图像特征-sift

图像尺度空间

在一定的范围内，无论物体是大还是小，人眼都可以分辨出来，然而计算机要有相同的能力却很难，所以要让机器能够对物体在不同尺度下有一个统一的认知，就需要考虑图像在不同的尺度下都存在的特点。

尺度空间的获取通常使用高斯模糊来实现

不同σ的高斯函数决定了对图像的平滑程度，越大的σ值对应的图像越模糊。

多分辨率金字塔

高斯差分金字塔（DOG）

DoG空间极值检测

为了寻找尺度空间的极值点，每个像素点要和其图像域（同一尺度空间）和尺度域（相邻的尺度空间）的所有相邻点进行比较，当其大于（或者小于）所有相邻点时，该点就是极值点。如下图所示，中间的检测点要和其所在图像的3×3邻域8个像素点，以及其相邻的上下两层的3×3领域18个像素点，共26个像素点进行比较。

关键点的精确定位

这些候选关键点是DOG空间的局部极值点，而且这些极值点均为离散的点，精确定位极值点的一种方法是，对尺度空间DoG函数进行曲线拟合，计算其极值点，从而实现关键点的精确定位。

消除边界响应

特征点的主方向

每个特征点可以得到三个信息(x,y,σ,θ)，即位置、尺度和方向。具有多个方向的关键点可以被复制成多份，然后将方向值分别赋给复制后的特征点，一个特征点就产生了多个坐标、尺度相等，但是方向不同的特征点。

生成特征描述

在完成关键点的梯度计算后，使用直方图统计邻域内像素的梯度和方向。

为了保证特征矢量的旋转不变性，要以特征点为中心，在附近邻域内将坐标轴旋转θ角度，即将坐标轴旋转为特征点的主方向。

旋转之后的主方向为中心取8x8的窗口，求每个像素的梯度幅值和方向，箭头方向代表梯度方向，长度代表梯度幅值，然后利用高斯窗口对其进行加权运算，最后在每个4x4的小块上绘制8个方向的梯度直方图，计算每个梯度方向的累加值，即可形成一个种子点，即每个特征的由4个种子点组成，每个种子点有8个方向的向量信息。

论文中建议对每个关键点使用4x4共16个种子点来描述，这样一个关键点就会产生128维的SIFT特征向量。

opencv SIFT函数

import cv2
import numpy as np

img = cv2.imread('test_1.jpg')
gray = cv2.cvtColor(img, cv2.COLOR_BGR2GRAY)

cv2.__version__ #3.4.1.15 pip install opencv-python==3.4.1.15 pip install opencv-contrib-python==3.4.1.15

效果：

'3.4.1'

sift = cv2.xfeatures2d.SIFT_create() #得到特征点
kp = sift.detect(gray, None)
img = cv2.drawKeypoints(gray, kp, img)

cv2.imshow('drawKeypoints', img)
cv2.waitKey(0)
cv2.destroyAllWindows()

效果：

kp, des = sift.compute(gray, kp) #计算特征
print (np.array(kp).shape)
des.shape
des[0]

效果：

(6827,)
(6827, 128)
array([  0.,   0.,   0.,   0.,   0.,   0.,   0.,   0.,  21.,   8.,   0.,
         0.,   0.,   0.,   0.,   0., 157.,  31.,   3.,   1.,   0.,   0.,
         2.,  63.,  75.,   7.,  20.,  35.,  31.,  74.,  23.,  66.,   0.,
         0.,   1.,   3.,   4.,   1.,   0.,   0.,  76.,  15.,  13.,  27.,
         8.,   1.,   0.,   2., 157., 112.,  50.,  31.,   2.,   0.,   0.,
         9.,  49.,  42., 157., 157.,  12.,   4.,   1.,   5.,   1.,  13.,
         7.,  12.,  41.,   5.,   0.,   0., 104.,   8.,   5.,  19.,  53.,
         5.,   1.,  21., 157.,  55.,  35.,  90.,  22.,   0.,   0.,  18.,
         3.,   6.,  68., 157.,  52.,   0.,   0.,   0.,   7.,  34.,  10.,
        10.,  11.,   0.,   2.,   6.,  44.,   9.,   4.,   7.,  19.,   5.,
        14.,  26.,  37.,  28.,  32.,  92.,  16.,   2.,   3.,   4.,   0.,
         0.,   6.,  92.,  23.,   0.,   0.,   0.], dtype=float32)

OpenCV--图像特征(sift)