计算机视觉中的特征检测和描述

一、说明

        这篇文章是关于计算机视觉中特征检测和描述概念的简要理解。在其中，我们探讨了它们的定义、常用技术、简单的 python 实现和一些限制。

二、什么是特征检测和描述？

        特征检测和描述是计算机视觉中的基本概念，在图像识别、对象跟踪和图像拼接等各种任务中起着至关重要的作用。这些概念使计算机能够识别图像的不同和信息部分，从而更容易理解和分析视觉数据。以下是这些概念的概述：

        特征检测：特征检测涉及识别图像中重要的特定点、区域或结构，可用作进一步分析的参考。这些功能通常具有独特性、可重复性和对变化（如照明变化、旋转和缩放变换）的鲁棒性。检测到的常见特征类型包括拐角、边、斑点和关键点。

        特征检测的常用技术：

• 哈里斯角球检测： 通过分析不同方向的强度变化来检测图像中的角落。
• 石托马西角检测：对哈里斯角检测的改进，它根据角响应测量选择最佳角。
• 精明边缘检测：通过查找强度快速变化的区域来检测图像中的边缘。
• 斑点检测： 以相对均匀的强度标识图像中的区域。
• 尺度不变特征变换 （SIFT）：检测随比例和旋转变化不变的关键点。

        功能说明： 一旦检测到相关特征，下一步就是以一种允许有效匹配和识别的方式描述这些特征。目标是创建特征的表示形式，以捕获其独特特征，同时抵抗现实世界图像中可能发生的变化。

        功能描述的常用技术：

• 定向梯度直方图（HOG）：表示边缘方向和渐变的局部模式。
• 尺度不变特征变换 （SIFT）：通过分析多个比例下不同图像区域中的梯度来描述关键点。
• 加速的强大功能 （SURF）：SIFT的更快替代方案，使用图像渐变和积分图像描述关键点。
• 本地二进制模式 （LBP）： 通过对像素与其相邻像素之间的关系进行编码来表示纹理。
• 二进制鲁棒不变可扩展关键点 （BRISK）：通过使用二进制描述符将速度和健壮性结合起来。

功能匹配： 在检测和描述多个图像中的特征后，特征匹配涉及查找不同图像中特征之间的对应关系。此步骤对于对象识别、图像对齐和 3D 重建等任务至关重要。

特征匹配的常用技术：

• 最近邻匹配： 根据描述符的相似性匹配特征。
• 比率测试：确保所选匹配明显优于次佳匹配，从而提高匹配准确性。

三、为什么我们需要特征检测和描述？

        以下是特征检测和描述在计算机视觉中很重要的原因：

        紧凑表示：图像包含大量数据，因此直接分析和比较具有挑战性。特征是图像中独特的模式或结构，可以用更少的数据点表示，从而更容易有效地处理和分析图像。

        可变性的鲁棒性： 图像可能会因照明、视点、比例、旋转、遮挡和其他因素的变化而有所不同。对这些变化不变或鲁棒的特征对于可靠的图像分析至关重要。例如，即使图像旋转或受到照明变化的影响，图像中定义明确的角仍应可识别为角。

        匹配和识别： 特征检测和描述允许匹配不同图像中的相应特征，这对于图像拼接、对象跟踪和对象识别等任务至关重要。通过识别图像之间的共同特征，计算机视觉系统可以理解关系并建立有意义的联系。

        对象跟踪和运动分析：在监控、自动驾驶汽车和机器人等应用中，特征检测有助于跨帧跟踪对象并了解其运动模式。可靠的特征跟踪使系统能够估计物体速度、预测轨迹并根据物体行为做出决策。

        图像配准：在医学成像、遥感等领域，特征检测用于对齐和记录在不同时间或从不同传感器拍摄的不同图像。这样可以准确比较和分析随时间变化或跨不同数据源的变化。

        3D重建：功能对于从多个 3D 图像（立体视觉）或深度信息生成 2D 模型至关重要。通过识别不同图像中的相应特征，可以估计相机视点和场景对象的相对位置，从而实现3D场景的重建。

        图像拼接和全景创建：在从多个重叠图像创建全景图像时，特征检测有助于沿重叠区域查找匹配点。然后使用这些匹配点将图像无缝对齐和拼接在一起。

        本地信息提取：要素表示影像中的局部模式，可用于描述感兴趣的特定区域。这对于从复杂场景中提取信息、检测图像中的对象以及分析纹理模式非常有用。

        减少计算负载：专注于相关特征可减少计算负载和内存要求，而不是分析整个图像。这在效率是关键因素的实时应用中尤为重要。

四、用于特征检测和描述的 Python 实现

        以下是使用 OpenCV 库的分步 Python 实现，OpenCV 库是计算机视觉任务的流行工具：

导入 CV2
导入 NUMPY 作为 NP

image_path = 'path_to_your_image.jpg'image
= cv2.imread（image_path）
gray_image = cv2.cvtColor（image， cv2.COLOR_BGR2GRAY）

# 定义哈里斯角检测
参数 block_size = 2
aperture_size = 3
k = 0.04 # 哈里斯探测器自由参数

# 使用 Harris Corner Detection
Corner 检测角落 = cv2.cornerHarris（gray_image， block_size， aperture_size， k）

# 规范化角以突出显示最强的
角 = cv2.normalize（角， 无， alpha=0， beta=255， norm_type=cv2.NORM_MINMAX，dtype=cv2。CV_8U）

# 定义阈值以选择强角阈值 = 150 corner_markers = np.zeros_like（角）

corner_markers[角>阈值
] = 255

# 初始化 SIFT 检测器
sift = cv2。SIFT_create（）

# 检测关键点并计算描述符关键点，描述符
= sift.detectAndCompute（gray_image， None）

# 在图像
上绘制关键点 image_with_keypoints = cv2.drawKeypoints（gray_image， keypoint， image， flags=cv2.DRAW_MATCHES_FLAGS_DRAW_RICH_KEYPOINTS）

# 显示图像
cv2.imshow（'Corners'， corner_markers）cv2.imshow（'Keypoints'， image_with_keypoints）cv2.waitKey（0）cv2.destroyAllWindows（）

 

请记住替换为输入图像的实际路径。此示例介绍了特征检测和描述的基本步骤，但请记住，现代计算机视觉通常使用深度学习技术来获得更好的复杂任务结果。'path_to_your_image.jpg'

五、局限性

        以下是计算机视觉中特征检测和描述的一些限制：

1. 刻度和旋转不变性：许多传统的特征检测算法都在努力应对比例和旋转的变化。虽然有些方法试图解决这个问题，但实现真正的尺度和旋转不变性可能具有挑战性。
2. 仅限于本地信息：大多数特征检测算法侧重于捕获点的某个邻域内的局部信息。在全局信息对于准确分析至关重要的情况下，这可能会受到限制。
3. 模糊性和可重复性：检测和描述在不同图像中既独特又可重复的特征可能具有挑战性。某些功能可能不明确，或者在各种照明条件或透视中不容易重复。
4. 噪声灵敏度：特征检测可能对噪声敏感，这可能导致误报或遗漏检测。噪声图像会导致检测到错误的特征点，从而影响后续处理步骤。
5. 仅限于特定功能类型： 针对特定类型的特征（如拐角、边或斑点）优化了不同的特征检测技术。选择正确的方法取决于应用程序和要检测的特征类型。
6. 计算复杂度：某些特征检测算法可能是计算密集型的，尤其是在实时应用程序中处理大型图像或视频流时。这可能会限制它们在某些应用中的实用性。
7. 不断变化的环境： 当应用于具有不同照明条件、动态背景的环境或对象发生重大转换时，特征检测和描述可能会遇到困难。
8. 缺乏语义理解：特征通常是低级视觉模式，它们可能无法捕获更高级别的语义信息。虽然它们在匹配和注册方面可能很强大，但它们可能无法提供对内容的深刻理解。
9. 仅限于 2D 信息：大多数特征检测技术在 2D 空间中运行，可能无法直接捕获 3D 信息或深度线索。此限制可能会影响需要更全面地了解场景结构的应用程序。
10. 对象遮挡：对象的遮挡可能会导致要素匹配缺失或不正确，尤其是在大多数要素点因遮挡而丢失的情况下。
11. 照明变化：许多特征检测算法对照明条件的变化很敏感。照明变化会导致特征看起来截然不同，从而导致匹配困难。
12. 对新领域的适应性：虽然特征检测方法已经被广泛研究和开发，但如果没有重大修改或特定领域的培训，它们可能无法轻易适应新的或专门的领域。

由于这篇文章的限制即将结束，我希望这篇文章能够帮助理解计算机视觉中的特征检测和解密。

 参考文章

Sumitkrsharma – Medium