特征提取算法（1）——纹理特征提取算法LBP

模式识别中进行匹配识别或者分类器分类识别时，判断的依据就是图像特征。用提取的特征表示整幅图像内容，根据特征匹配或者分类图像目标。

常见的特征提取算法主要分为以下3类：

• 基于颜色特征：如颜色直方图、颜色集、颜色矩、颜色聚合向量等；
• 基于纹理特征：如Tamura纹理特征、自回归纹理模型、Gabor变换、小波变换、MPEG7边缘直方图等；
• 基于形状特征：如傅立叶形状描述符、不变矩、小波轮廓描述符等；

LBP特征提取算法

LBP（Local Binary Patterns，局部二值模式）是提取局部特征作为判别依据的，一种有效的纹理描述算子，度量和提取图像局部的纹理信息，它具有旋转不变性和灰度不变性等显著的优点，对光照具有不变性。用于纹理特征提取。而且，提取的特征是图像的局部的纹理特征。有多种改进型，LBP结合BP神经网络已经用于人脸识别等领域。

灰度不变性：指的是光照变化是否会对描述产生影响。以上面的8邻域来说，光照变化很难改变中心像素点的灰度值与周围8个像素的大小关系。因为光照是一种区域性质的变化，而不是单像素性质的变化。

1、LBP特征描述

LBP的基本思想是定义于像素的8邻域中（3x3的窗口）, 以中心像素的灰度值为阈值, 将周围8 个像素的值与其比较, 如果周围的像素值小于中心像素的灰度值, 该像素位置就被标记为0, 否则标记为1。这样3x3的邻域内的八个点经过比较能够产生8位二进制数（通常转换为十进制，即LBP码，共256种），每个像素得到一个二进制组合, 即得到该窗口中心像素点的LBP值，并用这个值来反映该区域的纹理信息。

2、LBP的改进版本：

（1）圆形LBP算子

基本的 LBP算子的最大缺陷在于它只覆盖了一个固定半径范围内的小区域，这显然不能满足不同尺寸和频率纹理的需要。为了适应不同尺寸的纹理特征，达到灰度和旋转不变性的要求。将 3×3邻域扩展到任意邻域，并用圆形邻域代替了正方形邻域，改进后的 LBP 算子允许在半径为 R的圆形邻域内有任意多个像素点。从而得到了诸如半径为R的圆形区域内含有P个采样点的LBP算子。

（2）LBP旋转不变模式

从 LBP 的定义可以看出，LBP 算子是灰度不变的，但却不是旋转不变的。图像的旋转就会得到不同的LBP值。

Maenpaa等人又将 LBP算子进行了扩展，提出了具有旋转不变性的 LBP 算子，即不断旋转圆形邻域得到一系列初始定义的 LBP值，取其最小值作为该邻域的 LBP 值。

下图给出了求取旋转不变的 LBP 的过程示意图，图中算子下方的数字表示该算子对应的 LBP值，图中所示的 8 种 LBP模式，经过旋转不变的处理，最终得到的具有旋转不变性的 LBP值为 15。也就是说，图中的 8种 LBP 模式对应的旋转不变的 LBP模式都是 00001111。

（3）LBP等价模式

一个LBP算子可以产生不同的二进制模式，对于半径为R的圆形区域内含有P个采样点的LBP算子将会产生2^p种模式。很显然，随着邻域集内采样点数的增加，二进制模式的种类是急剧增加的。例如：5×5邻域内20个采样点，有2²⁰＝1,048,576种二进制模式。

如此多的二值模式无论对于纹理的提取还是对于纹理的识别、分类及信息的存取都是不利的。同时，过多的模式种类对于纹理的表达是不利的。例如，将LBP算子用于纹理分类或人脸识别时，常采用LBP模式的统计直方图来表达图像的信息，而较多的模式种类将使得数据量过大，且直方图过于稀疏。因此，需要对原始的LBP模式进行降维，使得数据量减少的情况下能最好的代表图像的信息。

为了解决二进制模式过多的问题，提高统计性，Ojala提出了采用一种“等价模式”（Uniform Pattern）来对LBP算子的模式种类进行降维。Ojala等认为，在实际图像中，绝大多数LBP模式最多只包含两次从1到0或从0到1的跳变。因此，Ojala将“等价模式”定义为：当某个LBP所对应的循环二进制数从0到1或从1到0最多有两次跳变时，该LBP所对应的二进制就称为一个等价模式类，除了等价模式以外的模式都归一一类，称为混合模式类。计算跳变的方法：如10010111，首先第一二位10，由1—>0跳变一次；第二、三位00，没有跳变；第三、四位01，由0—>1跳变一次，第四、五位10，由1—>0跳变一次；第五六位01，由0—>1跳变一次；第六七位11，没有跳变；第七八位11，没有跳变；第八位和第一位11，没有跳变；故总共跳变4次。

通过这种改进，二进制模式的种类大大减少，而不会丢失任何信息，模式种类由原来的2^p减少为p*(p-1)+2种。对于3×3邻域内8个采样点来说，二进制模式由原始的256种减少为58种，这使得特征向量的维数更少，并且可以减少高频噪声带来的影响。

1、0次跳变，只有两种，即000..或者1111....

2、1次跳变，两种可能，0—>1或者1—>0：

　　（1）0开头：0...01、0....011，一共有p-1种；

　　（2）1开头：1...10、1...100、1..1000、等等，一种有p-1种；

　　综合，一次跳变有2（p-1）种。

2、两次跳变，0—>1—>0和1—>0—>1

　　0—>1—>0：第一次跳变位置在第2、第3、........p-1位置时，对应的第二次跳变有p-2种、p-3种....1种的跳变位置，所以共有(p-1)(p-2)/2种模式；

　　1—>0—>1：相应的也有(p-1)(p-2)/2种；

　　综合有(p-1)(p-2)种模式

综上一共有2+2(p-1)+(p-1)(p-2)=p(p-1)+2种模式可能。

等价模式代表了图像的边缘、斑点、角点等关键模式，等价模式占了总模式中的绝大多数，所以极大的降低了特征维度。利用这些等价模式和混合模式类直方图，能够更好地提取图像的本质特征。

3、LBP特征用于检测的原理

显而易见的是，上述提取的LBP算子在每个像素点都可以得到一个LBP“编码”，那么，对一幅图像（记录的是每个像素点的灰度值）提取其原始的LBP算子之后，得到的原始LBP特征依然是“一幅图片”（记录的是每个像素点的LBP值）。

LBP的应用中，如纹理分类、人脸分析等，LBP特征提取结果还是大小相同的一幅图像，一般都不将LBP图谱作为特征向量用于分类识别，而是采用LBP特征谱的统计直方图作为特征向量用于分类识别。

因为，从上面的分析我们可以看出，这个“特征”跟位置信息是紧密相关的。直接对两幅图片提取这种“特征”，并进行判别分析的话，会因为“位置没有对准”而产生很大的误差。后来，研究人员发现，可以将一幅图片划分为若干的子区域，对每个子区域内的每个像素点都提取LBP特征，然后，在每个子区域内建立LBP特征的统计直方图。如此一来，每个子区域，就可以用一个统计直方图来进行描述；整个图片就由若干个统计直方图组成；

例如：一幅100*100像素大小的图片，划分为10*10=100个子区域（可以通过多种方式来划分区域），每个子区域的大小为10*10像素；在每个子区域内的每个像素点，提取其LBP特征，然后，建立统计直方图；这样，这幅图片就有10*10个子区域，也就有了10*10个统计直方图，利用这10*10个统计直方图，就可以描述这幅图片了。之后，我们利用各种相似性度量函数，就可以判断两幅图像之间的相似性了。

3、对LBP特征向量进行提取的步骤

（1）首先将检测窗口划分为16×16的小区域（cell）；

（2）对于每个cell中的一个像素，将相邻的8个像素的灰度值与其进行比较，若周围像素值大于中心像素值，则该像素点的位置被标记为1，否则为0。这样，3*3邻域内的8个点经比较可产生8位二进制数，即得到该窗口中心像素点的LBP值；

（3）然后计算每个cell的直方图，即每个数字（假定是十进制数LBP值）出现的频率；然后对该直方图进行归一化处理。

（4）最后将得到的每个cell的统计直方图进行连接成为一个特征向量，也就是整幅图的LBP纹理特征向量；

然后便可利用SVM或者其他机器学习算法进行分类了。