ORB_SLAM2 源码解析 ORB特征提取
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篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了ORB_SLAM2 源码解析 ORB特征提取相关的知识，希望对你有一定的参考价值。
目录
1、定义一个枚举类型用于表示使用HARRIS响应值还是使用FAST响应值
二、计算特征点的方向 computeOrientation()
5、计算特征点的方向（computeOrientation）
五、金字塔的计算（ORBextractor::ComputePyramid）
6.3、四叉树筛选特征点: DistributeOctTree()
一、各成员函数变量
在阅读代码之前我们先来介绍变量的命名规则
1、定义一个枚举类型用于表示使用HARRIS响应值还是使用FAST响应值
nfeatures | 指定要提取出来的特征点数目 |
scaleFactor | 图像金字塔的缩放系数 |
nlevels | 指定需要提取特征点的图像金字塔层 |
| iniThFAST | 初始的默认FAST响应值阈值 |
minThFAST | 较小的FAST响应值阈值 |
2、内联函数都是用来直接获取类的成员变量的
GetScaleFactor() | 获取当前提取器所在的图像的缩放因子 |
mvScaleFactor | 图像金字塔中每个图层相对于底层图像的缩放因子 |
GetInverseScaleFactors() | 获取上面的那个缩放因子s的倒数 |
GetScaleSigmaSquares() | 获取sigma^2，就是每层图像相对于初始图像缩放因子的平方 |
GetInverseScaleSigmaSquares() | 获取上面sigma平方的倒数 |
mvImagePyramid | 用来存储图像金字塔的变量，一个元素存储一层图像 |
3、保护成员
保护成员就是私有的别人不可以调用
ComputePyramid | 计算其图像金字塔 |
ComputeKeyPointsOctTree | 以八叉树分配特征点的方式，计算图像金字塔中的特征点 |
vToDistributeKeys | 等待分配的特征点 |
mnFeaturesPerLevel | 分配到每层图像中，要提取的特征点数目 |
umax | 计算特征点方向的时候，有个圆形的图像区域，这个vector中存储了每行u轴的边界（四分之一，其他部分通过对称获得） |
二、计算特征点的方向 computeOrientation()
计算特征点的方向是为了使得提取的特征点具有旋转不变性
方法是灰度质心法：以几何中心和灰度质心的连线作为该特征点方向
2.1、灰度质心法算法步骤
1、计算一个半径为15的近似圆
后面计算的是特征点主方向上的描述子,计算过程中要将特征点周围像素旋转到主方向上,因此计算一个半径为16的圆的近似坐标,用于后面计算描述子时进行旋转操作.
PATCH_SIZE | 图像块的大小,或者说是直径 | 31 |
HALF_PATCH_SIZE | 上面这个大小的一半，或者说是半径 | 15 |
EDGE_THRESHOLD | 算法生成的图像边 | 19 |
u_max | 图像块的每一行的坐标边界 | |
| float | 返回特征点的角度，范围为[0,360)角度，精度为0.3° |
int vmax = cvFloor(HALF_PATCH_SIZE * sqrt(2.f) / 2 + 1); // 45°射线与圆周交点的纵坐标
int vmin = cvCeil(HALF_PATCH_SIZE * sqrt(2.f) / 2); // 45°射线与圆周交点的纵坐标
// 先计算下半45度的umax
for (int v = 0; v <= vmax; ++v) {
umax[v] = cvRound(sqrt(15 * 15 - v * v));
}
// 根据对称性补出上半45度的umax
for (int v = HALF_PATCH_SIZE, v0 = 0; v >= vmin; --v) {
while (umax[v0] == umax[v0 + 1])
++v0;
umax[v] = v0;
++v0;
}
2、计算特征点角度
点v 绕 原点旋转θ 角，得到点v’，假设 v点的坐标是(x, y) ，那么可以推导得到 v’点的坐标（x’, y’)
float angle = (float)kpt.angle*factorPI;
float a = (float)cos(angle), b = (float)sin(angle);
const uchar* center = &img.at<uchar>(cvRound(kpt.pt.y), cvRound(kpt.pt.x));
const int step = (int)img.step;
// 旋转公式
// x'= xcos(θ) - ysin(θ)
// y'= xsin(θ) + ycos(θ)
#define GET_VALUE(idx) \\
center[cvRound(pattern[idx].x*b + pattern[idx].y*a)*step + cvRound(pattern[idx].x*a - pattern[idx].y*b)] 3、IC_Angle 计算技巧
在一个圆域中算出m10（x坐标）和m01（y坐标），计算步骤是先算出中间红线的m10，然后在平行于 x轴算出m10和m01，一次计算相当于图像中的同个颜色的两个line
4、灰度质心法计算公式
static float IC_Angle(const Mat& image, Point2f pt, const vector<int> & u_max)
{
//图像的矩，前者是按照图像块的y坐标加权，后者是按照图像块的x坐标加权
int m_01 = 0, m_10 = 0;
//获得这个特征点所在的图像块的中心点坐标灰度值的指针center
const uchar* center = &image.at<uchar> (cvRound(pt.y), cvRound(pt.x));
// Treat the center line differently, v=0
//这条v=0中心线的计算需要特殊对待
//后面是以中心行为对称轴，成对遍历行数，所以PATCH_SIZE必须是奇数
for (int u = -HALF_PATCH_SIZE; u <= HALF_PATCH_SIZE; ++u)
//注意这里的center下标u可以是负的！中心水平线上的像素按x坐标（也就是u坐标）加权
m_10 += u * center[u];
// Go line by line in the circular patch
//这里的step1表示这个图像一行包含的字节总数。参考[https://blog.csdn.net/qianqing13579/article/details/45318279]
int step = (int)image.step1();
//注意这里是以v=0中心线为对称轴，然后对称地每成对的两行之间进行遍历，这样处理加快了计算速度
for (int v = 1; v <= HALF_PATCH_SIZE; ++v)
{
// Proceed over the two lines
//本来m_01应该是一列一列地计算的，但是由于对称以及坐标x,y正负的原因，可以一次计算两行
int v_sum = 0;
// 获取某行像素横坐标的最大范围，注意这里的图像块是圆形的！
int d = u_max[v];
//在坐标范围内挨个像素遍历，实际是一次遍历2个
// 假设每次处理的两个点坐标，中心线下方为(x,y),中心线上方为(x,-y)
// 对于某次待处理的两个点：m_10 = Σ x*I(x,y) = x*I(x,y) + x*I(x,-y) = x*(I(x,y) + I(x,-y))
// 对于某次待处理的两个点：m_01 = Σ y*I(x,y) = y*I(x,y) - y*I(x,-y) = y*(I(x,y) - I(x,-y))
for (int u = -d; u <= d; ++u)
{
//得到需要进行加运算和减运算的像素灰度值
//val_plus：在中心线下方x=u时的的像素灰度值
//val_minus：在中心线上方x=u时的像素灰度值
int val_plus = center[u + v*step], val_minus = center[u - v*step];
//在v（y轴）上，2行所有像素灰度值之差
v_sum += (val_plus - val_minus);
//u轴（也就是x轴）方向上用u坐标加权和（u坐标也有正负符号），相当于同时计算两行
m_10 += u * (val_plus + val_minus);
}
//将这一行上的和按照y坐标加权
m_01 += v * v_sum;
}
//为了加快速度还使用了fastAtan2()函数，输出为[0,360)角度，精度为0.3°
return fastAtan2((float)m_01, (float)m_10);
}
///乘数因子，一度对应着多少弧度
const float factorPI = (float)(CV_PI/180.f);
5、计算特征点的方向（computeOrientation）
static void computeOrientation(const Mat& image, vector<KeyPoint>& keypoints, const vector<int>& umax)
{
// 遍历所有的特征点
for (vector<KeyPoint>::iterator keypoint = keypoints.begin(),
keypointEnd = keypoints.end(); keypoint != keypointEnd; ++keypoint)
{
// 调用IC_Angle 函数计算这个特征点的方向
keypoint->angle = IC_Angle(image, //特征点所在的图层的图像
keypoint->pt, //特征点在这张图像中的坐标
umax); //每个特征点所在图像区块的每行的边界 u_max 组成的vector
}
}三、FAST描述子
BRIEF算法的核心思想是在关键点P的周围以一定模式选取N个点对，把这N个点对的比较结果组合起来作为描述子。
BRIEF描述子生成步骤
1.以关键点P为圆心，以d为半径做圆O。
2.在圆O内某一模式选取N个点对。这里为方便说明，N=4，实际应用中N可以取512.
假设当前选取的4个点对如上图所示分别标记为：
3.定义操作T
4.分别对已选取的点对进行T操作，将得到的结果进行组合。
假如：
原始的BRIEF描述子没有方向不变性，通过加入关键点的方向来计算描述子，称之为Steer BRIEF，具有较好旋转不变特性
具体地，在计算的时候需要将这里选取的采样模板中点的x轴方向旋转到特征点的方向。
获得采样点中某个idx所对应的点的灰度值,这里旋转前坐标为(x,y), 旋转后坐标(x',y')，他们的变换关系:
x'= xcos(θ) - ysin(θ), y'= xsin(θ) + ycos(θ)
下面表示 y'* step + x'
#define GET_VALUE(idx) center[cvRound(pattern[idx].x*b + pattern[idx].y*a)*step + cvRound(pattern[idx].x*a - pattern[idx].y*b)]
//brief描述子由32*8位组成
//其中每一位是来自于两个像素点灰度的直接比较，所以每比较出8bit结果，需要16个随机点，这也就是为什么pattern需要+=16的原因
for (int i = 0; i < 32; ++i, pattern += 16)
{
int t0, //参与比较的第1个特征点的灰度值
t1, //参与比较的第2个特征点的灰度值
val; //描述子这个字节的比较结果，0或1
t0 = GET_VALUE(0); t1 = GET_VALUE(1);
val = t0 < t1; //描述子本字节的bit0
t0 = GET_VALUE(2); t1 = GET_VALUE(3);
val |= (t0 < t1) << 1; //描述子本字节的bit1
t0 = GET_VALUE(4); t1 = GET_VALUE(5);
val |= (t0 < t1) << 2; //描述子本字节的bit2
t0 = GET_VALUE(6); t1 = GET_VALUE(7);
val |= (t0 < t1) << 3; //描述子本字节的bit3
t0 = GET_VALUE(8); t1 = GET_VALUE(9);
val |= (t0 < t1) << 4; //描述子本字节的bit4
t0 = GET_VALUE(10); t1 = GET_VALUE(11);
val |= (t0 < t1) << 5; //描述子本字节的bit5
t0 = GET_VALUE(12); t1 = GET_VALUE(13);
val |= (t0 < t1) << 6; //描述子本字节的bit6
t0 = GET_VALUE(14); t1 = GET_VALUE(15);
val |= (t0 < t1) << 7; //描述子本字节的bit7
//保存当前比较的出来的描述子的这个字节
desc[i] = (uchar)val;
}
//为了避免和程序中的其他部分冲突在，在使用完成之后就取消这个宏定义
#undef GET_VALUE
}五、金字塔的计算（ORBextractor::ComputePyramid）
金字塔是为了实现尺度不变性
具体实现方式如上图所示，当摄像机靠近图像，特征点变大，能提取的特征点变少；当摄像机远离图像时特征点变小，能提取到的特征点变多。我们可以观察到摄像机在正常位置时，第0层的特征点与摄像机往前移动第1层的特征点差不多大，利用这个特性我们可以实现尺度不变性。
iniThFAST | 指定初始的FAST特征点提取参数，可以提取出最明显的角点 |
minThFAST | 如果初始阈值没有检测到角点，降低到这个阈值提取出弱一点的角点 |
ORBextractor::ORBextractor(int _nfeatures, //指定要提取的特征点数目
float _scaleFactor, //指定图像金字塔的缩放系数
int _nlevels, //指定图像金字塔的层数
int _iniThFAST, //指定初始的FAST特征点提取参数，可以提取出最明显的角点
int _minThFAST): //如果初始阈值没有检测到角点，降低到这个阈值提取出弱一点的角点
nfeatures(_nfeatures), scaleFactor(_scaleFactor), nlevels(_nlevels),
iniThFAST(_iniThFAST), minThFAST(_minThFAST)//设置这些参数
{
//存储每层图像缩放系数的vector调整为符合图层数目的大小
mvScaleFactor.resize(nlevels);
//存储这个sigma^2，其实就是每层图像相对初始图像缩放因子的平方
mvLevelSigma2.resize(nlevels);
//对于初始图像，这两个参数都是1
mvScaleFactor[0]=1.0f;
mvLevelSigma2[0]=1.0f;函数void ORBextractor::ComputePyramid(cv::Mat image)逐层计算图像金字塔,对于每层图像进行以下两步:
1、先进行图片缩放,缩放到mvInvScaleFactor对应尺寸.
2、在图像外补一圈厚度为19的padding(提取FAST特征点需要特征点周围半径为3的圆域,计算ORB描述子需要特征点周围半径为16的圆域).
下图表示图像金字塔每层结构:
深灰色为缩放后的原始图像.
包含绿色边界在内的矩形用于提取FAST特征点.
包含浅灰色边界在内的整个矩形用于计算ORB描述子.
//计算这层图像的坐标边界， NOTICE 注意这里是坐标边界，EDGE_THRESHOLD指的应该是可以提取特征点的有效图像边界，后面会一直使用“有效图像边界“这个自创名词
const int minBorderX = EDGE_THRESHOLD-3; //这里的3是因为在计算FAST特征点的时候，需要建立一个半径为3的圆
const int minBorderY = minBorderX; //minY的计算就可以直接拷贝上面的计算结果了
const int maxBorderX = mvImagePyramid[level].cols-EDGE_THRESHOLD+3;
const int maxBorderY = mvImagePyramid[level].rows-EDGE_THRESHOLD+3;
void ORBextractor::ComputePyramid(cv::Mat image) {
for (int level = 0; level < nlevels; ++level) {
// 计算缩放+补padding后该层图像的尺寸
float scale = mvInvScaleFactor[level];
Size sz(cvRound((float)image.cols*scale), cvRound((float)image.rows*scale));
Size wholeSize(sz.width + EDGE_THRESHOLD * 2, sz.height + EDGE_THRESHOLD * 2);
Mat temp(wholeSize, image.type());
// 缩放图像并复制到对应图层并补边
mvImagePyramid[level] = temp(Rect(EDGE_THRESHOLD, EDGE_THRESHOLD, sz.width, sz.height));
if( level != 0 ) {
resize(mvImagePyramid[level-1], mvImagePyramid[level], sz, 0, 0, cv::INTER_LINEAR);
copyMakeBorder(mvImagePyramid[level], temp, EDGE_THRESHOLD, EDGE_THRESHOLD, EDGE_THRESHOLD, EDGE_THRESHOLD,
BORDER_REFLECT_101+BORDER_ISOLATED);
} else {
copyMakeBorder(image, temp, EDGE_THRESHOLD, EDGE_THRESHOLD, EDGE_THRESHOLD, EDGE_THRESHOLD,
BORDER_REFLECT_101);
}
}
}opyMakeBorder函数实现了复制和padding填充,其参数BORDER_REFLECT_101参数指定对padding进行镜像填充
六、提取FAST特征点
6.1、分cell搜索特征点
分CELL搜索特征点,若某CELL内特征点响应值普遍较小的话就降低分数线再搜索一遍.
CELL搜索的示意图如下,每个CELL的大小约为30✖30,搜索到边上,剩余尺寸不够大的时候,最后一个CELL有多大就用多大的区域.
需要注意的是相邻的CELL之间会有6像素的重叠区域,因为提取FAST特征点需要计算特征点周围半径为3的圆周上的像素点信息,实际上产生特征点的区域比传入的搜索区域小3像素.
//遍历所有图像
for (int level = 0; level < nlevels; ++level)
{
//计算这层图像的坐标边界， NOTICE 注意这里是坐标边界，EDGE_THRESHOLD指的应该是可以提取特征点的有效图像边界，后面会一直使用“有效图像边界“这个自创名词
const int minBorderX = EDGE_THRESHOLD-3; //这里的3是因为在计算FAST特征点的时候，需要建立一个半径为3的圆
const int minBorderY = minBorderX; //minY的计算就可以直接拷贝上面的计算结果了
const int maxBorderX = mvImagePyramid[level].cols-EDGE_THRESHOLD+3;
const int maxBorderY = mvImagePyramid[level].rows-EDGE_THRESHOLD+3;
//存储需要进行平均分配的特征点
vector<cv::KeyPoint> vToDistributeKeys;
//一般地都是过量采集，所以这里预分配的空间大小是nfeatures*10
vToDistributeKeys.reserve(nfeatures*10);
//计算进行特征点提取的图像区域尺寸
const float width = (maxBorderX-minBorderX);
const float height = (maxBorderY-minBorderY);
//计算网格在当前层的图像有的行数和列数
const int nCols = width/W;
const int nRows = height/W;
//计算每个图像网格所占的像素行数和列数
const int wCell = ceil(width/nCols);
const int hCell = ceil(height/nRows);
//开始遍历图像网格，还是以行开始遍历的
for(int i=0; i<nRows; i++)
{
//计算当前网格初始行坐标
const float iniY =minBorderY+i*hCell;
//计算当前网格最大的行坐标，这里的+6=+3+3，即考虑到了多出来3是为了cell边界像素进行FAST特征点提取用
//前面的EDGE_THRESHOLD指的应该是提取后的特征点所在的边界，所以minBorderY是考虑了计算半径时候的图像边界
//目测一个图像网格的大小是25*25啊
float maxY = iniY+hCell+6;
//如果初始的行坐标就已经超过了有效的图像边界了，这里的“有效图像”是指原始的、可以提取FAST特征点的图像区域
if(iniY>=maxBorderY-3)
//那么就跳过这一行
continue;
//如果图像的大小导致不能够正好划分出来整齐的图像网格，那么就要委屈最后一行了
if(maxY>maxBorderY)
maxY = maxBorderY;
//开始列的遍历
for(int j=0; j<nCols; j++)
{
//计算初始的列坐标
const float iniX =minBorderX+j*wCell;
//计算这列网格的最大列坐标，+6的含义和前面相同
float maxX = iniX+wCell+6;
//判断坐标是否在图像中
//如果初始的列坐标就已经超过了有效的图像边界了，这里的“有效图像”是指原始的、可以提取FAST特征点的图像区域。
//并且应该同前面行坐标的边界对应，都为-3
//!BUG 正确应该是maxBorderX-3
if(iniX>=maxBorderX-6)
continue;
//如果最大坐标越界那么委屈一下
if(maxX>maxBorderX)
maxX = maxBorderX;
这里指的应该是FAST角点可以存在的坐标位置范围，其实就是原始图像的坐标范围 注意这里没有提前进行+3的操作，而是在后面计算每个网格的区域的时候使用-3的操作来处理FAST角点半径问题 本质上和前面的思想是一样的
//计算这个容许坐标区域的宽度和高度
const int W = maxBorderX - minBorderX;
const int H = maxBorderY - minBorderY;
//同时计算每个图像cell的宽度和高度
const int cellW = ceil((float)W/levelCols);
const int cellH = ceil((float)H/levelRows);
//计算本层图像中的总cell个数
const int nCells = levelRows*levelCols;
//ceil:返回大于或者等于表达式的最小整数，向上取整
//这里计算了每个cell中需要提取出来的特征点数量，由于存在小数取整问题，所以都是往多了取整
const int nfeaturesCell = ceil((float)nDesiredFeatures/nCells);
6.2、提取特征点
FAST提取兴趣点, 自适应阈值 并且这个向量存储这个cell中的特征点
//这个向量存储这个cell中的特征点
vector<cv::KeyPoint> vKeysCell;
//调用opencv的库函数来检测FAST角点
FAST(mvImagePyramid[level].rowRange(iniY,maxY).colRange(iniX,maxX), //待检测的图像，这里就是当前遍历到的图像块
vKeysCell, //存储角点位置的容器
iniThFAST, //检测阈值
true); //使能非极大值抑制
//如果这个图像块中使用默认的FAST检测阈值没有能够检测到角点
if(vKeysCell.empty())
{
//那么就使用更低的阈值来进行重新检测
FAST(mvImagePyramid[level].rowRange(iniY,maxY).colRange(iniX,maxX), //待检测的图像
vKeysCell, //存储角点位置的容器
minThFAST, //更低的检测阈值
true); //使能非极大值抑制
}
//得到的特征点的坐标，依旧是在当前图层下来讲的
keypoints = DistributeOctTree(vToDistributeKeys, //当前图层提取出来的特征点，也即是等待剔除的特征点
//NOTICE 注意此时特征点所使用的坐标都是在“半径扩充图像”下的
minBorderX, maxBorderX, //当前图层图像的边界，而这里的坐标却都是在“边缘扩充图像”下的
minBorderY, maxBorderY,
mnFeaturesPerLevel[level], //希望保留下来的当前层图像的特征点个数
level); //当前层图像所在的图层
//PATCH_SIZE是对于底层的初始图像来说的，现在要根据当前图层的尺度缩放倍数进行缩放得到缩放后的PATCH大小 和特征点的方向计算有关
const int scaledPatchSize = PATCH_SIZE*mvScaleFactor[level];
// Add border to coordinates and scale information
//获取剔除过程后保留下来的特征点数目
const int nkps = keypoints.size();
//然后开始遍历这些特征点，恢复其在当前图层图像坐标系下的坐标
for(int i=0; i<nkps ; i++)
{
//对每一个保留下来的特征点，恢复到相对于当前图层“边缘扩充图像下”的坐标系的坐标
keypoints[i].pt.x+=minBorderX;
keypoints[i].pt.y+=minBorderY;
//记录特征点来源的图像金字塔图层
keypoints[i].octave=level;
//记录计算方向的patch，缩放后对应的大小， 又被称作为特征点半径
keypoints[i].size = scaledPatchSize;
}
}
// compute orientations
//然后计算这些特征点的方向信息，注意这里还是分层计算的
for (int level = 0; level < nlevels; ++level)
computeOrientation(mvImagePyramid[level], //对应的图层的图像
allKeypoints[level], //这个图层中提取并保留下来的特征点容器
umax); //以及PATCH的横坐标边界
}6.3、四叉树筛选特征点: DistributeOctTree()
将提取器节点分成4个子节点，同时也完成图像区域的划分、特征点归属的划分，以及相关标志位的置位
void ExtractorNode::DivideNode(ExtractorNode &n1,
ExtractorNode &n2,
ExtractorNode &n3,
ExtractorNode &n4)
{
//得到当前提取器节点所在图像区域的一半长宽，当然结果需要取整
const int halfX = ceil(static_cast<float>(UR.x-UL.x)/2);
const int halfY = ceil(static_cast<float>(BR.y-UL.y)/2);
//Define boundaries of childs
//下面的操作大同小异，将一个图像区域再细分成为四个小图像区块
//n1 存储左上区域的边界
n1.UL = UL;
n1.UR = cv::Point2i(UL.x+halfX,UL.y);
n1.BL = cv::Point2i(UL.x,UL.y+halfY);
n1.BR = cv::Point2i(UL.x+halfX,UL.y+halfY);
//用来存储在该节点对应的图像网格中提取出来的特征点的vector
n1.vKeys.reserve(vKeys.size());
//n2 存储右上区域的边界
n2.UL = n1.UR;
n2.UR = UR;
n2.BL = n1.BR;
n2.BR = cv::Point2i(UR.x,UL.y+halfY);
n2.vKeys.reserve(vKeys.size());
//n3 存储左下区域的边界
n3.UL = n1.BL;
n3.UR = n1.BR;
n3.BL = BL;
n3.BR = cv::Point2i(n1.BR.x,BL.y);
n3.vKeys.reserve(vKeys.size());
//n4 存储右下区域的边界
n4.UL = n3.UR;
n4.UR = n2.BR;
n4.BL = n3.BR;
n4.BR = BR;
n4.vKeys.reserve(vKeys.size());
//Associate points to childs
//遍历当前提取器节点的vkeys中存储的特征点
for(size_t i=0;i<vKeys.size();i++)
{
//获取这个特征点对象
const cv::KeyPoint &kp = vKeys[i];
//判断这个特征点在当前特征点提取器节点图像的哪个区域，更严格地说是属于那个子图像区块
//然后就将这个特征点追加到那个特征点提取器节点的vkeys中
//NOTICE BUG REVIEW 这里也是直接进行比较的，但是特征点的坐标是在“半径扩充图像”坐标系下的，而节点区域的坐标则是在“边缘扩充图像”坐标系下的
if(kp.pt.x<n1.UR.x)
{
if(kp.pt.y<n1.BR.y)
n1.vKeys.push_back(kp);
else
n3.vKeys.push_back(kp);
}
else if(kp.pt.y<n1.BR.y)
n2.vKeys.push_back(kp);
else
n4.vKeys.push_back(kp);
}//遍历当前提取器节点的vkeys中存储的特征点
step1.如果图片的宽度比较宽，就先把分成左右w/h份。一般的640×480的图像开始的时候只有一个 node。
step2.如果node里面的点数>1，把每个node分成四个node，如果node里面的特征点为空，就不要了， 删掉。
step3.新分的node的点数>1，就再分裂成4个node。如此，一直分裂。
step4.终止条件为：node的总数量> [公式] ，或者无法再进行分裂。
step5.然后从每个node里面选择一个质量最好的FAST点
//这里判断是否数目等于1的目的是确定这个节点还能不能再向下进行分裂
if(n1.vKeys.size()==1)
n1.bNoMore = true;
if(n2.vKeys.size()==1)
n2.bNoMore = true;
if(n3.vKeys.size()==1)
n3.bNoMore = true;
if(n4.vKeys.size()==1)
n4.bNoMore = true;6.4、 最后计算这些特征点的方向信息
//遍历图像金字塔中的每个图层
for (int level = 0; level < nlevels; ++level)
//计算这个图层所有特征点的方向信息
computeOrientation(mvImagePyramid[level], //这个图层的图像
allKeypoints[level], //这个图层的特征点对象vector容器
umax); //patch区域的边界
}
//注意这是一个不属于任何类的全局静态函数，static修饰符限定其只能够被本文件中的函数调用
/**
* @brief 计算某层金字塔图像上特征点的描述子
*
* @param[in] image 某层金字塔图像
* @param[in] keypoints 特征点vector容器
* @param[out] descriptors 描述子
* @param[in] pattern 计算描述子使用的固定随机点集
*/
static void computeDescriptors(const Mat& image, vector<KeyPoint>& keypoints, Mat& descriptors,
const vector<Point>& pattern)
{
//清空保存描述子信息的容器
descriptors = Mat::zeros((int)keypoints.size(), 32, CV_8UC1);
//开始遍历特征点
for (size_t i = 0; i < keypoints.size(); i++)
//计算这个特征点的描述子
computeOrbDescriptor(keypoints[i], //要计算描述子的特征点
image, //以及其图像
&pattern[0], //随机点集的首地址
descriptors.ptr((int)i)); //提取出来的描述子的保存位置
}
七、总结
void ORBextractor::operator()( InputArray _image, InputArray _mask, vector<KeyPoint>& _keypoints,
OutputArray _descriptors)
{
// Step 1 检查图像有效性。如果图像为空，那么就直接返回
if(_image.empty())
return;
//获取图像的大小
Mat image = _image.getMat();
//判断图像的格式是否正确，要求是单通道灰度值
assert(image.type() == CV_8UC1 );
// Pre-compute the scale pyramid
// Step 2 构建图像金字塔
ComputePyramid(image);
// Step 3 计算图像的特征点，并且将特征点进行均匀化。均匀的特征点可以提高位姿计算精度
// 存储所有的特征点，注意此处为二维的vector，第一维存储的是金字塔的层数，第二维存储的是那一层金字塔图像里提取的所有特征点
vector < vector<KeyPoint> > allKeypoints;
//使用四叉树的方式计算每层图像的特征点并进行分配
ComputeKeyPointsOctTree(allKeypoints);
//使用传统的方法提取并平均分配图像的特征点，作者并未使用
//ComputeKeyPointsOld(allKeypoints);
// Step 4 拷贝图像描述子到新的矩阵descriptors
Mat descriptors;
//统计整个图像金字塔中的特征点
int nkeypoints = 0;
//开始遍历每层图像金字塔，并且累加每层的特征点个数
for (int level = 0; level < nlevels; ++level)
nkeypoints += (int)allKeypoints[level].size();
//如果本图像金字塔中没有任何的特征点
if( nkeypoints == 0 )
//通过调用cv::mat类的.realse方法，强制清空矩阵的引用计数，这样就可以强制释放矩阵的数据了
//参考[https://blog.csdn.net/giantchen547792075/article/details/9107877]
_descriptors.release();
else
{
//如果图像金字塔中有特征点，那么就创建这个存储描述子的矩阵，注意这个矩阵是存储整个图像金字塔中特征点的描述子的
_descriptors.create(nkeypoints, //矩阵的行数，对应为特征点的总个数
32, //矩阵的列数，对应为使用32*8=256位描述子
CV_8U); //矩阵元素的格式
//获取这个描述子的矩阵信息
// ?为什么不是直接在参数_descriptors上对矩阵内容进行修改，而是重新新建了一个变量，复制矩阵后，在这个新建变量的基础上进行修改？
descriptors = _descriptors.getMat();
}
//清空用作返回特征点提取结果的vector容器
_keypoints.clear();
//并预分配正确大小的空间
_keypoints.reserve(nkeypoints);
//因为遍历是一层一层进行的，但是描述子那个矩阵是存储整个图像金字塔中特征点的描述子，所以在这里设置了Offset变量来保存“寻址”时的偏移量，
//辅助进行在总描述子mat中的定位
int offset = 0;
//开始遍历每一层图像
for (int level = 0; level < nlevels; ++level)
{
//获取在allKeypoints中当前层特征点容器的句柄
vector<KeyPoint>& keypoints = allKeypoints[level];
//本层的特征点数
int nkeypointsLevel = (int)keypoints.size();
//如果特征点数目为0，跳出本次循环，继续下一层金字塔
if(nkeypointsLevel==0)
continue;
// preprocess the resized image
// Step 5 对图像进行高斯模糊
// 深拷贝当前金字塔所在层级的图像
Mat workingMat = mvImagePyramid[level].clone();
// 注意：提取特征点的时候，使用的是清晰的原图像；这里计算描述子的时候，为了避免图像噪声的影响，使用了高斯模糊
GaussianBlur(workingMat, //源图像
workingMat, //输出图像
Size(7, 7), //高斯滤波器kernel大小，必须为正的奇数
2, //高斯滤波在x方向的标准差
2, //高斯滤波在y方向的标准差
BORDER_REFLECT_101);//边缘拓展点插值类型
// Compute the descriptors 计算描述子
// desc存储当前图层的描述子
Mat desc = descriptors.rowRange(offset, offset + nkeypointsLevel);
// Step 6 计算高斯模糊后图像的描述子
computeDescriptors(workingMat, //高斯模糊之后的图层图像
keypoints, //当前图层中的特征点集合
desc, //存储计算之后的描述子
pattern); //随机采样模板
// 更新偏移量的值
offset += nkeypointsLevel;
// Scale keypoint coordinates
// Step 6 对非第0层图像中的特征点的坐标恢复到第0层图像（原图像）的坐标系下
// ? 得到所有层特征点在第0层里的坐标放到_keypoints里面
// 对于第0层的图像特征点，他们的坐标就不需要再进行恢复了
if (level != 0)
{
// 获取当前图层上的缩放系数
float scale = mvScaleFactor[level];
// 遍历本层所有的特征点
for (vector<KeyPoint>::iterator keypoint = keypoints.begin(),
keypointEnd = keypoints.end(); keypoint != keypointEnd; ++keypoint)
// 特征点本身直接乘缩放倍数就可以了
keypoint->pt *= scale;
}
// And add the keypoints to the output
// 将keypoints中内容插入到_keypoints 的末尾
// keypoint其实是对allkeypoints中每层图像中特征点的引用，这样allkeypoints中的所有特征点在这里被转存到输出的_keypoints
_keypoints.insert(_keypoints.end(), keypoints.begin(), keypoints.end());
}
}
参考文献：
ORB_SLAM2源码解析
以上是关于ORB_SLAM2 源码解析 ORB特征提取的主要内容，如果未能解决你的问题，请参考以下文章