OpenCV 例程 300篇256. 特征检测之 CenSurE（StarDetector）算法

Posted 2023-01-17 YouCans

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【youcans 的 OpenCV 例程 300篇】256. 特征检测之 CenSurE（StarDetector）算法

6.9.1 算法简介

中心环绕算法（Center Surround Extremas, CenSurE）是 Agrawal M 等于 2008年提出的关键点检测算法，具有尺度不变性，计算效率高，特征点坐标精确，性能良好，可以实时实现。

SIFT 和 SURF算法都是利用 Hessian 矩阵的行列式作为检测判据。Harris 和 Hessian 本质上是角探测器，善于在某个尺度上检测定位，但在尺度变化时并不稳健。而拉普拉斯算子在不同尺度上的最大值可以获取特征尺度，一些算法选择设计更高效的拉普拉斯梯度（LoG）模板，SIFT 算法中使用 DoG 近似 LoG，SURF 使用 Box 近似高斯梯度模板（以DoB代替DoG），CenSurE 则使用环形函数的梯度模板，DART 使用分片三角函数模板。

在 CenSurE 算法中，在所有位置和所有尺度计算简化的中心环绕滤波器，并在局部邻域中找到极值。

Agrawal 文中设计了如图的 4种环形梯度滤波器模板，圆形核近似 LoG 的性能最好，但计算复杂度太高。其它3种滤波器都可以使用积分图像快速计算，其中方形核 boxes 的计算效率最高，但其旋转不变性也最差；八边形的性能最好，计算速度也较快。

中心环绕算法 CenSurE 的重要特点是不构造图像金字塔，而是用不同尺度的检测器对原始图像进行检测，就可以检测出不同尺度的关键点。将圆形 BLoG中的内外圆替换为内外正方形，构造 CenSurE_DoB，产生基本的中心环绕 Haar 小波。

CenSurE 算法使用 7个尺度递增的检测器构建尺度空间 n=[1, 2, 3, 4, 5, 6, 7]。对应于不同尺度 n 的 CenSurE_DoB 滤波器的内外正方形的边长分别为 $2\ast n+1$ 和 $4\ast n+1$。检测特征的最小尺度对应于边长为 2 的方块，相当于 $\sigma =1.885$ 的 LoG检测器。这 5个不同的检测尺度覆盖了 2.5 个倍频程，而且可以很容易地扩展到更大的检测尺度范围。

CenSurE_DoB 滤波器可以使用倾斜积分图实现快速计算，即旋转45度的像素值积分图像：
$$titled(X,Y)=\sum _{y<Y,abs(x-X+1)\le Y-y-1}image(x,y)$$
CenSurE 特征检测由三个步骤组成：

（1）使用倾斜积分图像，计算近似高斯差分（以DoB代替DoG）；

（2）采用非极大值抑制，检测局部极大值；

（3）基于 Harris 边缘滤波器，剔除边缘上的不稳定特征点。

CenSurE 特征可以直接使用 SURF 描述符，而 MU-SURF 描述符的性能更好。

6.9.2 OpenCV 中的 cv::StarDetector 类

OpenCV 中实现的 CenSurE 算法称为 STAR 算法，对 CenSurE 算法进行了一些改进。

（1）STAR 滤波器的形状是两个交错重叠的正方形，构成一个八角形。

（2）STAR 算法选择 17个尺度递增的检测器 n=[1, 2, 3, 4, 6, 8, 11, 12, 16, 23, 32, 45, 46, 64, 90, 128]，构成 17个不同尺寸的八角形，按下表形成 12个不同尺寸的滤波器。

尺度	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12
外核尺寸	2	4	6	8	12	16	22	32	46	64	90	128
内核尺寸	0	2	3	4	6	8	11	16	23	32	45	64

（3）滤波器的卷积运算基于积分图像，但没有直接计算八角形内地灰度和，而是分别用积分图像和双倾斜积分图像分别计算后相加。

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

StarDetector 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)
static Ptr<StarDetector> cv::xfeatures2d::StarDetector::create(int maxSize = 45, int responseThreshold = 30, int lineThresholdProjected = 10, int lineThresholdBinarized = 8,
int suppressNonmaxSize = 5)

在 Python 语言中，OpenCV 提供了接口函数 cv.xfeatures2d.StarDetector.create， 实例化 StarDetector 类。

cv.xfeatures2d.StarDetector.create(	[, maxSize=45, responseThreshold=30, lineThresholdProjected=10, lineThresholdBinarized=8, suppressNonmaxSize=5]	) → retval
cv.xfeatures2d.StarDetector_create(	[, maxSize=45, responseThreshold=30, lineThresholdProjected=10, lineThresholdBinarized=8, suppressNonmaxSize=5]	) → retval
star.detect(image[, mask]) → keypoints

参数说明：

• maxSize：使用滤波器的最大尺寸，默认值为 45，可选值为 4, 6, 8, 11, 12, 16, 23, 32, 45, 46, 64, 90, 128
• responseThreshold：非最大值抑制中的阈值，默认值为 30
• lineThresholdProjected：直线抑制中的阈值，默认值为 10
• lineThresholdBinarized：直线抑制中尺寸矩阵的阈值，默认值为 8
• suppressNonmaxSize：非极大值抑制的邻域范围，默认值为 5
• 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：

• ⑴ 通过接口函数cv.xfeatures2d.StarDetector.create或cv.xfeatures2d.StarDetector_create实例化StarDetector类，在OpenCV的不同版本中可能只允许其中一种方式。

• ⑵ OpenCV 中的StarDetector类是特征点检测算法，并不涉及特征描述符的构造，因此不能使用Feature2D类中的compute、detectAndCompute等计算特征描述符的成员函数。

例程 14.28：特征检测之 STAR 算法

# 14.28 特征检测之 StarDetector 算子
    # 读取基准图像
    imgRef = cv.imread("../images/Circuit04.png", flags=1)  # (480, 600, 3)
    refer = cv.cvtColor(imgRef, cv.COLOR_BGR2GRAY)  # 基准图像
    height, width = imgRef.shape[:2]  # 图片的高度和宽度
    print("shape of image: ", height, width)  # 480 600
    # 读取或构造目标图像
    top, left = int(0.1*height), int(0.1*width)
    border = cv.copyMakeBorder(imgRef, top, top, left, top, borderType=cv.BORDER_CONSTANT, value=(32,32,32))
    zoom = cv.resize(border, (width, height), interpolation=cv.INTER_AREA)
    theta= 10  # 顺时针旋转角度，单位为角度
    x0, y0 = width//2, height//2  # 以图像中心作为旋转中心
    MAR = cv.getRotationMatrix2D((x0,y0), theta, 1.0)
    imgObj = cv.warpAffine(zoom, MAR, (width, height))  # 旋转变换，默认为黑色填充
    # imgObj = cv.imread("../images/Circuit04B.png", flags=1)  # (480, 600, 3)
    object = cv.cvtColor(imgObj, cv.COLOR_BGR2GRAY)  # 目标图像
    print("shape of image: ", imgObj.shape)  # (480, 600, 3)

    # STAR 关键点检测
    star = cv.xfeatures2d.StarDetector_create()  # STAR 特征检测
    brief = cv.xfeatures2d.BriefDescriptorExtractor_create()  # BRIEF 特征描述
    kpStarRef = star.detect(imgRef, None)  # STAR 基准图像关键点检测
    kpStarObj = star.detect(imgObj, None)  # STAR 目标图像关键点检测
    # BRIEF 特征描述
    kpStarRef, desBriefRef = brief.compute(imgRef, kpStarRef)  # 通过 BRIEF 计算描述子
    kpStarObj, desBriefObj = brief.compute(imgObj, kpStarObj)  # 通过 BRIEF 计算描述子

    # 特征点匹配，Brute-force matcher
    matcher = cv.BFMatcher()  # 构造 BFmatcher 对象
    matches = matcher.match(desBriefRef, desBriefObj)  # 对描述子 des1, des2 进行匹配
    matches = sorted(matches, key=lambda x: x.distance)
    matches1 = cv.drawMatches(imgRef, kpStarRef, imgObj, kpStarObj, matches[:100], None, flags=2)
    print('queryIdx=%d' % matches[0].queryIdx)
    print('trainIdx=%d' % matches[0].trainIdx)
    print('distance=%d' % matches[0].distance)
    print("bf.match:".format(len(matches)))

    imgRefStar = cv.drawKeypoints(imgRef, kpStarRef, None, flags=cv.DRAW_MATCHES_FLAGS_DRAW_RICH_KEYPOINTS)  # 绘制关键点大小和方向
    imgObjStar = cv.drawKeypoints(imgObj, kpStarObj, None, flags=cv.DRAW_MATCHES_FLAGS_DRAW_RICH_KEYPOINTS)  # 绘制关键点大小和方向
    print(desBriefRef.shape, desBriefObj.shape)

    plt.figure(figsize=(9, 6))
    ax1 = plt.subplot(212)
    ax1.set_title("Star detector & Brief descriptor")
    plt.imshow(cv.cvtColor(matches1, cv.COLOR_BGR2RGB)), plt.axis('off')
    ax2 = plt.subplot(221)
    plt.axis('off'), plt.imshow(cv.cvtColor(imgRefStar, cv.COLOR_BGR2RGB))
    ax2.set_title("Star keypoints (Ref)")
    ax3 = plt.subplot(222)
    plt.axis('off'), plt.imshow(cv.cvtColor(imgObjStar, cv.COLOR_BGR2RGB))
    ax3.set_title("Star keypoints (Obj)")
    plt.tight_layout()
    plt.show()

程序说明
程序运行结果如图所示。

参考文献： Motilal Agrawal, Kurt Konolige, and Morten Rufus Blas. Censure: Center surround extremas for realtime feature detection and matching. In Computer Vision–ECCV 2008, pages 102–115. Springer, 2008.

【本节完】

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