ORB-SLAM2算法8之特征点提取、生成描述子的ORBextractor

本文深入解析ORB-SLAM2算法中的特征点提取过程,包括ORBextractor的使用、图像金字塔的构建、FAST角点检测、非极大值抑制、特征点方向计算和描述子生成。通过构建图像金字塔实现多尺度特征点提取,增强系统的鲁棒性和适应性。同时,ORB特征点结合Oriented FAST和Rotated BRIEF,提供旋转不变性。描述子生成过程中,通过高斯模糊减少噪声,并计算具有旋转不变性的描述子。

0 引言

ORB-SLAM2算法7了解了System主类和多线程,如下图,本文主要学习ORB-SLAM2中的图像预处理的ORB部分(Oriented FAST and Rotated BRIEF),也就是视觉特征点提取器ORBextractor,从全称来看,ORB-SLAM2ORB部分主要涉及图像的特征点提取和描述子生成。

  1. 特征点提取
  • ORB特征点提取使用了FASTFeatures from Accelerated Segment Test)算法。FAST算法是一种高效的特征点检测算法,通过比较像素点与其周围邻域像素的亮度差异来确定特征点。
  • ORB中,FAST算法被扩展成了Oriented FAST,它能够在检测到的特征点周围计算出一个主方向。这个主方向在后续的描述子生成中起到了重要作用。
  • 通过对图像的不同尺度(图像金字塔)进行处理,ORB-SLAM2还能够提取多尺度的特征点,以适应不同距离的场景。
### ORB-SLAM2中将特征提取算法替换为BRIEF的实现方法 在ORB-SLAM2中,特征点提取描述子生成是系统的核心部分之一。默认情况下,ORB-SLAM2使用ORB特征进行检测和描述。如果希望将特征提取算法替换为BRIEF,需要对代码进行一系列修改。以下是具体的实现方法和注意事项。 #### 1. 替换特征提取器 ORB-SLAM2中的特征提取主要依赖于OpenCV库中的`cv::ORB`类[^1]。为了使用BRIEF特征,需要替换掉`cv::ORB`类,并引入支持BRIEF描述子的类。可以通过以下步骤完成: - 修改`ORBextractor.h`文件:该文件定义了ORB特征提取器的接口。需要创建一个新的类来封装BRIEF特征提取逻辑。 - 替换`ORBextractor.cpp`中的实现:根据BRIEF的特性,重新实现特征点的检测和描述子生成逻辑。 ```cpp #include <opencv2/features2d.hpp> class BRIEFExtractor { public: std::vector<cv::KeyPoint> operator()(const cv::Mat &image, const cv::Mat &mask = cv::Mat()) { std::vector<cv::KeyPoint> keypoints; cv::Ptr<cv::FeatureDetector> detector = cv::ORB::create(); // 使用ORB作为关键点检测器 detector->detect(image, keypoints); cv::Mat descriptors; cv::xfeatures2d::BriefDescriptorExtractor brief; brief.compute(image, keypoints, descriptors); return keypoints; } }; ``` #### 2. 修改描述子类型 ORB-SLAM2默认使用`unsigned char`类型的描述子,而BRIEF描述子通常也是`unsigned char`类型。但需要注意的是,BRIEF描述子的长度可能与ORB不同(例如,BRIEF可以是32位或64位)。因此,需要确保所有涉及描述子的操作都能兼容新的长度。 - 修改`Frame`类中的描述子存储方式:确保描述子数组能够容纳BRIEF描述子的长度。 - 修改`KeyFrameDatabase`类中的匹配逻辑:调整描述子距离计算的方式,以适应BRIEF描述子的特点。 #### 3. 调整匹配策略 ORB-SLAM2中的特征匹配基于Hamming距离,而BRIEF描述子也可以使用Hamming距离进行匹配。然而,由于BRIEF描述子的统计特性可能与ORB不同,可能需要调整匹配阈值。 - 修改`Frame`类中的匹配函数:调整`SearchForInitialization`、`SearchByProjection`等函数中的匹配阈值。 - 修改`LoopClosing`类中的回环检测逻辑:确保回环检测能够正确处理BRIEF描述子。 #### 4. 注意事项 - **性能问题**:BRIEF特征的计算速度可能不如ORB快,尤其是在高分辨率图像上。需要测试替换后的性能影响,并考虑是否需要优化。 - **鲁棒性问题**:BRIEF特征对图像旋转和尺度变化的鲁棒性较差。如果应用场景需要较强的鲁棒性,可能需要结合其他技术(如多尺度检测)。 - **代码兼容性**:ORB-SLAM2的许多模块假设使用ORB特征。在替换为BRIEF后,可能需要对多个模块进行适配性修改。 #### 示例代码片段 以下是一个简单的BRIEF特征提取示例: ```cpp cv::Mat image = cv::imread("image.jpg", cv::IMREAD_GRAYSCALE); std::vector<cv::KeyPoint> keypoints; cv::Mat descriptors; // 使用FAST检测关键点 cv::FAST(image, keypoints, 20); // 使用BRIEF生成描述子 cv::xfeatures2d::BriefDescriptorExtractor brief; brief.compute(image, keypoints, descriptors); ``` --- ###
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