opencv成长之路：特征点检测与图像匹配
OpenCV成长之路(9)：特征点检测与图像匹配
特征点检测与图像匹配
称兴趣点、关键点，它是在图像中突出且具有代表意义的一些点，通过这些点我们可以用来识别图像、进行图像配准、进行3D重建等。本文主要介绍OpenCV中几种定位与表示关键点的函数。
一、Harris角点
角点是图像中最基本的一种关键点，它是由图像中一些几何结构的关节点构成，很多都是线条之间产生的交点。Harris 角点是一类比较经典的角点类型，它的基本原理是计算图像中每点与周围点变化率的平均值。
(1)
(2)
其中I(x+u,y+u)代表了点(x,y)邻域点的灰度值。通过变换可以将上式变化为一个协方差矩阵求特征值的问题(2)，具体数学原理本文不过多描述。
OpenCV的Hairrs角点检测的函数为cornerHairrs()，但是它的输出是一幅浮点值图像，浮点值越高，表明越可能是特征角点，我们需要对图像进行阈值化。我们使用一张建筑图像
来显示：
int main() { Mat image=imread("../buliding.png"); Mat gray; cvtColor(image,gray,CV_BGR2GRAY);
Mat cornerStrength;
cornerHarris(gray,cornerStrength,3,3,0.01);
threshold(cornerStrength,cornerStrength,0.001,255,THRESH_B INARY); return 0; } 首先我们来说明一下cornerHairrs()这个函数参数的意思：
前2参数是输入与输出，输入是一个灰度图像，输出是一个浮点图像，第三个参数指定角点分析的邻域，第4个参数实际上在角点求取过程中计算梯度图像的核窗口大小，第5个参数是它原理公式(2)中的一个系数。
从上面的例子的结果我们可以看到，有很多角点都是粘连在一起的，我们下面通过加入非极大值抑制来进一步去除一些粘在一起的角点。
非极大值抑制原理是，在一个窗口内，如果有多个角点则用值最大的那个角点，其他的角点都删除，窗口大小这里我们用3*3，程序中通过图像的膨胀运算来达到检测极大值的目的，因为默认参数的膨胀运算就是用窗口内的最大值替代当前的灰度值。程序的最后使用了一个画角点的函数将角点显示在图像中，这个函数与本系列第5篇中画角点的函数是一致的。
int main() { Mat image=imread("../buliding.png");
Mat gray; cvtColor(image,gray,CV_BGR2GRAY);
Mat cornerStrength;
cornerHarris(gray,cornerStrength,3,3,0.01); double maxStrength; double minStrength; // 找到图像中的最大、最小值
minMaxLoc(cornerStrength,&minStrength,&maxStre ngth); Mat dilated; Mat locaMax; // 膨胀图像，最找出图像中全部的局部最大值点
dilate(cornerStrength,dilated,Mat()); // compare是一个逻辑比较函数，返回两幅图像中对应点相同的二值图像compare(cornerStrength,dilated,locaMax,CMP_EQ);
Mat cornerMap; double qualityLevel=0.01; double th=qualityLevel*maxStrength; // 阈值计算
threshold(cornerStrength,cornerMap,th,255,THRESH_BINARY ); cornerMap.convertTo(cornerMap,CV_8U); //
逐点的位运算
bitwise_and(cornerMap,locaMax,cornerMap); drawCornerOnImage(image,cornerMap);
namedWindow("result"); imshow("result",image); waitKey(); return 0; } void drawCornerOnImage(Mat& image,const Mat&binary)
{ Mat_<uchar>::const_iterator
it=binary.begin<uchar>();
Mat_<uchar>::const_iterator
itd=binary.end<uchar>(); for(int
i=0;it!=itd;it++,i++) { if(*it)
circle(image,Point(i%image.cols,i/image.cols),3,Scalar(0,255,0) ,1); } } 现在我们得到的效果就比默认的函数得到的结果有相当的改善。
由于cornerHarris的一些缺点，OpenCV提供了另一个相似的函数GoodFeaturesToTrack()它用角点间的距离限制来防止角点粘连在一起。
goodFeaturesToTrack(image,corner,
500, // 最多检测到的角点数0.01, // 阈值系数10); // 角点间的最小距离它可以得到与上面基本一致的结果。
二、FAST特征点
harris特征在算法复杂性上比较高，在大的复杂的目标识别或匹配应用上效率不能满足要求，OpenCV提供了一个快速检测角点的类FastFeatureDetector，而实际上FAST并不是快的意思，而是Features from Accelerated Segment Test，但这个算法效率确实比较高，下面我们来看看这个类的用法。
OpenCV里为角点检测提供了统一的接口，通过类下面的detect方法来检测对应的角点，而输出格式都是
vector<KeyPoint>。
vector<KeyPoint> keypoints; FastFeatureDetector fast( // 定义检测类40); //40是检测的阈值
fast.detect(image,keypoints);
drawKeypoints(image,keypoints,image,Scalar(255,0,0), DrawMatchesFlags::DRAW_OVER_OUTIMG); 其中drawKeypoints是OpenCV提供的在图像上画角点的函数。它的参数可以让我们选择用不同的方式标记出特征点。
三、尺度不变的SURF特征
surf特征是类似于SIFT特征的一种尺度不变的特征点，它的优点在于比SIFT效率要高，在实际运算中可以达到实时性的要求，关于SURF的原理这里就不过多的介绍，网络上这类的文章很多。
类似于FAST特征点的求法，SURF也可以使用通用接口求得，而SURF特征的类为SurfFeatureDetector，类似的SIFT 特征点的检测类为SiftFeatureDetector。
#include <opencv2/core/core.hpp> #include
<opencv2/highgui/highgui.hpp> #include
<opencv2/nonfree/features2d.hpp> using namespace
cv; int main() { Mat
image=imread("../buliding.png");
vector<KeyPoint> keypoints;
SurfFeatureDetector surf(2500.);
surf.detect(image,keypoints);
drawKeypoints(image,keypoints,image,Scalar(255,0,0), DrawMatchesFlags::DRAW_RICH_KEYPOINTS); namedWindow("result"); imshow("result",image); waitKey(); return 0; } 这里有一个值得说明的问题是：OpenCV2.4版本后好像把SurfFeatureDetector这个类的定义移到了头文件nonfree/features2d.hpp
中，所以头文件中要加入该文件，并且要把
opencv_nonfree24xd.lib加入属性表的链接器熟悉的输入中，其中x换成你当前opencv的版本号。
最终的显示效果如下：
四、SURF特征的描述
在图像配准中，特征点的描述往往不是位置这么简单，而是使用了一个N维向量来描述一个特征点，这些描述子之间可以通过定义距离公式来比较相近程度。SurfDescriptorExtractor 是一个提取SURF特征点以及其描述的类。
下面是一个宽景图像的拼接配准的例子：
#include <opencv2/core/core.hpp> #include
<opencv2/highgui/highgui.hpp> #include
<opencv2/nonfree/features2d.hpp> #include
<opencv2/legacy/legacy.hpp> using namespace cv; int main() { Mat image1=imread("../b1.png");
Mat image2=imread("../b2.png"); // 检测surf特征点vector<KeyPoint> keypoints1,keypoints2; SurfFeatureDetector detector(400);
detector.detect(image1, keypoints1);
detector.detect(image2, keypoints2); // 描述surf特征点SurfDescriptorExtractor surfDesc; Mat
descriptros1,descriptros2;
https://www.sodocs.net/doc/5118535699.html,pute(image1,keypoints1,descriptros1); https://www.sodocs.net/doc/5118535699.html,pute(image2,keypoints2,descriptros2); // 计算匹配点数
BruteForceMatcher<L2<float>>matcher;
vector<DMatch> matches;
matcher.match(descriptros1,descriptros2,matches);
std::nth_element(matches.begin(),matches.begin()+24,matches.e nd()); matches.erase(matches.begin()+25,matches.end()); // 画出匹配图Mat imageMatches;
drawMatches(image1,keypoints1,image2,keypoints2,matches, imageMatches,Scalar(255,0,0));
namedWindow("image2"); imshow("image2",image2); waitKey(); return 0; } 程序中我们选择了25个配准点，得到最后的匹配如下：