原理
为了将Bag-of-words模型应用于图像表示，我们可以将图像看作文档，即若干个“视觉词汇”的集合，同样的，视觉词汇相互之间没有顺序。
由于图像中的词汇不像文本文档中的那样是现成的，我们需要首先从图像中提取出相互独立的视觉词汇，这通常需要经过三个步骤：
- 特征检测
- 特征表示
- 单词本的生成
通过观察会发现，同一类目标的不同实例之间虽然存在差异，但我们仍然可以找到它们之间的一些共同的地方，比如说人脸，虽然说不同人的脸差别比较大，但眼睛，嘴，鼻子等一些比较细小的部位，却观察不到太大差别，我们可以把这些不同实例之间共同的部位提取出来，作为识别这一类目标的视觉词汇。
而SIFT算法是提取图像中局部不变特征的应用最广泛的算法，因此我们可以用SIFT算法从图像中提取不变特征点，作为视觉词汇，并构造单词表，用单词表中的单词表示一幅图像。
接下来，我们通过上述图像展示如何通过Bag-of-words模型，将图像表示成数值向量。现在有三个目标类，分别是人脸、自行车和吉他。
第一步：利用SIFT算法，从每类图像中提取视觉词汇，将所有的视觉词汇集合在一起，如下图所示：
第二步：利用K-Means算法构造单词表。K-Means算法是一种基于样本间相似性度量的间接聚类方法，此算法以K为参数，把N个对象分为K个簇，以使簇内具有较高的相似度，而簇间相似度较低。SIFT提取的视觉词汇向量之间根据距离的远近，可以利用K-Means算法将词义相近的词汇合并，作为单词表中的基础词汇，假定我们将K设为4，那么单词表的构造过程如下图所示：
第三步：利用单词表的中词汇表示图像。利用SIFT算法，可以从每幅图像中提取很多个特征点，这些特征点都可以用单词表中的单词近似代替，通过统计单词表中每个单词在图像中出现的次数，可以将图像表示成为一个K=4维数值向量。
上图中，我们从人脸、自行车和吉他三个目标类图像中提取出的不同视觉词汇，而构造的词汇表中，会把词义相近的视觉词汇合并为同一类，经过合并，词汇表中只包含了四个视觉单词，分别按索引值标记为1，2，3，4。通过观察可以看到，它们分别属于自行车、人脸、吉他、人脸类。统计这些词汇在不同目标类中出现的次数可以得到每幅图像的直方图表示（我们假定存在误差，实际情况亦不外如此）：
人脸： [3,30,3,20]
自行车：[20,3,3,2]
吉他： [8,12,32,7]
其实这个过程非常简单，就是针对人脸、自行车和吉他这三个文档，抽取出相似的部分（或者词义相近的视觉词汇合并为同一类），构造一个词典，词典中包含4个视觉单词，即Dictionary = {1:”自行车”, 2. “人脸”, 3. “吉他”, 4. “人脸类”}，最终人脸、自行车和吉他这三个文档皆可以用一个4维向量表示，最后根据三个文档相应部分出现的次数画成了上面对应的直方图。
需要说明的是，以上过程只是针对三个目标类非常简单的一个示例，实际应用中，为了达到较好的效果，单词表中的词汇数量K往往非常庞大，并且目标类数目越多，对应的K值也越大，一般情况下，K的取值在几百到上千，在这里取K＝4仅仅是为了方便说明。
下面，我们再来总结一下如何利用Bag-of-words模型将一幅图像表示成为数值向量：
第一步：利用SIFT算法从不同类别的图像中提取视觉词汇向量，这些向量代表的是图像中局部不变的特征点；
第二步：将所有特征点向量集合到一块，利用K-Means算法合并词义相近的视觉词汇，构造一个包含K个词汇的单词表；
第三步：统计单词表中每个单词在图像中出现的次数，从而将图像表示成为一个K维数值向量。
具体的，假设有5类图像，每一类中有10幅图像，这样首先对每一幅图像划分成patch（可以是刚性分割也可以是像SIFT基于关键点检测的），这样，每一个图像就由很多个patch表示，每一个patch用一个特征向量来表示，咱就假设用Sift表示的，一幅图像可能会有成百上千个patch，每一个patch特征向量的维数128。
接下来就要进行构建Bag of words模型了，假设Dictionary词典的Size为100，即有100个词。那么咱们可以用K-means算法对所有的patch进行聚类，k=100，我们知道，等k-means收敛时，我们也得到了每一个cluster最后的质心，那么这100个质心（维数128）就是词典里德100个词了，词典构建完毕。
词典构建完了怎么用呢？是这样的，先初始化一个100个bin的初始值为0的直方图h。每一幅图像不是有很多patch么？我们就再次计算这些patch和和每一个质心的距离，看看每一个patch离哪一个质心最近，那么直方图h中相对应的bin就加1，然后计算完这幅图像所有的patches之后，就得到了一个bin=100的直方图，然后进行归一化，用这个100维德向量来表示这幅图像。对所有图像计算完成之后，就可以进行分类聚类训练预测之类的了。
图像的特征用到了Dense Sift，通过Bag of Words词袋模型进行描述，当然一般来说是用训练集的来构建词典，因为我们还没有测试集呢。虽然测试集是你拿来测试的，但是实际应用中谁知道测试的图片是啥，所以构建BoW词典我这里也只用训练集。
用BoW描述完图像之后，指的是将训练集以及测试集的图像都用BoW模型描述了，就可以用SVM训练分类模型进行分类了。
上述BOW原理参考文章：https://blog.csdn.net/tiandijun/article/details/51143765
代码
1、利用现有的数据集来生成sift特征和图像搜索时所需要的模型文件
为创建视觉单词词汇，首先需要提取特征描述子。这里，我们使用sift特征描述子，得到每副图像提取出的描述子后，将他们保存在一个文件中。并且创建一个词汇类以及在训练图像数据集上训练出一个词汇的方法。
# -*- coding: utf-8 -*-
import pickle
from PCV.imagesearch import vocabulary
from PCV.tools.imtools import get_imlist
from PCV.localdescriptors import sift
#获取图像列表
imlist = get_imlist('first100/')
nbr_images = len(imlist)
#获取特征列表
featlist = [imlist[i][:-3]+'sift' for i in range(nbr_images)]
#提取文件夹下图像的sift特征
for i in range(nbr_images):
sift.process_image(imlist[i], featlist[i])
#生成词汇
voc = vocabulary.Vocabulary('ukbenchtest')
voc.train(featlist, 1000, 10)
#保存词汇
# saving vocabulary
with open('first100/vocabulary.pkl', 'wb') as f:
pickle.dump(voc, f)
print ('vocabulary is:', voc.name, voc.nbr_words)
2、将模型数据导入数据库
将图片资料存放到数据库中，使用了python中的pysqlite库，关于这个库可以到网站https://www.lfd.uci.edu/~gohlke/pythonlibs/#pyopengl中下载和自己系统版本对应的版本，下载后在下载的文件夹中pip install即可
# -*- coding: utf-8 -*-
import pickle
from PCV.imagesearch import imagesearch
from PCV.localdescriptors import sift
from sqlite3 import dbapi2 as sqlite
from PCV.tools.imtools import get_imlist
#获取图像列表
imlist = get_imlist('first100/')
nbr_images = len(imlist)
#获取特征列表
featlist = [imlist[i][:-3]+'sift' for i in range(nbr_images)]
# load vocabulary
#载入词汇
with open('first100/vocabulary.pkl', 'rb') as f:
voc = pickle.load(f)
#创建索引
indx = imagesearch.Indexer('testImaAdd.db',voc)
indx.create_tables()
# go through all images, project features on vocabulary and insert
#遍历所有的图像，并将它们的特征投影到词汇上
for i in range(nbr_images)[:1000]:
locs,descr = sift.read_features_from_file(featlist[i])
indx.add_to_index(imlist[i],descr)
# commit to database
#提交到数据库
indx.db_commit()
con = sqlite.connect('testImaAdd.db')
print (con.execute('select count (filename) from imlist').fetchone())
print (con.execute('select * from imlist').fetchone())
3、将数据放进数据库中之后就可以开始测试图片索引
利用一些考虑到特征几何关系的准则重排搜索到的靠前结果，可以提高准确率。最常用的方法是在查询图像与靠前图像的特征位置间拟合单应性。
为了提高效率，可以将特征位置存储在数据库中，并由特征的单词id决定他们之间的关联。然而，这需要大幅重写我们上面的数据库和代码，并复杂化表达形式。为了进行说明，我们仅重载靠前图像的特征，并对它们进行匹配。
下面是一个载入所有模型文件并用单应性对靠前的图像进行重排的例子
# -*- coding: utf-8 -*-
import pickle
from PCV.localdescriptors import sift
from PCV.imagesearch import imagesearch
from PCV.geometry import homography
from PCV.tools.imtools import get_imlist
# load image list and vocabulary
#载入图像列表
imlist = get_imlist('first100/')
nbr_images = len(imlist)
#载入特征列表
featlist = [imlist[i][:-3]+'sift' for i in range(nbr_images)]
#载入词汇
with open('first100/vocabulary.pkl', 'rb') as f:
voc = pickle.load(f)
src = imagesearch.Searcher('testImaAdd.db',voc)
# index of query image and number of results to return
#查询图像索引和查询返回的图像数
q_ind = 0
nbr_results = 20
# regular query
# 常规查询(按欧式距离对结果排序)
res_reg = [w[1] for w in src.query(imlist[q_ind])[:nbr_results]]
print ('top matches (regular):', res_reg)
# load image features for query image
#载入查询图像特征
q_locs,q_descr = sift.read_features_from_file(featlist[q_ind])
fp = homography.make_homog(q_locs[:,:2].T)
# RANSAC model for homography fitting
#用单应性进行拟合建立RANSAC模型
model = homography.RansacModel()
rank = {}
# load image features for result
#载入候选图像的特征
for ndx in res_reg[1:]:
locs,descr = sift.read_features_from_file(featlist[ndx]) # because 'ndx' is a rowid of the DB that starts at 1
# get matches
matches = sift.match(q_descr,descr)
ind = matches.nonzero()[0]
ind2 = matches[ind]
tp = homography.make_homog(locs[:,:2].T)
# compute homography, count inliers. if not enough matches return empty list
try:
H,inliers = homography.H_from_ransac(fp[:,ind],tp[:,ind2],model,match_theshold=4)
except:
inliers = []
# store inlier count
rank[ndx] = len(inliers)
# sort dictionary to get the most inliers first
sorted_rank = sorted(rank.items(), key=lambda t: t[1], reverse=True)
res_geom = [res_reg[0]]+[s[0] for s in sorted_rank]
print ('top matches (homography):', res_geom)
# 显示查询结果
imagesearch.plot_results(src,res_reg[:8]) #常规查询
imagesearch.plot_results(src,res_geom[:8]) #重排后的结果首先，载入图像列表、特征列表（分别包含图像文件名和sift特征文件）以及 词汇。然后创建一个searcher对象，执行定期查询，并将结果保存在res_reg列表中。然后载入res_reg列表中每一幅图像的特征，并和查询图像进行匹配。单应性通过计算匹配数和计数内点数得到。最终，我们可以通过减少内点的数目对包含图像索引和内点数的字典进行排序。打印搜索结果列表到控制台，并可视化检索靠前的图像。
运行完后输出结果以及会两张Figure如下
4、建立演示程序和web应用
需要先安装CherryPy包
首先我们需要用一些html标签进行初始化，并用pickle载入数据。另外，还需要有与数据库进行交互的searcher对象词汇。
# -*- coding: utf-8 -*-
import cherrypy
import pickle
import urllib
import os
from numpy import *
#from PCV.tools.imtools import get_imlist
from PCV.imagesearch import imagesearch
import random
"""
This is the image search demo in Section 7.6.
"""
class SearchDemo:
def __init__(self):
# 载入图像列表
self.path = 'first100/'
#self.path = 'D:/python_web/isoutu/first500/'
self.imlist = [os.path.join(self.path,f) for f in os.listdir(self.path) if f.endswith('.jpg')]
#self.imlist = get_imlist('./first500/')
#self.imlist = get_imlist('E:/python/isoutu/first500/')
self.nbr_images = len(self.imlist)
print (self.imlist)
print (self.nbr_images)
self.ndx = list(range(self.nbr_images))
print (self.ndx)
# 载入词汇
# f = open('first1000/vocabulary.pkl', 'rb')
with open('first100/vocabulary.pkl','rb') as f:
self.voc = pickle.load(f)
#f.close()
# 显示搜索返回的图像数
self.maxres = 10
# header and footer html
self.header = """
<!doctype html>
<head>
<title>Image search</title>
</head>
<body>
"""
self.footer = """
</body>
</html>
"""
def index(self, query=None):
self.src = imagesearch.Searcher('testImaAdd.db', self.voc)
html = self.header
html += """
<br />
Click an image to search. <a href='?query='> Random selection </a> of images.
<br /><br />
"""
if query:
# query the database and get top images
#查询数据库，并获取前面的图像
res = self.src.query(query)[:self.maxres]
for dist, ndx in res:
imname = self.src.get_filename(ndx)
html += "<a href='?query="+imname+"'>"
html += "<img src='"+imname+"' alt='"+imname+"' width='100' height='100'/>"
print (imname+"################")
html += "</a>"
# show random selection if no query
# 如果没有查询图像则随机显示一些图像
else:
random.shuffle(self.ndx)
for i in self.ndx[:self.maxres]:
imname = self.imlist[i]
html += "<a href='?query="+imname+"'>"
html += "<img src='"+imname+"' alt='"+imname+"' width='100' height='100'/>"
print (imname+"################")
html += "</a>"
html += self.footer
return html
index.exposed = True
#conf_path = os.path.dirname(os.path.abspath(__file__))
#conf_path = os.path.join(conf_path, "service.conf")
#cherrypy.config.update(conf_path)
#cherrypy.quickstart(SearchDemo())
cherrypy.quickstart(SearchDemo(), '/', config=os.path.join(os.path.dirname(__file__), 'service.conf'))
运行此代码还需要一个web服务器的配置文件service.conf
此文件中的内容为
[global]
server.socket_host = "127.0.0.1"
server.socket_port = 8080
server.thread_pool = 50
tools.sessions.on = True
[/]
tools.staticdir.root = "D:\\python3.7\\ch07"
tools.staticdir.on = True
tools.staticdir.dir = ""第一部分为IP地址和端口，第二部分为图库的地址
我的图库是在 D:\python3.7\ch07/first100/ 地址下，然后我在数据库中保存 的路径是 first100/xxx.jpg 所以我只要将图库的地址设置成 D:\python3.7\ch07 就行。
最后我们运行的时候会将我们设置的图库的地址（也就是 D:\python3.7\ch07） 和我们保存在数据库中的地址（first100/xxx.jpg）连接起来，用于显示图片。
在浏览器中打开上面的IP地址加端口：http://127.0.0.1:8080
就会显示随机挑选出来的图像的初始页面。
然后点击一幅图像进行查询，会显示出搜索出来的前几幅图像，在搜索出来的图像中单击某图像可以开始新的查询。此外，页面上有一个链接可以返回原来随机选择的状态。比如点击上图的第一张图片之后出来如下结果
