《OpenCV 计算机视觉》—— Harris角点检测、SIFT特征检测

一、Harris 角点检测

OpenCV中的Harris角点检测是一种基于图像灰度值变化的角点提取算法，它通过计算每个像素点的响应函数来确定是否为角点。Harris角点检测算法的基本思想和步骤如下：

1.基本思想

Harris角点检测算法基于图像中角点的局部特征，角点处图像灰度变化明显，且向任何方向移动变化都很大。通过计算每个像素点的响应函数，并设置阈值来确定角点。

2.检测步骤

1. 灰度化：将彩色图像转换为灰度图像，以便进行后续处理。

2. 计算图像梯度：使用Sobel等算子计算图像在x和y方向上的梯度。这些梯度反映了图像在水平和垂直方向上的亮度变化。

3. 计算梯度积方向矩阵（自相关矩阵）：对于每个像素点，根据其周围的梯度值计算自相关矩阵。这个矩阵包含了该点x方向梯度的平方和、y方向梯度的平方和以及x方向梯度与y方向梯度的乘积。

4. 计算角点响应函数：根据自相关矩阵计算Harris响应函数，其定义为$R=\text{det}(M)-k\cdot \text{trace}(M{)}^2$，其中$M$为自相关矩阵，$\text{det}(M)$为其行列式，$\text{trace}(M)$为其迹，$k$为一个经验参数，通常在0.04到0.06之间。

5. 非极大值抑制：对于计算得到的响应函数图像，进行非极大值抑制，即保留局部最大值点，将其余点设为0，以消除重复检测的角点。

6. 阈值化：根据设定的阈值，将响应函数图像中低于阈值的点排除，以得到最终的角点位置。

3.OpenCV实现

在OpenCV中，可以使用cv2.cornerHarris()函数来实现Harris角点检测。该函数的基本语法如下：

dst = cv2.cornerHarris(src, blockSize, ksize, k[, dst[, borderType]])

• src：输入图像，应为单通道灰度图像，数据类型为float32。

• blockSize：角点检测中使用的邻域大小，一般为2、3、4等奇数。

• ksize：Sobel算子的大小，用于计算x和y方向的梯度，一般为3。

• k：Harris角点检测方程中的自由参数，一般取值为0.04到0.06。

• dst：输出图像，与输入图像大小相同，数据类型为float32，其中每个像素点的值表示该点的Harris响应函数值。

• borderType：像素的边界模式，默认值为cv2.BORDER_DEFAULT。

• 下图为示例图片
  

• Harris角点检测代码实现

  import cv2# 读取图像并转换为灰度图像
  image = cv2.imread('Ta.png')
  gray = cv2.cvtColor(image, cv2.COLOR_BGR2GRAY)# 计算Harris角点响应图像
  dst = cv2.cornerHarris(gray, blockSize=4, ksize=3, k=0.04)# 标记检测到的角点
  image[dst > 0.05 * dst.max()] = [0, 255, 0]
  # 这里通过对角点响应进行阈值处理，标记出检测到的角点
  # 0.05 * dst.max()是一个值，大于这个值的像素点会被标记为绿色。# 显示结果图像
  cv2.imshow('Harris Corners', image)
  cv2.waitKey(0)
  cv2.destroyAllWindows()
  

• 结果如下：
  

二、SIFT特征检测

**SIFT（Scale-Invariant Feature Transform，尺度不变特征变换）**是一种在图像处理和计算机视觉领域广泛使用的特征检测算法。它主要用于检测图像中的局部特征点，并生成对应的描述符，这些特征点对图像的旋转、尺度缩放和亮度变化具有一定的不变性，同时对视角变化、仿射变换和噪声也保持一定程度的稳定性。以下是SIFT特征检测的详细介绍：

1. SIFT特征检测的基本原理

SIFT算法通过以下几个步骤来实现特征点的检测和描述：

1. 尺度空间极值检测：

   • 搜索所有尺度上的图像位置，通过高斯微分函数来识别潜在的对于尺度和旋转不变的兴趣点。
   • 构建高斯金字塔和DoG（Difference of Gaussian）金字塔，通过比较相邻尺度图像的差分来检测极值点。

2. 关键点定位：

   • 在每个候选的位置上，通过拟合精细的模型（如泰勒展开）来确定关键点的精确位置和尺度。
   • 关键点的选择依据于它们的稳定程度，通常选择局部极值点作为关键点。

3. 方向确定：

   • 基于图像局部的梯度方向，为每个关键点分配一个或多个主方向。
   • 通过计算关键点周围区域的梯度幅值和方向来确定主方向，以实现旋转不变性。

4. 关键点描述：

   • 在每个关键点周围的邻域内，在选定的尺度上测量图像局部的梯度。
   • 将这些梯度变换成一种表示，形成关键点的描述符。描述符由关键点周围的梯度方向直方图组成，通过拼接子区域的直方图来形成最终的描述符。
   • 对描述符进行归一化处理，以增强其鲁棒性。

• 可结合以下图片理解
  

2. SIFT特征检测的特点

1. 独特性：SIFT特征具有很好的独特性，即使在复杂的场景中也能有效地区分不同的特征点。
2. 多量性：即使图像中只包含少数几个物体，也能产生大量的SIFT特征向量，为匹配提供更多的可能性。
3. 高速性：经过优化的SIFT匹配算法可以达到实时的要求，适用于需要快速处理的应用场景。
4. 可扩展性：SIFT特征可以很方便地与其他形式的特征向量进行联合，提高匹配的准确性和鲁棒性。

3. OpenCV 实现

• 步骤：
  • 1.加载图像
  • 2.创建SIFT对象
  • 3.检测关键点和计算描述符
  • 4.绘制关键点
  • 5.显示图像
• 下图为特征检测的图片
  
• SIFT特征检测代码实现

  import cv2# 加载图像并转换为灰度图
  image = cv2.imread('sea.jpg')
  image_gray = cv2.cvtColor(image, cv2.COLOR_BGR2RGB)# 在OpenCV中，使用cv2.SIFT_create()或cv2.xfeatures2d.SIFT_create()函数（取决于OpenCV的版本和配置）来创建一个SIFT对象。
  # 这个对象将用于后续的关键点检测和描述符生成。
  sift = cv2.SIFT_create()
  # 或者在某些OpenCV版本中可能需要
  # sift = cv2.xfeatures2d.SIFT_create()# 使用SIFT对象的detectAndCompute()方法来检测图像中的关键点并计算它们的描述符
  keypoints, descriptors = sift.detectAndCompute(image_gray, None)# 使用cv2.drawKeypoints()函数将检测到的关键点绘制到图像上
  image_with_keypoints = cv2.drawKeypoints(image, keypoints, None, flags=cv2.DRAW_MATCHES_FLAGS_DRAW_RICH_KEYPOINTS)# 显示图像
  cv2.imshow('Image with Keypoints', image_with_keypoints)
  cv2.waitKey(0)  # 等待任意键盘按键
  cv2.destroyAllWindows()  # 关闭所有OpenCV窗口
  

• 结果如下：