词袋模型一些理解

一些定义

• visual word：定义“visual word”为ORB特征，描述子之间的匹配程度可以用汉明距离
• Vocabulary：“visual words”通过kmeans等方法建立一个树形字典“Vocabulary”，每一个叶子节点便是一个word。
• image database：由一棵词树（vocabulary tree）以及正向索引（direct index）和反向索引（inverse index）构成。
• visual word 检索方法：给定某一幅图像中的一个特征点，特征点从树形词典的根节点开始往走，依次与当前所在节点的子节点进行比较，选取汉明距离最小的节点作为中继节点，以此类推，直到所在节点为叶子节点。
  

建立字典

提取图片数据集的特征，用kmeans等方法建立一个字典树。

每一个节点包括（只列出了部分信息）

     struct Node 
    {
        //在所有节点中的标号
        NodeId id;
        //该节点的权重，该权重为训练的过程中设置的，在得到了树之后，
        //将所有的描述子过一遍树，得到每个单词出现的次数，除以总的描述子数目
        WordValue weight;
        //描述符，为每一类的均值（对于brief描述子，则要对均值进行二值化）
        TDescriptor descriptor;
        //如果是叶节点，则有词汇的id
        WordId word_id;
    }

反向索引（inverse index）

叶子节点存储着图像list和权重。建好kmeans树后，对训练集中的每幅图像的每个特征点，根据visual word 的检索方法，检索到最为相似的叶子节点，叶子节点会存下这个特征点的数据（图像id和特征id，权重）。最后每个叶子节点里保存有一个list，包含一系列图像。实际运行时，当新的图像加入到图像数据库中的时候，反向索引就会更新。

反向索引用于提取与给定图像相似的图像，通过投票机制，选取候选者，而不需要计算与所有图像之间的相似度，加速搜索。

正向索引（direct index）

存储了每张图像的特征（如ORB特征）和它们关联的第l层的节点。

视觉字典中的节点是分层存储的，假如树一共有L层，从叶子开始为0层，即l=0，到根结束，l=Lw。

当反向索引得到了候选者（一个叶子节点）时，当前特征分别于候选者的图片list里的特征比较，利用orb特征匹配来选出最为相似的特征点。

正向索引也可以用于几何验证。

几何验证 （geometric verification）

验证几何一致性的关键在于利用RANSAC，通过在两帧图像上的12个点对应，找到一个基本矩阵。

建立点对应就需要寻找特征点的最近邻点，这时候就需要用到我们前面提到的direct index。要查找图像上的一个特征点，只需要在l层上该特征点所对应节点上寻找即可。l的值需要预先设定，l值设为零，那么就只能去叶节点找，找到的对应点很少。如果l值设置为根节点，相当于在所有节点中寻找，没有做任何优化。

权重计算

• 1.词频Term Frequency（TF）：某个词在文章中出现的次数。为了归一化，词频也可以定义成，某个词在文章中出现的次数 / 文章的总词数。如果一个词比较少见，那么区分度就大。
• 2.逆向文件频率Inverse document frequency（IDF）：需要一个语料库，来模拟语言的使用环境。IDF定义为，log（语料库的文档总数 / 包含该词的文档数 +1 ）。如果一个词越常见，那么分母就越大，逆文档频率就越小，越接近0。
• 3.TF-IDF：词频（TF）* 逆向文件频率（IDF）。如果某个词比较少见，但是它在这篇文章中多次出现，那么它很可能就反映了这篇文章的特性，正是我们所需要的关键词。某个词对文章的重要性越高，它的TF-IDF值就越大。

在词典创建之后，可以算出IDF，他们的值不会随图像数据库中图像特征入口数量的变化而变化。在生成BoW向量时，可以计算TF。

DBoW3代码解读

DBoW3主要类

    class BowVector //表示图像的单词向量 <Vector of words to represent image>
    class FeatureVector //局部特征的向量 <Vector of nodes with indexes of local features>
    class Database  //图像数据库
    class Descmanip //操作特征描述子（计算均值、差分、IO例程）
    class QueryResults  //检索图像数据库
    class ScoringObject //计算两个向量间的值、计分
    class Vocabulary    //词典
    class quicklz       //快速数据压缩库

用途

可以将一幅图像的特征点的描述算子，转换为DBoW的描述向量，与另外一直图片直接进行比较；也可以一直图片与一个词袋数据库进行比较，可以返回前几张最相似的图片。

回环检测。

ORB-SLAM里的用途

关键帧模型中的特征匹配

• 输入是当前帧和关键帧的特征点和关键帧的特征点

对于一般的匹配思路，是对两幅图像的特征点的描述子，用暴力匹配的方法算“最小距离”，非常耗时。关键帧模型匹配里，用词袋树来缩小匹配范围。

1.首先，将输入特征点的描述子转换为BoW向量。对于每一个特征点，用visual word 检索方法找到最为近似的叶子节点。最后一张图片就可以用BowVector和FeatureVector来描述，BowVector存着TF的值，FeatureVector存着某一指定层（第4层）每个node包含的特征点s。

    class Frame
    {
        std::vector mvKeys；   // Vector of keypoints
        std::vector mvpMapPoints;    // MapPoints associated to keypoints, or NULL 
        cv::Mat mDescriptors;   // ORB descriptor, each row associated to a keypoint.
     // Bag of Words Vector structures.
        DBoW2::BowVector mBowVec;
        DBoW2::FeatureVector mFeatVec;
    }
    void Frame::ComputeBoW()
    {
        if(mBowVec.empty())
        {
            // 将描述子Mat类型展开成vector类型
            vector vCurrentDesc = Converter::toDescriptorVector(mDescriptors);
            // 将frame的vCurrentDesc转换为词包
            // 计算词包mBowVec和mFeatVec，其中mFeatVec记录了属于第i个node（在第4层）的ni个描述子
            mpORBvocabulary->transform(vCurrentDesc,mBowVec,mFeatVec,4);
        }
    }

    class BowVector: public std::map  // map结构，key为WordId，value为TF
      // vector里保存的是特征点的索引
    class FeatureVector: public std::mapstd::vector<unsigned int> >

2.FeatureVector相对于将特征点们分成了n（n等于第4层node的个数）个簇，每个簇都有id号，也就是NodeId。匹配时从关键帧中选择一个簇，从当前帧选择NodeId号一样的簇，对这两个簇里的特征点进行匹配，词袋模型就是这样子减少了匹配的范围。如果层数选择了根节点，相对于一幅图像只有一个簇，没有优化。

两个簇的特征点的匹配是暴力的逐个对比，算描述子之间的距离。对于关键帧中的每一个特征点，算出与当前帧特征点的描述子的距离，保存下最小距离和倒数第二小距离。成功匹配的要求是：最小距离小于一个误差阈值；最小距离比倒数第二小距离“明显”要小， 这个“明显”是一个参数。“明显”这个参数可以对一些重复出现的特征点（比如棋盘格这样子的特征点）匹配可以更鲁棒。

两个簇的匹配也有一些trick。每个特征点在提取描述子时的旋转主方向角度，如果图像旋转了，这个角度将发生改变，所有的特征点的角度变化应该是一致的，通过直方图统计（360/30）得到直方图中最大的三个index（一共12个），匹配点在这三个iindex中的会保留，其余匹配点会去掉。

回环检测

图片出处

• http://rpg.ifi.uzh.ch/teaching.html
• 论文 Bags of Binary Words for Fast Place Recognition in Image Sequences

参考

• 【泡泡机器人原创专栏】DBoW3 视觉词袋模型、视觉字典和图像数据库分析https://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzI5MTM1MTQwMw==&mid=2247487947&idx=1&sn=a161d5ba005adabbfef23ee823c3f34b&chksm=ec10afcfdb6726d9460e3992357b93a50fb622a805c785a9322d7cafb6f8d7d0b02494206fbd&mpshare=1&scene=1&srcid=0120tujPrzQBRJvOMRlHZuAr&pass_ticket=DyCv5iDYNGzqu%2FG5eHjGG4I5gZSFV%2B4a6kb08nDUOcc%3D#rd
• 浅谈回环检测中的词袋模型（bag of words）http://blog.csdn.net/qq_24893115/article/details/52629248