Opencv之用于角点检测的Fast算法

1 理论

1.1 使用Fast进行特征检测

  步骤如下：
  1）选择图像中是否要识别为兴趣点的像素$p$，使其强度为$l_p$；
  2）选择适当的阈值$t$
  3）考虑被测像素周围有$16$个像素的圆圈，如下图：

  4）如果圆中存在一组$n$个连续的像素，它们均比$l_p+t$亮，或者比$l_p-t$暗，则像素$p$是一个角。$n$被选取为$12$。
  5）使用高速测试以排除大量的非角区域：此测试只检测1、9、5和13处的像素，如果第一个1和9太亮或太暗，则继续检测5和13。如果$p$是一个角，则其中至少三个全部比$l_p+t$亮或者比$l_p-t$暗；反之不满足。然后，对满足条件的像素继续检测，即条件4，但是缺点有以下：
    5.1）不会拒绝$n<12$的候选对象；
    5.2）像素的选择不是最佳的，因为其效率取决于问题的顺序和角落外观的分布；
    5.3）高速测试的结果被丢弃了；
    5.4）彼此相邻的检测到多个特征。
  目前机器学习的方法解决了前三个问题，最后一个问题则使用非最大抑制来解决。

1.2 让机器学习一个角检测器

  1）选择一组图像进行训练，最好从目标应用程序中进行训练；
  2）在每个图像中运行Fast算法，以查找特征点；
  3）对于每个特征点，将其周围的16个像素存储为适量；对所有图像执行此操作，以获得特征向量$P$；
  4）这16个像素中的每个像素$x$可以是以下三种状态之一：
$$S_{p\to x}=\{\begin{array}{rlr}& d,I_{p\to x}\le I_p-t& (\text{darker});\\ & s,I_p-t<I_{p\to x}<I_p+t& (\text{similar});\\ & b,I_p+t\le I_{p\to x}& (\text{brighter}).\end{array}$$  4.1）取决于这些这些状态，$P$可以分为$3$个子集，$P_d$、$P_s$和$P_b$。
  4.2）定义一个新的布尔变量$K_p$，如果$p$是一个角，则为True；反正为False。
  4.3）使用ID3算法，使用变量$K_p$查询每个子集，以获取有关真实类的知识；
  4.4）递归地将其应用于所有子集，直至熵为零；
  4.5）创建的决策树将用于其他图像的快速检测。

1.3 非最大抑制

  在相邻位置检测多个兴趣点：
  1）计算所有检测到的特征点的得分函数$V$，其中$V$是$p$与16个周围像素值之间的绝对差之和；
  2）考虑两个相邻的关键点并计算它们的$V$值；
  3）丢弃较低$V$值的兴趣点。

2 测试图像

3 实现

import numpy as np
import cv2 as cv


def test(img_path):
    img = cv.imread(img_path)
    img_gray = cv.imread(img_path, 0)
    fast = cv.FastFeatureDetector_create()
    kp = fast.detect(img_gray, None)
    img1 = cv.drawKeypoints(img, kp, None, color=(255, 0, 0))
    print("Threshold: {}".format(fast.getThreshold()))
    print("nonmaxSuppression:{}".format(fast.getNonmaxSuppression()))
    print("neighborhood: {}".format(fast.getType()))
    print("Total Keypoints with nonmaxSuppression: {}".format(len(kp)))
    # 关闭非极大抑制
    fast.setNonmaxSuppression(0)
    kp = fast.detect(img_gray, None)
    print("Total Keypoints without nonmaxSuppression: {}".format(len(kp)))
    img2 = cv.drawKeypoints(img, kp, None, color=(255, 0, 0))
    img = np.hstack([img, img1, img2])
    img = cv.resize(img, None, fx=0.5, fy=0.5)
    cv.imshow("", img)
    cv.waitKey()


if __name__ == '__main__':
    test_img_path = "miao.png"
    test(test_img_path)

  输出如下：

---

参考文献：
【1】Opencv中文文档