|期刊分享|机器视觉|RGBD图像的较好跟踪角点

编者序：特征在视觉中非常重要，分为关键点和描述子，本文给出了Harris和GFTT角点在RGBD图像中的一种扩展，在三维流形上检测特征的确很麻烦，话说Good feature to track名字的确好听。

推荐指数☆☆☆☆

一、引言

建立两张或多张图像之间的局部视觉对应关系需要找到一系列看起来相似的局部特征，进而估计某种变换，如旋转、平移和尺度变换等。许多计算机视觉问题可分解为检测这些对应关系的数量与置信度，如图像提取、分类、目标跟踪、视觉里程计和SLAM等。

过去十年，传统图像的视觉匹配研究很多，有很多局部特征提取方法。然而，新的更丰富的视频格式（如RGBD、3D mesh等）的出现需要新的图像匹配工具，尤其是提高这些局部特征，以便能够解决这些视觉内容的表征。本文聚焦于RGBD表征，不同于点云，RGBD格式包括了传统图像的基于像素的表征和描述目标距离的深度图。

RGBD可以利用一些传统的2D图像匹配算法仅匹配texture，然而以合适的方式融入深度信息后提取的特征对一些视觉退化更稳健，如视角失真或变化、超平面旋转等。一些文献利用深度信息增强局部特征的描述能力，然而很少有文献探索关键点检测时用到的几何信息。我们以前提出过一种尺度不变blob检测器，本文则进一步研究关键点提取问题，处理另外一类广泛应用的角点。

本文考虑GFTT（good feature to track）和Harris角点原理，并将它们扩展到RGBD模式，在付出一些计算代价的条件下使得3D关键点检测更稳健。本文的主要贡献有两方面：（1）描述了一种基于自适应局部坐标的将深度融入局部特征检测的通用方法；（2）将GFTT和Harris角点检测技术扩展到texture+depth图像。

二、背景知识

视觉匹配（visual correspondence）一般通过图像匹配算法实现，包括三个步骤：（1）关键点检测，旨在在图像上找到感兴趣点；（2）特征描述，根据关键点的邻域计算其紧凑描述；（3）描述子匹配，定义了局部描述子比较方法。本文聚焦于第一步，RGBD图像上的关键点检测。

根据寻找的图像特征种类，关键点检测器可分为blob和corner检测器两种。流行的blob检测器包括SIFT中的DoG检测器、SURF中的快速Hessian检测器。《Keypoint detection in rgbd images based on an anisotropic scale space》提供了RGBD尺度空间构建的简明公式及完整的blob检测流程。据我们了解，本文是第一个提出RGBD图像corner检测器的。

第一个角点检测器是Harris提出的，至今也很流行。他们注意到图像梯度的二阶moment矩阵M的特征值ratio，用卷积核W平滑后可以提取到可重复的角点：如果图像中某位置ratio足够小，则是角点。他们进一步证明了没必要显式计算特征值，只需用M的行列式和迹计算出R即可，角点区域R为正，边缘区域R为负，R的局部极大值处就是角点。因此，Harris检测器将过门限的R的局部最大值提取角点。

Shi等人根据M的特征值提出了不同的检测原理，他们观察到M的最小特征值的最大值处同样可提取到明显角点，并且过门限的最小特征值保证了M的条件数良好，更容易提取到稳定的关键点，该检测器叫做GFTT。Tommasini等人提出了GFTT去除突变特征的高效方法，Sipiran等人将Harris扩展到mesh。

本文提出的关键点提取一般方法，可以在surface上执行关键点选择测试，而不是标准的图像平面。除了harris和GFTT，本文方法也可扩展到其它角点检测方法中，如SUSAN、AST等等。

三、本文方法

超出平面旋转和任意相机位置变化的主要影响是视角失真，影响关键点的可重复性，为了建模补偿这些变换，我们通过计算局部自适应坐标得到基底的变化。使用新坐标系代替正规图像像素级平面网格坐标，能够通过深度图的表面图解释RGB图的视角失真。

首先考虑将RGB图描述的光度（photometric）像素强度映射到深度图描述的流形（manifold）。为了在映射后的texture manifold上检测关键点，我们对表面的每个点在tangent平面进行测试，获得的二阶矩阵如下所示（注意坐标与Harris原始定义不同，含方向）

然后执行Harris或GFTT最小特征值测试及局部最大抑制。这样，在流形上检测而不是在图像平面上，变得与内容相关而很少依赖相机的相对位姿。

为了获得自适应局部坐标，首先在tangent平面上选择一个基底，然后根据针孔相机模型将它投影到相机平面，基底使用点云估计表面坐标的通用方法PCA获得，然后将该坐标系规范化。如下图所示。

四、实验

我们进行了标准检测器可重复性测试和视觉里程计应用实验，并与传统图像角点检测的state-of-the-art方法对比，其中GFTT、Harris和Fast AST使用OpenCV部署，BRISK使用作者原文“BRISK: Binary robust invariant scalable keypoints”部署，该方法是Adaptive Generic AST方法的尺度协变扩展（Adaptive and generic corner detection based on the accelerated segment test）。

重复性分数（repeatability score）是评估关键点检测器的标准测量方法。对于同一个场景的不同视角序列，在所有图像上检测关键点后，计算其余视角与参考视角的重复关键点个数，出现在场景中（近似）相同的物理位置的关键点认为是重复。本文认为体积重叠50%是重复关键点。为了公平起见，调整每张图像的门限使得每张都检测到1000个关键点。在Bricks、Graffiti和Fish序列上的结果如下图所示。

BRISK分数低的原因：BRISK detector exhibits lower matching scores, since it is the only scale-covariant detector used in the test, but for a fair comparison we ignore its keypoint scales in the overlap error computation（一句话，没有考虑尺度问题，评价指标不行哈）。

视觉里程计测试使用Freiburg数据集的两个序列，可以测试给定的特征是否可以跟踪良好，ground truth使用GPS和IMU采集。使用“On the development of a robust, fast and lightweight keypoint descriptor”文中方法计算轨迹，每张图像最多使用500个关键点，使用BRAND方法匹配。评价指标是旋转误差和平移误差，结果如下图所示。

我们认为Harris不太好的原因在于该序列相机的快速运动，使得texture中有明显的方向模糊，而GFTT由于二阶矩阵条件数良好可以良好跟踪。

英文名称：GOOD FEATURES TO TRACK FOR RGBD IMAGES

链接：

http://www.mirlab.org/conference_papers/International_Conference/ICASSP%202017/pdfs/0001832.pdf

Question：

在未校正的鱼眼失真图像上能不能检测到稳定特征？

死磕自律，遇见更好的自己；自斩双臂，方能长出强两翼。

败而不弃，潜龙勿用待时机；执着坚毅，飞升上神创奇迹！

关注该公众号，一起创造奇迹。