• DBoW2算法原理介绍


    本篇介绍DBoW2算法原理介绍,下篇介绍DBoW2的应用。

    DBow2算法

    DBow2是一种高效的回环检测算法,DBOW2算法的全称为Bags of binary words for fast place recognition in image sequence,使用的特征检测算法为Fast,描述子使用的是brief描述子,(TODO:和DBow的区别在哪里?)是一种离线的方法。

    二进制特征(ORB特征):Fast特征点+Brief描述子
    (Hamming distance) 256bits的二进制描述符
    Brief描述子:(b=[b_1, b_2, cdots, b_{256}])总共256bits,每一个bit都是0,1的数
    Surf描述子:64位的浮点数,(d=[d_1, d_2, cdots, d_{64}])

    基本的数学知识

    Brief使用的距离描述算子为Hamming距离,定义如下:

    [d(v_1, v_2) =vert v_{11} - v_{21} vert + vert v_{12} - v_{22} vert + cdots + vert v_{1n} - v_{2n} vert ]

    对于二进制字符串可以通过简单的按位异或实现(d(v_1,v_2) = v_1 oplus v_2)

    算法流程

    Bag of Words字典建立方法(最终得到的就是每一层的不同类的median,每一个叶节点对应的就是一个词汇):
    DBoW2整体流程

    建树流程

    kmeans++建树流程
    kmeans++方法
    输入:(a)聚类数目;(2)初始化中心点(这里使用kmeans++的方法)
    算法流程:
    迭代:
    (1)每个点分类到最近的中心点;
    (2)用每一类点的中心点更新中心点。

    中心点初始化方法:
    -(1)从输入的点集合中随机选择一个点作为第一个聚类中心;
    -(2)对于数据集中的每一个点,计算它与已选择的最近的聚类中心的距离D(x);
    -(3)选择一个新的数据点作为新的聚类中心,选择的原则是:D(x)较大的点,被选为聚类中心的概率较大;
    -(4)重复2和3的步骤直到k个聚类中心被选出来;
    D(x)到概率上的反应:

    • 先从数据库随机挑个随机点当“种子点”
    • 对于每个点,计算其和最近的一个“种子点”的距离D(x)并保存在一个数组里,然后把这些距离加起来得到Sum(D(x))。
    • 然后,再取一个随机值,用权重的方式来取计算下一个“种子点”。这个算法的实现是,先取一个能落在Sum(D(x))中的随机值Random,然后用Random -= D(x),直到其<=0,此时的点就是下一个“种子点”。

    k-median方法在聚类方法的第二步使用每一个类的中值作为新的中心;

    创建words:把建树中所有的节点遍历一遍,找出叶节点。

    DBoW2创建节点代码:

    \把所有的节点遍历一遍
    for(++nit; nit != m_nodes.end(); ++nit)
    {
    	  \只有节点是字符
          if(nit->isLeaf())
          {
            nit->word_id = m_words.size();
            m_words.push_back( &(*nit) );
          }
    }
    

    权重设置

    权重设置用的是idf,意思是词汇在训练过程中出现的频率越高,区分度越低,因此权重越低。

    [idf=logfrac{N}{n_i} ]

    每一个节点包括(只列出了部分信息)

    struct Node 
    {
    	//在所有节点中的标号
    	NodeId id;
    	//该节点的权重,该权重为
    	//训练的过程中设置的,在得到了树之后,将所有的描述子
    	//过一遍树,得到每个单词出现的次数,除以总的描述子数目
    	WordValue weight;
    	//描述符,为每一类的均值(对于brief描述子,则要对均值进行二值化)
    	TDescriptor descriptor;
    	//如果是叶节点,则有词汇的id
    	WordId word_id;
    }
    

    [说明]:上面的方法是分层聚类的,每一次聚类得到的多个节点,都有median (v)
    示该类,可以用来判断新的词汇是否属于该类。最终建立的树包括W个叶节点,也就是W个视觉词汇,词汇也用median表示。

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