机器视觉的图像特征提取技术分析

区域和轮廓只包含对分割结果的原始描述，在实际应用中我们还需要从区域或轮廓中确定一个或多个特征量。这些确定的特征量被称为特征。

确定特征的过程被称为图像特征提取。  

一、概述

1.图像特征的分类

（1）图像的视觉特征

边缘、轮廓、形状、纹理和区域等。

（2）图像的统计特征

灰度直方图特征、矩特征，其中矩特征包括均值、方差、峰度及熵特征等。

（3）图像变换系数特征

傅立叶变换、离散余弦变换、小波变换等。

（4）图像代数特征

矩阵的奇异值

2.  特征提取与特征选择

（1）特征选择

从一组特征中挑选出一些最有效的特征，以达到降低特征空间维数的目的。

（2）特征提取

对原始特征进行变换得到的这些有利于分类、更本质、更少的新特征的过程。

二、兴趣点提取

1.什么是兴趣点

兴趣点是指图像信号在二维空间上发生变化的区域，通常情况下包括拐角点、交点和纹理等显著变化区域。

2.兴趣点标定的方法

（1）基于轮廓线的方法

轮廓线具有曲率变化的特征，可归类为结点，端点等类型。如在图像中寻找脊和谷的方法对兴趣点进行标定。 

（2）基于图像强度的方法

信号的自相关函数检测特征点，灰度值的差大于某个门限时即认为该点是兴趣点。 

（3）基于参数模型的方法

使用高斯卷积模型对拐角进行识别，  使用最小化方法，使得模板与观测信号最佳匹配。

3.兴趣点的表达方法

（1）尺度不变特征变换（Scale-invariant feature transform，SIFT）

使用了128维的向量对兴趣点特征进行表达，该向量通过Lowe建立的码表形成。该方法可以做到缩放不变、亮度不变的特性。 

（2）可控滤波器和梯度不变方法

使用高斯滤波器的方法求图像的梯度，具有长度为13的维数。 

（3）区域矩不变特性

通过改变统计矩的组合，适用于图像的多种不变特性的应用。

（4）频域分析法

通过Gabor滤波器来捕捉图像在频率和方向上的细微变化，描述的维度很高。

三、Harris角点算法

1.概述

当滑动窗口处于一个兴趣点发生的地方，无论从哪个方向移动该窗口，都会发生图像强度（灰度值）的剧烈变化。

基于图像灰度的方法通过计算点的曲率及梯度来检测角点，避免了第一类方法存在的缺陷，此类方法主要有Moravec算子、Forstner算子、Harris算子、SUSAN算子等。

2.原理

图像窗口滑动后灰度值变化计算：

小距离窗口滑动近似计算：

首先采用Sobel算子计算出梯度Ix和Iy，再逐点计算其乘积，最后使用高斯窗对该乘积图像的所有像素点进行卷积即可。

3.MATLAB编程实现

img=imread('F:lena.png');imshow(img);img = rgb2gray(img);    
   %转换为灰度图像img =double(img);[m n]=size(img);            
   %获取图像尺寸tmp=zeros(m+2,n+2);  
     %创建空矩阵tmptmp(2:m+1,2:n+1)=img;  
 %将img赋值给tmp矩阵Ix=zeros(m+2,n+2);Iy=zeros(m+2,n+2);E=zeros(m+2,n+2);        
    %创建空矩阵Ix,Iy,EIx(:,2:n)=tmp(:,3:n+1)-tmp(:,1:n-1);
   %求横向梯度Iy(2:m,:)=tmp(3:m+1,:)-tmp(1:m-1,:); %求纵向梯度 Ix2=Ix(2:m+1,2:n+1).^2;            
      %求梯度方向乘积Iy2=Iy(2:m+1,2:n+1).^2;Ixy=Ix(2:m+1,2:n+1).*Iy(2:m+1,2:n+1);
  h=fspecial(‘gaussian’,[7 7],2);    
    %使用高斯核进行加权Ix2=filter2(h,Ix2);Iy2=filter2(h,Iy2);Ixy=filter2(h,Ixy);Rmax=0;R=zeros(m,n);for i=1:m  
 for j=1:n    
   M=[Ix2(i,j) Ixy(i,j);Ixy(i,j) Iy2(i,j)];    
   R(i,j)=det(M)-0.06*(trace(M))^2;          
   %计算角点量    
   if R(i,j)>Rmax      
     Rmax=R(i,j);                                  
%阈值判断    
   end  
 endend  
   re=zeros(m+2,n+2);tmp(2:m+1,2:n+1)=R;img_re=zeros(m+2,n+2);img_re(2:m+1,2:n+1)=img;for i=2:m+1  
 for j=2:n+1    
   if tmp(i,j)>0.02*Rmax &&...    
      tmp(i,j)>tmp(i-1,j-1) && tmp(i,j)>tmp(i-1,j) && tmp(i,j)>tmp(i-1,j+1) &&...        
  tmp(i,j)>tmp(i,j-1) && tmp(i,j)>tmp(i,j+1) &&...  
        tmp(i,j)>tmp(i+1,j-1) && tmp(i,j)>tmp(i+1,j) && tmp(i,j)>tmp(i+1,j+1)                
img_re(i,j)=255;                          
  %标记角点          
           end    
 endendimg_re=mat2gray(img_re(2:m+1,2:n+1));figure,imshow(img_re);  
  %恢复并显示图像

四、直线提取

1.Hough变换原理

在图像空间XY里，设所有过点（x,y）的直线都满足方程：

式中，p为直线的斜率，q为直线的截距。也可以写成：

式中表示参数空间PQ中过点（p,q）的一条直线。图像空间到参数空间之间的转换可以用图表示：

2.直线提取原理

开始时，置数组A为零，然后对每一个图像空间中的给定点，让θ取遍区间上所有可能的值，并根据直线公式算出对应的ρ，再根据和的值（设都已经取整）对A累加：

对图像遍历后，上式的值就是在点（θ，ρ）处共线点的个数。值（θ，ρ）也给出了直线方程的参数，这样就得到了点所在的线。 

3.MATLAB编程实现

img = imread(rg.bmp');figure(1),subplot(1,2,1);imshow(img);  title('原始图像');img=rgb2gray(img);      
% 灰度图像subplot(1,2,2);imshow(img);  title('灰度图像'); thresh=[0.01,0.10];    
    %敏感度阈值sigma=3;          
              %定义高斯参数 f = edge(double(img),'canny',thresh,sigma);  %边缘检测figure(2),imshow(f);  title('canny 边缘检测'); % 检测函数；[H, theta, rho]= hough(f,'Theta', 20:0.1:75);  
  %0-1% H->累计数组 ， thetaH:对应的θ，实际上H的大小就是Rho×Theta% Rho：H对应的ρ peak=houghpeaks(H,1);              
     %峰值提取hold on  %保留当前的图和特定的坐标轴属性，以便后续的绘图命令添加到现有的图表。lines=houghlines(f,theta,rho,peak);  
%得到线段信息 figure(3);imshow(f,[]);title('霍夫变换检测结果');hold on  ;for k=1:length(lines)        
  xy=[lines(k).point1;lines(k).point2];          
      plot(xy(:,1),xy(:,2),'LineWidth',4,'Color',[.6 .6 .6]);  end  

 

编辑：黄飞