[發(fā)明專利]一種直線立體匹配方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 200910044193.X
• 申請(qǐng)日: 2009-08-26
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN101635052A
• 公開(kāi)（公告）日: 2010-01-27
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 文貢堅(jiān);王繼陽(yáng);回丙偉
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中國(guó)人民解放軍國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)
• 主分類(lèi)號(hào): G06T7/00
• 分類(lèi)號(hào): G06T7/00;G06T5/00;G01C11/08
• 代理公司: 國(guó)防科技大學(xué)專利服務(wù)中心
• 代理人: 王文惠

1.一種直線立體匹配方法，其特征在于，包括下述步驟：

已知從不同視角獲取的同一場(chǎng)景的兩幅圖像，分別記為左圖像I₁和右圖像 I₂，它們的成像參數(shù)已知；對(duì)圖像I₁和I₂進(jìn)行邊緣檢測(cè)的結(jié)果分別為圖像E₁和 E₂，圖像E₁和E₂中每個(gè)邊緣點(diǎn)的灰度梯度相位已知；從左圖像I₁中提取的直線 特征的集合為其中，任意一個(gè)直線特征的端點(diǎn)分別為 和在上每隔3個(gè)像素長(zhǎng)度取一個(gè)點(diǎn)，將這些點(diǎn)在I₁中的灰度梯度相位平均值記為從右圖像I₂中提取的直線特征的集合為 其中，任意一個(gè)直線特征的端點(diǎn)為和 在上每隔3個(gè)像素長(zhǎng)度取一個(gè)點(diǎn)，將這些點(diǎn)在I₂中的灰度梯度 相位平均值記為

第一步，利用直線特征集合恢復(fù)投影直線段

對(duì)于任意一個(gè)直線特征γ＝1或γ＝2，由它的兩個(gè)已知端點(diǎn)計(jì)算 的中點(diǎn)坐標(biāo)記為長(zhǎng)度記為經(jīng)過(guò)它的直線記為由恢復(fù)的投 影直線段記為它的兩個(gè)端點(diǎn)和到的距離分別記為和由恢復(fù)的過(guò)程等效為求解和的概率密度函數(shù)的過(guò)程；與的任意一個(gè) 端點(diǎn)q＝1，2，相關(guān)的距離參數(shù)的概率密度函數(shù)求解步驟如下：

第1步，搜索用于估計(jì)投影直線段端點(diǎn)的有效邊緣點(diǎn)

的有效邊緣點(diǎn)是指在指定搜索范圍內(nèi)用于估計(jì)的端點(diǎn)位置的邊緣 點(diǎn)；

搜索有效邊緣點(diǎn)的方法包括確定搜索范圍和在該范圍內(nèi)選擇有效邊緣點(diǎn)兩 個(gè)過(guò)程；

有效邊緣點(diǎn)的搜索范圍包括空間搜索范圍和灰度梯度相位搜索范圍，由3 個(gè)門(mén)限值來(lái)確定：

T_h表示的有效邊緣點(diǎn)到直線的距離最大值，最優(yōu)取值為3個(gè)像素；

T_τ表示的兩個(gè)相鄰的有效邊緣點(diǎn)在直線上的投影間距離的最大值，最 優(yōu)取值為3個(gè)像素，它和T_h共同確定空間搜索范圍；

T_θ指定的有效邊緣點(diǎn)的灰度梯度相位搜索范圍為最優(yōu) 取值為弧度；

將的端點(diǎn)視為的第0個(gè)有效邊緣點(diǎn)，記為(x⁽⁰⁾，y⁽⁰⁾)，它在直線上 的投影記為此時(shí)，且

搜索有效邊緣點(diǎn)的方法由以下兩個(gè)步驟組成，它們被循環(huán)執(zhí)行，從搜索第1 個(gè)有效邊緣點(diǎn)開(kāi)始，直到確定的搜索范圍內(nèi)不再有邊緣點(diǎn)被找到：

第1)步，確定端點(diǎn)的有效邊緣點(diǎn)的搜索范圍

當(dāng)k＝1時(shí)，第k個(gè)有效邊緣點(diǎn)的空間搜索范圍R⁽¹⁾表示為以下四個(gè)點(diǎn) 和順次連接而成的矩形：

u1(1)=m·Th1+m2+x(0)]]>

v1(1)=y(0)-Th1+m2]]>

u2(1)=x(0)-m·Th1+m2]]>

v2(1)=y(0)+Th1+m2]]>

u3(1)=u2(1)+λu·Tτ1+m2]]>

v3(1)=v2(1)+λv·|m|·Tτ1+m2]]>

u4(1)=u1(1)+λu·Tτ1+m2]]>

v4(1)=v1(1)+λv·|m|·Tτ1+m2]]>

其中，λu=1xγ,qi>xγ,|3-q|i0xγ,qi=xγ,|3-q|i-1xγ,qi<xγ,|3-q|i,]]>λv=1yγ,qi>yγ,|3-q|i0yγ,qi=yγ,|3-q|i-1yγ,qi<yγ,|3-q|i,]]>m=yγ,2i-yγ,1ixγ,2i-xγ,1i;]]>

的第k個(gè)有效邊緣點(diǎn)的灰度梯度相位搜索范圍為

當(dāng)k＞1時(shí)，第k個(gè)有效邊緣點(diǎn)的搜索范圍由R^(k)和Ω^(k)表示，確定方法為：

計(jì)算投影點(diǎn)到的距離，記為τ^(k-1)，第k個(gè)有效邊緣 點(diǎn)的空間搜索范圍R^(k)由四個(gè)點(diǎn)和順 次連接而成：

u1(k)=u1(k-1)+Δu(k-1);]]>v1(k)=v1(k-1)+Δv(k-1)]]>

u2(k)=u2(k-1)+Δu(k-1);]]>v2(k)=v2(k-1)+Δv(k-1)]]>

u3(k)=u3(k-1)+Δu(k-1);]]>v3(k)=v3(k-1)+Δv(k-1)]]>

u4(k)=u4(k-1)+Δu(k-1);]]>v4(k)=v4(k-1)+Δv(k-1)]]>

其中，Δu(k-1)=λu·τ(k-1)1+m2,]]>Δv(k-1)=λv·|m|·τ(k-1)1+m2,]]>λ_u、λ_v和m的取值與k＝1 時(shí)相同；

第k個(gè)有效邊緣點(diǎn)的灰度梯度相位搜索范圍為Ω^(k)＝Ω^(l)；

第2)步，在搜索范圍內(nèi)選擇有效邊緣點(diǎn)

當(dāng)k＞0時(shí)，將同時(shí)落在R^(k)和Ω^(k)范圍內(nèi)的邊緣點(diǎn)的集合記為A_k；選取A_k中 在直線上的投影到點(diǎn)距離最小的邊緣點(diǎn)作為第k個(gè)有效邊緣點(diǎn) (x^(k)，y^(k))，它在直線上的投影記為

第2步，計(jì)算與端點(diǎn)相關(guān)的距離參數(shù)的概率密度函數(shù)

假定得到的n個(gè)有效邊緣點(diǎn)，計(jì)算與相關(guān)的距離參數(shù)概率密度函 數(shù)如果0≤n≤3，的概率密度函數(shù)為

p(t~γ,qi)=ρ·exp(-ρ·(t~γ,qi-dγi/2))]]>t~γ,qi∈[dγi/2,+∞)]]>

ρ的取值為0.25；

如果n＞3，的概率密度函數(shù)計(jì)算方法由以下步驟組成：

第1)步，計(jì)算的函數(shù)

σ(t~γ,qi)=Σk=1nt|cos(θ(k)-θγi)|h(k)·τ(k)]]>

其中，n_t表示的有效邊緣點(diǎn)中在直線上的投影到點(diǎn)距離小于 的數(shù)目，h^(k)是(x^(k)，y^(k))到直線的距離，當(dāng)γ＝1時(shí)，θ^(k)表示E₁中的邊緣點(diǎn) (x^(k)，y^(k))的灰度梯度相位，當(dāng)γ＝2時(shí)，θ^(k)表示E₂中的邊緣點(diǎn)(x^(k)，y^(k))的灰度 梯度相位；

第2)步，計(jì)算的近似導(dǎo)數(shù)

σ′(t~γ,qi)=σ(t~γ,qi+Δt)-σ(t~γ,qi)Δt]]>

其中，Δt的最優(yōu)取值為3個(gè)像素；

第3)步，計(jì)算參數(shù)η₁

η1=(1-η0)/∫dγi/2dγi/2+Ttexp(σ(t~γ,qi)t~γ,qi·σ′(t~γ,qi))dt~γ,qi]]>

其中，η₀的最優(yōu)取值為0.25，

第4)步，計(jì)算的概率密度函數(shù)

p(t~γ,qi)=η1·exp(σ(t~γ,qi)t~γ,qi·σ′(t~γ,qi))t~γ,qi∈(dγi/2,dγi/2+Tt)η0·ρ·exp(-ρ·(t~γ,qi-dγi/2-Tt))t~γ,qi∈[dγi/2+Tt,+∞)]]>

第一步恢復(fù)得到的所有投影直線段的集合記為和 L~2={l~2i|i=1,2,···,N2};]]>

第二步，對(duì)恢復(fù)投影直線段進(jìn)行特征編組

通過(guò)生成一個(gè)投影直線段匹配關(guān)系圖求解，生成的無(wú)向圖記為G，方法包 括下述步驟：

第1步，生成投影直線段匹配關(guān)系圖的節(jié)點(diǎn)

計(jì)算中任意一條投影直線段與中任意一條投影直線段的對(duì)應(yīng)關(guān)系 測(cè)度；如果這個(gè)測(cè)度大于一個(gè)指定的門(mén)限，則判定它們是匹配的，并由和生 成G的一個(gè)節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)屬性等于這個(gè)測(cè)度；

記生成的所有節(jié)點(diǎn)集合V＝{v_α|α＝1，2，…，M}，任意一個(gè)節(jié)點(diǎn)v_α的屬性記為 μ_α；

第2步，判定投影直線段匹配關(guān)系圖中任意兩個(gè)節(jié)點(diǎn)間的連接關(guān)系

任取集合V中的兩個(gè)元素v_α和v_β，假定與它們相對(duì)應(yīng)的投影直線段匹配對(duì) 分別為和判定它們之間連接關(guān)系的方法包括下述步驟：

第1)步，計(jì)算v_α和v_β的相容關(guān)系測(cè)度

任意兩個(gè)節(jié)點(diǎn)的相容性取決于它們對(duì)應(yīng)的投影直線段匹配對(duì)包含在任意一 幅圖像中的兩條投影直線段的相容性；計(jì)算投影直線段和的相容關(guān)系測(cè)度 以及和的相容關(guān)系測(cè)度如果且 則判定v_α和v_β是相容的，計(jì)算節(jié)點(diǎn)v_α和v_β的相容關(guān)系測(cè)度為 否則，直接判定節(jié)點(diǎn)v_α和v_β在圖G中不可連接， 并返回判定其它節(jié)點(diǎn)間的連接關(guān)系；

第2)步，判定節(jié)點(diǎn)v_α和v_β是否為直接可組合關(guān)系，計(jì)算組合關(guān)系測(cè)度

如果i＝a或j＝b，判定節(jié)點(diǎn)v_α和v_β是直接可組合的，其組合關(guān)系測(cè)度為 F_c(v_α，v_β)＝1，進(jìn)入第4)步；

如果i≠a且j≠b，計(jì)算和屬于同一條真實(shí)投影直線段的概率以及和屬于同一條真實(shí)投影直線段的概率如果或 則判定節(jié)點(diǎn)v_α和v_β是直接可組合的，且組合關(guān)系測(cè)度為 Fc(vα,vβ)=max{C(l~1i,l~1a),C(l~2j,l~2b)},]]>進(jìn)入第4)步；否則，進(jìn)入第3)步；

第3)步，判定節(jié)點(diǎn)v_α和v_β是否為間接可組合關(guān)系，計(jì)算組合關(guān)系測(cè)度

以集合V中的元素為節(jié)點(diǎn)，建立一個(gè)新的無(wú)向圖g，如果任意兩個(gè)節(jié)點(diǎn)是直 接可組合的，則將它們?cè)趃中連接起來(lái)，連接邊權(quán)重等于第2)步計(jì)算的組合關(guān) 系測(cè)度；如果圖G中節(jié)點(diǎn)v_α和v_β在圖g中對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)之間存在至少一條路徑， 則判定它們是間接可組合的，組合關(guān)系測(cè)度為其中， m表示不含環(huán)的路徑數(shù)，Dist(b)等于第b條不含環(huán)的路徑上所有連接邊權(quán)重的 最小值；否則，直接判定它們?cè)趫DG中不可連接，并返回判定其它節(jié)點(diǎn)間的連 接關(guān)系；

第4)步，計(jì)算節(jié)點(diǎn)v_α和v_β之間的連接邊權(quán)重

將投影直線段匹配關(guān)系圖G中的節(jié)點(diǎn)v_α和v_β進(jìn)行連接，計(jì)算連接邊權(quán)重為

W(v_α，v_β)＝F_u(v_α，v_β)·F_c(v_α，v_β)

當(dāng)α＝β時(shí)，指定W(v_α，v_β)＝0；

第3步，生成直線特征編組并計(jì)算可靠性測(cè)度

計(jì)算圖G的所有極大團(tuán)，記為Q＝{c_w|w＝1，2，…，N_Q}，任意一個(gè)極大團(tuán)c_w是 集合V的子集；利用每個(gè)極大團(tuán)生成一個(gè)直線特征編組，計(jì)算該直線特征編組 的可靠性測(cè)度為

Ew=12Σvi∈cwΣvj∈cwW(vi,vj)·μi·μj;]]>

第三步，選取最可靠的直線特征編組，確定提取的直線特征間的匹配關(guān)系

按照下述方法生成直線特征編組關(guān)系圖G_F：利用每個(gè)生成的直線特征編組 生成圖G_F的一個(gè)節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)屬性等于相對(duì)應(yīng)的直線特征編組的可靠性測(cè)度，如 果任意兩個(gè)直線特征編組中不包含相同的投影直線段，則在圖G_F中連接它們對(duì) 應(yīng)的節(jié)點(diǎn)；

計(jì)算圖G_F的所有極大團(tuán)，其中，每個(gè)極大團(tuán)的能量等于該極大團(tuán)中包含的 所有節(jié)點(diǎn)的屬性值之和，選取能量最大的極大團(tuán)包含的直線特征編組作為最可 靠的直線特征編組；

在每個(gè)直線特征編組中，投影直線段之間的匹配關(guān)系是確定的，并且，這 些恢復(fù)的投影直線段與提取的直線特征是一一對(duì)應(yīng)的，從而，提取的直線特征 間匹配關(guān)系也是確定的，結(jié)合已知的成像參數(shù)，依據(jù)攝影測(cè)量理論可以求解匹 配的直線特征對(duì)應(yīng)的三維直線段。