SIFT特征提取及其应用
SIFT算法的介绍和应用
SIFT算法的介绍和应用SIFT（Scale-Invariant Feature Transform）算法是一种用于图像特征提取和匹配的算法，由David Lowe于1999年首次提出。
SIFT算法具有尺度不变性和旋转不变性，能够在不同尺度和旋转角度下检测并描述图像中的局部特征。
因此，SIFT算法在计算机视觉领域广泛应用于图像拼接、目标识别、图像检索、三维重建等任务。
尺度空间极值点检测是SIFT算法的关键步骤之一、该步骤通过在不同的尺度下使用高斯差分金字塔来检测图像中的关键点。
SIFT算法使用了DoG（Difference of Gaussians）来近似尺度空间的Laplacian of Gaussian（LoG）金字塔。
通过对高斯金字塔中不同尺度上的图像之间进行差分操作，我们可以得到一组差分图像。
SIFT算法通过在这些差分图像中找到局部最小值和最大值，来检测图像中的关键点。
关键点精确定位是SIFT算法的另一个重要步骤。
在粗略检测到的关键点位置附近，SIFT算法利用高斯曲率空间来精确定位关键点。
具体做法是，在检测到的关键点位置处通过Taylor展开近似曲线，并通过求解偏导数为零的方程来计算关键点的位置。
方向分配是SIFT算法的下一个步骤。
该步骤用于给每个关键点分配一个主方向，以增强特征的旋转不变性。
SIFT算法在关键点周围的像素中计算梯度幅值和方向，然后生成一个梯度方向直方图。
直方图中最大的值对应于关键点的主方向。
特征描述是SIFT算法的另一个核心步骤。
在这个步骤中，SIFT算法根据关键点周围的梯度方向直方图构建一个128维的特征向量，该特征向量描述了关键点的局部特征。
具体做法是，将关键点附近的像素划分为若干个子区域，并计算每个子区域内的梯度幅值和方向，然后将这些信息组合成一个128维的向量。
特征匹配是SIFT算法的最后一步。
在这个步骤中，SIFT算法通过比较特征向量之间的欧氏距离来进行特征匹配。
SIFT算法提取特征总结
SIFT算法提取特征总结SIFT（Scale-Invariant Feature Transform）算法是一种用于图像特征提取的算法，它能够从图像中提取出具有尺度不变性的关键点，并计算出这些关键点的描述子，从而实现图像的匹配、识别等任务。
下面将对SIFT算法进行总结。
一、SIFT算法的基本思想1.构建高斯金字塔：通过不同尺度的高斯滤波器对原始图像进行平滑，得到一系列不同尺度的图像。
2.构建高斯差分金字塔：对高斯金字塔进行相邻层之间的差分，得到一系列不同尺度的差分图像。
3.寻找关键点：在每个尺度的差分图像中，通过比较一个像素与其周围的26个像素，判断是否为极值点，这些极值点即为关键点。
4.精确定位关键点位置：通过插值计算关键点的亚像素位置。
5.确定关键点的尺度和方向：根据关键点的尺度和梯度方向，构建关键点的方向直方图，找到主方向。
6.计算关键点的描述子：根据关键点周围的图像局部梯度，构建特征向量，得到关键点的描述子。
二、SIFT算法的特点1.尺度不变性：SIFT算法通过高斯金字塔和高斯差分金字塔的构建，使得算法对图像的尺度变化具有不变性，能够在不同尺度上检测到相同的关键点。
2.旋转不变性：SIFT算法通过确定关键点的主方向，将关键点的描述子旋转到相同的方向，使得算法对图像的旋转变化具有不变性。
3.具有唯一性：SIFT算法通过极值点检测和亚像素插值，能够找到图像中稳定的关键点，并且能够通过描述子计算，使得关键点具有唯一性。
4.强鲁棒性：SIFT算法通过对图像局部梯度的计算，能够对光照、噪声等变化具有鲁棒性，使得算法具有较好的稳定性。
三、SIFT算法的应用1.图像匹配：通过提取图像的关键点和描述子，将两幅图像进行特征点的匹配，从而实现图像的对齐、拼接等任务。
2.物体识别：通过提取物体图像的SIFT特征，并建立特征数据库，可以对未知图像进行特征的匹配和识别，实现物体的检测和识别。
3.目标跟踪：将目标物体的SIFT特征提取出来，并通过匹配目标特征和图像中的特征点，可以进行目标的跟踪和定位。
图像识别中的特征提取算法的使用方法
图像识别中的特征提取算法的使用方法在图像识别中，特征提取是一个关键步骤，它通过从图像中提取有用的信息来帮助分类、定位或识别图像中的对象。
特征提取算法的选择和使用对于图像识别的准确性和效率具有重要影响。
本文将介绍几种常用的特征提取算法，并探讨其使用方法。
1. 尺度不变特征变换（SIFT）尺度不变特征变换（Scale-Invariant Feature Transform，简称SIFT）是一种基于局部特征的特征提取算法。
它通过检测图像中的关键点，并计算这些关键点周围的描述子来提取特征。
SIFT算法具有尺度不变性和旋转不变性的特点，对于图像缩放、旋转和平移变换具有较好的适应性。
使用SIFT算法进行特征提取的方法如下：a. 使用SIFT算法检测图像中的关键点。
b. 对于每个关键点，计算其周围区域的描述子。
c. 基于描述子进行特征匹配和对象识别。
2. 快速RCNN算法快速区域卷积神经网络（Fast Region-based Convolutional Neural Network，简称Fast R-CNN）是一种基于深度学习的特征提取算法。
它通过将整个图像输入神经网络，并利用区域建议网络（Region Proposal Network）生成候选区域，然后对这些候选区域进行分类和定位。
使用快速RCNN算法进行特征提取的方法如下：a. 使用区域建议网络生成候选区域。
b. 将候选区域输入卷积神经网络进行特征提取。
c. 基于提取的特征进行分类和定位。
3. 卷积神经网络（CNN）卷积神经网络（Convolutional Neural Network，简称CNN）是一种广泛应用于图像识别的特征提取算法。
它通过一系列的卷积和池化层来提取图像的特征，并将这些特征输入全连接层进行分类。
使用卷积神经网络进行特征提取的方法如下：a. 设计并训练深度卷积神经网络。
b. 将图像输入神经网络，通过卷积和池化层提取特征。
c. 基于提取的特征进行分类和识别。
SIFT特征的提取与应用报告PPT
SIFT特 征 的 提取 特 SIFT特 征 的 应用 特 实验 致谢
精确定位关键点位置
为什么还要精确定位？ 1)去除低对比度点 2)去除边缘点 三维的二次函数拟合(Taylor展式) 2 T D(x) = D + ∂D x + 1 x T ∂ D x ∂x 2 ∂x 2 对上式求导，得精确位置： 2 D −1 对于|D(ˆ)| < 0.03进行抛弃 x x = − ∂ ∂x 2 ∂D ˆ ∂x 边缘点的去除 Tr (H) = Dxx + Dyy = α + β Det(H) = Dxx Dyy − (Dxy )2 = αβ Tr (H)2 (r +1)2 r Det(H) < 对于不满足以上不等式的点进行抛弃(边缘点),其中α,β分别 为矩阵H的最大最小特征值 提取 与 应 用 特
SIFT特 征 的 提取 特 SIFT特 征 的 应用 特 实验 致谢
特征提取的四步骤
尺度空间极值检测 精确定位关键点位置 为关键点指定方向参数 生成关键点描述子
蒋国宝
SIFT特 征 的 提取 与 应 用 特
SIFT特 征 的 提取 特 SIFT特 征 的 应用 特 实验 致谢
蒋国宝 SIFT特 征 的 提取 与 应 用 特
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精确定位关键点位置
为什么还要精确定位？ 1)去除低对比度点 2)去除边缘点 三维的二次函数拟合(Taylor展式) 2 T D(x) = D + ∂D x + 1 x T ∂ D x ∂x 2 ∂x 2 对上式求导，得精确位置： 2 D −1 对于|D(ˆ)| < 0.03进行抛弃 x x = − ∂ ∂x 2 ∂D ˆ ∂x 边缘点的去除 Tr (H) = Dxx + Dyy = α + β Det(H) = Dxx Dyy − (Dxy )2 = αβ Tr (H)2 (r +1)2 r Det(H) < 对于不满足以上不等式的点进行抛弃(边缘点),其中α,β分别 为矩阵H的最大最小特征值r=10。
找特征点的算法SIFT和SURF算法
找特征点的算法SIFT和SURF算法SIFT算法和SURF算法是用于图像特征点的检测与描述的两种经典算法。
它们在图像处理、计算机视觉和模式识别等领域得到广泛应用。
下面将分别介绍SIFT算法和SURF算法，并对其原理和应用进行详细阐述。
一、SIFT算法（Scale-Invariant Feature Transform）SIFT算法是由Lowe于1999年提出的一种用于图像特征点检测与描述的算法。
它通过分析图像的局部特征来提取与尺度无关的特征点，具有尺度不变性、旋转不变性和仿射不变性等优点。
1.特征点检测SIFT算法首先通过高斯差分金字塔来检测图像中的特征点。
高斯差分金字塔是由一系列模糊后再进行差分操作得到的，通过不同尺度的高斯核函数对图像进行卷积，然后对结果进行差分运算，得到图像的拉普拉斯金字塔。
在拉普拉斯金字塔上，通过寻找局部最大值和最小值来确定特征点的位置。
2.特征点描述在确定特征点的位置后，SIFT算法使用梯度直方图表示特征点的局部特征。
首先，计算特征点周围邻域内每个像素点的梯度幅值和方向，然后将邻域分为若干个子区域，并统计每个子区域内的梯度幅值和方向的分布，最后将这些统计结果组合成一个向量作为特征点的描述子。
3.特征点匹配SIFT算法通过计算特征点描述子之间的欧式距离来进行特征点的匹配。
欧式距离越小表示两个特征点越相似，因此选择距离最近的两个特征点作为匹配对。
二、SURF算法（Speeded Up Robust Features）SURF算法是由Bay等人于2024年提出的一种在SIFT算法的基础上进行改进的图像特征点检测与描述算法。
它通过加速特征点的计算速度和增强特征点的稳定性来提高算法的实时性和鲁棒性。
1.特征点检测SURF算法使用Hessian矩阵来检测图像中的特征点。
Hessian矩阵是图像的二阶导数矩阵，通过计算Hessian矩阵的行列式和迹来确定图像的局部最大值和最小值，从而找到特征点的位置。
SIFT特征提取算法
SIFT特征提取算法SIFT（Scale-Invariant Feature Transform）特征提取算法是一种用于图像的局部特征分析的算法。
它能够提取出图像中的关键点，并对这些关键点进行描述，从而可以用于图像匹配、物体识别等应用领域。
本文将详细介绍SIFT算法的原理和过程。
1.尺度空间构建SIFT算法首先通过使用高斯滤波器来构建图像的尺度空间，以便在不同尺度下检测关键点。
高斯滤波器可以通过一系列的高斯卷积操作实现，每次卷积之后对图像进行下采样（降低分辨率），得到不同尺度的图像。
2.关键点检测在尺度空间构建完成后，SIFT算法使用差分运算来检测关键点。
差分运算可以通过对图像进行高斯平滑操作来实现，然后计算相邻尺度之间的差分图像。
对差分图像进行极值检测，即寻找局部最大和最小值的像素点，这些像素点就是图像中的关键点。
3.关键点精确定位关键点的精确定位是通过拟合关键点周围的局部图像来实现的。
SIFT算法使用了一种高度鲁棒的方法，即利用关键点周围梯度的方向和大小来进行拟合。
具体来说，SIFT算法在关键点周围计算图像的梯度幅值和方向，并构建梯度直方图。
然后通过在梯度直方图中寻找局部极值来确定关键点的方向。
4.关键点描述关键点的描述是为了提取关键点周围的特征向量，用于后续的匹配和识别。
SIFT算法使用了一种局部特征描述算法，即将关键点周围的图像区域划分为小的子区域，并计算每个子区域的梯度方向直方图。
然后将这些直方图组合起来，构成一个维度较高的特征向量。
5.特征向量匹配在完成关键点描述之后，SIFT算法使用一种近似的最近邻方法来进行特征向量的匹配。
具体来说，使用KD树或者暴力匹配的方法来寻找两幅图像中最相似的特征向量。
通过计算特征向量之间的距离，可以找到最相似的匹配对。
6.尺度不变性SIFT算法具有尺度不变性的特点，即对于图像的缩放、旋转和视角变化等变换具有较好的鲁棒性。
这是因为在特征提取的过程中，SIFT算法对图像进行了多尺度的分析，并利用了关键点周围的梯度信息进行描述。
SIFT算法详解及应用(课件)
• 高斯模糊具有线性可分的性质，也可以在二维图像上对两个独立的一 维空间分别进行计算。这样可以大大减少了运算的次数。
• 对一幅图像进行多次连续高斯模糊的效果与一次更大的高斯模糊可以 产生同样的效果，大的高斯模糊的半径是所用多个高斯模糊半径平方 和的平方根。例如，使用半径分别为 6 和 8 的两次高斯模糊变换得 到的效果等同于一次半径为 10 的高斯模糊效果， 62 82 10 根据这个关系，使用多个连续较小的高斯模糊处理不会比单个高斯较 大处理时间要少。
SIFT
Scale Invariant Feature Transform
Octave 5 Octave 4 Octave 3
…
8
…
4
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2
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Octave 2
…
Octave 1
2013/7/11
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关键点检测的相关概念
• 高斯图像金字塔共o组、s层， 则有：
SIFT
Scale Invariant Feature Transform
SIFT
Scale Invariant Feature Transform
0.00002292 0.00078633 0.00655965 0.01330373 0.00655965 0.00078633 0.00002292
0.00000067 0.00002292 0.00019117 0.00038771 0.00019117 0.00002292 0.00000067
高斯函数
( x xi )2 ( y yi )2 G xi , yi , exp 2 2 2 2 1
L x, y, G x, y, * I x, y
SIFT特征提取及其在人脸识别中的应用
为每个关键点分配一个或多个方 向，以增强对图像旋转的鲁棒性。
4. 生成特征描述符
在关键点周围选取一定范围的邻 域，计算梯度方向直方图，生成 特征描述符。
1. 尺度空间极值检测
5. 特征匹配
在多个尺度空间上检测关键点位 置和尺度。
使用特征描述符进行相似度匹配， 找到图像之间的相似特征点。
02 人脸识别技术概述
通过改进特征描述符的设计，使其能够更好地适应尺度缩放和旋转变化，提高特征提取的 准确性。
提高对光照变化和遮挡问题的处理能力
通过引入更多的图像特征信息，或者采用其他算法来处理光照变化和遮挡问题，以增强 SIFT算法的性能。
降低计算复杂度
通过优化算法实现更高效的计算，例如采用并行计算、优化数据结构等方法，提高算法的 实时性和效率。
ORB算法是一种结合了SIFT和FAST特征检测器的算法， 通过使用旋转不变性、边缘信息和尺度空间来提高特征提 取的准确性和鲁棒性。
05 未来展望
SIFT算法的发展趋势
01
02
03
实时性提升
随着计算能力的增强， SIFT算法将进一步优化， 实现更快速的特征提取， 满足实时处理的需求。
多模态融合
结合深度学习技术，SIFT 算法将进一步发展多模态 特征融合，提升对复杂场 景的适应性。
sift特征提取及其在人脸识别中的 应用
目录
• SIFT特征提取算法简介 • 人脸识别技术概述 • SIFT在人脸识别中的应用 • SIFT算法的改进和优化 • 未来展望
01 SIFT特征提取算法简介
SIFT算法的起源和原理
01
02
03
SIFT（Scale-Invariant Feature Transform）算 法由David Lowe于1999 年提出，旨在解决图像尺 度、旋转和光照变化下的
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尺度
方向
大小
2019/11/28
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关键点检测的相关概念
SIFT
Scale Invariant Feature Transform
2. 什么是尺度空间（scale space ）？
我们要精确表示的物体都是通过一定的尺度来反映的。现实世界的 物体也总是通过不同尺度的观察而得到不同的变化。
尺度空间理论最早在1962年提出，其主要思想是通过对原始图像进 行尺度变换，获得图像多尺度下的尺度空间表示序列，对这些序列进行 尺度空间主轮廓的提取，并以该主轮廓作为一种特征向量，实现边缘、 角点检测和不同分辨率上的特征提取等。
Vancouver, B.C., V6T 1Z4, Canada
E-mail: lowe@cs.ubc.ca
• 1999年British Columbia大学大卫.劳伊（David G.Lowe）教授总结了现有 的基于不变量技术的特征检测方法，并正式提出了一种基于尺度空间的、对 图像缩放、旋转甚至仿射变换保持不变性的图像局部特征描述算子－SIFT （尺度不变特征变换），这种算法在2004年被加以完善。
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SIFT简介
SIFT
Scale Invariant Feature Transform
传统的特征提取方法
• 成像匹配的核心问题是将同一目标在不同时间、不同 分辨率、不同光照、不同位姿情况下所成的像相对应。 传统的匹配算法往往是直接提取角点或边缘，对环境的 适应能力较差，急需提出一种鲁棒性强、能够适应不同 光照、不同位姿等情况下能够有效识别目标的方法。
目标的特 征点集
目标的特 征点集
特征点匹 配
匹配点矫 正
SIFT算法实现物体识别主要有三大工序，1、提取关键点；2、对关键点附加
详细的信息（局部特征）也就是所谓的描述器；3、通过两方特征点（附带
上特征向量的关键点）的两两比较找出相互匹配的若干对特征点，也就建立
了2景019物/11/间28 的对应关系。
2019/11/28
3
SIFT简介
SIFT提出的目的和意义
SIFT
Scale Invariant Feature Transform
David G. Lowe Computer Science Department
2366 Main Mall University of British Columbia
1. 哪些点是SIFT中要查找的关键点（特征点）？
这些点是一些十分突出的点不会因光照条件的改变而消失，比如角点、 边缘点、暗区域的亮点以及亮区域的暗点，既然两幅图像中有相同的景物， 那么使用某种方法分别提取各自的稳定点，这些点之间会有相互对应的匹配 点。
所谓关键点，就是在不同尺度空间的图像下检测出的具有方向 信息的局部极值点。 根据归纳，我们可以看出特征点具有的三个特征：
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SIFT简介
SIFT
Scale Invariant Feature Transform
Original image courtesy of David Lowe
将一幅图像映射（变换）为一个局部特征向量集；特征向量具有平移、 缩放、旋转不变性，同时对光照变化、仿射及投影变换也有一定不变性。
SIFT
Scale Invariant Feature Transform
尺度不变特征变换匹配算法 Scale Invariant Feature Transform （SIFT）
余书剑
&牟怿
2019/11/28
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提纲
SIFT
Scale Invariant Feature Transform
1. SIFT简介 2. SIFT算法实现细节（重点） 3. SIFT算法的应用领域 4. SIFT算法的扩展与改进（下次分析）
Back
2019/11/28
7
SIFT算法实现细节
SIFT
Scale Invariant Feature Transform
SIFT算法实现步骤简述
SIFT算法的实质可以归为在不同尺度空间上查找特征点（关键点）的问题。
原图像 目标图像
特征点 检测
特征点 描述
SIFT
特征点 检测
特征点 描述
SIFT
8
SIFT算法实现细节
SIFT算法实现步骤
SIFT
Scale Invariant Feature Transform
1. 关键点检测 2. 关键点描述 3. 关键点匹配 4. 消除错配点
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关键点检测的相关概念
SIFT
Scale Invariant Feature Transform
尺度空间中各尺度图像的模糊程度逐渐变大，能够模拟人在距离目 标由近到远时目标在视网膜上的形成过程。
尺度越大图像越模糊。
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关键点检测 的相关概念
SIFT
Scale Invariant Feature Transform
研究表明，高斯核是唯一可以产生多尺度空间的核， 一个图像的尺度空间L（x,y,σ) ,定义为原始图像I(x,y) 与一个可变尺度的2维高斯函数G(x,y,σ) 卷积运算。
2019/11/28
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SIFT简介
SIFT
Scale Invariant Feature Transform
SIFT算法可以解决的问题
目标的自身状态、场景所处的环境和成像器材的成像特性等因素影 响图像配准/目标识别跟踪的性能。而SIFT算法在一定程度上可解决：
• 目标的旋转、缩放、平移（RST） • 图像仿射/投影变换（视点viewpoint） • 光照影响（illumination） • 目标遮挡（occlusion） • 杂物场景（clutter） • 噪声
2019/11/28
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SIFT简介
SIFT
Scale Invariant Feature Transform
SIFT算法特点
• SIFT特征是图像的局部特征，其对旋转、尺度缩放、亮度变化 保持不变性，对视角变化、仿射变换、噪声也保持一定程度的稳 定性。 • 独特性(Distinctiveness)好，信息量丰富，适用于在海量特征 数据库中进行快速、准确的匹配。 • 多量性，即使少数的几个物体也可以产生大量SIFT特征向量。 • 经过优化的SIFT算法可满足一定的速度需求。 • 可扩展性，可以很方便的与其他形式的特征向量进行联合。