR_BGR2GRAY)
dilated = cv2.dilate(blur,np.ones((3,3)))

kernel = cv2.getStructuringElement(cv2.MORPH_ELLIPSE, (2, 2))
closing = cv2.morphologyEx(dilated, cv2.MORPH_CLOSE, kernel) 
Image.fromarray(closing)

python 复制代码

car_cascade_src = 'haarcascade_car.xml'
car_cascade = cv2.CascadeClassifier(car_cascade_src)
cars = car_cascade.detectMultiScale(closing, 1.1, 1)
cnt = 0
for (x,y,w,h) in cars:
  cv2.rectangle(image_arr,(x,y),(x+w,y+h),(255,0,0),2)
  cnt += 1
print(cnt, " cars found")
Image.fromarray(image_arr)

21  cars found

4. 动态视频中车辆识别

python 复制代码

import cv2
import numpy as np

car_classifier= cv2.CascadeClassifier('haarcascade_car.xml')
cap= cv2.VideoCapture('cars.avi')

while True:    
    ret, frame= cap.read()
    if ret:
        #frame= cv2.resize(frame, None, fx= 0.5, fy= 0.5, interpolation= cv2.INTER_LINEAR)
        gray= cv2.cvtColor(frame, cv2.COLOR_BGR2GRAY)
        cars= car_classifier.detectMultiScale(gray,1.2,3)

        for (x,y,w,h) in cars:
            cv2.rectangle(frame,(x,y),(x+w,y+h), (0,255,255),2)
            cv2.imshow('Cars', frame)

    else:
        print('warning: video is not load correctly or the video is finished')
        break
        
    key = cv2.waitKey(1)   #每一帧图像就显示一毫秒就可以，然后继续循环
    if key == 27:          #27是esc的ascall码
        break            
            
cap.release()
cv2.destroyAllWindows()

5. 关键OpenCV函数说明

cv2.CascadeClassifier.detectMultiScale() 函数介绍

在 OpenCV 中，人脸检测使用的是 cv2.CascadeClassifier.detectMultiScale()函数，它可以检

测出图片中所有的人脸。该函数由分类器对象调用，其语法格式为：

objects = cv2.CascadeClassifier.detectMultiScale( image[,

scaleFactor[, minNeighbors[, flags[, minSize[, maxSize]]]]] )

式中各个参数及返回值的含义为：

image：待检测图像，通常为灰度图像。
scaleFactor：表示在前后两次相继的扫描中，搜索窗口的缩放比例。
minNeighbors：表示构成检测目标的相邻矩形的最小个数。默认情况下，该值为 3，意味着有 3 个以上的检测标记存在时，才认为人脸存在。如果希望提高检测的准确率，可以将该值设置得更大，但同时可能会让一些人脸无法被检测到。
flags：该参数通常被省略。在使用低版本 OpenCV（OpenCV 1.X 版本）时，它可能会被设置为 CV_HAAR_DO_CANNY_PRUNING，表示使用 Canny 边缘检测器来拒绝一些区域。
minSize：目标的最小尺寸，小于这个尺寸的目标将被忽略。
maxSize：目标的最大尺寸，大于这个尺寸的目标将被忽略。
objects：返回值，目标对象的矩形框向量组。

代码中所涉及到的模型和视频等资源，详见OpenCV级联分类器识别车辆实践笔记中所涉及到的资源。

参考：

小海聊智造. opencv 进阶10-人脸识别原理说明及示例-cv2.CascadeClassifier.detectMultiScale(). CSDN博客. 2023.08

Stray_Lambs. 浅析cv2.CascadeClassifier()函数. CSDN博客. 2019.09

HAMED ETEZADI ·Haar cascade classifier-Car Detection. Kaggle. 2022.04
How to Detect Cars in a Video in Python using OpenCV. Learning about Electronics