图像检索(5):基于OpenCV实现小型的图像数据库检索

本文对前面的几篇文章进行个总结，实现一个小型的图像检索应用。

一个小型的图像检索应用可以分为两部分：

• train，构建图像集的特征数据库。
• retrieval，检索，给定图像，从图像库中返回最类似的图像

构建图像数据库的过程如下：

• 生成图像集的视觉词汇表(Vocabulary)
  • 提取图像集所有图像的sift特征
  • 对得到的sifte特征集合进行聚类，聚类中心就是Vocabulary
• 对图像集中的图像重新编码表示，可使用BoW或者VLAD，这里选择VLAD.
• 将图像集中所有图像的VLAD表示组合到一起得到一个VLAD表，这就是查询图像的数据库。

得到图像集的查询数据后，对任一图像查找其在数据库中的最相似图像的流程如下：

• 提取图像的sift特征
• 加载Vocabulary，使用VLAD表示图像
• 在图像数据库中查找与该VLAD最相似的向量

构建图像集的特征数据库的流程通常是offline的，查询的过程则需要是实时的，基本流程参见下图：

由两部分构成：offline的训练过程以及online的检索查找

各个功能模块的实现

下面就使用VLAD表示图像，实现一个小型的图像数据库的检索程序。下面实现需要的功能模块

• 特征点提取
• 构建Vocabulary
• 构建数据库

第一步，特征点的提取

不管是BoW还是VLAD，都是基于图像的局部特征的，本文选择的局部特征是SIFT，使用其扩展RootSift。提取到稳定的特征点尤为的重要，本文使用OpenCV体哦那个的SiftDetecotr，实例化如下：

auto fdetector = xfeatures2d::SIFT::create(0,3,0.2,10);

create的声明如下：

static Ptr<SIFT> cv::xfeatures2d::SIFT::create     (     int      nfeatures = 0,
        int      nOctaveLayers = 3,
        double      contrastThreshold = 0.04,
        double      edgeThreshold = 10,
        double      sigma = 1.6 
    )

• nfeatures 设置提取到的特征点的个数，每个sift的特征点都根据其对比度(local contrast)计算出来一个分数。设置了该值后，会根据分数排序，只保留前nfeatures个返回
• nOctaveLayers 每个octave中的层数，该值可以根据图像的分辨率大小计算出来。D.Lowe论文中该值为３
• contrastThreshold　过滤掉低对比度的不稳定特征点，该值越大，提取到的特征点越少
• edgeThreshold　过滤边缘处的特征点，该值越大，提取到的特征点就越多
• sigma 高斯滤波器的参数，该滤波器应用于第0个Octave

个人的一些见解。
设置参数时，主要是设置contrastThreshold和edgeThreshold。contrastThreshold是过滤掉平滑区域的一些不稳定的特征点，edgeThreshold是过虑类似边缘的不稳定关键点。设置参数时，应尽量保证提取的特征点个数适中，不易过多，也不要过少。另外，contrastThreshold和edgeThreshold的平衡，应根据要提取的目标是比较平滑的区域还是纹理较多的区域，来平衡这两个参数的设置。

对于有些图像，可能设置的提取特征点的参数叫严格，提取特征点的个数过少，这时候可改变宽松一些的参数。

auto fdetector = xfeatures2d::SIFT::create(0,3,0.2,10);
fdetector->detectAndCompute(img,noArray(),kpts,feature);

if(kpts.size() < 10){
    fdetector = xfeatures2d::SIFT::create();
    fdetector->detectAndCompute(img,noArray(),kpts,feature);
}

阈值10，可根据具体的情况进行调节。

更多关于sift的内容可以参看文章：

• 图像检索(1): 再论SIFT-基于vlfeat实现 使用轻量级的视觉库vlfeat提取sift特征，其提取的特征觉得更稳定一些，但是使用上就不如OpenCV方便了。
• SIFT特征详解

关于RootSift和VLAD可以参考前面的文章图像检索(4):IF-IDF,RootSift,VLAD。

第二步，构建Vocabulary

Vocabulary的构建过程，实际就是对提取到的图像特征点的聚类。首先提取图像库图像sift特征，并将其扩展为RootSift，然后对提取到的RootSift进行聚类得到Vocabulary。
这里创建class Vocabulary，主要以下方法：

• create 从提取到的特征点构建聚类得到视觉词汇表Vocabulary

void Vocabulary::create(const std::vector<cv::Mat> &features,int k)
{
    Mat f;
    vconcat(features,f);
    vector<int> labels;
    kmeans(f,k,labels,TermCriteria(TermCriteria::COUNT + TermCriteria::EPS,100,0.01),3,cv::KMEANS_PP_CENTERS,m_voc);
    m_k = k;
}

• load和save，为了使用方便，需要能够将生成的视觉词汇表Vocabulary保存问文件(.yml)
• tranform_vlad，将输入的图像进行转换为vlad表示

void Vocabulary::transform_vlad(const cv::Mat &f,cv::Mat &vlad)
{
    // Find the nearest center
    Ptr<FlannBasedMatcher> matcher = FlannBasedMatcher::create();
    vector<DMatch> matches;
    matcher->match(f,m_voc,matches);
    // Compute vlad
    Mat responseHist(m_voc.rows,f.cols,CV_32FC1,Scalar::all(0));
    for( size_t i = 0; i < matches.size(); i++ ){
        auto queryIdx = matches[i].queryIdx;
        int trainIdx = matches[i].trainIdx; // cluster index
        Mat residual;
        subtract(f.row(queryIdx),m_voc.row(trainIdx),residual,noArray());
        add(responseHist.row(trainIdx),residual,responseHist.row(trainIdx),noArray(),responseHist.type());
    }

    // l2-norm
    auto l2 = norm(responseHist,NORM_L2);
    responseHist /= l2;
    //normalize(responseHist,responseHist,1,0,NORM_L2);

    //Mat vec(1,m_voc.rows * f.cols,CV_32FC1,Scalar::all(0));
    vlad = responseHist.reshape(0,1); // Reshape the matrix to 1 x (k*d) vector
}

class Vocabulary有以下方法：

• 从图像列表中构建视觉词汇表Vocabulary
• 将生成的Vocabulary保存到本地，并提供了load方法
• 将图像表示为VLAD

第三步，创建图像数据库

图像数据库也就是将图像VLAD表示的集合，在该数据库检索时，返回与query图像相似的VLAD所对应的图像。
本文使用OpenCV提供的Mat构建一个简单的数据库，Mat保存所有图像的vlad向量组成的矩阵，在检索时，实际就是对该Mat的检索。
声明类class Database，其具有以下功能：

• add 添加图像到数据库
• save和load 将数据库保存为文件(.yml)
• retrieval 检索，对保存的vald向量的Mat创建索引，返回最相似的结果。

第四步，Trainer

在上面实现了特征点的提取，构建视觉词汇表，构建图像表示为VLAD的数据库，这里将其组合到一起，创建Trainer类，方便训练使用。

class Trainer{

public:

    Trainer();
    ~Trainer();

    Trainer(int k,int pcaDim,const std::string &imageFolder,
        const std::string &path,const std::string &identifiery,std::shared_ptr<RootSiftDetector> detector);
    
    void createVocabulary();
    void createDb();

    void save();

private:

    int m_k; // The size of vocabulary
    int m_pcaDimension; // The retrain dimensions after pca

    Vocabulary* m_voc;
    Database* m_db;

private:

    /*
        Image folder
    */
    std::string m_imageFolder;

    /*
        training result identifier,the name suffix of vocabulary and database
        voc-identifier.yml,db-identifier.yml
    */
    std::string m_identifier;

    /*
        The location of training result
    */
    std::string m_resultPath;
};

使用Trainer 需要配置

• 图像集所在的目录
• 视觉词汇表的大小（聚类中心的个数）
• PCA后VLAD保留的维度，可先不管设置为0，不进行PCA
• 训练后数据的保存路径。 训练后的数据保存为yml形式，命名规则是voc-m_identifier.yml和db-m_identifier.yml。 为了方便测试不同参数的数据，这里设置一个后缀参数m_identifier,来区分不同的参数的训练数据。

其使用代码如下：

int main(int argc, char *argv[])
{
    const string image_200 = "/home/test/images-1";
    const string image_6k = "/home/test/images/sync_down_1";
    
    auto detector = make_shared<RootSiftDetector>(5,5,10);
    Trainer trainer(64,0,image_200,"/home/test/projects/imageRetrievalService/build","test-200-vl-64",detector);

    trainer.createVocabulary();
    trainer.createDb();
    
    trainer.save();

    return 0;
}

偷懒，没有配置为参数，使用时需要设置好图像的路径，以及训练后数据的保存数据。

第五步，Searcher

在Database中，已经实现了retrieval的方法。 这里之所以再封装一层，是为了更好的契合业务上的一些需求。比如，图像的一些预处理，分块，多线程处理，查询结果的过滤等等。关于Searcher和具体的应用耦合比较深，这里只是简单的实现了个retrieval方法和查询参数的配置。

class Searcher{

public:
    Searcher();
    ~Searcher();

    void init(int keyPointThreshold);
    void setDatabase(std::shared_ptr<Database> db);

    void retrieval(cv::Mat &query,const std::string &group,std::string &md5,double &score);

    void retrieval(std::vector<char> bins,const std::string &group,std::string &md5,double &score);

private:
    int m_keyPointThreshold;

    std::shared_ptr<Database> m_db;
};

使用也很简单了，从文件中加载Vaocabulary和Database，设置Searcher的参数。

Vocabulary voc;

    stringstream ss;
    ss << path << "/voc-" << identifier << ".yml";

    cout << "Load vocabulary from " << ss.str() << endl;
    voc.load(ss.str());

    cout << "Load vocabulary successful." << endl;

    auto detector = make_shared<RootSiftDetector>(5,0.2,10);

    auto db = make_shared<Database>(detector);

    cout << "Load database from " << path << "/db-" << identifier << ".yml" << endl;
    db->load1(path,identifier);
    db->setVocabulary(voc);
    cout << "Load database successful." << endl;

     Searcher s;
    s.init(10);
    s.setDatabase(db);

Summary

上图来总结下整个流程

• 创建Vocabulary

• 创建Database

• Search Similary list