基于多特征融合与支持向量机的手势识别
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a叶技2015年第28卷第5期 Electronic Sci.&Tech./May.15.2015 doi:10.16180/j.cnki.issnl007—7820.2015.05.037 基于多特征融合与支持向量机的手势识别 吴健健,陈玮 (上海理工大学光电信息与计算机工程学院,上海200093) 摘要针对手势识别中人的手部特征描述易受到环境因素影响,手势识别率低等问题,并考虑到单个特征的局 限性.提出了一种基于Hu矩和HOG特征融合的支持向量机手势识别新方法。该方法首先对处理后的手势图像提取局 部的HOG特征,然后针对手势的轮廓提取全局Hu矩特征,再将两种特征融合成混合特征,并通过主成分分析法对混 合特征进行降维形成最终分类特征,并将新特征输入到支持向量机中进行识别。实验表明,该方法具有较好的鲁棒性 和较高的识别率。 关键词 手势识别;Hu矩;梯度直方图;主成分分析法;支持向量机 中图分类号TP391.41 文献标识码A 文章编号1007—7820(2015)05—127—05 Hand Gesture Recognition Based on Multi-feature Fusion and Support Vector Machines WU Jianjian.CHEN Wei (School of Optical-Electrical and Computer Engineering,University of Shanghai for Science and Technology,Shanghai 200093,China) Abstract Hand gesture features are easily affected by environmental factors and the gesture recognition rate is therefore low.And single features are much limited.This paper presents a novel hand gesture recognition algorithm based on multi-feature fusion and suppo ̄vector machines.The fusion features include HOG features and Hu mo— ments.Fimt,the gesture image is set to extract the local HOG features.Then Hu moments aye extracted from the gesture contour.After that,the dimensions of the fusion features of HOG and Hu moments are reduced by using Principal Component Analysis(PCA).Finally,the fusion features are put into suppo ̄vector machines for identifi- cation.The experimental results show that the method proposed has better robustness and a higher recognition rate. Keywords gesture recognition;Hu moments;histograms of oriented gradients;principal component analy- sis;suppo ̄vector machines 人机交互技术已经从以计算机为中心转移到以人 为中心,手势识别交互作为一种自然、人性化的交互方 式被越来越多的采用。手势识别可分为静态手势识别 和动态手势识别 j,本文主要研究静态手势识别。 目前常见的静态手势识别方法包括:基于傅里叶 描述子特征的手势识别,如文献[2]提出的方法,虽然 能够较好地描述手势的轮廓,但对细节特征太敏感,对 产生形变的同一类手势的识别效果不理想;基于SIFT (Scale—invariant Feature Transform)特征和支持向量 机的手势识别,如文献[3]提出的方法,这种方法能在 一定程度上取得较好的手势识别效果,但由于提取 收稿日期:2014一l1—03 基金项目:沪江基金资助项目(C14002) 作者简介:吴健健(199l一),男,硕士研究生。研究方向: 嵌入式系统,模式识别,图像处理。E—mail:wujianjianll1@ 126.com。陈玮(1964一),女,副教授。研究方向:计算机控 制技术.模式识别.嵌入式系统。 SIFT特征的计算复杂度相对较高,导致识别速度相对 较慢,实时性较差;基于Gabor滤波器和PCA(Principal Component Analysis)的手势识别,如文献[4]提出的方 法,虽然识别率较高,但该方法对相似手势字母的识别 效果较差;基于Hu矩和支持向量机的手势识别,如文 献[5]提出的方法,虽然识别速度快,但由于仅是对手 势轮廓特征的描述,缺少手势内部细节信息,会导致识 别率相对偏低;基于HOG(Histograms of Oriented Gradients)特征和支持向量机的手势识别,如文献[6] 提出的方法,虽能较好地克服光照背景的影响,但也有 计算复杂度高导致的速度慢、实时I生差的特点,且由于 缺少手势轮廓这一重要的特征描述,使得识别率也相 对偏低。 针对上述问题,本文提出了一种基于Hu矩和 HOG特征融合的支持向量机的手势识别的新方法。 该方法首先对处理后的手势图像提取局部的HOG特 征,能够很好地克服光照背景的影响,然后针对手势的 WWW.dianzikeji.org——
127 吴健健,等:基于多特征融合与支持向量机的手势识别 轮廓提取全局的Hu矩特征,其对平移、尺度、旋转均 具有不变性,某种程度上弥补了HOG特征的不足;然 后将这两种特征按照1:1相等权重融合,并对融合后 的每个特征分量进行归一化处理,并通过主成分分析 法(PCA)对归一化处理后的混合特征进行降维形成最 终分类特征。在分类器的选择上,由于本文中用于手 势训练识别的样本数量相对较小,而支持向量机 (Support Vector Machine,SVM)在当数据样本较小时 取得的效果通常最好,且算法较为简单,因此本文选择 SVM分类器进行分类。最后将新特征输人到支持向 量机(SVM)中进行识别,实验表明该方法具有更高的 识别率和较好的鲁棒性。 1特征提取算法 1.1 方向梯度直方图 HOG特征描述子最初用于行人检测 ,并取得了 较好的效果;其能较好地描述图像局部差分信息且不 易受到噪声干扰。HOG特征的提取可分为如下步骤: (1)对输入图像进行颜色空间进行归一化处理, 目的是为了减少光照的影响,同时可在一定程度上抑 制噪声的干扰。 (2)计算手势图像横坐标和纵坐标方向的梯度, 并据此计算每个像素位置的梯度方向值。 (3)将图像划分成小的细胞单元(cel1),并且为每 个细胞单元构建梯度方向直方图。 (4)将每几个cell组成一个块(block),且在块内 归一化梯度直方图,一个block内所有cell的特征描述 子串联起来便得到该block的HOG特征描述子。 (5)将手势图像内所有block的HOG特征描述子 串联起来便可得到该手势图像的HOG特征描述子。 HOG特征的提取流程如图l所示。 手势图像 l I 图像归一化 l l 计算每个 l像素的梯度值 l l统计cell内梯度 l 方向直方图 l I统it'block内梯度 I 方向直方图 l HOc特征向量 图1 HOG特征提取流程图 对输入的手势图像进行HOG特征提取时,输入图 像大小为64 X64,cell大小为8 X 8,block大小为16× 16,block的步进为8个像素,梯度方向将360。分为9 个区间L8』,由此可计算得到本文中HOG特征的维数是 1 764维,即得到一个1 764维的HOG特征向量。 1.2 Hu矩描述子 根据Hu氏理论 J,通过各种不同级别几何矩的 数学组合,可得到7个特征量,当图像移动,旋转和比 例大小变化时,其具有保持其数值不变的特性。 对于图像 i√),其(p+q)阶中心距为 =∑∑( — ) ( 一 ) √) (1) 归一化的中心矩为 = / r咖 (2) 其中r=(P+q)/2+1。7个特征量为 f 0+ z I h2=(’720一叩02) +4./211 l h3=(叼30-3*/12) +(3*/21一田03) l h4:(叼30+叼12) +(叼2l+ 03) I h5=(叼30—3,/12)( 30+叩12)[(叼30+,7l2) 一3('7o3一町21) ]+ I (3*/2l一叼03)( o3+叩21)[3( 03+3叼21) 一(叼03+卵21) ] I h6=( 20一,7o2)[(,730+叩12) 一( 03+ 21) ]+4 1l(町30+ I 叼12)( 03+3'721) l h7=(3*/21一田03)( o3+q21)[3(田∞+ 22)2一( o3+ 21) ]一 【 ( 30一町12)( 03+叩12)[3( 30+’712) 一(叼03+ 21) ] (3) 对输入的手势图像做Hu矩特征提取时,首先应 该将图像归一化后做高斯滤波降噪处理,然后将图像 转化为灰度图像,进而二值化处理得到黑白图像,突出 整个手势的轮廓,最后对处理后的手势图像提取Hu 矩特征,进而得到一个7维Hu矩特征向量用以描述 手势的轮廓特征。 2特征融合和PCA降维 特征提取到1 764维的HOG特征向量和7维的 Hu矩特征向量后,将二者按照1:1相等权重融合成 1 771维的混合特征,由于HOG特征和Hu矩特征的物 理意义不同,取值范围也相差较大,为使两种特征具有 可比性,需要对融合特征的每个特征分量进行内部归 一化处理_1 ;本文选择离差标准化来进行归一化处 理,即对原始数据进行线性变换,使结果映射到[0,1] 之间,具体操作如下:假设通过特征提取得到k维的特 征向量F=l ,… l,若有Ⅳ个图像样本,则第 个图像样本的特征向量F=If/, ,… I,对每一列 WWW.dlanzikej|
.0rg 吴健健,等:基于多特征融合与支持向量机的手势识别 5结束语 本文采用特征融合的方法来提取手势特征,先后 提取了手势图像的Hu矩和HOG特征,将二者融合后 的特征用PCA进行降维处理,最后利用SVM分类器 进行分类识别。通过以上的实验表明,该方法具有较 好的鲁棒性和较高的识别率。 参考文献 [1] [2] [3] [4] [5] Akmeliawati R,Jimoh M,Salami E,et a1.Vision—based hand posture detection and recognition for sign language study[C].New York:Proceedings of the fourth Internation- al Conference on Macaronis,IEEE。2011:1—6. Chen Wenher,Ching Tang Heish,Tsun Teliu.A real time hand gesture recognition system based on DVI"and SVM[J].Ap- plied Mechanics and Materials,2013(2):284—287. Zhang Qiuyu,Wang Daodong,Zhang Moyi,et a1.Hand ges- ture recognition based on bag of features and support vector machine[J].Journal of Computer Applications,2012,32 (12):3392—3396. Amin M A,Yan H.Sign language finger alphabet recognition from Gabor—PCA representation of hand gestures[C].New York:Proceedings of the Sixth International Conference on Machine Learning and Cybernetics,IEEE,2007:2218—2223. Liu Yun,Yin Yanmin,Zhang Shujun.Hand gesture recogni- tion based on hu moments in interaction of virtual reality [C].New York:Proceedings of the fourth International Con— ferenee on Intelligent Human—Machine Systems and Cyber- netics,IEEE,2012:145—148. [6] Feng Kaiping,Yuan Fang.Static hand gesture recognition based on HOG characters and support vectormachines[C]. New York:Proceedings of the second International Symposi— am on Instrumentation and Measurement,Sensor Network and Automation,IEEE,2013:936—938. [7] 汪成亮,周佳,黄晟.基于高斯混合模型与PCA—HOG的 快速运动人体检测[J].计算机应用研究,2012,29(6): 2157—2160. [8] 向征,谭恒良.改进的HOG和Gabor,LBP性能比较[J]. 计算机辅助设计与图形学学报,2012,24(6):787—792. [9] Hu M K.Visual pattern recognition by moment invariants [J].IRE Transactions on Information Theory,1962,8(2): 179—187. [1O]兰添才.基于多特征融合和支持向量机的媒矸石自动分 选研究[J].科技信息,2008,24(2O):7—8. [11]尹飞,冯大政.基于PCA算法的人脸识别[J].计算机技 术与发展,2008,18(10):31—33. [12]曾志强.支持向量分类机的训练与简化算法研究[D].浙 江:浙江大学,2007. [13]Laganiere R.Open CV2 computer vision application program- ming cookbook[M].Birmingham:Packt Publishi Ltd,2011. (上接第126页) [3] Shah P K.Missed non—small cell lung cancer:radiographic findings of potentially resectable lesions evident only in retro- spect[J].Radiology,2003,226(2):235—241. [4] Kido S,Kuriyama K,Hosomi N,et a1.Detection of simulated pulmonary nodules by single—-exposure dual——energy compu— ted radiography of the chest:effect of a computer—aided diag- nosis system[J].Europe Journal of Radiology,2002,44(5): 205—219. [5] Kido S,Nakamura H,Ito W,et a1.Computerized detection of pulmonary nodules by single——exposure dual—-energy com-- puted radiography of the chest[J].Europe Journal of Radi- ology,2002,4(1):198—204. [6] Clocker R,Frohnmayer W.Uber die rontgenspektroskopische bestimmung des gewichtsanteiles eines elementes in gemem- gen und verbindumgen[J].Annalen der Physik,1925,76 (6):369—395. [7] [8] [9] [1O] Jacobson J,Mackay R S.Radiological contrast enhancing methods[J].Advances in Biological and Medical Physics, 1958(6):201—261. Loog M.Filter learning:application to suppression of bony structures from chest radiographs[J].Medical Image Analy— sis,2006(10):826—840. Suzuki K.Image—processing technique for suppressing ribs in chest radiographs by means of massive training artificial neural network(MTANN)[J].IEEE Transactions on Medical Imaging,2006,25(3):406—16. Sheng Chen.Separation of bones from chest radiographs by means of anatomically specific multiple massive—training ANNs combined with total variation minimization smoothing and consistency processing[J].IEEE Transactions on Medical Imaging Publication Information,2014,33(7):233—246. WWW.dianzikeji 0rg 131