surf算法原理总结

机器视觉中基于SURF算法的目标识别研究第一章：引言随着计算机技术的不断发展，机器视觉技术逐渐应用于各种领域。

其中，目标识别是机器视觉技术的重要应用之一，可以在自动控制、工业制造、军事等领域中发挥重要作用。

在目标识别中，特征点检测和匹配是关键技术。

SURF算法是一种快速有效的特征点检测和匹配算法，已经得到广泛应用。

本文将介绍机器视觉中基于SURF算法的目标识别研究，具体包括SURF算法原理、SURF算法在目标识别中的应用及其优劣势分析、SURF算法在实际系统中的应用及其发展趋势等。

第二章：SURF算法原理SURF算法是加速稳健特征（Speeded Up Robust Feature）的缩写。

它是基于尺度空间理论的特征点检测和匹配算法。

SURF算法主要包括三个步骤：尺度空间构建、特征点检测和特征描述。

尺度空间构建是指先将原始图像进行高斯滤波，得到不同尺度下的图像金字塔，然后通过差分的方式得到尺度不变的DoG （Difference of Gaussian）图像组。

特征点检测是指在DoG图像组中检测出极值点，SURF算法中采用的是Hessian矩阵。

特征描述是指在检测到的特征点周围的邻域内，计算一组具有较强区分度的局部特征描述子，SURF算法中采用的是基于积分图像的Haar小波特征描述子。

第三章：SURF算法在目标识别中的应用及其优劣势分析SURF算法在目标识别中的应用主要包括两个方面：特征点检测和匹配。

特征点检测是指在图像中寻找具有独特性、稳定性和可重复性的特征点，SURF算法对尺度空间建立和特征点检测都有良好的性能，能够有效地检测到目标物体中的关键点。

匹配是指在两个图像中寻找相似的特征点，SURF算法具有较高的匹配准确率和速度，能够实现快速准确地目标匹配。

但是，SURF算法也存在一些不足之处，比如对图像旋转、缩放、变形等变化不够鲁棒，需要额外的操作来进行补偿。

第四章：SURF算法在实际系统中的应用及其发展趋势SURF算法在实际系统中的应用非常广泛，例如在工业机器人、自动驾驶、安防监控等领域中都得到了应用。

surf算法代码-回复什么是Surf算法Surf算法（Speeded Up Robust Features）是一种用于图像特征检测和描述的计算机视觉算法。

它是在2006年由Herbert Bay等人提出的，旨在提高图像处理中的特征点检测与匹配的速度和准确性。

Surf算法在计算机视觉和图像处理领域中得到广泛应用，它的主要目标是在图像中找到稳定且唯一的局部特征点。

Surf算法的步骤1. 尺度空间构建：Surf算法在图像中使用多尺度空间来有效地检测特征点。

它通过不断模糊图像，并计算模糊后的图像与原始图像的差异来构建多尺度空间。

算法使用一个高斯滤波器来进行图像模糊，并通过逐渐增加滤波器的方差来构建不同尺度下的图像。

这样做的目的是使得算法能够在不同尺度下检测到特征点，而不受图像缩放的影响。

2. 关键点检测：在构建好尺度空间后，Surf算法会在每个尺度中检测关键点。

关键点是那些在图像中具有稳定尺度和位置，并且对缩放、旋转和光照变化具有不变性的点。

Surf算法使用Hessian矩阵来检测关键点。

Hessian矩阵是一个用于测量图像局部变化的矩阵，在Surf算法中，它被用来检测图像中的高强度点。

3. 关键点定位：在检测到关键点后，Surf算法会对关键点进行精确定位。

它使用一个Haar 小波响应来定位关键点的位置和方向。

Haar小波是一种多尺度基函数，它能够识别出图像中的边缘和纹理特征。

Surf算法利用Haar小波响应来定位出关键点的具体位置和方向，以便后续的特征描述步骤。

4. 特征描述：在完成关键点定位后，Surf算法会对每个关键点进行描述，以便后续的特征匹配。

Surf算法使用了一种叫做加速权重积分（Fast Hessian）的方法来生成特征描述子。

特征描述子是一个向量，它能够描述关键点周围区域的结构和纹理信息。

Surf算法会通过计算关键点周围区域的灰度变化来生成特征描述子。

5. 特征点匹配：在完成特征描述后，Surf算法会使用一种叫做KD树的数据结构来进行特征点的匹配。

特征点检测学习(surf算法)网上有些文章对surf做了介绍，比如：surf算法原理,有一些简单介绍.对surf的某些细节做了通俗易懂的解释.一、Surf描述子形成步骤1. 构造高斯金字塔尺度空间其实surf构造的金字塔图像与sift有很大不同，就是因为这些不同才加快了其检测的速度。

Sift采用的是DOG图像，而surf采用的是Hessian矩阵行列式近似值图像。

首先来看看图像中某个像素点的Hessian 矩阵，如下：即每一个像素点都可以求出一个Hessian矩阵。

但是由于我们的特征点需要具备尺度无关性，所以在进行Hessian矩阵构造前，需要对其进行高斯滤波。

这样，经过滤波后在进行Hessian的计算，其公式如下：公式中的符号，估计有点数学基础的朋友都能够猜到，这里就不多解释了。

最终我们要的是原图像的一个变换图像，因为我们要在这个变换图像上寻找特征点，然后将其位置反映射到原图中，例如在sift中，我们是在原图的DOG图上寻找特征点的。

那么在surf中，这个变换图是什么呢？从surf的众多资料来看，就是原图每个像素的Hessian矩阵行列式的近似值构成的。

其行列式近似公式如下：由于求Hessian时要先高斯平滑，然后求二阶导数，这在离散的像素点是用模板卷积形成的，这2中操作合在一起用一个模板代替就可以了，比如说y方向上的模板如下：该图的左边即用高斯平滑然后在y方向上求二阶导数的模板，为了加快运算用了近似处理，其处理结果如右图所示，这样就简化了很多。

并且右图可以采用积分图来运算，大大的加快了速度，关于积分图的介绍，可以去查阅相关的资料。

同理，x和y方向的二阶混合偏导模板如下所示：上面讲的这么多只是得到了一张近似hessian行列式图，这例比sift中的DOG图，但是在金字塔图像中分为很多层，每一层叫做一个octave，每一个octave中又有几张尺度不同的图片。

在sift算法中，同一个octave层中的图片尺寸(即大小)相同，但是尺度(即模糊程度)不同，而不同的octave层中的图片尺寸大小也不相同，因为它是由上一层图片降采样得到的。

SURF算法在图像处理中的应用SURF算法是一种被广泛应用于计算机视觉领域的算法，其全称是Speeded Up Robust Features。

它是一种特征提取算法，可以在图像中检测出具有特殊性质的关键点，并生成具有鲁棒性的特征描述子。

这些特征可以用于识别相似的图像，比较相似度，并在图像配准、图像跟踪、三维重建等领域中发挥重要作用。

本文将探讨SURF算法在图像处理中的应用。

一、 SURF算法的原理SURF算法是基于SIFT算法的一种改进，它的主要优势在于速度更快、鲁棒性更强。

下面简单介绍SURF算法的原理。

1. 尺度空间构建SURF算法首先对原始图像进行尺度变换，通过高斯金字塔来构建尺度空间。

尺度空间的不同层次可以检测到不同大小的特征。

通过不同层次检测的关键点可以估计出原始图像中的关键点，这个过程被称为尺度空间极值点检测。

2. 关键点定位在尺度空间中，SURF算法通过Hessian矩阵的行列式求解得到图像局部极值点位置，这些点是具有高强度、对光照变化鲁棒等性质的关键点。

3. 方向确定为了使SURF算法对旋转和光照变化更加鲁棒，需要为每个关键点确定一个主方向，这个方向是在关键点周围采用Hessian矩阵主方向确定的。

4. 特征描述为了描述关键点的局部特征，SURF算法使用了一种统计学上的方法，即将关键点周围的区域分解成小的子区域，每个子区域在水平和竖直方向上计算Haar小波变换，形成特征向量。

这些特征向量组成的特征描述子具有鲁棒性，可以用来评估关键点的稳定性。

5. 特征匹配在进行图像匹配时，SURF算法使用了一种快速的近似最近邻搜索方法，称为快速最近邻搜索（FLANN）。

它可以在大规模的特征库中快速找到与查询特征最相似的特征。

二、 SURF算法可以被广泛应用于图像处理中，下面介绍一些应用领域。

1. 图像配准SURF算法可以被用来匹配两幅图像之间的关键点，通过计算两幅图像中关键点的相似度来实现图像配准。

opencv之SURF算法原理及关键点检测在基础篇里面讲模板匹配的时候已经介绍过，图像匹配主要有基于灰度和基于特征两种方法。

基于特征匹配的方法有很多种如：FAST、HARRIS、SIFT、SURF、SUSAN等。

其中SIFT算法由D.G.Lowe于1999年提出，2004年完善总结。

SIFT是一种鲁棒性好的尺度不变特征描述方法，但SIFT算法计算数据量大、时间复杂度高、算法耗时长。

针对上述缺点许多研究者对SIFT算法做了不同的改进，Yanke等人提出用PCA-SIFT方法对特征描述进行数据降维，但在没有任何先验知识的情况下反而增加了计算量；Delpont等人提出用SVD方法进行特征匹配，但匹配过程计算复杂，且不能用于宽基线匹配；Grabner等人用积分图像虽提高了SIFT的计算速度，但是降低了SIFT方法的优越性。

Herbert Bay等人于2006年提出了SIFT算法的改进算法SURF算法，其性能超过了SIFT算法且能够获得更快的速度。

SURF在光照变化和视角变化不变性方面的性能接近SIFT算法，尤其对图像严重模糊和旋转处理得非常好。

且标准的SURF算子比SIFT算子快好几倍，SURF算法最大的特征在于采用了harr特征以及积分图像的概念，这大大加快了程序的运行速度。

SURF算法和SIFT算法在opencv中是一种很高级的算法，opencv提供了SURF算法的API接口。

需要说明的是SURF和SIFT算法在OpenCV提供的nonfree中，而且在OpenCV3.x后不再集成到OpenCV发行版中，同意存放到opencv_contrib中，需要去opencv github页面手动下载编译。

点击跳转，编译方法网上有很多教-程。

2.Surf原理特征点的提取基于尺度空间理论，我们通过检测图像局部极值点来锁定特征点坐标，即局部的最亮点或最暗点。

2.1构建Hessian矩阵SURF算法检测特征点是基于Hessian矩阵实现的，Hessian矩阵是SURF 算法的核心。

SURF算法⼀、原理：Sift算法的优点是特征稳定，对旋转、尺度变换、亮度保持不变性，对视⾓变换、噪声也有⼀定程度的稳定性；缺点是实时性不⾼，并且对于边缘光滑⽬标的特征点提取能⼒较弱。

Surf（Speeded Up Robust Features）改进了特征的提取和描述⽅式，⽤⼀种更为⾼效的⽅式完成特征的提取和描述。

⼆、Surf实现流程如下：1. 构建Hessian（⿊塞矩阵），⽣成所有的兴趣点，⽤于特征的提取⿊塞矩阵（Hessian Matrix）是⼀个多元函数的⼆阶偏导数构成的⽅阵，描述了函数的局部曲率。

由德国数学家Ludwin Otto Hessian于19世纪提出。

surf构造的⾦字塔图像与sift有很⼤不同，Sift采⽤的是DOG图像，⽽surf采⽤的是Hessian矩阵⾏列式近似值图像。

Hessian矩阵是Surf算法的核⼼，构建Hessian矩阵的⽬的是为了⽣成图像稳定的边缘点（突变点），为下⽂的特征提取做好基础。

每⼀个像素点都可以求出⼀个Hessian矩阵。

Hessian矩阵的判别式为：当Hessian矩阵的判别式取得局部极⼤值时，判定当前点是⽐周围邻域内其他点更亮或更暗的点，由此来定位关键点的位置。

在SURF算法中，图像像素l(x，y)即为函数值f(x，y)。

但是由于我们的特征点需要具备尺度⽆关性，所以在进⾏Hessian矩阵构造前，需要对其进⾏⾼斯滤波，选⽤⼆阶标准⾼斯函数作为滤波器。

H矩阵的三个矩阵元素L_xx, L_xy, L_yy从⽽计算出H矩阵：Surf使⽤了盒式滤波器来近似替代⾼斯滤波器，提⾼运算速度。

盒式滤波器（Boxfilter）对图像的滤波转化成计算图像上不同区域间像素和的加减运算问题，只需要简单⼏次查找积分图就可以完成。

每个像素的Hessian矩阵⾏列式的近似值：2. 构建尺度空间同Sift⼀样，Surf的尺度空间也是由O组L层组成，不同的是，Sift中下⼀组图像的尺⼨是上⼀组的⼀半，同⼀组间图像尺⼨⼀样，但是所使⽤的⾼斯模糊系数逐渐增⼤；⽽在Surf中，不同组间图像的尺⼨都是⼀致的，但不同组间使⽤的盒式滤波器的模板尺⼨逐渐增⼤，同⼀组间不同层间使⽤相同尺⼨的滤波器，但是滤波器的模糊系数逐渐增⼤。

surf特征点检测原理一、引言surf特征点检测是一种在计算机视觉领域被广泛应用的算法，用于图像特征提取和匹配。

本文将介绍surf特征点检测的原理及其相关概念，以帮助读者更好地理解该算法的工作原理。

二、SURF特征点检测的概述SURF(Speeded Up Robust Features)是一种基于尺度空间理论的图像特征描述算法。

它的主要思想是通过检测和描述图像中的局部特征点，从而实现图像的匹配与识别。

SURF算法具有计算速度快、尺度不变性强等优点，因此得到了广泛的应用。

三、尺度空间理论尺度空间理论是SURF算法的基础。

它认为图像中的物体在不同尺度下都会呈现出不同的外观，因此在进行特征点检测时，需要考虑不同尺度下的图像特征。

SURF算法通过构建一个尺度空间金字塔来实现不同尺度下的特征点检测。

四、Hessian矩阵的计算SURF算法使用Hessian矩阵来检测图像中的局部极值点。

Hessian 矩阵描述了图像中的灰度变化情况，通过计算图像的二阶导数来得到Hessian矩阵。

在SURF算法中，为了加速计算速度，Hessian 矩阵的计算采用了一种近似方法。

五、关键点的定位在得到Hessian矩阵后，SURF算法通过计算特征点的行列方向和尺度来实现关键点的定位。

其中，行列方向表示特征点在图像中的位置，尺度表示特征点的大小。

SURF算法还引入了一种基于盒子滤波器的方法，用于对关键点进行定位。

六、关键点的描述关键点的描述是SURF算法的核心内容之一。

SURF算法采用了一种称为Haar小波的特征描述子，用于描述关键点的局部特征。

Haar小波通过计算图像中的水平和垂直边缘来描述图像的纹理特征。

SURF算法通过对Haar小波的积分图像进行快速计算，实现了关键点的快速描述。

七、关键点的匹配关键点的匹配是SURF算法的最后一步。

在进行关键点匹配时，SURF算法采用了一种称为海森距离的相似性度量。

海森距离可以有效地判断两个关键点之间的相似度，从而实现关键点的匹配。

找特征点的算法SIFT和SURF算法SIFT算法和SURF算法是用于图像特征点的检测与描述的两种经典算法。

它们在图像处理、计算机视觉和模式识别等领域得到广泛应用。

下面将分别介绍SIFT算法和SURF算法，并对其原理和应用进行详细阐述。

一、SIFT算法（Scale-Invariant Feature Transform）SIFT算法是由Lowe于1999年提出的一种用于图像特征点检测与描述的算法。

它通过分析图像的局部特征来提取与尺度无关的特征点，具有尺度不变性、旋转不变性和仿射不变性等优点。

1.特征点检测SIFT算法首先通过高斯差分金字塔来检测图像中的特征点。

高斯差分金字塔是由一系列模糊后再进行差分操作得到的，通过不同尺度的高斯核函数对图像进行卷积，然后对结果进行差分运算，得到图像的拉普拉斯金字塔。

在拉普拉斯金字塔上，通过寻找局部最大值和最小值来确定特征点的位置。

2.特征点描述在确定特征点的位置后，SIFT算法使用梯度直方图表示特征点的局部特征。

首先，计算特征点周围邻域内每个像素点的梯度幅值和方向，然后将邻域分为若干个子区域，并统计每个子区域内的梯度幅值和方向的分布，最后将这些统计结果组合成一个向量作为特征点的描述子。

3.特征点匹配SIFT算法通过计算特征点描述子之间的欧式距离来进行特征点的匹配。

欧式距离越小表示两个特征点越相似，因此选择距离最近的两个特征点作为匹配对。

二、SURF算法（Speeded Up Robust Features）SURF算法是由Bay等人于2024年提出的一种在SIFT算法的基础上进行改进的图像特征点检测与描述算法。

它通过加速特征点的计算速度和增强特征点的稳定性来提高算法的实时性和鲁棒性。

1.特征点检测SURF算法使用Hessian矩阵来检测图像中的特征点。

Hessian矩阵是图像的二阶导数矩阵，通过计算Hessian矩阵的行列式和迹来确定图像的局部最大值和最小值，从而找到特征点的位置。

surf算法原理宝子们！今天咱们来唠唠这个超有趣的SURF算法原理呀。

SURF呢，它全名叫加速稳健特征（Speeded - Up Robust Features）。

这名字听起来就感觉很厉害的样子，就像一个超级英雄，有着加速的超能力，还特别稳健呢。

咱先说说这个算法为啥要被搞出来。

你想啊，在图像的世界里，有那么多图像，就像有好多好多不同的小世界一样。

我们有时候想在这些图像里找到一些特别的东西，比如说两张照片里相同的物体啦，或者是在一张很复杂的图像里找到我们感兴趣的部分。

要是靠人工去一点点找，那可不得累死人，而且效率超低。

所以呢，就有了像SURF这样的算法。

那SURF算法到底是咋工作的呢？这就像是一场奇妙的探险之旅。

它先得把图像变得有规律起来。

就好比把一个乱糟糟的房间先简单整理一下，这样才能更好地找东西。

它会构建图像的积分图像。

这个积分图像可不得了，就像是给图像做了一个快速索引一样。

比如说你想知道图像里某个小方块的像素总和，要是没有这个积分图像，你得一个一个像素加起来，那得多慢呀。

但是有了积分图像，就可以一下子算出来，就像开了挂一样。

然后呢，SURF算法要找图像里的那些关键点。

这些关键点就像是图像里的小明星，是很特别的存在。

它怎么找呢？它会用一种类似小探测器的东西，在图像里到处探测。

这个探测器可不是随便探测的哦，它是根据图像的一些特性来的。

比如说图像里有些地方的亮度变化很特别，就像在一片平地上突然有个小土坡一样，这种地方就很可能是关键点。

找到这些关键点之后呢，SURF算法还得给它们做个标记，就像给小明星们戴上专属的小名牌一样，这样以后才能准确地找到它们。

接下来呀，SURF算法要描述这些关键点。

这就好比是给每个小明星写个小传一样。

它会根据关键点周围的像素信息来描述。

比如说关键点周围的像素是怎么分布的呀，是像星星一样散开，还是像小团子一样聚在一起呢。

它会用一些数学的方法把这些信息变成一串数字，这串数字就是这个关键点的独特描述啦。

SURF算法SURF是一种尺度、旋转不变的detector和descriptor。

最大的特点是快！在快的基础上保证性能（repeatability,distinctiveness 和robustness）。

SURF采用有效策略的主要有：1）积分图像（用于对图像卷积）2）detector 是基于Hessian矩阵，descriptor是基于分布的。

下面是SURF算法的具体实现：1.兴趣点检测SURF对于兴趣点的检测是基于最基本的Hessian近似矩阵。

1.1积分图像1.2 用于检测兴趣点的Hessian矩阵中得到启发，采用了盒子型滤波器（box filter）对上面的滤波器进行近似。

盒子型滤波器见图1.3.再根据filter的大小做一个归一化。

这对于尺度不变性是有必要的。

有了前面的着一些准备工作，就可以对一幅图像I计算每个点的近似Hessian矩阵的行列式值，将这些值存储，备用！1.3尺度空间表示算法的尺度不变性主要靠不同尺度下寻找感兴趣点。

谈到不同尺度就不得不说‘金字塔’。

Lowe在其SIFT大作中是这样构造尺度空间的：对原图像不断地进行Gauss平滑+降采样。

得到金字塔图像后，又进一步得到了DOG图，边和斑状结构就是通过DOG图得到其在原图的位置。

SURF中的做法与SIFT是有所不同的。

SIFT算法在构造金字塔图层时Gauss滤波器大小不变，改变的是图像的大小；而SURF则恰恰相反：图像大小保持不变，改变的是滤波器的大小。

之所以这么做的目的考虑的主要目的还是效率问题（这样可以利用积分图有关的快速计算，用不同size的Mask进行卷积运算，复杂度是一样的，仅仅是三个加减法而已）。

而且，由于没有对图像进行降采样，所以不存在混叠现象。

与SIFT类似，SURF的尺度空间也是按组（Octaves）划分的。

每一个Octave 里是对输入图像用size不断增加的filter进行滤波后得到的一系列响应。

总的来说，一组包含了一个缩放因子。