训练样本数量对HOG-SVM目标检测算法的影响

李勇泽，陈磊

（中国民航大学中欧航空工程师学院，天津 300300）

0 引言

计算机视觉的目标检测算法在近十年有了突飞猛进的发展，算法研究的重心从传统的特征提取加分类器的模式，逐渐转移到了特征提取与神经网络相结合的模式。然而，相比于神经网络，传统算法所需的计算资源较少，因此，对于计算资源宝贵的嵌入式系统来说，传统的目标检测算法往往更加实用。在众多的目标检测算法中，方向梯度直方图（Histogram of Orienta⁃tion Gradient,HOG）加支持向量机（Support Vector Ma⁃chine,SVM）分类器由于具有较好的检测性能而倍受关注。

在训练HOG-SVM算法时需要用到大量经过标记的正、负样本，而且一般都采用人工标记的方式获取。这项工作需要耗费大量的人力，例如著名的PASCAL视觉目标分类数据集（The PASCAL Visual Object Class⁃es,PASCAL VOC）[1]在收集和标记PASCAL VOC 2008上花费了700小时。因此，研究训练样本数量对于目标检测算法的影响，可以在一定程度上减少研究人员在收集和标注样本上的花费，并且对目标检测算法性能的比较上也具有一定的参考价值。

1 HOG特征提取

方向梯度直方图（HOG）特征最早是由N.Nadal和B.Triggs在2005年提出[2]，最早用于行人的检测，后来推广到对其他物体的检测。相比于边缘方向直方图（Edge Orientation Histograms）、尺度不变特征变换匹配算法（Scale Invariant Feature Transform,SIFT）以及形状上下文（Shape Contexts），HOG是在网格密集、大小统一的细胞单元上进行计算，为了提高性能，采用了重叠的局部对比度归一化处理[3]。

HOG特征提取的基本流程如图1所示：

图1 HOG特征提取流程

本文使用PASCAL VOC 2012数据集[5]中的四个类别来训练和测试算法，这四个类别分别是dog,cat,car,bird。提取HOG特征的步骤如下：

（1）将样本集中的图像裁剪并根据样本类别缩放至固定大小；

（2）对图像进行Gamma归一化处理；

（3）计算图像中每个像素点的梯度方向和梯度值。水平边缘算子：[-1,0,1]；垂直边缘算子：[- 1,0,1]T，图像中像素点（x,y）的梯度为[4]：

式（1）中，Gx(x ,y),Gy(x ,y),H(x ,y)分别表示输入图像中像素点(x ,y)处的水平方向梯度、垂直方向梯度和像素灰度值。像素点(x ,y)处的梯度幅值和梯度方向分别为：

HOG特征计算图像梯度的方式有多种，使用不同的梯度算子对算法性能有一定影响。实验表明，使用上式所示的简单的梯度算子，得到的算法性能最好。

（4）将样本图像分成小的固定大小的单元格（cell），每个cell的大小为8×8像素。将cell中的梯度方向360度分成9个方向块，用一个9维的直方图来表示，对cell内的每个像素，根据其梯度方向在直方图中进行加权投票，用梯度幅值来表示权值的大小。

（5）将一定排列的 cell组成块（block），并以block为单位统计梯度向量，归一化梯度直方图。Block从图像左上角开始，以一个cell为步长移动，直至遍历整个图像。归一化block中的特征向量即可得到block上的HOG特征。Block和block之间有重叠，因此能保证同一个cell的不同的归一化结果（cell在不同的Block中被归一化）能对最后的HOG向量都有贡献，从而使得算法具有一定的平移不变性。归一化能够进一步地对光照、阴影和边缘进行压缩，使特征向量空间对光照，阴影和边缘变化具有鲁棒性。采用L2-范数方式归一化可以极大地提高HOG的性能，如公式（5）所示：

（6）合并所有block中的梯度向量，形成最终的HOG特征。本文所用到的样本检测窗口大小和特征维度数量如表1所示：

表1 检测窗口大小与HOG特征维度数量

2 评价指标

常用于评价目标检测算法性能的指标包括准确率（Accuracy）、精确率（Precision）、召回率（Recall）和 F1-Measure[6]。通常关注的类为正类，其他类为负类，算法在测试数据集上的预测或正确或不正确，4种情况出现的总数分别记作：

TP：将正类预测为正类数；

FN：将正类预测为负类数；

FP：将负类预测为正类数；

TN：将负类预测为负类数。

准确率的定义为：

精确率的定义为：

召回率的定义为：

F1-Measure是精确率和召回率的调和均值，其定义为：

精确率和召回率都高时，F1的值也会高。

3 实验结果与分析

本文的实验环境为：CPU为Intel Core i5-6200U处理器（主频为2.30GHz），内存为8GB，操作系统为Win⁃dows 10，使用的编程平台为MATLAB 2016。

采集PASCAL VOC 2012数据集时，采用人工标注的方式标记出图片中的目标，通过脚本程序读取标注信息并裁剪出目标，然后缩放至表1所示大小，从而生成正样本集，再从不包含目标的图片中随机截取表1所示大小的图片，形成负样本集。然后分别从正、负样本集里随机抽取样本，生成训练样本集和测试样本集，其中，每个测试集中包含1000个正样本和数量相等的负样本，训练集中的正、负样本数量相等，每个训练集中的正样本数量如表2所示：

本文设置四个类别，每个类别设置10个数量以指数增长的训练样本集，以此作为一组实验。为了减少实验中的偶然性误差，重复进行了9组独立实验，以9组实验结果的平均值作为最终的实验结果。

根据式（6）和式（7）计算得到准确率和召回率随训练样本数变化曲线如图2所示：

表2 各训练集正样本数量

图2 样本数量-精确率与样本数量-召回率曲线

上图2的横坐标为训练所用的正样本数量，注意横坐标不是均匀增加的，而是取了以2为底的对数。纵坐标分别为准确率和召回率。可以看出，目标类型对HOG-SVM算法的检测性能有一定的影响。在样本数量相同时，HOG-SVM算法对car这类目标的检测效果最好，最高能达到75%的准确率和57%的召回率。对bird的检测效果最差，在训练样本达到一定数量之后，也能达到60%以上的准确率和50%以上的召回率。对于同一类目标，在样本数量较小时，检测的准确率随样本数量的增加而增加。在样本数量超过80时，检测准确率和召回率都趋于稳定，几乎不再增加。

与2010年的PASCAL VOC竞赛[7]的结果相比，在召回率相同的情况下，当训练样本数量达到80时，HOG-SVM算法对于这四类样本的检测准确率也能达到中等水平。

为了更深入地分析，本文计算出了不同组实验结果的F1值及其方差，如图3所示。可以发现，F1出现与准确率和召回率同样的趋势，即当样本数量达到80之后，F1随训练样本数量增加的速度变慢且趋于稳定。F1的方差也随训练样本数量增加而减小，且在训练样本数量达到80之后下降到一个极小的值并趋于稳定。说明在训练样本数量达到80之后，各组实验的差异性变得极小且HOG-SVM算法的检测性能趋于稳定。

图3 样本数量-F1值方差与样本数量-F1曲线

4 结语

针对目标检测算法获取训练样本成本较高的问题，本文对HOG-SVM目标检测算法检测性能与训练样本数量的关系进行研究。通过一系列实验发现，对于同一类别的目标，随着训练样本数量的增加，算法分类准确率和召回率都有一定的增加，当训练样本数量达到80时，分类准确率趋于平缓且达到可用水平。