CLAHE Python bindings
[profile/ivi/opencv.git] / modules / contrib / doc / facerec / facerec_api.rst
1 FaceRecognizer
2 ==============
3
4 .. highlight:: cpp
5
6 FaceRecognizer
7 --------------
8
9 .. ocv:class:: FaceRecognizer : public Algorithm
10
11 All face recognition models in OpenCV are derived from the abstract base class :ocv:class:`FaceRecognizer`, which provides
12 a unified access to all face recongition algorithms in OpenCV. ::
13
14   class FaceRecognizer : public Algorithm
15   {
16   public:
17       //! virtual destructor
18       virtual ~FaceRecognizer() {}
19
20       // Trains a FaceRecognizer.
21       virtual void train(InputArray src, InputArray labels) = 0;
22
23       // Updates a FaceRecognizer.
24       virtual void update(InputArrayOfArrays src, InputArray labels);
25
26       // Gets a prediction from a FaceRecognizer.
27       virtual int predict(InputArray src) const = 0;
28
29       // Predicts the label and confidence for a given sample.
30       virtual void predict(InputArray src, int &label, double &confidence) const = 0;
31
32       // Serializes this object to a given filename.
33       virtual void save(const string& filename) const;
34
35       // Deserializes this object from a given filename.
36       virtual void load(const string& filename);
37
38       // Serializes this object to a given cv::FileStorage.
39       virtual void save(FileStorage& fs) const = 0;
40
41       // Deserializes this object from a given cv::FileStorage.
42       virtual void load(const FileStorage& fs) = 0;
43   };
44
45
46 Description
47 +++++++++++
48
49 I'll go a bit more into detail explaining :ocv:class:`FaceRecognizer`, because it doesn't look like a powerful interface at first sight. But: Every :ocv:class:`FaceRecognizer` is an :ocv:class:`Algorithm`, so you can easily get/set all model internals (if allowed by the implementation). :ocv:class:`Algorithm` is a relatively new OpenCV concept, which is available since the 2.4 release. I suggest you take a look at its description.
50
51 :ocv:class:`Algorithm` provides the following features for all derived classes:
52
53 * So called “virtual constructor”. That is, each Algorithm derivative is registered at program start and you can get the list of registered algorithms and create instance of a particular algorithm by its name (see :ocv:func:`Algorithm::create`). If you plan to add your own algorithms, it is good practice to add a unique prefix to your algorithms to distinguish them from other algorithms.
54
55 * Setting/Retrieving algorithm parameters by name. If you used video capturing functionality from OpenCV highgui module, you are probably familar with :ocv:cfunc:`cvSetCaptureProperty`, :ocv:cfunc:`cvGetCaptureProperty`, :ocv:func:`VideoCapture::set` and :ocv:func:`VideoCapture::get`. :ocv:class:`Algorithm` provides similar method where instead of integer id's you specify the parameter names as text strings. See :ocv:func:`Algorithm::set` and :ocv:func:`Algorithm::get` for details.
56
57 * Reading and writing parameters from/to XML or YAML files. Every Algorithm derivative can store all its parameters and then read them back. There is no need to re-implement it each time.
58
59 Moreover every :ocv:class:`FaceRecognizer` supports the:
60
61 * **Training** of a :ocv:class:`FaceRecognizer` with :ocv:func:`FaceRecognizer::train` on a given set of images (your face database!).
62
63 * **Prediction** of a given sample image, that means a face. The image is given as a :ocv:class:`Mat`.
64
65 * **Loading/Saving** the model state from/to a given XML or YAML.
66
67 Setting the Thresholds
68 +++++++++++++++++++++++
69
70 Sometimes you run into the situation, when you want to apply a threshold on the prediction. A common scenario in face recognition is to tell, wether a face belongs to the training dataset or if it is unknown. You might wonder, why there's no public API in :ocv:class:`FaceRecognizer` to set the threshold for the prediction, but rest assured: It's supported. It just means there's no generic way in an abstract class to provide an interface for setting/getting the thresholds of *every possible* :ocv:class:`FaceRecognizer` algorithm. The appropriate place to set the thresholds is in the constructor of the specific :ocv:class:`FaceRecognizer` and since every :ocv:class:`FaceRecognizer` is a :ocv:class:`Algorithm` (see above), you can get/set the thresholds at runtime!
71
72 Here is an example of setting a threshold for the Eigenfaces method, when creating the model:
73
74 .. code-block:: cpp
75
76     // Let's say we want to keep 10 Eigenfaces and have a threshold value of 10.0
77     int num_components = 10;
78     double threshold = 10.0;
79     // Then if you want to have a cv::FaceRecognizer with a confidence threshold,
80     // create the concrete implementation with the appropiate parameters:
81     Ptr<FaceRecognizer> model = createEigenFaceRecognizer(num_components, threshold);
82
83 Sometimes it's impossible to train the model, just to experiment with threshold values. Thanks to :ocv:class:`Algorithm` it's possible to set internal model thresholds during runtime. Let's see how we would set/get the prediction for the Eigenface model, we've created above:
84
85 .. code-block:: cpp
86
87     // The following line reads the threshold from the Eigenfaces model:
88     double current_threshold = model->getDouble("threshold");
89     // And this line sets the threshold to 0.0:
90     model->set("threshold", 0.0);
91
92 If you've set the threshold to ``0.0`` as we did above, then:
93
94 .. code-block:: cpp
95
96     //
97     Mat img = imread("person1/3.jpg", CV_LOAD_IMAGE_GRAYSCALE);
98     // Get a prediction from the model. Note: We've set a threshold of 0.0 above,
99     // since the distance is almost always larger than 0.0, you'll get -1 as
100     // label, which indicates, this face is unknown
101     int predicted_label = model->predict(img);
102     // ...
103
104 is going to yield ``-1`` as predicted label, which states this face is unknown.
105
106 Getting the name of a FaceRecognizer
107 +++++++++++++++++++++++++++++++++++++
108
109 Since every :ocv:class:`FaceRecognizer` is a :ocv:class:`Algorithm`, you can use :ocv:func:`Algorithm::name` to get the name of a :ocv:class:`FaceRecognizer`:
110
111 .. code-block:: cpp
112
113     // Create a FaceRecognizer:
114     Ptr<FaceRecognizer> model = createEigenFaceRecognizer();
115     // And here's how to get its name:
116     std::string name = model->name();
117
118
119 FaceRecognizer::train
120 ---------------------
121
122 Trains a FaceRecognizer with given data and associated labels.
123
124 .. ocv:function:: void FaceRecognizer::train( InputArrayOfArrays src, InputArray labels ) = 0
125
126     :param src: The training images, that means the faces you want to learn. The data has to be given as a ``vector<Mat>``.
127
128     :param labels: The labels corresponding to the images have to be given either as a ``vector<int>`` or a
129
130 The following source code snippet shows you how to learn a Fisherfaces model on a given set of images. The images are read with :ocv:func:`imread` and pushed into a ``std::vector<Mat>``. The labels of each image are stored within a ``std::vector<int>`` (you could also use a :ocv:class:`Mat` of type `CV_32SC1`). Think of the label as the subject (the person) this image belongs to, so same subjects (persons) should have the same label. For the available :ocv:class:`FaceRecognizer` you don't have to pay any attention to the order of the labels, just make sure same persons have the same label:
131
132 .. code-block:: cpp
133
134     // holds images and labels
135     vector<Mat> images;
136     vector<int> labels;
137     // images for first person
138     images.push_back(imread("person0/0.jpg", CV_LOAD_IMAGE_GRAYSCALE)); labels.push_back(0);
139     images.push_back(imread("person0/1.jpg", CV_LOAD_IMAGE_GRAYSCALE)); labels.push_back(0);
140     images.push_back(imread("person0/2.jpg", CV_LOAD_IMAGE_GRAYSCALE)); labels.push_back(0);
141     // images for second person
142     images.push_back(imread("person1/0.jpg", CV_LOAD_IMAGE_GRAYSCALE)); labels.push_back(1);
143     images.push_back(imread("person1/1.jpg", CV_LOAD_IMAGE_GRAYSCALE)); labels.push_back(1);
144     images.push_back(imread("person1/2.jpg", CV_LOAD_IMAGE_GRAYSCALE)); labels.push_back(1);
145
146 Now that you have read some images, we can create a new :ocv:class:`FaceRecognizer`. In this example I'll create a Fisherfaces model and decide to keep all of the possible Fisherfaces:
147
148 .. code-block:: cpp
149
150     // Create a new Fisherfaces model and retain all available Fisherfaces,
151     // this is the most common usage of this specific FaceRecognizer:
152     //
153     Ptr<FaceRecognizer> model =  createFisherFaceRecognizer();
154
155 And finally train it on the given dataset (the face images and labels):
156
157 .. code-block:: cpp
158
159     // This is the common interface to train all of the available cv::FaceRecognizer
160     // implementations:
161     //
162     model->train(images, labels);
163
164 FaceRecognizer::update
165 ----------------------
166
167 Updates a FaceRecognizer with given data and associated labels.
168
169 .. ocv:function:: void FaceRecognizer::update( InputArrayOfArrays src, InputArray labels )
170
171     :param src: The training images, that means the faces you want to learn. The data has to be given as a ``vector<Mat>``.
172
173     :param labels: The labels corresponding to the images have to be given either as a ``vector<int>`` or a
174
175 This method updates a (probably trained) :ocv:class:`FaceRecognizer`, but only if the algorithm supports it. The Local Binary Patterns Histograms (LBPH) recognizer (see :ocv:func:`createLBPHFaceRecognizer`) can be updated. For the Eigenfaces and Fisherfaces method, this is algorithmically not possible and you have to re-estimate the model with :ocv:func:`FaceRecognizer::train`. In any case, a call to train empties the existing model and learns a new model, while update does not delete any model data.
176
177 .. code-block:: cpp
178
179     // Create a new LBPH model (it can be updated) and use the default parameters,
180     // this is the most common usage of this specific FaceRecognizer:
181     //
182     Ptr<FaceRecognizer> model =  createLBPHFaceRecognizer();
183     // This is the common interface to train all of the available cv::FaceRecognizer
184     // implementations:
185     //
186     model->train(images, labels);
187     // Some containers to hold new image:
188     vector<Mat> newImages;
189     vector<int> newLabels;
190     // You should add some images to the containers:
191     //
192     // ...
193     //
194     // Now updating the model is as easy as calling:
195     model->update(newImages,newLabels);
196     // This will preserve the old model data and extend the existing model
197     // with the new features extracted from newImages!
198
199 Calling update on an Eigenfaces model (see :ocv:func:`createEigenFaceRecognizer`), which doesn't support updating, will throw an error similar to:
200
201 .. code-block:: none
202
203     OpenCV Error: The function/feature is not implemented (This FaceRecognizer (FaceRecognizer.Eigenfaces) does not support updating, you have to use FaceRecognizer::train to update it.) in update, file /home/philipp/git/opencv/modules/contrib/src/facerec.cpp, line 305
204     terminate called after throwing an instance of 'cv::Exception'
205
206 Please note: The :ocv:class:`FaceRecognizer` does not store your training images, because this would be very memory intense and it's not the responsibility of te :ocv:class:`FaceRecognizer` to do so. The caller is responsible for maintaining the dataset, he want to work with.
207
208 FaceRecognizer::predict
209 -----------------------
210
211 .. ocv:function:: int FaceRecognizer::predict( InputArray src ) const = 0
212 .. ocv:function:: void FaceRecognizer::predict( InputArray src, int & label, double & confidence ) const = 0
213
214     Predicts a label and associated confidence (e.g. distance) for a given input image.
215
216     :param src: Sample image to get a prediction from.
217     :param label: The predicted label for the given image.
218     :param confidence: Associated confidence (e.g. distance) for the predicted label.
219
220 The suffix ``const`` means that prediction does not affect the internal model
221 state, so the method can be safely called from within different threads.
222
223 The following example shows how to get a prediction from a trained model:
224
225 .. code-block:: cpp
226
227     using namespace cv;
228     // Do your initialization here (create the cv::FaceRecognizer model) ...
229     // ...
230     // Read in a sample image:
231     Mat img = imread("person1/3.jpg", CV_LOAD_IMAGE_GRAYSCALE);
232     // And get a prediction from the cv::FaceRecognizer:
233     int predicted = model->predict(img);
234
235 Or to get a prediction and the associated confidence (e.g. distance):
236
237 .. code-block:: cpp
238
239     using namespace cv;
240     // Do your initialization here (create the cv::FaceRecognizer model) ...
241     // ...
242     Mat img = imread("person1/3.jpg", CV_LOAD_IMAGE_GRAYSCALE);
243     // Some variables for the predicted label and associated confidence (e.g. distance):
244     int predicted_label = -1;
245     double predicted_confidence = 0.0;
246     // Get the prediction and associated confidence from the model
247     model->predict(img, predicted_label, predicted_confidence);
248
249 FaceRecognizer::save
250 --------------------
251
252 Saves a :ocv:class:`FaceRecognizer` and its model state.
253
254 .. ocv:function:: void FaceRecognizer::save(const string& filename) const
255
256     Saves this model to a given filename, either as XML or YAML.
257
258     :param filename: The filename to store this :ocv:class:`FaceRecognizer` to (either XML/YAML).
259
260 .. ocv:function:: void FaceRecognizer::save(FileStorage& fs) const
261
262     Saves this model to a given :ocv:class:`FileStorage`.
263
264     :param fs: The :ocv:class:`FileStorage` to store this :ocv:class:`FaceRecognizer` to.
265
266
267 Every :ocv:class:`FaceRecognizer` overwrites ``FaceRecognizer::save(FileStorage& fs)``
268 to save the internal model state. ``FaceRecognizer::save(const string& filename)`` saves
269 the state of a model to the given filename.
270
271 The suffix ``const`` means that prediction does not affect the internal model
272 state, so the method can be safely called from within different threads.
273
274 FaceRecognizer::load
275 --------------------
276
277 Loads a :ocv:class:`FaceRecognizer` and its model state.
278
279 .. ocv:function:: void FaceRecognizer::load( const string& filename )
280 .. ocv:function:: void FaceRecognizer::load( const FileStorage& fs ) = 0
281
282 Loads a persisted model and state from a given XML or YAML file . Every
283 :ocv:class:`FaceRecognizer` has to overwrite ``FaceRecognizer::load(FileStorage& fs)``
284 to enable loading the model state. ``FaceRecognizer::load(FileStorage& fs)`` in
285 turn gets called by ``FaceRecognizer::load(const string& filename)``, to ease
286 saving a model.
287
288 createEigenFaceRecognizer
289 -------------------------
290
291 .. ocv:function:: Ptr<FaceRecognizer> createEigenFaceRecognizer(int num_components = 0, double threshold = DBL_MAX)
292
293     :param num_components: The number of components (read: Eigenfaces) kept for this Prinicpal Component Analysis. As a hint: There's no rule how many components (read: Eigenfaces) should be kept for good reconstruction capabilities. It is based on your input data, so experiment with the number. Keeping 80 components should almost always be sufficient.
294
295     :param threshold: The threshold applied in the prediciton.
296
297 Notes:
298 ++++++
299
300 * Training and prediction must be done on grayscale images, use :ocv:func:`cvtColor` to convert between the color spaces.
301 * **THE EIGENFACES METHOD MAKES THE ASSUMPTION, THAT THE TRAINING AND TEST IMAGES ARE OF EQUAL SIZE.** (caps-lock, because I got so many mails asking for this). You have to make sure your input data has the correct shape, else a meaningful exception is thrown. Use :ocv:func:`resize` to resize the images.
302 * This model does not support updating.
303
304 Model internal data:
305 ++++++++++++++++++++
306
307 * ``num_components`` see :ocv:func:`createEigenFaceRecognizer`.
308 * ``threshold`` see :ocv:func:`createEigenFaceRecognizer`.
309 * ``eigenvalues`` The eigenvalues for this Principal Component Analysis (ordered descending).
310 * ``eigenvectors`` The eigenvectors for this Principal Component Analysis (ordered by their eigenvalue).
311 * ``mean`` The sample mean calculated from the training data.
312 * ``projections`` The projections of the training data.
313 * ``labels`` The threshold applied in the prediction. If the distance to the nearest neighbor is larger than the threshold, this method returns -1.
314
315 createFisherFaceRecognizer
316 --------------------------
317
318 .. ocv:function:: Ptr<FaceRecognizer> createFisherFaceRecognizer(int num_components = 0, double threshold = DBL_MAX)
319
320     :param num_components: The number of components (read: Fisherfaces) kept for this Linear Discriminant Analysis with the Fisherfaces criterion. It's useful to keep all components, that means the number of your classes ``c`` (read: subjects, persons you want to recognize). If you leave this at the default (``0``) or set it to a value  less-equal ``0`` or greater ``(c-1)``, it will be set to the correct number ``(c-1)`` automatically.
321
322     :param threshold: The threshold applied in the prediction. If the distance to the nearest neighbor is larger than the threshold, this method returns -1.
323
324 Notes:
325 ++++++
326
327 * Training and prediction must be done on grayscale images, use :ocv:func:`cvtColor` to convert between the color spaces.
328 * **THE FISHERFACES METHOD MAKES THE ASSUMPTION, THAT THE TRAINING AND TEST IMAGES ARE OF EQUAL SIZE.** (caps-lock, because I got so many mails asking for this). You have to make sure your input data has the correct shape, else a meaningful exception is thrown. Use :ocv:func:`resize` to resize the images.
329 * This model does not support updating.
330
331 Model internal data:
332 ++++++++++++++++++++
333
334 * ``num_components`` see :ocv:func:`createFisherFaceRecognizer`.
335 * ``threshold`` see :ocv:func:`createFisherFaceRecognizer`.
336 * ``eigenvalues`` The eigenvalues for this Linear Discriminant Analysis (ordered descending).
337 * ``eigenvectors`` The eigenvectors for this Linear Discriminant Analysis (ordered by their eigenvalue).
338 * ``mean`` The sample mean calculated from the training data.
339 * ``projections`` The projections of the training data.
340 * ``labels`` The labels corresponding to the projections.
341
342
343 createLBPHFaceRecognizer
344 -------------------------
345
346 .. ocv:function:: Ptr<FaceRecognizer> createLBPHFaceRecognizer(int radius=1, int neighbors=8, int grid_x=8, int grid_y=8, double threshold = DBL_MAX)
347
348     :param radius: The radius used for building the Circular Local Binary Pattern. The greater the radius, the
349     :param neighbors: The number of sample points to build a Circular Local Binary Pattern from. An appropriate value is to use `` 8`` sample points. Keep in mind: the more sample points you include, the higher the computational cost.
350     :param grid_x: The number of cells in the horizontal direction, ``8`` is a common value used in publications. The more cells, the finer the grid, the higher the dimensionality of the resulting feature vector.
351     :param grid_y: The number of cells in the vertical direction, ``8`` is a common value used in publications. The more cells, the finer the grid, the higher the dimensionality of the resulting feature vector.
352     :param threshold: The threshold applied in the prediction. If the distance to the nearest neighbor is larger than the threshold, this method returns -1.
353
354 Notes:
355 ++++++
356
357 * The Circular Local Binary Patterns (used in training and prediction) expect the data given as grayscale images, use :ocv:func:`cvtColor` to convert between the color spaces.
358 * This model supports updating.
359
360 Model internal data:
361 ++++++++++++++++++++
362
363 * ``radius`` see :ocv:func:`createLBPHFaceRecognizer`.
364 * ``neighbors`` see :ocv:func:`createLBPHFaceRecognizer`.
365 * ``grid_x`` see :ocv:func:`createLBPHFaceRecognizer`.
366 * ``grid_y`` see :ocv:func:`createLBPHFaceRecognizer`.
367 * ``threshold`` see :ocv:func:`createLBPHFaceRecognizer`.
368 * ``histograms`` Local Binary Patterns Histograms calculated from the given training data (empty if none was given).
369 * ``labels`` Labels corresponding to the calculated Local Binary Patterns Histograms.