opencv学习（1）-- 角点检测

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OpenCV: 开源计算机视觉库

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黄土土

3946人浏览 · 2023-09-11 12:08:17

黄土土 · 2023-09-11 12:08:17 发布

1.1 引言

角点检测是计算机视觉中获取图像特征的一种方式，也可以称为特征点检测。广泛地应用于图像对齐、图像匹配、目标识别、三维建模等领域。

角点通常定义为两条边的交点，更严格地说，角点的局部邻域应该具有两个不同区域的不同方向的边界。就是图像梯度在两个或多个方向上有变化，并且角点要有足够的可重复性和显著性。比如角点一定不会出现在直线上。如下图所示

1.2 Harris角点检测

1.2.1 角点检测算法思想

角点检测算法的具体思想是使用一个固定窗口 $\omega (x,y)$ 在图像上进行任意方向上的滑动，比较滑动前后窗口区域的像素灰度值变化，如果在任意方向多存在较大的灰度变化，可认为该窗口中存在角点。

$E(u,v)=\sum_{x,y}^{}\omega (x,y)[I(x+u,y+v)-I(x,y)]^{2}$

该公式表征的是窗口通过平移之后，滑窗内相应位置的像素值对应相减，然后与 $\omega (x,y)$ 卷积

(u,v)是窗口的平移量，

通常的窗口函数有以下两种

泰勒展开：

$E(u,v)\approx \sum_{x,y}^{}\omega (x,y)[I(x,y)+uI_{x}+vI_{y}-I(x,y)]^{2}$

$E(u,v)\approx \sum_{x,y}^{}\omega (x,y)[u^{2}I_{x}^{2}+2uvI_{x}I_{y}+v^{2}I_{y}^{2}]$

矩阵表示

$E(u,v)\approx [u,v](\sum_{x,y}^{}\omega (x,y)\begin{bmatrix} I_{x}^{2} & I_{x}I_{y}\\ I_{x}I_{y}& I_{y}^{2} \end{bmatrix})\begin{bmatrix} u\\ v \end{bmatrix}$

$M=\sum_{x,y}^{}\omega (x,y)\begin{bmatrix} I_{x}^{2} & I_{x}I_{y}\\ I_{x}I_{y}& I_{y}^{2} \end{bmatrix}$

$E(u,v)\approx [u,v]M\begin{bmatrix} u\\ v \end{bmatrix}$

角点响应：

$R=detM-k(tranceM)^{2}$

$det M=\lambda_{1} \lambda _{2}, trance M=\lambda_{1}+ \lambda _{2}$ ，其中k是常量，一般取值为0.04~0.06，这个参数仅仅是这个函数的一个系数，它的存在只是调节函数的形状而已。

特征值都比较大时，即窗口中含有角点
特征值一个较大，一个较小，窗口中含有边缘
特征值都比较小，窗口处在平坦区域

具体的数学演算参考：参考1,参考2；

1.2.2 相关API

·void cornerHarris( InputArray src, OutputArray dst, int blockSize, int ksize, double k; int borderType=BORDER_DEFAULT)

	参数	含义
作用	获取角点图像
输入	src	数据类型为 float32 的输入图像。(灰度图像，输入单通道图)
	dst	输出图像
	blockSize	角点检测中要考虑的领域大小。也就是计算协方差矩阵时的窗口大小
	`ksize`	Sobel求导中使用的窗口大小
	k	计算角点响应时的参数大小
	`borderType`	边界的类型
返回值	void	无

1.2.3 算法步骤

获取灰度图像；
使用sobel等梯度算子计算每个像素点x/y向的梯度
计算每个像素点的梯度平方 $I_{x}^{2} ,I_{y}^{2}$ ;
计算梯度在每个像素点的和；
构建M矩阵并计算角点响应；
设置阈值找出可能点并进行非极大值抑制，得到角点；

1.2.4 代码示例

#include <opencv2/opencv.hpp>
#include <iostream>

using namespace cv;
using namespace std;

Mat src, gray;
int thresh = 145;
int threshMax = 255;
const char* outputWin = "HarrisCorner";
void HarrisCallback(int,void*)
{
	Mat HarrisDst, normDst,normScaleDst;
	HarrisDst = Mat::zeros(src.size(),CV_32FC1);

	int blockSize = 2;
	int ksize = 3;
	double k = 0.04;
	cornerHarris(gray, HarrisDst,2,3,0.04);
	normalize(HarrisDst, normDst,0,255,NORM_MINMAX,CV_32FC1,Mat());
	//取绝对值
	convertScaleAbs(normDst, normScaleDst);

	//根据阈值选择角点
	Mat resImg = src.clone();
	for (int i = 0; i < resImg.rows; i++)
	{
		uchar* currentRow = normScaleDst.ptr(i);
		for (int j = 0; j < resImg.cols; j++)
		{
			int value = (int)*currentRow;
			if(value>thresh)
			{
				circle(resImg,Point(j,i),2,Scalar(0,0,255),2);
			}
			else;
			currentRow++;
		}
	}
	imshow(outputWin, resImg);

}

int main(int argc, char**argv)
{
	
	src = imread("D:/testimg/CSet12/House.png");
	if (src.empty())
	{
		cout << "the srcImg could not get" << endl;
		return -1;
	}
	namedWindow("input",WINDOW_AUTOSIZE);
	imshow("input",src);

	namedWindow(outputWin, WINDOW_AUTOSIZE);
	
	cvtColor(src,gray,COLOR_BGR2GRAY);

	createTrackbar("Threshold",outputWin,&thresh,threshMax, HarrisCallback);
	HarrisCallback(0,0);

	waitKey(0);
	return 0;
}

1.3 Shi-Tomasi角点检测

1.3.1 算法思想

跟Harris角点检测的理论基本一致，只是在使用矩阵特征值 $\lambda _{1}\lambda _{2}$ 计算角度响应的时候有所不同，其其角度响应公式如下：

$R=min(\lambda _{1},\lambda _{2})$

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1.3.2 相关API

·void goodFeaturesToTrack( InputArray image, OutputArray corners, int maxCorners,double qualityLevel,double minDistance,InputArray mask=noArray(), int blockSize=3,bool usrHarrisDetector=false,duoble harrisk=0.04)

	参数	含义
作用	获取图像角点
输入	image	8位或32位浮点型输入图像，单通道
	corners	检测出的角点
	`maxCorners`	角点数目最大值，如果实际检测的角点超过此值，则只返回前maxCorners个强角点
	`qualityLevel`	角点的品质因子，表示最小可接受的向量值
	`minDistance`	两个角点之间最小的距离
	`mask`	指定感兴趣区，如不需在整幅图上寻找角点，则用此参数指定ROI
	blockSize	角点检测中要考虑的领域大小。也就是计算协方差矩阵时的窗口大小
	`usrHarrisDetector`	指示是否使用Harris角点检测，如不指定，则计算shi-tomasi角点
	`harrisk`	Harris角点检测需要的k值
返回值	void	无

1.3.3 代码示例

#include <opencv2/opencv.hpp>
#include <iostream>

using namespace cv;
using namespace std;

Mat src, gray;
int cornerNum = 20;
int cornerMax = 200;
const char* outputWin = "ShiTomasi";
void ShiTomasiCallback(int,void*)
{	
	vector<Point2f> cornerVec;
	goodFeaturesToTrack(gray, cornerVec, cornerNum,0.01,8,Mat(),3,false,0.04);

	//根据阈值选择角点
	Mat resImg = src.clone();
	for (int i = 0; i < cornerVec.size(); i++)
	{
		circle(resImg, cornerVec[i], 2, Scalar(0, 0, 255), 2);
	}
	imshow(outputWin, resImg);

}

int main(int argc, char**argv)
{
	
	src = imread("D:/testimg/CSet12/House.png");
	if (src.empty())
	{
		cout << "the srcImg could not get" << endl;
		return -1;
	}
	namedWindow("input",WINDOW_AUTOSIZE);
	imshow("input",src);

	namedWindow(outputWin, WINDOW_AUTOSIZE);
	
	cvtColor(src,gray,COLOR_BGR2GRAY);

	createTrackbar("Threshold",outputWin,&cornerNum, cornerMax, ShiTomasiCallback);
	ShiTomasiCallback(0, 0);

	waitKey(0);
	return 0;
}

1.4 自定义角点检测器

1.4.1 概述

自定义角点检测是基于Harris和Shi-Tomasi角点检测，首先通过计算矩阵M得到 $\lambda _{1}\lambda _{2}$ 两个特征值而获取角点响应值。然后自己设置阈值实现计算出阈值得到有效响应值的角点位置。

1.4.2 相关API

·void cornerEigenValsAndVecs( InputArray src, OutputArray dst, int blockSize=3,int ksize,int borderType=BORDER_DEFAULT)

EigenVals-- $\lambda _{1}/\lambda _{2}$ ，Vecs

	参数	含义
作用	通过计算自相关矩阵M求出其特征值 $\lambda _{1}/\lambda _{2}$ ，用于自定义Harris
输入	src	数据类型为 float32 的输入图像。(灰度图像，输入单通道图)
	dst	输出图像（宽度为输入图像的6倍）
	blockSize	角点检测中要考虑的领域大小。也就是计算协方差矩阵时的窗口大小
	`ksize`	梯度算子的核尺寸大小
	`borderType`	边界的类型
返回值	void	无

·void cornerMinEigenVal( InputArray src, OutputArray dst, int blockSize=3,int ksize=3,int borderType=BORDER_DEFAULT)

	参数	含义
作用	通过计算自相关矩阵M获取最小特征值，用于Shi-Tomasi
输入	src	数据类型为 float32 的输入图像。(灰度图像，输入单通道图)
	dst	输出图像（大小同输入图像）
	blockSize	角点检测中要考虑的领域大小。也就是计算协方差矩阵时的窗口大小
	`ksize`	梯度算子的核尺寸大小
	`borderType`	边界的类型
返回值	void	无

1.4.3 代码示例

* 自定义Harris检测

#include <opencv2/opencv.hpp>
#include <iostream>
#include <math.h>

using namespace cv;
using namespace std;

Mat src, gray;
double RMin,RMax;
int qualityLevel = 30;
int countMax = 100;
Mat cornerEigenR;
const char* outputWin = "ShiTomasi";
void ThresholdCallback(int,void*)
{	
	if (qualityLevel < 10)
	{
		qualityLevel = 10;
	}
	else;

	//根据阈值选择角点
	Mat resImg = src.clone();
	float vTemp = RMin + (((double)qualityLevel)/countMax)*(RMax-RMin);
	for (int i = 0; i < src.rows; i++)
	{
		for (int j = 0; j < src.cols; j++)
		{
			float value = cornerEigenR.at<float>(i,j);
			if (value > vTemp)
			{
				circle(resImg,Point(j,i),2,Scalar(0,0,255),2,8,0);
			}
		}
	}
	imshow(outputWin, resImg);

}

int main(int argc, char**argv)
{
	
	src = imread("D:/testimg/CSet12/House.png");
	if (src.empty())
	{
		cout << "the srcImg could not get" << endl;
		return -1;
	}
	namedWindow("input",WINDOW_AUTOSIZE);
	imshow("input",src);

	namedWindow(outputWin, WINDOW_AUTOSIZE);
	
	cvtColor(src,gray,COLOR_BGR2GRAY);
	//计算特征值
	int blockSize = 3;
	int ksize = 3;
	Mat cornerEigen;
	cornerEigen = Mat::zeros(src.size(),CV_32FC(6));
	cornerEigenValsAndVecs(gray, cornerEigen,blockSize,ksize);
	//计算角点响应R=λ1*λ2-k(λ1+λ2)^2
	double k = 0.04;
	cornerEigenR = Mat::zeros(src.size(),CV_32FC1);
	for (int i = 0; i < cornerEigen.rows; i++)
	{
		for (int j = 0; j < cornerEigen.cols; j++)
		{
			double lambda1 = cornerEigen.at<Vec6f>(i,j)[0];
			double lambda2 = cornerEigen.at<Vec6f>(i, j)[1];
			cornerEigenR.at<float>(i, j) = lambda1*lambda2 - k*pow((lambda1+ lambda2),2);
		}
	}

	minMaxLoc(cornerEigenR,&RMin,&RMax,0,0,Mat());

	createTrackbar("Threshold",outputWin,&qualityLevel, countMax, ThresholdCallback);
	ThresholdCallback(0, 0);

	waitKey(0);
	return 0;
}

* 自定义Shi-Tomasi检测

#include <opencv2/opencv.hpp>
#include <iostream>
#include <math.h>

using namespace cv;
using namespace std;

Mat src, gray;
double RMin,RMax;
int qualityLevel = 30;
int countMax = 100;
Mat cornerMin;
const char* outputWin = "ShiTomasi";
void ThresholdCallback(int,void*)
{	
	if (qualityLevel <5)
	{
		qualityLevel = 5;
	}
	else;

	//根据阈值选择角点
	Mat resImg = src.clone();
	float vTemp = RMin + (((double)qualityLevel)/countMax)*(RMax-RMin);
	for (int i = 0; i < src.rows; i++)
	{
		for (int j = 0; j < src.cols; j++)
		{
			float value = cornerMin.at<float>(i,j);
			if (value > vTemp)
			{
				circle(resImg,Point(j,i),2,Scalar(0,0,255),2,8,0);
			}
		}
	}
	imshow(outputWin,resImg);

}

int main(int argc, char**argv)
{
	
	src = imread("D:/testimg/CSet12/House.png");
	if (src.empty())
	{
		cout << "the srcImg could not get" << endl;
		return -1;
	}
	namedWindow("input",WINDOW_AUTOSIZE);
	imshow("input",src);

	namedWindow(outputWin, WINDOW_AUTOSIZE);
	
	cvtColor(src,gray,COLOR_BGR2GRAY);
	//计算特征值
	int blockSize = 3;
	int ksize = 3;

	//计算最小特征值
	cornerMin = Mat::zeros(src.size(), CV_32FC1);
	cornerMinEigenVal(gray, cornerMin, blockSize, ksize,4);
	//获取这个图的特征值最大最小值
	minMaxLoc(cornerMin,&RMin,&RMax,0,0,Mat());

	createTrackbar("quality",outputWin,&qualityLevel, countMax, ThresholdCallback);
	ThresholdCallback(0, 0);

	waitKey(0);
	return 0;
}

1.5 亚像素级角点检测

1.5.1 概述

通过进行亚像素级别的角点检测可以提高角点的检测精准度，因为角点的位置不会是一个准确的像素点。可以通过插值算法、基于图像矩计算、曲线拟合（高斯曲面、多项式、椭圆曲面）

1.5.2 相关API

·void cornerSubPix( InputArray image, InputOutputArray corners, Size winSize,Size zeroZone,TermCirteria criteria)

	参数	含义
作用	对检测到的角点作进一步的优化计算，使角点的精度达到亚像素级别
输入	image	输入图像
	corners	角点（输入检测到的角点-优化后的角点输出）
	winSize	计算亚像素角点时考虑的区域的大小
	`zeroZone`	类似于winSize，但是总是具有较小的范围，通常忽略（即Size(-1, -1)）
	`criteria`	计算亚像素时停止迭代的标准，可选的值有TermCriteria::MAX_ITER 、TermCriteria::EPS（可以是两者其一，或两者均选），前者表示迭代次数达到了最大次数时停止，后者表示角点位置变化的最小值已经达到最小时停止迭代。二者均使用cv::TermCriteria()构造函数进行指定。
返回值	void	无

1.5.3 代码示例

#include <opencv2/opencv.hpp>
#include <iostream>
#include <math.h>

using namespace cv;
using namespace std;

Mat src, gray;
int cornerNum = 30;
int cornerMax = 80;
const char* outputWin = "SubPixel Corner";
void SubpixelCallback(int,void*)
{	
	if (cornerNum <5)
	{
		cornerNum = 5;
	}
	else;

	//利用Shi-Tomasi获取角点
	vector<Point2f> cornerVec;
	int blockSize = 3;
	int ksize = 3;
	double qulitylevel = 0.01;
	double mindistance = 8;
	goodFeaturesToTrack(gray, cornerVec, cornerNum, qulitylevel, mindistance,Mat(),3,false,0.04);
	printf("corners num = %d\n", cornerVec.size());
	Mat resImg = src.clone();
	for (int i = 0; i < cornerVec.size(); i++)
	{
		circle(resImg, cornerVec[i], 2, Scalar(0, 0, 255), 2, 8, 0);
	}

	//拟合找到亚像素位置
	Size winSize = Size(5, 5);
	Size zerozone = Size(-1,-1);
	//迭代求解停止条件
	TermCriteria tc = TermCriteria(TermCriteria::EPS+ TermCriteria::MAX_ITER,40,0.001);
	cornerSubPix(gray,cornerVec,winSize,zerozone,tc);
	for (int i = 0; i < cornerVec.size(); i++)
	{
		printf("%d Point: x: %f, y: %f\n", i,cornerVec[i].x, cornerVec[i].y);
	}

	imshow(outputWin,resImg);
}

int main(int argc, char**argv)
{
	
	src = imread("D:/testimg/CSet12/House.png");
	if (src.empty())
	{
		cout << "the srcImg could not get" << endl;
		return -1;
	}
	namedWindow("input",WINDOW_AUTOSIZE);
	imshow("input",src);

	namedWindow(outputWin, WINDOW_AUTOSIZE);
	
	cvtColor(src,gray,COLOR_BGR2GRAY);

	createTrackbar("cornerNum",outputWin,&cornerNum, cornerMax, SubpixelCallback);
	SubpixelCallback(0, 0);

	waitKey(0);
	return 0;
}