学习SVM（一） SVM模型训练与分类的OpenCV实现

Andrew Ng 在斯坦福大学的机器学习公开课上这样评价支持向量机： support vector machines is the supervised learning algorithm that many people consider the most effective off-the-shelf supervised learning algorithm.That point of view is debatable,but there are many people that hold that point of view.

可见，在监督学习算法中支持向量机有着非常广泛的应用，而且在解决图像分类问题时有着优异的效果。

OpenCV集成了这种学习算法，它被包含在ml模块下的CvSVM类中，下面我们用OpenCV实现SVM的数据准备、模型训练和加载模型实现分类，为了理解起来更加直观，我们用三个工程来实现。

在OpenCV的安装路径下，搜索digits，可以得到一张图片，图片大小为1000 2000,有0-9的10个数字，每5行为一个数字，总共50行，共有5000个手写数字，每个数字块大小为20 20。 下面将把这些数字中的0和1作为二分类的准备数据。其中0有500张，1有500张。 用下面的代码将图片准备好，在写入路径提前建立好文件夹：

#include <opencv2/opencv.hpp>
#include <iostream>

using namespace std;
using namespace cv;

int main()
{
    char ad[128]={0};
    int  filename = 0,filenum=0; 
    Mat img = imread("digits.png");
    Mat gray;
    cvtColor(img, gray, CV_BGR2GRAY);
    int b = 20;
    int m = gray.rows / b;   //原图为1000*2000
    int n = gray.cols / b;   //裁剪为5000个20*20的小图块

    for (int i = 0; i < m; i++)
    {
        int offsetRow = i*b;  //行上的偏移量
        if(i%5==0&&i!=0)
        {
            filename++;
            filenum=0;
        }
        for (int j = 0; j < n; j++)
        {
            int offsetCol = j*b; //列上的偏移量
            sprintf_s(ad, "D:\\data\\%d\\%d.jpg",filename,filenum++);
            //截取20*20的小块
            Mat tmp;
            gray(Range(offsetRow, offsetRow + b), Range(offsetCol, offsetCol + b)).copyTo(tmp);
            imwrite(ad,tmp);
        }
    }
    return 0;
}
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最后可以得到这样的结果：

组织的二分类数据形式为：

--D：
  --data
    --train_image
      --0（400张）
      --1（400张）
    --test_image
      --0（100张）
      --1（100张）
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训练数据800张，0，1各400张；测试数据200张，0，1各100张

数据准备完成之后，就可以用下面的代码训练了：

#include <stdio.h>  
#include <time.h>  
#include <opencv2/opencv.hpp>  
#include <opencv/cv.h>  
#include <iostream> 
#include <opencv2/core/core.hpp>  
#include <opencv2/highgui/highgui.hpp>  
#include <opencv2/ml/ml.hpp>  
#include <io.h>

using namespace std;
using namespace cv;

void getFiles( string path, vector<string>& files);
void get_1(Mat& trainingImages, vector<int>& trainingLabels);
void get_0(Mat& trainingImages, vector<int>& trainingLabels);

int main()
{
    //获取训练数据
    Mat classes;
    Mat trainingData;
    Mat trainingImages;
    vector<int> trainingLabels;
    get_1(trainingImages, trainingLabels);
    get_0(trainingImages, trainingLabels);
    Mat(trainingImages).copyTo(trainingData);
    trainingData.convertTo(trainingData, CV_32FC1);
    Mat(trainingLabels).copyTo(classes);
    //配置SVM训练器参数
    CvSVMParams SVM_params;
    SVM_params.svm_type = CvSVM::C_SVC;
    SVM_params.kernel_type = CvSVM::LINEAR; 
    SVM_params.degree = 0;
    SVM_params.gamma = 1;
    SVM_params.coef0 = 0;
    SVM_params.C = 1;
    SVM_params.nu = 0;
    SVM_params.p = 0;
    SVM_params.term_crit = cvTermCriteria(CV_TERMCRIT_ITER, 1000, 0.01);
    //训练
    CvSVM svm;
    svm.train(trainingData, classes, Mat(), Mat(), SVM_params);
    //保存模型
    svm.save("svm.xml");
    cout<<"训练好了！！！"<<endl;
    getchar();
    return 0;
}
void getFiles( string path, vector<string>& files )  
{  
    long   hFile   =   0;  
    struct _finddata_t fileinfo;  
    string p;  
    if((hFile = _findfirst(p.assign(path).append("\\*").c_str(),&fileinfo)) !=  -1)  
    {  
        do  
        {  
            if((fileinfo.attrib &  _A_SUBDIR))  
            {  
                if(strcmp(fileinfo.name,".") != 0  &&  strcmp(fileinfo.name,"..") != 0)  
                    getFiles( p.assign(path).append("\\").append(fileinfo.name), files );  
            }  
            else  
            {  
                files.push_back(p.assign(path).append("\\").append(fileinfo.name) );  
            }  
        }while(_findnext(hFile, &fileinfo)  == 0);  

        _findclose(hFile);  
    }  
} 
void get_1(Mat& trainingImages, vector<int>& trainingLabels)
{
    char * filePath = "D:\\data\\train_image\\1"; 
    vector<string> files;  
    getFiles(filePath, files );  
    int number = files.size();  
    for (int i = 0;i < number;i++)  
    {  
        Mat  SrcImage=imread(files[i].c_str());
        SrcImage= SrcImage.reshape(1, 1);
        trainingImages.push_back(SrcImage);
        trainingLabels.push_back(1);
    }  
}
void get_0(Mat& trainingImages, vector<int>& trainingLabels)
{
    char * filePath = "D:\\data\\train_image\\0"; 
    vector<string> files;  
    getFiles(filePath, files );  
    int number = files.size();  
    for (int i = 0;i < number;i++)  
    {  
        Mat  SrcImage=imread(files[i].c_str());
        SrcImage= SrcImage.reshape(1, 1);
        trainingImages.push_back(SrcImage);
        trainingLabels.push_back(0);
    }  
}
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整个训练过程可以分为一下几个部分： 数据准备： 该例程中一个定义了三个子程序用来实现数据准备工作：

getFiles()用来遍历文件夹下所有文件。 getBubble()用来获取有气泡的图片和与其对应的Labels，该例程将Labels定为1。 getNoBubble()用来获取没有气泡的图片与其对应的Labels，该例程将Labels定为0。 getBubble()与getNoBubble()将获取一张图片后会将图片（特征）写入到容器中，紧接着会将标签写入另一个容器中，这样就保证了特征和标签是一一对应的关系push_back(0)或者push_back(1)其实就是我们贴标签的过程。

trainingImages.push_back(SrcImage);
trainingLabels.push_back(0);
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在主函数中，将getBubble()与getNoBubble()写好的包含特征的矩阵拷贝给trainingData，将包含标签的vector容器进行类型转换后拷贝到trainingLabels里，至此，数据准备工作完成，trainingData与trainingLabels就是我们要训练的数据。

Mat classes;
    Mat trainingData;
    Mat trainingImages;
    vector<int> trainingLabels;
    getBubble(trainingImages, trainingLabels);
    getNoBubble(trainingImages, trainingLabels);
    Mat(trainingImages).copyTo(trainingData);
    trainingData.convertTo(trainingData, CV_32FC1);
    Mat(trainingLabels).copyTo(classes);
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特征选取

其实特征提取和数据的准备是同步完成的，我们最后要训练的也是正负样本的特征。本例程中同样在getBubble()与getNoBubble()函数中完成特征提取工作，只是我们简单粗暴将整个图的所有像素作为了特征，因为我们关注更多的是整个的训练过程，所以选择了最简单的方式完成特征提取工作，除此中外，特征提取的方式有很多，比如LBP，HOG等等。

SrcImage= SrcImage.reshape(1, 1);
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我们利用reshape()函数完成特征提取，原型如下：

Mat reshape(int cn, int rows=0) const;
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可以看到该函数的参数非常简单，cn为新的通道数，如果cn = 0，表示通道数不会改变。参数rows为新的行数，如果rows = 0，表示行数不会改变。我们将参数定义为reshape(1, 1)的结果就是原图像对应的矩阵将被拉伸成一个一行的向量，作为特征向量。

参数配置

参数配置是SVM的核心部分，在Opencv中它被定义成一个结构体类型，如下：

struct CV_EXPORTS_W_MAP CvSVMParams
{
    CvSVMParams();
    CvSVMParams(  
    int svm_type, 
    int kernel_type,
    double degree, 
    double coef0,
    double Cvalue, 
    double p,
    CvMat* class_weights, 
    CvTermCriteria term_crit );
    CV_PROP_RW int         svm_type;
    CV_PROP_RW int         kernel_type;
    CV_PROP_RW double      degree; // for poly
    CV_PROP_RW double      gamma;  // for poly/rbf/sigmoid
    CV_PROP_RW double      coef0;  // for poly/sigmoid
    CV_PROP_RW double      C;  // for CV_SVM_C_SVC,       CV_SVM_EPS_SVR and CV_SVM_NU_SVR
    CV_PROP_RW double      nu; // for CV_SVM_NU_SVC, CV_SVM_ONE_CLASS, and CV_SVM_NU_SVR
    CV_PROP_RW double      p; // for CV_SVM_EPS_SVR
    CvMat*      class_weights; // for CV_SVM_C_SVC
    CV_PROP_RW CvTermCriteria term_crit; // termination criteria
};
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• 所以在例程中我们定义了一个结构体变量用来配置这些参数，而这个变量也就是CVSVM类中train- 函数的第五个参数，下面对参数进行说明。
• SVM_params.svm_type ：SVM的类型：
• C_SVC表示SVM分类器，C_SVR表示SVM回归
• SVM_params.kernel_type：核函数类型
• 线性核LINEAR:
• d(x,y)=(x,y)
• 多项式核POLY:
• d(x,y)=(gamma*(x’y)+coef0)degree
• 径向基核RBF:
• d(x,y)=exp(-gamma*|x-y|^2)
• sigmoid核SIGMOID:
• d(x,y)= tanh(gamma*(x’y)+ coef0)
• SVM_params.degree:核函数中的参数degree,针对多项式核函数;
• SVM_params.gama:核函数中的参数gamma,针对多项式/RBF/SIGMOID核函数;
• SVM_params.coef0:核函数中的参数,针对多项式/SIGMOID核函数；
• SVM_params.c:SVM最优问题参数，设置C-SVC，EPS_SVR和NU_SVR的参数；
• SVM_params.nu:SVM最优问题参数，设置NU_SVC， ONE_CLASS 和NU_SVR的参数；
• SVM_params.p:SVM最优问题参数，设置EPS_SVR 中损失函数p的值.

训练模型

CvSVM svm;
svm.train(trainingData, classes, Mat(), Mat(), SVM_params);
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通过上面的过程，我们准备好了待训练的数据和训练需要的参数，其实可以理解为这个准备工作就是在为svm.train()函数准备实参的过程。来看一下svm.train()函数，Opencv将SVM封装成CvSVM库，这个库是基于台湾大学林智仁(Lin Chih-Jen)教授等人开发的LIBSVM封装的，由于篇幅限制，不再全部粘贴库的定义，所以一下代码只是CvSVM库中的一部分数据和函数：

class CV_EXPORTS_W CvSVM : public CvStatModel
{
public:
virtual bool train( 
  const CvMat* trainData, 
  const CvMat* responses,
  const CvMat* varIdx=0, 
  const CvMat* sampleIdx=0,
  CvSVMParams params=CvSVMParams() );
virtual float predict( 
  const CvMat* sample, 
  bool returnDFVal=false ) const;
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我们就是应用类中定义的train函数完成模型训练工作。

保存模型

svm.save("svm.xml");
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保存模型只有一行代码，利用save()函数，我们看下它的定义： ``` CV_WRAP virtual void save( const char* filename, const char* name=0 ) const; ```

该函数被定义在CvStatModel类中，CvStatModel是ML库中的统计模型基类，其他 ML 类都是从这个类中继承。

总结：到这里我们就完成了模型训练工作，可以看到真正用于训练的代码其实很少，OpenCV最支持向量机的封装极大地降低了我们的编程工作。

加载模型实现分类

#include <stdio.h>  
#include <time.h>  
#include <opencv2/opencv.hpp>  
#include <opencv/cv.h>  
#include <iostream> 
#include <opencv2/core/core.hpp>  
#include <opencv2/highgui/highgui.hpp>  
#include <opencv2/ml/ml.hpp>  
#include <io.h>

using namespace std;
using namespace cv;

void getFiles( string path, vector<string>& files );

int main()
{
    int result = 0;
    char * filePath = "D:\\data\\test_image\\0"; 
    vector<string> files;  
    getFiles(filePath, files );  
    int number = files.size();  
    cout<<number<<endl;
    CvSVM svm;
    svm.clear();
    string modelpath = "svm.xml";
    FileStorage svm_fs(modelpath,FileStorage::READ);
    if(svm_fs.isOpened())
    {
        svm.load(modelpath.c_str());
    }
    for (int i = 0;i < number;i++)  
    {  
        Mat inMat = imread(files[i].c_str());
        Mat p = inMat.reshape(1, 1);
        p.convertTo(p, CV_32FC1);
        int response = (int)svm.predict(p);
        if (response == 0)
        {
            result++;
        }
    }
    cout<<result<<endl;
    getchar();
    return  0;
}
void getFiles( string path, vector<string>& files )  
{  
    long   hFile   =   0;  
    struct _finddata_t fileinfo;  
    string p;  
    if((hFile = _findfirst(p.assign(path).append("\\*").c_str(),&fileinfo)) !=  -1)  
    {  
        do  
        {  
            if((fileinfo.attrib &  _A_SUBDIR))  
            {  
                if(strcmp(fileinfo.name,".") != 0  &&  strcmp(fileinfo.name,"..") != 0)  
                    getFiles( p.assign(path).append("\\").append(fileinfo.name), files );  
            }  
            else  
            {       files.push_back(p.assign(path).append("\\").append(fileinfo.name) );  
            }  
        }while(_findnext(hFile, &fileinfo)  == 0);  
        _findclose(hFile);  
    }  
} 
复制代码

在上面我们把该介绍的都说的差不多了，这个例程中只是用到了load()函数用于模型加载，加载的就是上面例子中生成的模型，load()被定义在CvStatModel这个基类中：

svm.load(modelpath.c_str());
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load的路径是string modelpath = "svm.xml"，这意味着svm.mxl文件应该在测试工程的根目录下面，但是因为训练和预测是两个**的工程，所以必须要拷贝一下这个文件。最后用到predict()函数用来预测分类结果，predict()被定义在CVSVM类中。