Sift - Scale Invariant Feature Transform
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A slide about SIFT: an algorithm used in computer graphics to detect features in digital images Una slide sulle SIFT: un algoritmo usato in computer graphics per trovare dei rappresentanti significativi all'interno delle immagini digitali
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- 1. Sommario Introduzione L’algoritmo Matching Esperimenti Conclusioni Le SIFT Scale Invariant Feature Transform (David Lowe 1999) Alain Bindele, Claudia Rapuano Corso di Visione Artificiale 5 febbraio 2012 Alain Bindele, Claudia Rapuano Le SIFT
- 2. Sommario Introduzione L’algoritmo Matching Esperimenti Conclusioni Introduzione L’algoritmo Lo spazio di scala Differenze di gauss Differenze di gauss Trovare i punti chiave Filtering dei keypoint Calcolo dei descrittori Matching Esperimenti Conclusioni Alain Bindele, Claudia Rapuano Le SIFT
- 3. Sommario Introduzione L’algoritmo Matching Esperimenti Conclusioni Introduzione Cosa sono le features Le features (in italiano: Caratteristiche) sono delle particolarit`a delle immagini. Possono essere scelte in varie maniere: Gruppi di Spigoli Linee Segmenti ... Alain Bindele, Claudia Rapuano Le SIFT
- 4. Sommario Introduzione L’algoritmo Matching Esperimenti Conclusioni Introduzione L’obbiettivo Caratteristiche desiderabili Invarianza di scala Invarianza rotazionale Invarianza rispetto all’ illuminazione Invarianza rispetto all’angolo di visuale Alain Bindele, Claudia Rapuano Le SIFT
- 5. Sommario Introduzione L’algoritmo Matching Esperimenti Conclusioni Lo spazio di scala Differenze di gauss Differenze di gauss Trovare i punti chiave Filtering dei keypoint Calcolo dei descrittori L’algoritmo Costruire lo spazio di scala Dall’immagine originale si generano progressivamente immagini sempre pi`u sfocate e scalate della met`a (ottave). Il creatore dell’algoritmo consiglia 4 ottave e 5 livelli di blurring. Alain Bindele, Claudia Rapuano Le SIFT
- 6. Sommario Introduzione L’algoritmo Matching Esperimenti Conclusioni Lo spazio di scala Differenze di gauss Differenze di gauss Trovare i punti chiave Filtering dei keypoint Calcolo dei descrittori L’algoritmo Costruire lo spazio di scala Matematicamente, la sfocatura `e la convoluzione dell’operatore di Gauss e dell’immagine. L(x, y, σ) = G(x, y, σ) ∗ I(x, y) G(x, y, σ) = 1 2πσ2 · e −(x2+y2) 2σ2 L `e l’immagine sfocata G `e l’operatore di Gauss * `e l’operatore di convoluzione in x e y σ `e il parametro di scala Alain Bindele, Claudia Rapuano Le SIFT
- 7. Sommario Introduzione L’algoritmo Matching Esperimenti Conclusioni Lo spazio di scala Differenze di gauss Differenze di gauss Trovare i punti chiave Filtering dei keypoint Calcolo dei descrittori L’algoritmo Laplaciano di Gauss Il calcolo della derivata seconda `e molto sensibile al rumore e difficile da calcolare quindi calcoliamo le differenze di Gauss. Alain Bindele, Claudia Rapuano Le SIFT
- 8. Sommario Introduzione L’algoritmo Matching Esperimenti Conclusioni Lo spazio di scala Differenze di gauss Differenze di gauss Trovare i punti chiave Filtering dei keypoint Calcolo dei descrittori Alain Bindele, Claudia Rapuano Le SIFT
- 9. Sommario Introduzione L’algoritmo Matching Esperimenti Conclusioni Lo spazio di scala Differenze di gauss Differenze di gauss Trovare i punti chiave Filtering dei keypoint Calcolo dei descrittori L’algoritmo Trovare i punti chiave Trovare i punti chiave `e un processo che si svolge in due parti: Trovare i massimi e i minimi delle Differenze di Gauss (DoG) Trovare i massimi e i minimi dei sottopixel Alain Bindele, Claudia Rapuano Le SIFT
- 10. Sommario Introduzione L’algoritmo Matching Esperimenti Conclusioni Lo spazio di scala Differenze di gauss Differenze di gauss Trovare i punti chiave Filtering dei keypoint Calcolo dei descrittori L’algoritmo Trovare i punti chiave Per trovare i massimi e i minimi delle DoG si itera per ogni pixel di queste ultime e si controllano i vicini. Se il pixel che consideriamo `e maggiore di tutti i suoi vicini viene selezionato. Alain Bindele, Claudia Rapuano Le SIFT
- 11. Sommario Introduzione L’algoritmo Matching Esperimenti Conclusioni Lo spazio di scala Differenze di gauss Differenze di gauss Trovare i punti chiave Filtering dei keypoint Calcolo dei descrittori L’algoritmo Trovare i punti chiave I punti di massimo e minimo non si trovano esattamente nei pixel ma da qualche parte in mezzo. quindi dobbiamo matematicamente calcolare la posizione dei cosiddetti sottopixel. Alain Bindele, Claudia Rapuano Le SIFT
- 12. Sommario Introduzione L’algoritmo Matching Esperimenti Conclusioni Lo spazio di scala Differenze di gauss Differenze di gauss Trovare i punti chiave Filtering dei keypoint Calcolo dei descrittori L’algoritmo Trovare i punti chiave (keypoint) I valori dei sottopixel sono generati a partire dai valori dei pixel che abbiamo applicando la serie di Taylor dell’immagine intorno ai punti di approssimazione. D(x) = D + ∂DT ∂x x + 1 2 xT ∂2x ∂x2 x Differenziando ed eguagliando a zero possiamo facilmente trovare i massimi e i minimi di questa funzione. Risolvendo avremo la posizione dei sottopixel. ˆx = − ∂2D−1 ∂x2 · ∂D ∂x Alain Bindele, Claudia Rapuano Le SIFT
- 13. Sommario Introduzione L’algoritmo Matching Esperimenti Conclusioni Lo spazio di scala Differenze di gauss Differenze di gauss Trovare i punti chiave Filtering dei keypoint Calcolo dei descrittori L’algoritmo Filtraggio dei punti chiave Il passaggio precedente produce moltissimi keypoints. Effettuiamo dunque un filtraggio per eliminare i punti che nel passaggio precedente hanno un contrasto inferiore ad una certa soglia. Calcoliamo dunque. D(ˆx) = D + 1 2 ∂DT ∂x ˆx Per esempio nel paper vengono scartati tutti i pixel con valore |Dˆx| < 0.03 Alain Bindele, Claudia Rapuano Le SIFT
- 14. Sommario Introduzione L’algoritmo Matching Esperimenti Conclusioni Lo spazio di scala Differenze di gauss Differenze di gauss Trovare i punti chiave Filtering dei keypoint Calcolo dei descrittori L’algoritmo Filtraggio dei punti chiave Per ottenere la stabilit`a non `e sufficiente scartare i punti a minor contrasto. La DoG ha una forte risposta lungo i bordi. L’idea `e di calcolare due gradienti per keypoint, perpendicolari tra loro differenziando cos`ı: Regioni circa piatte Bordi Spigoli Gli spigoli sono ottimi punti chiave. Alain Bindele, Claudia Rapuano Le SIFT
- 15. Sommario Introduzione L’algoritmo Matching Esperimenti Conclusioni Lo spazio di scala Differenze di gauss Differenze di gauss Trovare i punti chiave Filtering dei keypoint Calcolo dei descrittori L’algoritmo Invarianza rotazionale Calcoliamo per ogni pixel intorno al keypoint due misure: Intensit`a Direzione Secondo le formule m(x, y) = (L(x + 1, y) − L(x − 1, y))2 + (L(x, y + 1) − L(x, y − 1))2 θ(x, y) = tan−1 ((L(x, y+1)−L(x, y−1))/(L(x+1, y)−L(x−1, y))) Alain Bindele, Claudia Rapuano Le SIFT
- 16. Sommario Introduzione L’algoritmo Matching Esperimenti Conclusioni Lo spazio di scala Differenze di gauss Differenze di gauss Trovare i punti chiave Filtering dei keypoint Calcolo dei descrittori L’algoritmo Invarianza rotazionale Ecco ci`o che otteniamo. Alain Bindele, Claudia Rapuano Le SIFT
- 17. Sommario Introduzione L’algoritmo Matching Esperimenti Conclusioni Lo spazio di scala Differenze di gauss Differenze di gauss Trovare i punti chiave Filtering dei keypoint Calcolo dei descrittori L’algoritmo Invarianza rotazionale I vicini dei keypoint vengono catalogati in un istogramma. Le intensit`a sono rappresentate in modo proporzionale. L’orientamento pu`o fornire pi`u keypoint. Alain Bindele, Claudia Rapuano Le SIFT
- 18. Sommario Introduzione L’algoritmo Matching Esperimenti Conclusioni Lo spazio di scala Differenze di gauss Differenze di gauss Trovare i punti chiave Filtering dei keypoint Calcolo dei descrittori L’algoritmo Descrittori locali dell’immagine Intensit`a e orientamento sono campionati intorno al keypoint Una funzione gaussiana pesata con σ uguale alla met`a della grandezza della finestra del descrittore `e usata per assegnare un peso alle intensit`a per ogni punto campionato. Alain Bindele, Claudia Rapuano Le SIFT
- 19. Sommario Introduzione L’algoritmo Matching Esperimenti Conclusioni Lo spazio di scala Differenze di gauss Differenze di gauss Trovare i punti chiave Filtering dei keypoint Calcolo dei descrittori L’algoritmo Indicizzazione Match tra feature ottenute e feature relative a immagini campione memorizzate in db. Processo alta complessit`a Algoritmo: best-bin-first search (nearest-neighbor alta probabilit`a in un numero limitato di passi) Alain Bindele, Claudia Rapuano Le SIFT
- 20. Sommario Introduzione L’algoritmo Matching Esperimenti Conclusioni L’algoritmo Clusterizzazione Utilizziamo la trasformata di Hough per raggruppare le chiavi secondo dei parametri di riferimento (scala, rotazione, traslazione) Memorizziamo in un hashtable Per ogni modello corrispondono le chiavi con parametri in comune Alain Bindele, Claudia Rapuano Le SIFT
- 21. Sommario Introduzione L’algoritmo Matching Esperimenti Conclusioni L’algoritmo Soluzione minimi quadrati Ulteriore verifica Consideriamo solo i gruppi con almeno 3 entries Siano: tx ty T i parametri di traslazione mi i parametri di rotazione, stratch, scala u v T un punto dell’immagine x y T un punto del modello Eseguiamo il seguente controllo: u v = m1 m2 m3 m4 · x y + tx ty Alain Bindele, Claudia Rapuano Le SIFT
- 22. Sommario Introduzione L’algoritmo Matching Esperimenti Conclusioni L’algoritmo Soluzione minimi quadrati L’equazione pu`o essere riscritta come: x y 0 0 1 0 0 0 x y 0 1 · · · · · · · m1 m2 m3 m4 tx ty = u v . . . Che ha una forma Ax = b e che quindi pu`o essere risolta risolvendo col metodo dei minimi quadrati la corrispondente equazione in forma normale: x = [AT A]−1 AT b Alain Bindele, Claudia Rapuano Le SIFT
- 23. Sommario Introduzione L’algoritmo Matching Esperimenti Conclusioni Esperimenti 3 immagini campione 2D Immagine con oggetti messi in maniera disordinata Immagine con modelli riconosciuti Riconoscimento oggetti 2D fino a 60°di rotazione Alain Bindele, Claudia Rapuano Le SIFT
- 24. Sommario Introduzione L’algoritmo Matching Esperimenti Conclusioni Esperimenti 3 modelli oggetti 3D Immagine disordinata SIFT riconosciute e oggetti riconosciuti Alain Bindele, Claudia Rapuano Le SIFT
- 25. Sommario Introduzione L’algoritmo Matching Esperimenti Conclusioni Esperimenti Immagini 3D riconosciute Occlusione Riconoscimento rotazione 3D fino a 20° Alain Bindele, Claudia Rapuano Le SIFT
- 26. Sommario Introduzione L’algoritmo Matching Esperimenti Conclusioni Tempistiche Immagine 384 x 512 px Tempi di riconoscimento oggetti 1.9” Processore Sun Sparc 10 0.9” scale space e identificazione SIFT 0.6” indicizzazione + least-square verification Alain Bindele, Claudia Rapuano Le SIFT
- 27. Sommario Introduzione L’algoritmo Matching Esperimenti Conclusioni Invarianza illuminazione Stessa scena Stesso punto di vista Prima immagine: modello Seconda immagine corrisponde completamente alla prima Alain Bindele, Claudia Rapuano Le SIFT
- 28. Sommario Introduzione L’algoritmo Matching Esperimenti Conclusioni Connessione con visione biologica Visione umana largamente superiore a compurer vision system Visione umana e animale studiata da tanti anni Alain Bindele, Claudia Rapuano Le SIFT
- 29. Sommario Introduzione L’algoritmo Matching Esperimenti Conclusioni Visione nei primati I neuroni della corteccia temporale inferiore si occupano del riconoscimento Alcuni neuroni rispondono alla forma Altri alla stuttura e al colore Alain Bindele, Claudia Rapuano Le SIFT
- 30. Sommario Introduzione L’algoritmo Matching Esperimenti Conclusioni Processo di riconoscimento Per ogni immagine vengono calcolate dal cervello tante features (processo parallelo e complesso, leggermente differente dall’approccio descritto da Lowe) Stessi risultati Immagine ⇒ Features ⇒ matching immagini campione Alain Bindele, Claudia Rapuano Le SIFT
- 31. Sommario Introduzione L’algoritmo Matching Esperimenti Conclusioni Conclusioni L’approccio delle SIFT migliore dei precedenti (scale, illumination e distortion invariant) Largo numero di feature ottenute per ogni immagine ⇒ robusto sistema di riconoscimento (occlusione, cluttered images) Least-squared verification: ulteriore verifica molto pi`u accurata di una semplice indicizzazione Alain Bindele, Claudia Rapuano Le SIFT
- 32. Sommario Introduzione L’algoritmo Matching Esperimenti Conclusioni Ricerche future Modelli per differenti punti di vista di oggetti 3D Nuove SIFT che memorizzano anche colore e texture Alain Bindele, Claudia Rapuano Le SIFT