计算机视觉——基于BOW的图像检索

一、实验原理

（一）Bag of words模型

「Bag of Words」 是文本分类中一种通俗易懂的策略。一般来讲，如果我们要了解一段文本的主要内容，最行之有效的策略是抓取文本中的关键词，根据关键词出现的频率确定这段文本的中心思想。比如：如果一则新闻中经常出现「iraq」、「terrorists」，那么，我们可以认为这则新闻应该跟伊拉克的恐怖主义有关。而如果一则新闻中出现较多的关键词是「soviet」、「cuba」，我们又可以猜测这则新闻是关于冷战的。
这里所说的关键词，就是「Bag of words」中的 words ，它们是区分度较高的单词。根据这些 words ，我们可以很快地识别出文章的内容，并快速地对文章进行分类。
而「Bag of Feature」也是借鉴了这种思路，只不过在图像中，我们抽出的不再是一个个「word」，而是图像的关键特征「Feature」，所以研究人员将它更名为「Bag of Feature」。

（二）Bag of Feature 算法

「Bag of Feature」的本质是提出一种图像的特征表示方法。按照「Bag of Feature」算法的思想，首先我们要找到图像中的关键词，而且这些关键词必须具备较高的区分度。实际过程中，通常会采用「SIFT」特征。
有了特征之后，我们会将这些特征通过聚类算法得出很多聚类中心。这些聚类中心通常具有较高的代表性，比如，对于人脸来说，虽然不同人的眼睛、鼻子等特征都不尽相同，但它们往往具有共性，而这些聚类中心就代表了这类共性。我们将这些聚类中心组合在一起，形成一部字典（CodeBook）。
对于图像中的每个「SIFT」特征，我们能够在字典中找到最相似的聚类中心，统计这些聚类中心出现的次数，可以得到一个向量表示（有些文章称之为「直方图」）。这样，对于不同类别的图片，这个向量应该具有较大的区分度，基于此，我们可以训练出一些分类模型（SVM等），并用其对图片进行分类。

（三）Bag of Feature 算法过程

「Bag of Feature」大概分为四步：
1、提取图像特征；
2、对特征进行聚类，得到一部字典（ visual vocabulary ）；
3、根据字典将图片表示成向量（直方图）；
4、训练分类器或者用 KNN 进行检索（这一步严格来讲不属于「Bag of Feature」的范畴）。

（1）提取图像特征

特征必须具有较高的区分度，而且要满足旋转不变性以及尺寸不变性等，因此，我们通常都会采用「SIFT」特征（有时为了降低计算量，也会采用其他特征，如：SURF ）。「SIFT」会从图片上提取出很多特征点，每个特征点都是 128 维的向量，因此，如果图片足够多的话，我们会提取出一个巨大的特征向量库。

（2）训练字典

提取完特征后，我们会采用一些聚类算法对这些特征向量进行聚类。最常用的聚类算法是 k-means。至于 k-means 中的 k 如何取，要根据具体情况来确定。另外，由于特征的数量可能非常庞大，这个聚类的过程也会非常漫长。聚类完成后，我们就得到了这 k 个向量组成的字典，这 k 个向量有一个通用的表达，叫 visual word。

（3）图片直方图表示

上一步训练得到的字典，是为了这一步对图像特征进行量化。对于一幅图像而言，我们可以提取出大量的「SIFT」特征点，但这些特征点仍然属于一种浅层（low level）的表达，缺乏代表性。因此，这一步的目标，是根据字典重新提取图像的高层特征。
具体做法是，对于图像中的每一个「SIFT」特征，都可以在字典中找到一个最相似的 visual word，这样，我们可以统计一个 k 维的直方图，代表该图像的「SIFT」特征在字典中的相似度频率。

（4）训练分类器

当我们得到每幅图片的直方图向量后，剩下的这一步跟以往的步骤是一样的。无非是根据数据库图片的向量以及图片的标签，训练分类器模型。然后对需要预测的图片，我们仍然按照上述方法，提取「SIFT」特征，再根据字典量化直方图向量，用分类器模型对直方图向量进行分类。当然，也可以直接根据 KNN 算法对直方图向量做相似性判断。

二、实验内容

（一）数据集

由100张照片组成的数据集

（二）sift提取特征并建立视觉词典

要为我们的数据集里的图片创建视觉单词词汇，首先载入图像列表，利用SIFT提取特征描述子，获取特征列表，创建Vocabulary对象生成并保存词汇。
实现代码：

# -*- coding: utf-8 -*-
import pickle
from PCV.imagesearch import vocabulary
from PCV.tools.imtools import get_imlist
from PCV.localdescriptors import sift

# 获取图像列表
# imlist = get_imlist('E:/Python37_course/test7/first1000/')
imlist = get_imlist('F:\Pictures\one')
nbr_images = len(imlist)
# 获取特征列表
featlist = [imlist[i][:-3] + 'sift' for i in range(nbr_images)]

# 提取文件夹下图像的sift特征
for i in range(nbr_images):
    sift.process_image(imlist[i], featlist[i])

# 生成词汇
# voc = vocabulary.Vocabulary('ukbenchtest')
# voc.train(featlist, 1000, 10)
voc = vocabulary.Vocabulary('test77_test')
voc.train(featlist, 100, 10)

# 保存词汇
# saving vocabulary
'''with open('E:/Python37_course/test7/first1000/vocabulary.pkl', 'wb') as f:
    pickle.dump(voc, f)'''
with open('D:\dasan2\vocabulary', 'wb') as f:
    pickle.dump(voc, f)
print ('vocabulary is:', voc.name, voc.nbr_words)

sift文件：
对每张图片生成相应的.sift文件，及视觉词汇，以便建立BOW模型。我所用的是图像集为100张。如果需要增加图像或减少只需要改代码里读取训练图像的数量。

pkl文件：

（三）遍历所有的图像，将它们的特征投影到词汇并提交到数据库

本部分主要实现目的是将模型数据导入数据库。照常先载入图像列表、特征列表及词汇，创建Indexer类对象利用数据库创建图像索引。
实现代码：

# -*- coding: utf-8 -*-
import pickle
from PCV.imagesearch import imagesearch
from PCV.localdescriptors import sift
from sqlite3 import dbapi2 as sqlite
from PCV.tools.imtools import get_imlist

#获取图像列表
imlist = get_imlist('F:/Pictures/one/')
nbr_images = len(imlist)
#获取特征列表
featlist = [imlist[i][:-3]+'sift' for i in range(nbr_images)]

# load vocabulary
#载入词汇
with open('D:/dasan2/vocabulary.pkl', 'rb') as f:
    voc = pickle.load(f)
#创建索引
indx = imagesearch.Indexer('testImaAdd3.db',voc)
indx.create_tables()
# go through all images, project features on vocabulary and insert
    #遍历所有的图像，并将它们的特征投影到词汇上
for i in range(nbr_images)[:1000]:
    locs,descr = sift.read_features_from_file(featlist[i])
    indx.add_to_index(imlist[i],descr)
# commit to database
#提交到数据库
indx.db_commit()

con = sqlite.connect('testImaAdd3.db')
print (con.execute('select count (filename) from imlist').fetchone())
print (con.execute('select * from imlist').fetchone())

可得到一个数据库文件：
将上面得到的数据模型存放数据库testImaAdd3.db中，即运行下面代码会生成一个testImaAdd3.db数据库文件。

（四）进行查询匹配

在前面已经建立了图像索引，现在就可以在数据库中搜索相似的图像了。本部分创建了Searcher对象，执行定期查询，并将结果保存在res_reg列表中，然后载入res_reg列表中每一副图像的特征，并和查询图像进行匹配。最终获得排序好的检索结果图像。
实现代码：

# -*- coding: utf-8 -*-
import pickle
import sift
from PCV.imagesearch import imagesearch
from PCV.geometry import homography
from PCV.tools.imtools import get_imlist
 
# load image list and vocabulary
#载入图像列表
#imlist = get_imlist('E:/Python37_course/test7/first1000/')
imlist = get_imlist('E:/Python37_course/test7/images/')
nbr_images = len(imlist)
#载入特征列表
featlist = [imlist[i][:-3]+'sift' for i in range(nbr_images)]
 
#载入词汇
'''with open('E:/Python37_course/test7/first1000/vocabulary.pkl', 'rb') as f:
    voc = pickle.load(f)'''
with open('E:/Python37_course/test7/images/vocabulary.pkl', 'rb') as f:
    voc = pickle.load(f)
 
src = imagesearch.Searcher('testImaAdd.db',voc)
 
# index of query image and number of results to return
#查询图像索引和查询返回的图像数
q_ind = 0
nbr_results = 5
 
# regular query
# 常规查询(按欧式距离对结果排序)
res_reg = [w[1] for w in src.query(imlist[q_ind])[:nbr_results]]
print ('top matches (regular):', res_reg)
 
# load image features for query image
#载入查询图像特征
q_locs,q_descr = sift.read_features_from_file(featlist[q_ind])
fp = homography.make_homog(q_locs[:,:2].T)
 
# RANSAC model for homography fitting
#用单应性进行拟合建立RANSAC模型
model = homography.RansacModel()
rank = {}
 
# load image features for result
#载入候选图像的特征
for ndx in res_reg[1:]:
    locs,descr = sift.read_features_from_file(featlist[ndx])  # because 'ndx' is a rowid of the DB that starts at 1
    # get matches
    matches = sift.match(q_descr,descr)
    ind = matches.nonzero()[0]
    ind2 = matches[ind]
    tp = homography.make_homog(locs[:,:2].T)
    # compute homography, count inliers. if not enough matches return empty list
    try:
        H,inliers = homography.H_from_ransac(fp[:,ind],tp[:,ind2],model,match_theshold=4)
    except:
        inliers = []
    # store inlier count
    rank[ndx] = len(inliers)
 
# sort dictionary to get the most inliers first
sorted_rank = sorted(rank.items(), key=lambda t: t[1], reverse=True)
res_geom = [res_reg[0]]+[s[0] for s in sorted_rank]
print ('top matches (homography):', res_geom)
 
# 显示查询结果
imagesearch.plot_results(src,res_reg[:8]) #常规查询
imagesearch.plot_results(src,res_geom[:8]) #重排后的结果

第一组:
常规查询结果：

重排后的查询结果:

第二组：
常规查询结果：

重排后查询结果:

第三组：
常规查询结果：

重排后的查询结果：

利用单词索引获得候选集，然后在候选集上进行逐一比较。对每个候选图像，都用标准的欧氏距离度量它和查询图像直方图的相似性，并按照相似性程度大小排序，返回排序后的距离及对应数据库ids大小，排在列表最前的是最好的匹配图像。

三、实验总结

（一）实验小结

1、实验结果中，第一张是查询图像，后面是按图像列表检索的前4幅图像。
2、图片尺寸越小运行速度越快，且图像清晰度也影响到最后的匹配结果。
3、三组对比实验中，第一组和第二组的检索结果相对准确，第三组检索结果中包含了其他建筑的图片，不过结果大致是准确。这可能是由于数据集不够大（此次实验数据集只含100张图片），可以继续扩大数据集，数据集越大准确度越高。
4、由实验结果可以看出，对于常规查询结果可重拍后的查询结果来说，重排后的查询结果会比常规查询结果更为准确些，重排用单应性进行拟合建立RANSAC模型，再导入候选图像特征进行排序查询；常规查询只是进行了简单的索引和查询，找到相似即可。

（二）安装pysqlite库

安装方法：
前往https://www.lfd.uci.edu/~gohlke/pythonlibs/#pyopengl里下载

下载完成后打开cmd，先进入pysqlite文件，再pip install：