【OpenCV】SIFT原理與源碼分析

【OpenCV】SIFT原理與源碼分析

http://blog.csdn.net/xiaowei_cqu/article/details/8069548

SIFT簡介

Scale Invariant Feature Transform，尺度不變特徵變換匹配算法，是由David G. Lowe在1999年（《Object Recognition from Local Scale-Invariant Features》）提出的高效區域檢測算法，在2004年（《Distinctive Image Features from Scale-Invariant Keypoints》）得以完善。

SIFT特徵對旋轉、尺度縮放、亮度變化等保持不變性，是非常穩定的局部特徵，現在應用很廣泛。而SIFT算法是將Blob檢測，特徵矢量生成，特徵匹配搜索等步驟結合在一起優化。我會更新一系列文章，分析SIFT算法原理及OpenCV 2.4.2實現的SIFT源碼：

1. DoG尺度空間構造（Scale-space extrema detection）
2. 關鍵點搜索與定位（Keypoint localization）
3. 方向賦值（Orientation assignment）
4. 關鍵點描述（Keypoint descriptor）
5. OpenCV實現：特徵檢測器FeatureDetector
   
6. SIFT中LoG和DoG的比較

OpenCV2.3之後實現了SIFT的代碼，2.4改掉了一些bug。本系列文章主要分析OpenCV 2.4.2SIFT函數源碼。

SIFT位於OpenCV nonfree的模塊，David G. Lowe申請了算法的版權，請尊重作者權力，務必在允許範圍內使用。

SIFT in OpenCV

OpenCV中的SIFT函數主要有兩個接口。

構造函數：

SIFT::SIFT(int nfeatures=0, int nOctaveLayers=3, double contrastThreshold=0.04, double edgeThreshold=
10, double sigma=1.6)

nfeatures：特徵點數目（算法對檢測出的特徵點排名，返回最好的nfeatures個特徵點）。
nOctaveLayers：金字塔中每組的層數（算法中會自己計算這個值，後面會介紹）。
contrastThreshold：過濾掉較差的特徵點的對閾值。contrastThreshold越大，返回的特徵點越少。
edgeThreshold：過濾掉邊緣效應的閾值。edgeThreshold越大，特徵點越多（被多濾掉的越少）。
sigma：金字塔第0層圖像高斯濾波係數，也就是σ。

重載操作符：

void SIFT::operator()(InputArray img, InputArray mask, vector<KeyPoint>& keypoints, OutputArray
descriptors, bool useProvidedKeypoints=false)

img：8bit灰度圖像
mask：圖像檢測區域（可選）
keypoints：特徵向量矩陣
descipotors：特徵點描述的輸出向量（如果不需要輸出，需要傳cv::noArray()）。
useProvidedKeypoints：是否進行特徵點檢測。ture，則檢測特徵點；false，只計算圖像特徵描述。

函數源碼

構造函數SIFT()主要用來初始化參數，並沒有特定的操作：

SIFT::SIFT( int _nfeatures, int _nOctaveLayers,
           double _contrastThreshold, double _edgeThreshold, double _sigma )
    : nfeatures(_nfeatures), nOctaveLayers(_nOctaveLayers),
    contrastThreshold(_contrastThreshold), edgeThreshold(_edgeThreshold), sigma(_sigma)
    // sigma：對第0層進行高斯模糊的尺度空間因子。
    // 默認爲1.6（如果是軟鏡攝像頭捕獲的圖像，可以適當減小此值）
{
}

主要操作還是利用重載操作符()來執行：

void SIFT::operator()(InputArray _image, InputArray _mask,
                      vector<KeyPoint>& keypoints,
                      OutputArray _descriptors,
                      bool useProvidedKeypoints) const
// mask ：Optional input mask that marks the regions where we should detect features.
// Boolean flag. If it is true, the keypoint detector is not run. Instead,
// the provided vector of keypoints is used and the algorithm just computes their descriptors.
// descriptors – The output matrix of descriptors.
// Pass cv::noArray() if you do not need them.
{
    Mat image = _image.getMat(), mask = _mask.getMat();

    if( image.empty() || image.depth() != CV_8U )
        CV_Error( CV_StsBadArg, "image is empty or has incorrect depth (!=CV_8U)" );

    if( !mask.empty() && mask.type() != CV_8UC1 )
        CV_Error( CV_StsBadArg, "mask has incorrect type (!=CV_8UC1)" );


    // 得到第1組（Octave）圖像
    Mat base = createInitialImage(image, false, (float)sigma);
    vector<Mat> gpyr, dogpyr;
    // 每層金字塔圖像的組數（Octave）
    int nOctaves = cvRound(log( (double)std::min( base.cols, base.rows ) ) / log(2.) - 2);

    // double t, tf = getTickFrequency();
    // t = (double)getTickCount();

    // 構建金字塔（金字塔層數和組數相等）
    buildGaussianPyramid(base, gpyr, nOctaves);
    // 構建高斯差分金字塔
    buildDoGPyramid(gpyr, dogpyr);

    //t = (double)getTickCount() - t;
    //printf("pyramid construction time: %g\n", t*1000./tf);

    // useProvidedKeypoints默認爲false
    // 使用keypoints並計算特徵點的描述符
    if( !useProvidedKeypoints )
    {
        //t = (double)getTickCount();
        findScaleSpaceExtrema(gpyr, dogpyr, keypoints);
        //除去重複特徵點
        KeyPointsFilter::removeDuplicated( keypoints );

        // mask標記檢測區域（可選）
        if( !mask.empty() )
            KeyPointsFilter::runByPixelsMask( keypoints, mask );

        // retainBest:根據相應保留指定數目的特徵點（features2d.hpp）
        if( nfeatures > 0 )
            KeyPointsFilter::retainBest(keypoints, nfeatures);
        //t = (double)getTickCount() - t;
        //printf("keypoint detection time: %g\n", t*1000./tf);
    }
    else
    {
        // filter keypoints by mask
        // KeyPointsFilter::runByPixelsMask( keypoints, mask );
    }

    // 特徵點輸出數組
    if( _descriptors.needed() )
    {
        //t = (double)getTickCount();
        int dsize = descriptorSize();
        _descriptors.create((int)keypoints.size(), dsize, CV_32F);
        Mat descriptors = _descriptors.getMat();

        calcDescriptors(gpyr, keypoints, descriptors, nOctaveLayers);
        //t = (double)getTickCount() - t;
        //printf("descriptor extraction time: %g\n", t*1000./tf);
    }
}

函數中用到的構造金字塔： buildGaussianPyramid(base, gpyr, nOctaves);等步驟請參見文章後續系列。

（轉載請註明作者和出處：http://blog.csdn.net/xiaowei_cqu 未經允許請勿用於商業用途）