在图像间进行特征匹配

特征匹配

目标
　　• 我们将要学习在图像间进行特征匹配
　　• 使用 OpenCV 中的蛮力（Brute-Force）匹配和 FLANN 匹配

Brute-Force 匹配的基础
　　蛮力匹配器是很简单的。首先在第一幅图像中选取一个关键点然后依次与第二幅图像的每个关键点进行（描述符）距离测试，最后返回距离最近的关键点。
　　对于 BF 匹配器，我们首先要使用 cv2.BFMatcher() 创建一个BFMatcher 对象。它有两个可选参数。第一个是 normType。它是用来指定要使用的距离测试类型。默认值为 cv2.Norm_L2。这很适合 SIFT 和 SURF 等（c2.NORM_L1 也可以）。对于使用二进制描述符的 ORB，BRIEF，BRISK算法等，要使用 cv2.NORM_HAMMING，这样就会返回两个测试对象之间的汉明距离。如果 ORB 算法的参数设置为 V T A_K==3 或 4，normType就应该设置成 cv2.NORM_HAMMING2。
　　第二个参数是布尔变量 crossCheck，默认值为 False。如果设置为True，匹配条件就会更加严格，只有到 A 中的第 i 个特征点与 B 中的第 j 个特征点距离最近，并且 B 中的第 j 个特征点到 A 中的第 i 个特征点也是最近（A 中没有其他点到 j 的距离更近）时才会返回最佳匹配（i，j）。也就是这两个特征点要互相匹配才行。这样就能提供统一的结果，这可以用来替代 D.Lowe在 SIFT 文章中提出的比值测试方法。
　　BFMatcher 对象具有两个方法，BFMatcher.match() 和BFMatcher.knnMatch()。第一个方法会返回最佳匹配。第二个方法为每个关键点返回 k 个最佳匹配（降序排列之后取前 k 个），其中 k 是由用户设定的。如果除了匹配之外还要做其他事情的话可能会用上（比如进行比值测试）。
　　就像使用 cv2.drawKeypoints() 绘制关键点一样，我们可以使用cv2.drawMatches() 来绘制匹配的点。它会将这两幅图像先水平排列，然后在最佳匹配的点之间绘制直线（从原图像到目标图像）。如果前面使用的是BFMatcher.knnMatch()，现在我们可以使用函数 cv2.drawMatchsKnn为每个关键点和它的 k 个最佳匹配点绘制匹配线。如果 k 等于 2，就会为每个关键点绘制两条最佳匹配直线。如果我们要选择性绘制话就要给函数传入一个掩模。
　　让我们分别看一个 ORB 和一个 SURF 的例子吧。（使用不同距离计算方法）。
　　
对 ORB 描述符进行蛮力匹配
　　现在我们看一个在两幅图像之间进行特征匹配的简单例子。在本例中我们有一个查询图像和一个目标图像。我们要使用特征匹配的方法在目标图像中寻找查询图像的位置。（这两幅图像分别是/sample/c/box.png和/sample/c/box_in_scene.png）
　　我们使用 ORB 描述符来进行特征匹配。首先我们需要加载图像计算描述符。

# -*- coding: utf-8 -*-
"""
Created on Fri Jan 24 15:10:41 2014
@author: duan
"""
import numpy as np
import cv2
from matplotlib import pyplot as plt
img1 = cv2.imread('box.png',0) # queryImage
img2 = cv2.imread('box_in_scene.png',0) # trainImage

下面我们要创建一个 BFMatcher 对象，并将距离计算设置为cv2.NORM_HAMMING(因为我们使用的是 ORB)，并将 crossCheck 设置为 True。然后使用 Matcher.match()方法获得两幅图像的最佳匹配。然后将匹配结果按特征点之间的距离进行降序排列，这样最佳匹配就会排在前面了。最后我们只将前 10 个匹配绘制出来（太多了看不清，如果愿意的话你可以多画几条）。

# Initiate SIFT detector
orb = cv2.ORB()
# find the keypoints and descriptors with SIFT
kp1, des1 = orb.detectAndCompute(img1,None)
kp2, des2 = orb.detectAndCompute(img2,None)
# create BFMatcher object
bf = cv2.BFMatcher(cv2.NORM_HAMMING, crossCheck=True)
# Match descriptors.
matches = bf.match(des1,des2)
# Sort them in the order of their distance.
matches = sorted(matches, key = lambda x:x.distance)

下面就是我得到的结果。
在这里插入图片描述
匹配器对象是什么？
matches = bf.match(des1, des2) 返回值是一个 DMatch 对象列表。这个DMatch 对象具有下列属性：
• DMatch.distance - 描述符之间的距离。越小越好。
• DMatch.trainIdx - 目标图像中描述符的索引。
• DMatch.queryIdx - 查询图像中描述符的索引。
• DMatch.imgIdx - 目标图像的索引。

对 SIFT 描述符进行蛮力匹配和比值测试
现在我们使用 BFMatcher.knnMatch() 来获得 k 对最佳匹配。在本例中我们设置 k = 2，这样我们就可以使用 D.Lowe 文章中的比值测试了。

import numpy as np
import cv2
from matplotlib import pyplot as plt
img1 = cv2.imread('box.png',0) # queryImage
img2 = cv2.imread('box_in_scene.png',0) # trainImage
# Initiate SIFT detector
sift = cv2.SIFT()
# find the keypoints and descriptors with SIFT
kp1, des1 = sift.detectAndCompute(img1,None)
kp2, des2 = sift.detectAndCompute(img2,None)
# BFMatcher with default params
bf = cv2.BFMatcher()
matches = bf.knnMatch(des1,des2, k=2)
# Apply ratio test
# 比值测试，首先获取与 A 距离最近的点 B（最近）和 C（次近），只有当 B/C
# 小于阈值时（0.75）才被认为是匹配，因为假设匹配是一一对应的，真正的匹配的理想距离为 0
good = []
for m,n in matches:
if m.distance < 0.75*n.distance:
good.append([m])
# cv2.drawMatchesKnn expects list of lists as matches.
img3 = cv2.drawMatchesKnn(img1,kp1,img2,kp2,good[:10],flags=2)
plt.imshow(img3),plt.show()

结果如下：
在这里插入图片描述
FLANN 匹配器
　　 FLANN 是快速最近邻搜索（Fast_Library_for_Approximate_Nearest_Neighbors）的简称。它是一个对大数据集和高维特征进行最近邻搜索的算法的集合，而且这些算法都已经被优化过了。在面对大数据集时它的效果要好于 BFMatcher。我们来对第二个例子使用 FLANN 匹配看看它的效果。
　　使用 FLANN 匹配，我们需要传入两个字典作为参数。这两个用来确定要使用的算法和其他相关参数等。第一个是 IndexParams。各种不同算法的信息可以在 FLANN 文档中找到。这里我们总结一下，对于 SIFT 和 SURF 等，我们可以传入的参数是：
　　 inde ${ {x}_{p}}$ arams = dict(algorithm = F LAN ${ {N}_{I}}$ NDE ${ {X}_{K}}$ DT REE, trees = 5)但使用 ORB 时，我们要传入的参数如下。注释掉的值是文献中推荐使用的，但是它们并不适合所有情况，其他值的效果可能会更好。
　　但使用 ORB 时，我们要传入的参数如下。注释掉的值是文献中推荐使用的，但是它们并不适合所有情况，其他值的效果可能会更好。

import numpy as np
import cv2
from matplotlib import pyplot as plt
img1 = cv2.imread('box.png',0) # queryImage
img2 = cv2.imread('box_in_scene.png',0) # trainImage
# Initiate SIFT detector
sift = cv2.SIFT()
# find the keypoints and descriptors with SIFT
kp1, des1 = sift.detectAndCompute(img1,None)
kp2, des2 = sift.detectAndCompute(img2,None)
# BFMatcher with default params
bf = cv2.BFMatcher()
matches = bf.knnMatch(des1,des2, k=2)
# Apply ratio test
good = []
for m,n in matches:
if m.distance < 0.75*n.distance:
good.append([m])
# cv2.drawMatchesKnn expects list of lists as matches.
img3 = cv2.drawMatchesKnn(img1,kp1,img2,kp2,good,flags=2)
plt.imshow(img3),plt.show()

第二个字典是 SearchParams。用它来指定递归遍历的次数。值越高结果越准确，但是消耗的时间也越多。如果你想修改这个值，传入参数：searc ${ {h}_{p}}$ arams = dict(checks = 100)。
　　有了这些信息我们就可以开始了。

# -*- coding: utf-8 -*-
"""
Created on Fri Jan 24 15:36:42 2014
@author: duan
"""
import numpy as np
import cv2
from matplotlib import pyplot as plt
img1 = cv2.imread('box.png',0) # queryImage
img2 = cv2.imread('box_in_scene.png',0) # trainImage
# Initiate SIFT detector
sift = cv2.SIFT()
# find the keypoints and descriptors with SIFT
kp1, des1 = sift.detectAndCompute(img1,None)
kp2, des2 = sift.detectAndCompute(img2,None)
# FLANN parameters
FLANN_INDEX_KDTREE = 0
index_params = dict(algorithm = FLANN_INDEX_KDTREE, trees = 5)
search_params = dict(checks=50) # or pass empty dictionary
flann = cv2.FlannBasedMatcher(index_params,search_params)
matches = flann.knnMatch(des1,des2,k=2)
# Need to draw only good matches, so create a mask
matchesMask = [[0,0] for i in xrange(len(matches))]
# ratio test as per Lowe's paper
for i,(m,n) in enumerate(matches):
if m.distance < 0.7*n.distance:
matchesMask[i]=[1,0]
draw_params = dict(matchColor = (0,255,0),
singlePointColor = (255,0,0),
matchesMask = matchesMask,
flags = 0)
img3 = cv2.drawMatchesKnn(img1,kp1,img2,kp2,matches,None,**draw_params)
plt.imshow(img3,),plt.show()

结果如下：
在这里插入图片描述

在图像间进行特征匹配

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