opencv学习笔记六--图像特征[harris+SIFT]+特征匹配

opencv学习笔记六--图像特征[harris+SIFT]+特征匹配

  • 图像特征(SIFT-Scale Invariant Feature Transform)
    • 图像尺度空间
      • 多分辨率金字塔
      • 高斯差分金字塔(DOG)
      • DoG空间极值检测
      • 关键点的精确定位
      • 消除边界响应
      • 特征点的主方向
      • 生成特征描述
      • opencv SIFT函数
  • 图像特征-harris角点检测
    • 基本原理
      • cv2.cornerHarris()
  • 特征匹配
    • Brute-Force蛮力匹配
    • 1对1的匹配
    • k对最佳匹配
    • 随机抽样一致算法(Random sample consensus,RANSAC)
    • 单应性矩阵

图像特征(SIFT-Scale Invariant Feature Transform)

图像尺度空间

在一定的范围内,无论物体是大还是小,人眼都可以分辨出来,然而计算机要有相同的能力却很难,所以要让机器能够对物体在不同尺度下有一个统一的认知,就需要考虑图像在不同的尺度下都存在的特点。

尺度空间的获取通常使用高斯模糊来实现

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不同σ的高斯函数决定了对图像的平滑程度,越大的σ值对应的图像越模糊。

多分辨率金字塔

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高斯差分金字塔(DOG)

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DoG空间极值检测

为了寻找尺度空间的极值点,每个像素点要和其图像域(同一尺度空间)和尺度域(相邻的尺度空间)的所有相邻点进行比较,当其大于(或者小于)所有相邻点时,该点就是极值点。如下图所示,中间的检测点要和其所在图像的3×3邻域8个像素点,以及其相邻的上下两层的3×3领域18个像素点,共26个像素点进行比较。

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关键点的精确定位

这些候选关键点是DOG空间的局部极值点,而且这些极值点均为离散的点,精确定位极值点的一种方法是,对尺度空间DoG函数进行曲线拟合,计算其极值点,从而实现关键点的精确定位。

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消除边界响应

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特征点的主方向

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每个特征点可以得到三个信息(x,y,σ,θ),即位置、尺度和方向。具有多个方向的关键点可以被复制成多份,然后将方向值分别赋给复制后的特征点,一个特征点就产生了多个坐标、尺度相等,但是方向不同的特征点。

生成特征描述

在完成关键点的梯度计算后,使用直方图统计邻域内像素的梯度和方向。

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为了保证特征矢量的旋转不变性,要以特征点为中心,在附近邻域内将坐标轴旋转θ角度,即将坐标轴旋转为特征点的主方向。

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旋转之后的主方向为中心取8x8的窗口,求每个像素的梯度幅值和方向,箭头方向代表梯度方向,长度代表梯度幅值,然后利用高斯窗口对其进行加权运算,最后在每个4x4的小块上绘制8个方向的梯度直方图,计算每个梯度方向的累加值,即可形成一个种子点,即每个特征的由4个种子点组成,每个种子点有8个方向的向量信息。

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论文中建议对每个关键点使用4x4共16个种子点来描述,这样一个关键点就会产生128维的SIFT特征向量。

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opencv SIFT函数

import cv2
import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt#Matplotlib是RGB

img = cv2.imread('test_1.jpg')
gray = cv2.cvtColor(img, cv2.COLOR_BGR2GRAY)
def cv_show(img,name):
    b,g,r = cv2.split(img)
    img_rgb = cv2.merge((r,g,b))
    plt.imshow(img_rgb)
    plt.show()
def cv_show1(img,name):
    plt.imshow(img)
    plt.show()
    cv2.imshow(name,img)
    cv2.waitKey()
    cv2.destroyAllWindows()


cv2.__version__ #3.4.1.15 pip install opencv-python==3.4.1.15 pip install opencv-contrib-python==3.4.1.15
'3.4.1'

得到特征点

sift = cv2.xfeatures2d.SIFT_create()
kp = sift.detect(gray, None)
img = cv2.drawKeypoints(gray, kp, img)
cv_show(img,'drawKeypoints')
# cv2.imshow('drawKeypoints', img)
# cv2.waitKey(0)
# cv2.destroyAllWindows()

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计算特征

kp, des = sift.compute(gray, kp)
print (np.array(kp).shape)
(6827,)
des.shape
(6827, 128)
des[0]
array([  0.,   0.,   0.,   0.,   0.,   0.,   0.,   0.,  21.,   8.,   0.,
         0.,   0.,   0.,   0.,   0., 157.,  31.,   3.,   1.,   0.,   0.,
         2.,  63.,  75.,   7.,  20.,  35.,  31.,  74.,  23.,  66.,   0.,
         0.,   1.,   3.,   4.,   1.,   0.,   0.,  76.,  15.,  13.,  27.,
         8.,   1.,   0.,   2., 157., 112.,  50.,  31.,   2.,   0.,   0.,
         9.,  49.,  42., 157., 157.,  12.,   4.,   1.,   5.,   1.,  13.,
         7.,  12.,  41.,   5.,   0.,   0., 104.,   8.,   5.,  19.,  53.,
         5.,   1.,  21., 157.,  55.,  35.,  90.,  22.,   0.,   0.,  18.,
         3.,   6.,  68., 157.,  52.,   0.,   0.,   0.,   7.,  34.,  10.,
        10.,  11.,   0.,   2.,   6.,  44.,   9.,   4.,   7.,  19.,   5.,
        14.,  26.,  37.,  28.,  32.,  92.,  16.,   2.,   3.,   4.,   0.,
         0.,   6.,  92.,  23.,   0.,   0.,   0.], dtype=float32)


图像特征-harris角点检测

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基本原理

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cv2.cornerHarris()

  • img: 数据类型为 float32 的入图像
  • blockSize: 角点检测中指定区域的大小
  • ksize: Sobel求导中使用的窗口大小
  • k: 取值参数为 [0,04,0.06]
import cv2 
import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt#Matplotlib是RGB

img = cv2.imread('chessboard.jpg')
print ('img.shape:',img.shape)
gray = cv2.cvtColor(img, cv2.COLOR_BGR2GRAY)
# gray = np.float32(gray)
dst = cv2.cornerHarris(gray, 2, 3, 0.04)
print ('dst.shape:',dst.shape)
img.shape: (512, 512, 3)
dst.shape: (512, 512)
def cv_show(img,name):
    b,g,r = cv2.split(img)
    img_rgb = cv2.merge((r,g,b))
    plt.imshow(img_rgb)
    plt.show()
def cv_show1(img,name):
    plt.imshow(img)
    plt.show()
    cv2.imshow(name,img)
    cv2.waitKey()
    cv2.destroyAllWindows()


img[dst>0.01*dst.max()]=[255,255,255]
cv_show(img,'dst')
# cv2.imshow('dst',img) 
# cv2.waitKey(0) 
# cv2.destroyAllWindows()

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特征匹配

Brute-Force蛮力匹配

import cv2 
import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
%matplotlib inline
img1 = cv2.imread('box.png', 0)
img2 = cv2.imread('box_in_scene.png', 0)
def cv_show(img,name):
    b,g,r = cv2.split(img)
    img_rgb = cv2.merge((r,g,b))
    plt.imshow(img_rgb)
    plt.show()
def cv_show1(img,name):
    plt.imshow(img)
    plt.show()
    cv2.imshow(name,img)
    cv2.waitKey()
    cv2.destroyAllWindows()


cv_show1(img1,'img1')

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cv_show1(img2,'img2')

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sift = cv2.xfeatures2d.SIFT_create()
kp1, des1 = sift.detectAndCompute(img1, None)
kp2, des2 = sift.detectAndCompute(img2, None)
# crossCheck表示两个特征点要互相匹,例如A中的第i个特征点与B中的第j个特征点最近的,并且B中的第j个特征点到A中的第i个特征点也是 
#NORM_L2: 归一化数组的(欧几里德距离),如果其他特征计算方法需要考虑不同的匹配计算方式
bf = cv2.BFMatcher(crossCheck=True) #蛮力匹配

1对1的匹配

matches = bf.match(des1, des2)
matches = sorted(matches, key=lambda x: x.distance)#排序
img3 = cv2.drawMatches(img1, kp1, img2, kp2, matches[:10], None,flags=2)
cv_show(img3,'img3')

opencv学习笔记六--图像特征[harris+SIFT]+特征匹配_第25张图片

k对最佳匹配

bf = cv2.BFMatcher()
matches = bf.knnMatch(des1, des2, k=2)#1对K匹配 
good = []
for m, n in matches:
    if m.distance < 0.75 * n.distance:
        good.append([m])
img3 = cv2.drawMatchesKnn(img1,kp1,img2,kp2,good,None,flags=2)
cv_show(img3,'img3')

opencv学习笔记六--图像特征[harris+SIFT]+特征匹配_第26张图片

如果需要更快速完成操作,可以尝试使用cv2.FlannBasedMatcher

随机抽样一致算法(Random sample consensus,RANSAC)

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选择初始样本点进行拟合,给定一个容忍范围,不断进行迭代

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每一次拟合后,容差范围内都有对应的数据点数,找出数据点个数最多的情况,就是最终的拟合结果

opencv学习笔记六--图像特征[harris+SIFT]+特征匹配_第29张图片

单应性矩阵

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