Recognition：基于HoG特征的最近邻分类器与SVM的人物检测器

实际运行结果：

上面的为最近邻分类器，其中红框表示最近邻搜索的预测结果。
下方的为SVM：橙色框表示SVM的预测结果。其中，最红的框表示SVM预测的最高得分的预测结果。

使用经典图像处理的方法开发简单人物检测器，其大致步骤如下：

获取正样本训练数据，即包含人的图像块。获取负样本训练数据，即不包含（完整）人的图像块。
提取方向梯度直方图（HoG）特征，以获取比原始像素值更稳健的图像描述符。
使用这些训练数据训练我们选择的分类器。使用一个简单的最近邻搜索或支持向量机。
使用滑动窗口方法从我们的验证图像中提取图像块和HoG特征，并在每个图像块上评估分类器，以便在验证图像中检测出人。

1 获取训练图像块

通过已经有的图像及数据，我们可以获得正样本训练数据，即包含人的图像块，使用PIL库进行裁剪

assert isinstance(img, Image.Image), 'img needs to be PIL.Image.Image'
crop = img.crop(box)  
patch = crop.resize(patch_size)
return patch

再通过将给定大小的框放置在图像中的随机位置，获得负样本训练数据；

x = np.random.randint(0, W - boxsize[0])
y = np.random.randint(0, H - boxsize[1])
box = [x, y, x + boxsize[0], y + boxsize[1]]

为了包括更具挑战性的负样本，我们需要在已有的边界框基础上添加一个小的随机偏移量，从而构建出与正样本训练数据相似的困难的负样本。

off_x = np.random.randint(min_offset, max(2, max_offset_w))
off_y = np.random.randint(min_offset, max(2, max_offset_h))
off_box = [box[0] + off_x, box[1] + off_y, box[2] + off_x, box[3] + off_y]

2 提取 HoG 特征

为了构建一个更鲁棒的人体检测器，我们将使用方向梯度直方图（Histogram of Oriented Gradients，HoG）特征。HoG 特征在处理视角、光照变化以及小的形变（如平移、缩放、旋转、透视变换）时具有较强的鲁棒性。

基本思想：

HoG 的核心思想是通过梯度方向和梯度幅值来表示图像块。具体，我们将图像块的每个像素点的梯度角度（由梯度方向决定）和梯度幅值（由梯度大小决定）用直方图表示，从而得到该图像块的特征描述。

提取步骤：

梯度计算
- 梯度幅值 (Gradient Magnitude)：首先，对输入图像进行梯度计算，得到每个像素点的梯度幅值（强度）和梯度方向。梯度幅值描述了像素值变化的程度，梯度方向描述了变化的方向。
- 梯度方向 (Gradient Angle)：计算每个像素点的梯度方向，并将这些方向量化为若干个方向区间。例如，这里将方向区间划分为8个方向（每个方向45度），这样可以简化计算和后续处理。
图像划分

将图像划分为多个较小的单元（cells），每个单元包含8x8个像素。
构建方向直方图

方向量化和加权：将梯度方向映射到相应的方向区间，并将梯度幅值作为该区间的权重值加进去。
块归一化

将若干个单元组合成一个块，例如2x2的单元构成一个块。然后，对块内的梯度方向直方图进行归一化处理，以增强特征的鲁棒性。
特征向量构建

将所有块的归一化直方图拼接在一起，形成最终的HoG特征向量。

我们可以使用 scikit-image 库来计算图像的HoG特征。

hog(img, orientations=8, pixels_per_cell=(16, 16), cells_per_block=(1, 1), channel_axis=-1, **kwargs)

img：输入图像，类型可以是2D灰度图或3D彩色图
orientations：方向区间的数量，即将梯度方向划分为多少个区间。默认值为8
pixels_per_cell：每个单元（cell）包含的像素数，通常为一个2元组，例如(16, 16)，表示每个单元为16x16个像素
cells_per_block：每个块（block）包含的单元数，通常为一个2元组，例如(1, 1)，表示每个块包含1x1个单元，即不进行块归一化
channel_axis：图像通道所在的轴，对于彩色图像，通常为-1表示最后一个轴

3 训练分类器

将之前获取的正和负训练图像块进行HoG特征提取后拼接在一起，得到训练使用的特征向量X

for p in positives:fds_pos.append(get_hog(p))
for n in negatives:fds_neg.append(get_hog(n))
X = np.stack(fds_pos + fds_neg)

再使用正样本（标签是1）创建了一个全为1的布尔数组，长度等于正样本的数量；负样本（标签是0）创建了一个全为0的布尔数组，长度等于负样本的数量。这两个数组被连接在一起，形成了目标向量y。

y = np.concatenate([np.ones(len(positives), dtype=np.bool), np.zeros(len(negatives), dtype=np.bool)])

支持向量机SVM：

使用 sklearn.svm.SVC 训练支持向量机。

svm = SVC(class_weight='balanced') # use balanced weight since we have more negatives than positives
svm.fit(X, y)

4 Evaluate

为了评估分类器，我们需要从目标图像中提取图像块及其 HOG 特征，以便我们的目标数据与训练数据进行对比。我们使用滑动窗口方法：

在图像上滑动窗口：
- 从图像的左上角开始，将窗口放置在该位置。提取窗口覆盖的图像区域作为一个裁剪。
- 根据步长在图像上移动窗口，提取新的裁剪。
- 重复上述步骤，直到窗口覆盖完整个图像。
```
for y in range(0, H - window_size[1], step_size):for x in range(0, W - window_size[0], step_size):window = (x, y, x + window_size[0], y + window_size[1])
```
特征提取与分类：
- 对每个裁剪提取HoG特征。
- 使用预先训练好的分类器对每个裁剪进行分类，判断其是否包含目标。