OpenCV 例程 300篇246. 特征检测之ORB算法

Posted 2023-01-12 YouCans

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【youcans 的 OpenCV 例程 300篇】246. 特征检测之ORB算法

特征检测与匹配是计算机视觉的基本任务，包括检测、描述和匹配三个相互关联的步骤。广泛应用于目标检测、图像检索、视频跟踪和三维重建等诸多领域。

6.9.1 ORB 算法简介

ORB（Oriented FAST and rotated BRIEF） 是 OpenCV 实验室开发的一种特征检测与特征描述算法，将 FAST 特征检测与 BRIEF 特征描述结合并进行了改进，具有尺度不变性和旋转不变性，对噪声有较强的抗干扰能力。

ORB算法在图像金字塔中使用FAST算法检测关键点，通过一阶矩计算关键点的方向，使用方向校正的BRIEF生成特征描述符。

FAST（Features From Accelerated Segment Test）是一种关键点检测算法，用于特征提取但不涉及特征描述。FAST 算法通过与圆周像素的比较结果判别特征点，计算速度快、可重复性高，非常适合实时视频的处理。

BRIEF （Binary Robust Independent Elementary Features）是一种二进制特征描述符，直接生成二进制字符串作为关键点的特征描述符，加快了建立特征描述符的速度，降低了特征描述符的内存占用，极大地提高了特征匹配的效率，是一种快速高效的特征描述方法，对光照、模糊和透视变换具有较强的鲁棒性。

基本的FAST和BRIEF算法并不具有尺度不变性和旋转不变性，ORB算法的主要贡献是：
（1）对 FAST 算法提取的特征点，使用一阶矩计算特征点方向，实现旋转不变性；
（2）高效计算带方向的 BRIEF 特征点描述符；
（3）降低 BRIEF 特征描述符点对的相关性，在最近邻匹配中具有更好的性能。

参考文献：Ethan Rublee, Vincent Rabaud, Kurt Konolige, and Gary Bradski. Orb: an efficient alternative to sift or surf. In Computer Vision (ICCV), 2011 IEEE International Conference on, pages 2564–2571. IEEE, 2011.

ORB论文中没有解决尺度不变性，但在OpenCV算法中通过图像金字塔实现了尺度不变性。

ORB的主要步骤如下：

（1）尺度空间关键点检测

通过下采样构造图像金字塔，每层只有一张图像，第s层的尺度为：${\sigma }_s={\sigma }_0^s$，第s层的图像尺寸为：$Size=(H/{\sigma }_s,W/{\sigma }_s)$。
在图像金字塔的每层图像中使用 FAST 检测关键点，然后使用Harris角点响应函数或FAST算法选择响应最强的N个点。通过检测每个尺度的关键点，使算法具有一定的尺度特征。

（2）确定关键点的方向

SIFT的定向算法计算量很大，而SURF的定向算法精度较差。ORB使用质心法对关键点确定唯一的主方向。
在以关键点为中心、尺度半径的邻域中，使用强度质心法（一阶矩）计算关键点的方向：
$$\begin{gathered} (C_x,C_y)=(m_{10}/m_{00},m_{01}/m_{00}) \\ \theta =arctan(m_{01},m_{10}) \end{gathered}$$
通过确定每个关键点的方向， 以实现旋转不变性。

（3）使用rBRIEF（Rotation-Aware BRIEF ）生成特征描述符。

BRIEF描述符对于方向变化非常敏感， 存在10度以上旋转时匹配性能很差。
ORB 将角度离散化为2π/30（12度），并构建了BRIEF模式的查找表。rBRIEF根据关键点方向来引导 BRIEF，按关键点的方向将采样窗口旋转角度$\theta$后再构造特征区域，生成 rBRIEF 特征描述符，因此具有旋转不变性。

（4）rBRIEF 特征描述符的方差

BRIEF描述符的每个关键点对都具有很大的方差（均值接近于0.5），相关性较小，便于增强匹配性能。
但 rBRIEF 会减小特征点对的方差，相关性增大，可识别性降低。
为了恢复 rBRIEF 损失的方差，ORB在所有可能的二进制测试中进行贪婪搜索，以找到具有高方差和相关性弱的二进制点对。

ORB的优点是速度非常快，性能比较好，具有旋转不变性和一定的尺度不变性。由于没有专利限制可以免费使用，ORB 算法应用广泛，经常被用来代替 SIFT、SURF 算法。

计算速度： ORB>>SURF>>SIFT（各差一个量级）
旋转鲁棒性：SURF>ORB~SIFT（～表示差不多）
模糊鲁棒性：SURF>ORB~SIFT
尺度鲁棒性：SURF>SIFT>ORB（ORB的尺度变换性很弱）

6.9.2 OpenCV 中的 ORB 类

OpenCV 提供了丰富的特征检测算法，而且继承了 cv::Feature2D 类，采用了统一的定义和封装。

OpenCV 中提供 cv::ORB 类实现 ORB 算法，ORB 类继承了cv::Feature2D类，通过create静态方法创建。

ORB 类的构造函数为：

static Ptr<ORB> create(int nfeatures=500,float scaleFactor = 1.2f,int nlevels = 8,int edgeThreshold = 31,int firstLevel = 0,int WTA_K = 2,ORB::ScoreType scoreType = ORB::HARRIS_SCORE,int patchSize = 31,int fastThreshold = 20)

ORB 类继承 cv::Feature2D父类，在Python语言中通过接口函数cv.ORB_create或cv.ORB.create实例化ORB类，创建ORB对象。通过成员函数orb.detect检测关键点，函数orb.compute计算关键点描述符，函数orb.detectAndCompute检测关键点并生成描述符。

cv.ORB.create([, nfeatures=500, scaleFactor=1.2f, nlevels=8, edgeThreshold=31, firstLevel=0, WTA_K=2, scoreType=ORB::HARRIS_SCORE, patchSize=31, fastThreshold=20]) → retval
cv.ORB_create([, nfeatures=500, scaleFactor=1.2f, nlevels=8, edgeThreshold=31, firstLevel=0, WTA_K=2, scoreType=ORB::HARRIS_SCORE, patchSize=31, fastThreshold=20]) → retval
orb.detect(image[, mask]) → keypoints
orb.compute(image, keypoints[, descriptors=None]) → keypoints, descriptors
orb.detectAndCompute(image, mask[, descriptors[, useProvidedKeypoints]]) → keypoints, descriptors

参数说明：

• nfeatures：关键点的最大数量，默认值为500。
• scaleFactor：图像金字塔的缩放比，大于1的浮点数，默认值为1.2。
• nlevels ：图像金字塔的层数，默认值为8。
• edgeThreshold：边界保留尺寸，不检测靠近边界的像素，默认值为31。
• firstLevel：原始图像作为金字塔的第几层，默认值为0。
• WTA_K：构造BRIEF描述符点对的像素点数，可选值2/3/4，默认值为2。
• scoreType：响应排序方法，默认HARRIS_SCORE，表示按Harris响应函数排序。
• patchSize：生成定向描述符的特征区域的尺寸，默认值为31。
• fastThreshold：FAST阈值，默认值为20。
• image：输入图像，单通道。
• mask：掩模图像，指定查找关键点的区域，可选项。
• keypoints：检测到的关键点，元组。
• descriptors：关键点的描述符，形为(nfeatures,32)的Numpy数组。

注意事项：

• 通过接口函数cv.ORB.create或cv.ORB_create实例化ORB类，在OpenCV的不同版本中可能只允许其中一种方式。
• 函数detect、compute、detectAndCompute等是继承Feature2D类的成员函数，在程序中的格式为orb.detect，orb表示ORB类的实例对象。
• 关键点描述符descriptor的形状为(nfeatures,32)，nfeatures是关键点的数量，描述符的字节长度为32，对应于二进制编码长度为256。

例程 14.28：特征检测之 ORB 算法

# 【例程 14.28】特征检测之 ORB 算法
import cv2 as cv
import numpy as np
from matplotlib import pyplot as plt

if __name__ == '__main__':
    img = cv.imread("../images/Fig1701.png", flags=1)
    gray = cv.cvtColor(img, cv.COLOR_BGR2GRAY)
    print("shape of image: ", gray.shape)

    # Initiate ORB detector
    orb = cv.ORB_create()  # 实例化 ORB 类
    # kp, descriptors = orb.detectAndCompute(gray)  # 检测关键点和生成描述符
    kp = orb.detect(img, None)  # 关键点检测，kp 为元组
    kp, des = orb.compute(img, kp)  # 生成描述符
    print("Num of keypoints: ", len(kp))  # 500
    print("Shape of kp descriptors: ", des.shape)  # (500,32)
    imgS = cv.convertScaleAbs(img, alpha=0.5, beta=128)
    imgKp1 = cv.drawKeypoints(imgS, kp, None)  # 只绘制关键点位置
    imgKp2 = cv.drawKeypoints(imgS, kp, None, flags=cv.DRAW_MATCHES_FLAGS_DRAW_RICH_KEYPOINTS)  # 绘制关键点大小和方向
    plt.figure(figsize=(9, 3.5))
    plt.subplot(131), plt.title("1. Original")
    plt.axis('off'), plt.imshow(cv.cvtColor(img, cv.COLOR_BGR2RGB))
    plt.subplot(132), plt.title("2. ORB keypoints")
    plt.axis('off'), plt.imshow(cv.cvtColor(imgKp1, cv.COLOR_BGR2RGB))
    plt.subplot(133), plt.title("3. ORB keypoints scaled")
    plt.axis('off'), plt.imshow(cv.cvtColor(imgKp2, cv.COLOR_BGR2RGB))
    plt.tight_layout()
plt.show()

程序说明
程序运行结果如图所示。
⑴ 子图1是原始图像，子图2、子图3将ORB检测的关键点绘制在原始图像上。子图2只绘制了关键点的中心，子图3对每个关键点绘制表示关键点大小和方向的圆圈。
⑵ 例程检测到500个关键点，但子图2中显示的关键点数量似乎并不多。对比子图3可知，在一个关键点及其邻近点，可能在不同尺度被检测为很多个关键点，ORB算法并未对此进行抑制。

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参考文献：Ethan Rublee, Vincent Rabaud, Kurt Konolige, and Gary Bradski. Orb: an efficient alternative to sift or surf. In Computer Vision (ICCV), 2011 IEEE International Conference on, pages 2564–2571. IEEE, 2011

【本节完】

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