[發明專利]一種基于特征點與單應性匹配的不變性識別方法

無效

• 申請號: 200910055467.5
• 申請日: 2009-07-28
• 公開（公告）號: CN101650778A
• 公開（公告）日: 2010-02-17
• 發明（設計）人: 危輝;裘禛宇
• 申請（專利權）人: 復旦大學
• 主分類號: G06K9/00
• 分類號: G06K9/00;G06K9/62;G06T7/00
• 代理公司: 上海東創專利代理事務所（普通合伙）
• 代理人: 曹立維

技術領域

本發明屬于模式識別、計算機視覺、圖像理解領域，通過對場景和模型圖像中直線段的匹配識別基于直線段特征的人造物體。

背景技術

三維物體識別是計算機視覺領域中最活躍的研究領域之一，在機器人控制、自動導航、自動檢測、裝配任務與醫學圖像的分析等大量現實領域發揮核心作用。如精確制導武器需要運用三維物體識別技術識別并跟蹤攻擊目標，裝配或者包裝機器人需要運用三維物體識別技術對產品的姿態進行定位。現有的三維物體識別技術主要是一個利用輸入的場景圖像數據得到場景特征的表達，再和數據庫中存儲的物體模型表達相匹配的過程[1]。因此，一般而言，三維物體識別技術至少需要解決以下三個方面的問題[2]：

1.場景特征的提取和表達方法；

2.三維物體模型的構造方法；

3.場景特征與物體模型的匹配方法。

其中，特征的表達描述了場景的有效數據，對于匹配策略、匹配速度、魯棒性等有著重要影響；而模型的構造則提供了用于識別的先驗知識。在過去的半個多世紀中，三維物體識別一直受到各國視覺研究者的廣泛關注，并提出了眾多的理論和方法。現有的識別技術可以從以下兩個角度進行分類[3]：

一種分類方法是根據識別所采用的不同特征。如一些全局特征，如顏色、紋理、致密等特征；或者局部特征，如點、線段、形狀等幾何屬性特征。每種特征都有它的局限性，因此它們的應用領域也各不相同。另一種分類方法是根據物體模型所采用的不同表示方法[4]，如基于表面特征表達的[5]-[6]、基于體積特征表達的[7]、基于表面不連續性的表達[8]-[10]、基于定位的表達[11]、基于整體的表達等[12]-[13]。這些方法的主要區別在于存儲信息的方式不同。但一般而言，這些信息都是從圖像中提取得到的[3]。根據三維物體表達所使用的粒度大小的不同，可以把這些方法分成五類，分別為：基于深度點的表達方法，多采用點的位置，深度，法向量等信息進行表達；基于角點的表達方法，采用位置、曲率等信息進行表達；基于邊緣的表達方法，主要使用物體的邊緣信息；基于表面的表達方法，主要適用物體的表面信息，如平面信息，球面信息，甚至曲面信息，面的連接關系等，可采用超二次曲面特征[14]或者B樣條表面[15]等方法擬合曲面信息；基于體的表達方法，主要使用體素[7]，體元[16]等體表達符進行表達。

物體的形狀特征不受光照、表面紋理特征等條件的影響。幾何不變性是物體在各種投影變換下保持不變的性質[17]，它來自于物體的形狀特征，在三維物體識別中得到了廣泛的應用。Arbter等對傅立葉描繪子進行了擴展，而使其具有平移、旋轉、尺度和剪切不變性[18]。仿射不變量一般有共線三點的單比，共點三線夾角之比，兩條平行線段的長度比，共面封閉區域的面積之比等。大量弱透視投影可以視為仿射投影，這使得仿射不變性在弱透視變換下具有很高的應用價值[19]。利用這些不變量可以確定某些特殊點或直線在場景中的位置。除此之外，Weiss提出了有關于任意3點、共線3點、任意4點、一條二次曲線和兩條二次直線等仿射不變量[20]。最為基礎的透視投影不變量是四點共線、四線共點的交比。在此基礎上衍生處其他諸如五個點、五條直線或相鄰平面之間形成的不變量等等。眾多學者對此進行了研究，如Zhu等提出了一種相鄰兩平面共6點構成的特殊結構[21]；Song求得的相鄰兩平面5條直線和4平面6條直線所具有的透視不變量等[22]；Quan等提出在已知點對的對應關系的情況下可由未標定的3幅圖像中對應的6對點來計算出3個透視不變量[23]；Zisserman等提出對于具有重復結構、旋轉對稱、管狀表面及多面體等類似物體，可由單幅圖像計算其透視不變量[24]。基于物體的形狀特征的匹配方法可以分為以下幾類[25]：

基于解釋樹的方法：基于解釋樹的方法常用于表示場景特征和模型特征間可能的匹配，且樹上從根到葉子的每條路徑都表示相關問題的一個可能解[11]。解釋樹盡可能對模型及圖像特征進行表征，如其二維直線段，二維區域，三維直線段等，之后根據幾何約束如平行，距離比，角度等，通過遍歷樹來求得場景特征和模型特征之間的一致性解釋。解釋樹常被用于基于幾何屬性的三維物體分類。

假設驗證法：又稱為對準(alignment)，該方法通過對于圖像場景特征的提取以及原先對于物體模型特征的假設，得到一組超限定線性方程或非線性方程。再根據此方程組的解得到物體參考坐標系到場景參考坐標系的變換。最后，將模型變換到場景中，利用場景圖像驗證假設的正確性[26]-[27]。