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计算机视觉（8）——基于BOW的图像检索

2019-05-12 19:53:46 作者：互联网

Bag Of Word原理简述

Bag Of Word（词袋）模型，是现在一种用于图像检索的一种方法。它最早用于对于文章内容的检索，原理是将文本看作是单词的集合，不考虑其中的语法，上下文等等。通过建立词典，对每个单词出现次数进行统计，以便得到文本内容的分类。计算机视觉的专家从中获得灵感，将其用于图像的检索中，就有了Bag Of Features（原理类似Bag of word)。

Bag Of Features实现图像检索的简单步骤

1.特征提取
2.学习“视觉词典”（visual vocabulary）
3.针对输入特征集，根据视觉词典进行量化
4.把输入图像，根据TF-IDF转化成视觉单词（ visual words）的频率直方图
5.构造特征到图像的倒排表，通过倒排表快速索引相关图像
6.根据索引结果进行直方图匹配

1.特征提取

之前的课程之中学习了关于特征提取的几个方式，例如sift，Harris脚点。这里我们通过sift来提取图像的特征点。类似BOW，我们将图像看成一个由各种图像块组成的集合，通过特征提取，获得图像的关键图像特征。如图
在这里插入图片描述

2.学习“视觉词典”（visual vocabulary）

通过步骤1，我们获得了多张图像的特征点。这些特征提取出来，并没有通过分类处理，其中有的特征点之间是极其相似，所以这一步骤通过K-means聚类算法，将我们提取出来的特征点进行分类处理。
算法的简单流程：

随机初始化 K 个聚类中心
重复下述步骤直至算法收敛:
- 对应每个特征，根据距离关系赋值给某个中心/类别
- 对每个类别，根据其对应的特征集重新计算聚类中心

聚类是学习视觉词典的重点操作。将聚类出来的聚类中心称为视觉单词（codevector）。而将视觉单词组成的集合称为视觉词典/码本（codebook）。
这里我们需要注意一个问题，关于码本的大小。

如果我们做出来的码本规模太小，就会出现，我们的视觉单词不能包括所有可能的情况。
相反的，如果我们做出来的码本规模过大，会使得计算量增加，且有过拟合现象出现。

例如，这张图像表示通过特征提取出来的特征集合，涵盖了所有的特征。
在这里插入图片描述
通过学习之后，就剩下了几个特征作为视觉单词

3.针对输入特征集，根据视觉词典进行量化

这一步骤将我们输入的特征集合，映射到上一步做来的码本之中。通过计算输入特征到视觉单词的距离，然后将其映射到距离最近的视觉单词中，并计数。

4.把输入图像，根据TF-IDF转化成视觉单词（ visual words）的频率直方图

这一步骤通过对图像特征提取，然后将提取出来的特征点，根据第三步，转换为频率直方图。如图所示
在这里插入图片描述
这里在转换为频率直方图时候，有使用到TF-IDF，即词频(Term Frequency，TF)与逆文档频率(Inverse Document Frequency，IDF)乘积作为权值。引入这个权值的目的是为了降低一些重复特征所带来的影响。比如在BOW中，一些常用词汇譬如the，it，do等等词汇，不能体现文本内容特征，但是出现频率却很高，利用tf-idf可以降低这种不必要词汇的影响。同理，在BOF图像搜索中，图像之间也会有这样的无意义的特征出现，所以需要降低这类特征的权值。
在这里插入图片描述
其中分子表示某个特征在总的特征出现的次数，分母表示总特征的数量，所以tf表示某个特征出现的频率。

其中的分子表示全部的图像数量，分母表示某个特征在总的图像下出现的次数。再对其取对数，就是IDF。

5.构造特征到图像的倒排表，通过倒排表快速索引相关图像

倒排表是一种逆向的查找方式，在BOW中大体的思路是通过已经提取出来的词汇，反向查找出现过这个词汇的文章。如图，查找多个词汇，就形成了一个倒排表。
在这里插入图片描述
BOF中倒排表也是同理。通过对视觉词汇的反向查找，就会得到拥有同一视觉词汇的图像集合，反复多次就能得到一张倒排表。倒排表可以快速的得到新的图像与数据库里相似的图像。

6.根据索引结果进行直方图匹配

当我们做完上面的步骤，就需要对直方图进行匹配。直方图的匹配给出输入图像的频率直方图，在数据库中查找K个最近邻的图像，根据这K个近邻来投票图像的分类结果。

代码实现

1.生成词汇字典/码本

# -*- coding: utf-8 -*-
import pickle
from PCV.imagesearch import vocabulary
from PCV.tools.imtools import get_imlist
from PCV.localdescriptors import sift

#获取图像列表
imlist = get_imlist('E:/BaiduNetdiskDownload/PCV-book-data/data/first1000/')
nbr_images = len(imlist)
#获取特征列表
featlist = [imlist[i][:-3]+'sift' for i in range(nbr_images)]

#提取文件夹下图像的sift特征
for i in range(nbr_images):
    sift.process_image(imlist[i], featlist[i])

#生成词汇
voc = vocabulary.Vocabulary('ukbenchtest')
voc.train(featlist, 1000, 10)
#保存词汇
# saving vocabulary
with open('E:/BaiduNetdiskDownload/PCV-book-data/data/first1000/vocabulary.pkl', 'wb') as f:
    pickle.dump(voc, f)
print 'vocabulary is:', voc.name, voc.nbr_words

这里的图像使用的是first1000（肯塔基大学物体识别数据集前1000幅图像）。生成了图像的sift文件和码本
在这里插入图片描述

2.建立并将数据存入数据库

# -*- coding: utf-8 -*-
import pickle
from PCV.imagesearch import imagesearch
from PCV.localdescriptors import sift
from sqlite3 import dbapi2 as sqlite
from PCV.tools.imtools import get_imlist

#获取图像列表
imlist = get_imlist('./first1000/')
nbr_images = len(imlist)
#获取特征列表
featlist = [imlist[i][:-3]+'sift' for i in range(nbr_images)]

# load vocabulary
#载入词汇
with open('./first1000/vocabulary.pkl', 'rb') as f:
    voc = pickle.load(f)
#创建索引
indx = imagesearch.Indexer('testImaAdd.db',voc)
indx.create_tables()
# go through all images, project features on vocabulary and insert
#遍历所有的图像，并将它们的特征投影到词汇上
for i in range(nbr_images)[:500]:
    locs,descr = sift.read_features_from_file(featlist[i])
    indx.add_to_index(imlist[i],descr)
# commit to database
#提交到数据库
indx.db_commit()

con = sqlite.connect('testImaAdd.db')
print con.execute('select count (filename) from imlist').fetchone()
print con.execute('select * from imlist').fetchone()

这一步会生成一个新的数据库，储存图像的数据
在这里插入图片描述

3.对图像检索

# -*- coding: utf-8 -*-
import pickle
from PCV.localdescriptors import sift
from PCV.imagesearch import imagesearch
from PCV.geometry import homography
from PCV.tools.imtools import get_imlist

# load image list and vocabulary
#载入图像列表
imlist = get_imlist('./first1000/')
nbr_images = len(imlist)
#载入特征列表
featlist = [imlist[i][:-3]+'sift' for i in range(nbr_images)]

#载入词汇
with open('./first1000/vocabulary.pkl', 'rb') as f:
    voc = pickle.load(f)

src = imagesearch.Searcher('testImaAdd.db',voc)

# index of query image and number of results to return
#查询图像索引和查询返回的图像数
q_ind = 0
nbr_results = 20

# regular query
# 常规查询(按欧式距离对结果排序)
res_reg = [w[1] for w in src.query(imlist[q_ind])[:nbr_results]]
print('top matches (regular):', res_reg)

# load image features for query image
#载入查询图像特征
q_locs,q_descr = sift.read_features_from_file(featlist[q_ind])
fp = homography.make_homog(q_locs[:,:2].T)

# RANSAC model for homography fitting
#用单应性进行拟合建立RANSAC模型
model = homography.RansacModel()
rank = {}

# load image features for result
#载入候选图像的特征
for ndx in res_reg[1:]:
    locs,descr = sift.read_features_from_file(featlist[ndx])  # because 'ndx' is a rowid of the DB that starts at 1
    # get matches
    matches = sift.match(q_descr,descr)
    ind = matches.nonzero()[0]
    ind2 = matches[ind]
    tp = homography.make_homog(locs[:,:2].T)
    # compute homography, count inliers. if not enough matches return empty list
    try:
        H,inliers = homography.H_from_ransac(fp[:,ind],tp[:,ind2],model,match_theshold=4)
    except:
        inliers = []
    # store inlier count
    rank[ndx] = len(inliers)

# sort dictionary to get the most inliers first
sorted_rank = sorted(rank.items(), key=lambda t: t[1], reverse=True)
res_geom = [res_reg[0]]+[s[0] for s in sorted_rank]
print('top matches (homography):', res_geom)

# 显示查询结果
imagesearch.plot_results(src,res_reg[:8]) #常规查询
imagesearch.plot_results(src,res_geom[:8]) #重排后的结果

通过常规查询和用单应性进行拟合建立RANSAC模型进行查询的结果如下