Python OpenCV学习之特征点检测与匹配详解
背景
提取图像的特征点是图像领域中的关键任务，不管在传统还是在深度学习的领域中，特征代表着图像的信息，对于分类、检测任务都是至关重要的；
特征点应用的一些场景：
图像搜索：以图搜图（电商、教育领域）
图像拼接：全景拍摄（关联图像拼接）
拼图游戏：游戏领域
一、Harris角点
哈里斯角点检测主要有以下三种情况：
- 光滑区域：无论向哪个方向移动，衡量系数不变；
- 边缘区域：垂直边缘移动时，衡量系数变化强烈；
- 角点区域：不管往哪个方向移动，衡量系数变化强烈；
函数原型：
cornerHarris（img，blockSize，ksize，k）
blockSize：检测窗口大小；
k：权重系数，一般取0.02~0.04之间；
代码案例：
img = cv2.imread('chess.png')
gray = cv2.cvtColor(img, cv2.COLOR_BGR2GRAY)
dst = cv2.cornerHarris(gray, 2, 3, 0.04)
img[dst > 0.01*dst.max()] = (0, 0, 255)
cv2.imshow('harris', img)
cv2.waitKey(0)
二、Shi-Tomasi角点检测
说明：是Harris角点检测的改进，在Harris中需要知道k这个经验值，而在Shi-Tomasi不需要；
函数原型：
goodFeaturesToTrack（img，…）
maxCorners：角点的最大数量，值为0表示所有；
qualityLevel：角点的质量，一般在0.01~0.1之间（低于的过滤掉）；
minDistance：角点之间最小欧式距离，忽略小于此距离的点；
mask：感兴趣区域；
useHarrisDetector：是否使用Harris算法（默认为false）
代码案例：
img = cv2.imread('chess.png')
gray = cv2.cvtColor(img, cv2.COLOR_BGR2GRAY)
dst = cv2.goodFeaturesToTrack(gray, 1000, 0.01, 10)
dst = np.int0(dst) # 实际上也是np.int64
for i in dst:
x, y = i.ravel() # 数组降维成一维数组（inplace的方式）
cv2.circle(img, (x, y), 3, (0, 0, 255), -1)
cv2.imshow('harris', img)
cv2.waitKey(0)
本质上和Harris角点检测相同，效果会好一些，角点数量会多一些；
三、SIFT关键点
中文简译：与缩放无关的特征转换；
说明：Harris角点检测具有旋转不变性，也就是旋转图像并不会影响检测效果；但其并不具备缩放不变性，缩放大小会影响角点检测的效果；SIFT具备缩放不变性的性质；
实现步骤：
创建SIFT对象 —— 进行检测（sift.detect） —— 绘制关键点（drawKeypoints）
代码案例：
img = cv2.imread('chess.png')
gray = cv2.cvtColor(img, cv2.COLOR_BGR2GRAY)
sift = cv2.xfeatures2d.SIFT_create()
kp = sift.detect(gray, None) # 第二个参数为mask区域
cv2.drawKeypoints(gray, kp, img)
cv2.imshow('sift', img)
cv2.waitKey(0)
四、SIFT描述子
首先需要说明，关键点和描述子是两个概念；
关键点：位置、大小和方向；
关键点描述子：记录了关键点周围对其有贡献的像素点的一组向量值，其不受仿射变换，光照变换等影响；描述子的作用就是用于特征匹配；
同时计算关键点和描述子的函数（主要使用）：
detectAndCompute（img，…）
代码案例：
img = cv2.imread('chess.png')
gray = cv2.cvtColor(img, cv2.COLOR_BGR2GRAY)
sift = cv2.xfeatures2d.SIFT_create()
kp, dst = sift.detectAndCompute(gray, None) # 第二个参数为mask区域得到的dst即为描述子的信息；
五、SURF
中译：加速的鲁棒性特征检测；
说明：SIFT最大的缺点是速度慢，因此才会有SURF（速度快）；
实现步骤与SIFT一致，代码如下：
surf = cv2.xfeatures2d.SURF_create() kp, dst = surf.detectAndCompute(gray, None) # 第二个参数为mask区域 cv2.drawKeypoints(gray, kp, img)
由于安装的opencv-contrib版本过高（有版权问题），已经不支持该功能了，在此就不作展示了；
六、ORB
说明：最大的优势就是做到实时检测，缺点就是缺失了很多信息（准确性下降）；
主要是两个技术的结合：FAST（特征点实时检测）+ BRIEE（快速描述子建立，降低特征匹配时间）
使用步骤与之前的SIFT一致，代码如下：
img = cv2.imread('chess.png')
gray = cv2.cvtColor(img, cv2.COLOR_BGR2GRAY)
orb = cv2.ORB_create()
kp, dst = orb.detectAndCompute(gray, None) # 第二个参数为mask区域
cv2.drawKeypoints(gray, kp, img)
cv2.imshow('orb', img)
cv2.waitKey(0)
可以看出，相比于SIFT以及SURF关键点变少了，但是其速度有了很大提升；
七、暴力特征匹配（BF）
匹配原理：类似于穷举匹配机制，使用第一组中每个特征的描述子与第二组中的进行匹配，计算相似度，返回最接近的匹配项；
实现步骤：
创建匹配器：BFMatcher（normType，crossCheck）
进行特征匹配：bf.match（des1，des2）
绘制匹配点：cv2.drawMatches（img1，kp1，img2，kp2）
代码案例：
img1 = cv2.imread('opencv_search.png')
img2 = cv2.imread('opencv_orig.png')
g1 = cv2.cvtColor(img1, cv2.COLOR_BGR2GRAY)
g2 = cv2.cvtColor(img2, cv2.COLOR_BGR2GRAY)
sift = cv2.SIFT_create()
kp1, dst1 = sift.detectAndCompute(g1, None) # 第二个参数为mask区域
kp2, dst2 = sift.detectAndCompute(g2, None) # 第二个参数为mask区域
bf = cv2.BFMatcher_create(cv2.NORM_L1)
match = bf.match(dst1, dst2)
img3 = cv2.drawMatches(img1, kp1, img2, kp2, match, None)
cv2.imshow('result', img3)
cv2.waitKey(0)
从上图可看出，匹配的效果还是不错的，只有一个特征点匹配错误；
八、FLANN特征匹配
优点：在进行批量特征匹配时，FLANN速度更快；
缺点：由于使用的时邻近近似值，所有精度较差；
实现步骤与暴力匹配法一致，代码如下：
img1 = cv2.imread('opencv_search.png')
img2 = cv2.imread('opencv_orig.png')
g1 = cv2.cvtColor(img1, cv2.COLOR_BGR2GRAY)
g2 = cv2.cvtColor(img2, cv2.COLOR_BGR2GRAY)
sift = cv2.SIFT_create()
kp1, dst1 = sift.detectAndCompute(g1, None) # 第二个参数为mask区域
kp2, dst2 = sift.detectAndCompute(g2, None) # 第二个参数为mask区域
index_params = dict(algorithm = 1, trees = 5)
search_params = dict(checks=50)
flann = cv2.FlannBasedMatcher(index_params, search_params)
matchs = flann.knnMatch(dst1, dst2, k=2)
good = []
for i, (m, n) in enumerate(matchs):
if m.distance < 0.7 * n.distance:
good.append(m)
img3 = cv2.drawMatchesKnn(img1, kp1, img2, kp2, [good], None)
cv2.imshow('result', img3)
cv2.waitKey(0)
上图可以看出，匹配的特征点数量相比暴力匹配明显变少了，但速度会快很多；
九、图像查找
实现原理：特征匹配 + 单应性矩阵；
单应性矩阵原理介绍：
上图中表示从两个不同角度对原图的拍摄，其中H为单应性矩阵，可通过该矩阵将图像进行转换；
下面使用两个函数实现图像查找的功能：
findHomography（）：获得单应性矩阵；
perspectivveTransform（）：仿射变换函数；
代码实现如下：
img1 = cv2.imread('opencv_search.png')
img2 = cv2.imread('opencv_orig.png')
g1 = cv2.cvtColor(img1, cv2.COLOR_BGR2GRAY)
g2 = cv2.cvtColor(img2, cv2.COLOR_BGR2GRAY)
sift = cv2.SIFT_create()
kp1, dst1 = sift.detectAndCompute(g1, None) # 第二个参数为mask区域
kp2, dst2 = sift.detectAndCompute(g2, None) # 第二个参数为mask区域
index_params = dict(algorithm = 1, trees = 5)
search_params = dict(checks=50)
flann = cv2.FlannBasedMatcher(index_params, search_params)
matchs = flann.knnMatch(dst1, dst2, k=2)
good = []
for i, (m, n) in enumerate(matchs):
if m.distance < 0.7 * n.distance:
good.append(m)
if len(good) >= 4:
# 获得源和目标点的数组
srcPts = np.float32([kp1[m.queryIdx].pt for m in good]).reshape(-1, 1, 2)
dstPts = np.float32([kp2[m.trainIdx].pt for m in good]).reshape(-1, 1, 2)
# 获得单应性矩阵H
H, _ = cv2.findHomography(srcPts, dstPts, cv2.RANSAC, 5.0)
h, w = img1.shape[:2]
pts = np.float32([[0,0], [0, h-1], [w-1, h-1], [w-1, 0]]).reshape(-1, 1, 2)
# 进行放射变换
dst = cv2.perspectiveTransform(pts, H)
# 绘制查找到的区域
cv2.polylines(img2, [np.int32(dst)], True, (0,0,255))
else:
print('good must more then 4.')
exit()
img3 = cv2.drawMatchesKnn(img1, kp1, img2, kp2, [good], None)
cv2.imshow('result', img3)
cv2.waitKey(0)
总结
本篇主要介绍了特征点检测和匹配，其中重要的部分时SIFT算法以及FLANN算法；通过所学的知识，可以简单实现一个图像查找的功能，也就是找子图的功能。甚至可以目标识别的效果；当然这里需要的是完全一致的，不同于深度学习中的目标识别任务
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