【OpenCV】SIFT原理与源码分析：关键点描述

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由前一篇《方向赋值》，为找到的关键点即SIFT特征点赋了值，包含位置、尺度和方向的信息。接下来的步骤是关键点描述，即用用一组向量将这个关键点描述出来，这个描述子不但包括关键点，也包括关键点周围对其有贡献的像素点。用来作为目标匹配的依据（所以描述子应该有较高的独特性，以保证匹配率），也可使关键点具有更多的不变特性，如光照变化、3D视点变化等。
SIFT描述子h(x,y,θ)是对关键点附近邻域内高斯图像梯度统计的结果，是一个三维矩阵，但通常用一个矢量来表示。矢量通过对三维矩阵按一定规律排列得到。

描述子采样区域

特征描述子与关键点所在尺度有关，因此对梯度的求取应在特征点对应的高斯图像上进行。将关键点附近划分成d×d个子区域，每个子区域尺寸为mσ个像元（d=4，m=3，σ为尺特征点的尺度值）。考虑到实际计算时需要双线性插值，故计算的图像区域为mσ(d+1)，再考虑旋转，则实际计算的图像区域为

，如下图所示：

源码

Point pt(cvRound(ptf.x), cvRound(ptf.y));
//计算余弦，正弦，CV_PI/180:将角度值转化为幅度值
float cos_t = cosf(ori*(float)(CV_PI/180));
float sin_t = sinf(ori*(float)(CV_PI/180));
float bins_per_rad = n / 360.f;
float exp_scale = -1.f/(d * d * 0.5f); //d:SIFT_DESCR_WIDTH 4
float hist_width = SIFT_DESCR_SCL_FCTR * scl;  // SIFT_DESCR_SCL_FCTR: 3
// scl: size*0.5f
// 计算图像区域半径mσ(d+1)/2*sqrt(2)
// 1.4142135623730951f 为根号2
int radius = cvRound(hist_width * 1.4142135623730951f * (d + 1) * 0.5f);
cos_t /= hist_width;
sin_t /= hist_width;

区域坐标轴旋转

为了保证特征矢量具有旋转不变性，要以特征点为中心，在附近邻域内旋转θ角，即旋转为特征点的方向。
旋转后区域内采样点新的坐标为：

源码

//计算采样区域点坐标旋转
for( i = -radius, k = 0; i <= radius; i++ )
for( j = -radius; j <= radius; j++ )
{
/*
Calculate sample's histogram array coords rotated relative to ori.
Subtract 0.5 so samples that fall e.g. in the center of row 1 (i.e.
r_rot = 1.5) have full weight placed in row 1 after interpolation.
*/
float c_rot = j * cos_t - i * sin_t;
float r_rot = j * sin_t + i * cos_t;
float rbin = r_rot + d/2 - 0.5f;
float cbin = c_rot + d/2 - 0.5f;
int r = pt.y + i, c = pt.x + j;

if( rbin > -1 && rbin < d && cbin > -1 && cbin < d &&
r > 0 && r < rows - 1 && c > 0 && c < cols - 1 )
{
float dx = (float)(img.at<short>(r, c+1) - img.at<short>(r, c-1));
float dy = (float)(img.at<short>(r-1, c) - img.at<short>(r+1, c));
X[k] = dx; Y[k] = dy; RBin[k] = rbin; CBin[k] = cbin;
W[k] = (c_rot * c_rot + r_rot * r_rot)*exp_scale;
k++;
}
}

计算采样区域梯度直方图

将旋转后区域划分为d×d个子区域（每个区域间隔为mσ像元），在子区域内计算8个方向的梯度直方图，绘制每个方向梯度方向的累加值，形成一个种子点。
与求主方向不同的是，此时，每个子区域梯度方向直方图将0°~360°划分为8个方向区间，每个区间为45°。即每个种子点有8个方向区间的梯度强度信息。由于存在d×d，即4×4个子区域，所以最终共有4×4×8=128个数据，形成128维SIFT特征矢量。


对特征矢量需要加权处理，加权采用mσd/2的标准高斯函数。为了除去光照变化影响，还有一步归一化处理。

源码

//计算梯度直方图
for( k = 0; k < len; k++ )
{
float rbin = RBin[k], cbin = CBin[k];
float obin = (Ori[k] - ori)*bins_per_rad;
float mag = Mag[k]*W[k];

int r0 = cvFloor( rbin );
int c0 = cvFloor( cbin );
int o0 = cvFloor( obin );
rbin -= r0;
cbin -= c0;
obin -= o0;

//n为SIFT_DESCR_HIST_BINS：8，即将360°分为8个区间
if( o0 < 0 )
o0 += n;
if( o0 >= n )
o0 -= n;

// histogram update using tri-linear interpolation
// 双线性插值
float v_r1 = mag*rbin, v_r0 = mag - v_r1;
float v_rc11 = v_r1*cbin, v_rc10 = v_r1 - v_rc11;
float v_rc01 = v_r0*cbin, v_rc00 = v_r0 - v_rc01;
float v_rco111 = v_rc11*obin, v_rco110 = v_rc11 - v_rco111;
float v_rco101 = v_rc10*obin, v_rco100 = v_rc10 - v_rco101;
float v_rco011 = v_rc01*obin, v_rco010 = v_rc01 - v_rco011;
float v_rco001 = v_rc00*obin, v_rco000 = v_rc00 - v_rco001;

int idx = ((r0+1)*(d+2) + c0+1)*(n+2) + o0;
hist[idx] += v_rco000;
hist[idx+1] += v_rco001;
hist[idx+(n+2)] += v_rco010;
hist[idx+(n+3)] += v_rco011;
hist[idx+(d+2)*(n+2)] += v_rco100;
hist[idx+(d+2)*(n+2)+1] += v_rco101;
hist[idx+(d+3)*(n+2)] += v_rco110;
hist[idx+(d+3)*(n+2)+1] += v_rco111;
}

关键点描述源码

// SIFT关键点特征描述
// SIFT描述子是关键点领域高斯图像提取统计结果的一种表示
static void calcSIFTDescriptor( const Mat& img, Point2f ptf, float ori, float scl,
int d, int n, float* dst )

{
Point pt(cvRound(ptf.x), cvRound(ptf.y));
//计算余弦，正弦，CV_PI/180:将角度值转化为幅度值
float cos_t = cosf(ori*(float)(CV_PI/180));
float sin_t = sinf(ori*(float)(CV_PI/180));
float bins_per_rad = n / 360.f;
float exp_scale = -1.f/(d * d * 0.5f); //d:SIFT_DESCR_WIDTH 4
float hist_width = SIFT_DESCR_SCL_FCTR * scl;  // SIFT_DESCR_SCL_FCTR: 3
// scl: size*0.5f
// 计算图像区域半径mσ(d+1)/2*sqrt(2)
// 1.4142135623730951f 为根号2
int radius = cvRound(hist_width * 1.4142135623730951f * (d + 1) * 0.5f);
cos_t /= hist_width;
sin_t /= hist_width;

int i, j, k, len = (radius*2+1)*(radius*2+1), histlen = (d+2)*(d+2)*(n+2);
int rows = img.rows, cols = img.cols;

AutoBuffer<float> buf(len*6 + histlen);
float *X = buf, *Y = X + len, *Mag = Y, *Ori = Mag + len, *W = Ori + len;
float *RBin = W + len, *CBin = RBin + len, *hist = CBin + len;

//初始化直方图
for( i = 0; i < d+2; i++ )
{
for( j = 0; j < d+2; j++ )
for( k = 0; k < n+2; k++ )
hist[(i*(d+2) + j)*(n+2) + k] = 0.;
}

//计算采样区域点坐标旋转
for( i = -radius, k = 0; i <= radius; i++ )
for( j = -radius; j <= radius; j++ )
{
/*
Calculate sample's histogram array coords rotated relative to ori.
Subtract 0.5 so samples that fall e.g. in the center of row 1 (i.e.
r_rot = 1.5) have full weight placed in row 1 after interpolation.
*/
float c_rot = j * cos_t - i * sin_t;
float r_rot = j * sin_t + i * cos_t;
float rbin = r_rot + d/2 - 0.5f;
float cbin = c_rot + d/2 - 0.5f;
int r = pt.y + i, c = pt.x + j;

if( rbin > -1 && rbin < d && cbin > -1 && cbin < d &&
r > 0 && r < rows - 1 && c > 0 && c < cols - 1 )
{
float dx = (float)(img.at<short>(r, c+1) - img.at<short>(r, c-1));
float dy = (float)(img.at<short>(r-1, c) - img.at<short>(r+1, c));
X[k] = dx; Y[k] = dy; RBin[k] = rbin; CBin[k] = cbin;
W[k] = (c_rot * c_rot + r_rot * r_rot)*exp_scale;
k++;
}
}

len = k;
fastAtan2(Y, X, Ori, len, true);
magnitude(X, Y, Mag, len);
exp(W, W, len);

//计算梯度直方图
for( k = 0; k < len; k++ )
{
float rbin = RBin[k], cbin = CBin[k];
float obin = (Ori[k] - ori)*bins_per_rad;
float mag = Mag[k]*W[k];

int r0 = cvFloor( rbin );
int c0 = cvFloor( cbin );
int o0 = cvFloor( obin );
rbin -= r0;
cbin -= c0;
obin -= o0;

//n为SIFT_DESCR_HIST_BINS：8，即将360°分为8个区间
if( o0 < 0 )
o0 += n;
if( o0 >= n )
o0 -= n;

// histogram update using tri-linear interpolation
// 双线性插值
float v_r1 = mag*rbin, v_r0 = mag - v_r1;
float v_rc11 = v_r1*cbin, v_rc10 = v_r1 - v_rc11;
float v_rc01 = v_r0*cbin, v_rc00 = v_r0 - v_rc01;
float v_rco111 = v_rc11*obin, v_rco110 = v_rc11 - v_rco111;
float v_rco101 = v_rc10*obin, v_rco100 = v_rc10 - v_rco101;
float v_rco011 = v_rc01*obin, v_rco010 = v_rc01 - v_rco011;
float v_rco001 = v_rc00*obin, v_rco000 = v_rc00 - v_rco001;

int idx = ((r0+1)*(d+2) + c0+1)*(n+2) + o0;
hist[idx] += v_rco000;
hist[idx+1] += v_rco001;
hist[idx+(n+2)] += v_rco010;
hist[idx+(n+3)] += v_rco011;
hist[idx+(d+2)*(n+2)] += v_rco100;
hist[idx+(d+2)*(n+2)+1] += v_rco101;
hist[idx+(d+3)*(n+2)] += v_rco110;
hist[idx+(d+3)*(n+2)+1] += v_rco111;
}

// finalize histogram, since the orientation histograms are circular
// 最后确定直方图，目标方向直方图是圆的
for( i = 0; i < d; i++ )
for( j = 0; j < d; j++ )
{
int idx = ((i+1)*(d+2) + (j+1))*(n+2);
hist[idx] += hist[idx+n];
hist[idx+1] += hist[idx+n+1];
for( k = 0; k < n; k++ )
dst[(i*d + j)*n + k] = hist[idx+k];
}
// copy histogram to the descriptor,
// apply hysteresis thresholding
// and scale the result, so that it can be easily converted
// to byte array
float nrm2 = 0;
len = d*d*n;
for( k = 0; k < len; k++ )
nrm2 += dst[k]*dst[k];
float thr = std::sqrt(nrm2)*SIFT_DESCR_MAG_THR;
for( i = 0, nrm2 = 0; i < k; i++ )
{
float val = std::min(dst[i], thr);
dst[i] = val;
nrm2 += val*val;
}
nrm2 = SIFT_INT_DESCR_FCTR/std::max(std::sqrt(nrm2), FLT_EPSILON);
for( k = 0; k < len; k++ )
{
dst[k] = saturate_cast<uchar>(dst[k]*nrm2);
}
}

至此SIFT描述子生成，SIFT算法也基本完成了~参见《SIFT原理与源码分析》