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一文读懂图像局部特征点检测算法

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研究图像特征检测已经有一段时间了,图像特征检测的方法很多,又加上各种算法的变形,所以难以在短时间内全面的了解,只是对主流的特征检测算法的原理进行了学习研究。总体来说,图像特征可以包括颜色特征、纹理特征、形状特征以及局部特征点等。其中局部特点具有很好的稳定性,不容易受外界环境的干扰,本篇文章也是对这方面知识的一个总结。

1 局部特征点

图像特征提取是图像分析与图像识别的前提,它是将高维的图像数据进行简化表达最有效的方式,从一幅图像的M×N×3的数据矩阵中,我们看不出任何信息,所以我们必须根据这些数据提取出图像中的关键信息,一些基本元件以及它们的关系。

局部特征点是图像特征的局部表达,它只能反正图像上具有的局部特殊性,所以它只适合于对图像进行匹配,检索等应用。对于图像理解则不太适合。而后者更关心一些全局特征,如颜色分布,纹理特征,主要物体的形状等。全局特征容易受到环境的干扰,光照,旋转,噪声等不利因素都会影响全局特征。相比而言,局部特征点,往往对应着图像中的一些线条交叉,明暗变化的结构中,受到的干扰也少。

而斑点与角点是两类局部特征点。斑点通常是指与周围有着颜色和灰度差别的区域,如草原上的一棵树或一栋房子。它是一个区域,所以它比角点的噪能力要强,稳定性要好。而角点则是图像中一边物体的拐角或者线条之间的交叉部分。

2 斑点检测原理与举例

2.1 LoG与DoH

斑点检测的方法主要包括利用高斯拉普拉斯算子检测的方法(LOG),以及利用像素点Hessian矩阵(二阶微分)及其行列式值的方法(DOH)。

LoG的方法已经在斑点检测这入篇文章里作了详细的描述。因为二维高斯函数的拉普拉斯核很像一个斑点,所以可以利用卷积来求出图像中的斑点状的结构。

DoH方法就是利用图像点二阶微分Hessian矩阵:

图片描述

Hessian矩阵行列式的值,同样也反映了图像局部的结构信息。与LoG相比,DoH对图像中的细长结构的斑点有较好的抑制作用。

无论是LoG还是DoH,它们对图像中的斑点进行检测,其步骤都可以分为以下两步:

1)使用不同的σ生成

图片描述

模板,并对图像进行卷积运算;

2)在图像的位置空间与尺度空间中搜索LoG与DoH响应的峰值。

2.2 SIFT

2004年,Lowe提高了高效的尺度不变特征变换算法(SIFT),利用原始图像与高斯核的卷积来建立尺度空间,并在高斯差分空间金字塔上提取出尺度不变性的特征点。该算法具有一定的仿射不变性,视角不变性,旋转不变性和光照不变性,所以在图像特征提高方面得到了最广泛的应用。

该算法大概可以归纳为三步:1)高斯差分金字塔的构建;2)特征点的搜索;3)特征描述。

在第一步中,它用组与层的结构构建了一个具有线性关系的金字塔结构,让我们可以在连续的高斯核尺度上查找特征点。它比LoG高明的地方在于,它用一阶高斯差分来近似高斯的拉普拉斯核,大大减少了运算量。

在第二步的特征点搜索中,主要的关键步骤是极值点的插值,因为在离散的空间中,局部极值点可能并不是真正意义上的极值点,真正的极植点可以落在了离散点的缝隙中。所以要对这些缝隙位置进行插值,然后再求极值点的坐标位置。

第二步中另一关键环节是删除边缘效应的点,因为只忽略那些DoG响应不够的点是不够的,DoG的值会受到边缘的影响,那些边缘上的点,虽然不是斑点,但是它的DoG响应也很强。所以我们要把这部分点删除。我们利用横跨边缘的地方,在沿边缘方向与垂直边缘方向表现出极大与极小的主曲率这一特性。所以通过计算特征点处主曲率的比值即可以区分其是否在边缘上。这一点在理解上可以参见Harris角点的求法。

最后一步,即为特征点的特征描述。特征点的方向的求法是需要对特征点邻域内的点的梯度方向进行直方图统计,选取直方图中比重最大的方向为特征点的主方向,还可以选择一个辅方向。在计算特征矢量时,需要对局部图像进行沿主方向旋转,然后再进邻域内的梯度直方图统计(4x4x8)。

2.3 SURF

2006年,Bay和Ess等人基于SIFT算法的思路,提出了加速鲁棒特征(SURF),该算法主要针对于SIFT算法速度太慢,计算量大的缺点,使用了近似Harr小波方法来提取特征点,这种方法就是基于Hessian行列式(DoH)的斑点特征检测方法。通过在不同的尺度上利用积分图像可以有效地计算出近似Harr小波值,简化了二阶微分模板的构建,搞高了尺度空间的特征检测的效率。

SURF算法在积分图像上使用了盒子滤波器对二阶微分模板进行了简化,从而构建了Hessian矩阵元素值,进而缩短了特征提取的时间,提高了效率。其中SURF算法在每个尺度上对每个像素点进行检测,其近似构建的Hessian矩阵及其行列式的值分另为:
图片描述

其中Dxx,Dxy和Dyy为利用盒子滤波器获得的近似卷积值。如果c(x,y,σ)大于设置的门限值,则判定该像素点为关键字。然后与SIFT算法近似,在以关键点为中心的3×3×3像素邻域内进行非极大值抑制,最后通过对斑点特征进行插值运算,完成了SURF特征点的精确定位。

而SURF特征点的描述,则也是充分利用了积分图,用两个方向上的Harr小波模板来计算梯度,然后用一个扇形对邻域内点的梯度方向进行统计,求得特征点的主方向。

3 角点检测的原理与举例

角点检测的方法也是极多的,其中具有代表性的算法是Harris算法与FAST算法。

这两个算法我都有专门写过博文来描述其算法原理。Harris角点和FAST特征点检测。

3.1 Harris角点特征提取

Harris角点检测是一种基于图像灰度的一阶导数矩阵检测方法。检测器的主要思想是局部自相似性/自相关性,即在某个局部窗口内图像块与在各个方向微小移动后的窗口内图像块的相似性。

在像素点的邻域内,导数矩阵描述了数据信号的变化情况。假设在像素点邻域内任意方向上移动块区域,若强度发生了剧烈变化,则变化处的像素点为角点。定义2×2的Harris矩阵为:

图片描述
其中,Cx和Cy分别为点x=(x,y)在xx和y方向上的强度信息的一阶导数,ω(x,y)为对应位置的权重。通过计算Harris矩阵的角点响应值D来判断是否为角点。其计算公式为:

图片描述
其中,det和trace为行列式和迹的操作符,m是取值为0.04~0.06的常数。当角点响应值大于设置的门限,且为该点邻域内的局部最大值时,则把该点当作角点。

3.2 FAST角点特征提取

基于加速分割测试的FAST算法可以快速地提取出角点特征。