[發明專利]一種視覺導航中的特征提取與匹配方法及系統

有效

• 申請號: 201410344863.0
• 申請日: 2014-07-18
• 公開（公告）號: CN104134209A
• 公開（公告）日: 2014-11-05
• 發明（設計）人: 劉振強;張玉;李新生;范力遙;董啟強;鐘根元;丁飛;王峰;張培林;苑曉微;蔣麗;楊志;杜巖
• 申請（專利權）人: 北京國電富通科技發展有限責任公司
• 主分類號: G06T7/00
• 分類號: G06T7/00;G06T5/40
• 代理公司: 北京三聚陽光知識產權代理有限公司 11250
• 代理人: 寇海俠

技術領域

本發明涉及一種圖像分析及處理方法，具體地說是一種視覺導航中的特征提取與匹配方法。

背景技術

導航是指運動體按照預先給定的任務命令，根據已知的地圖信息做出全局路徑規劃，并在行進過程中，不斷感知周圍的局部環境信息，做出各種決策，隨時調整自身的姿態與位置，引導自身安全行駛，直至目標位置。慣性導航方式是最常見的導航方式，但是由于本身器件固有精度限制及外界環境影響會有一定誤差存在，并會在導航過程中累加并影響最終結果，尤其對于內部濕滑或含有物料的管道，極易因為打滑而導致位置估計錯誤，從而無法正確定位事故點。而對于無人機及小行星探測器，外界環境對慣性導航的干擾也是一項不可忽略的問題。

視覺導航具有功耗小、信息量大的特點，可以避免慣性導航自身及外在影響所導致的誤差。視覺導航是采用CCD攝像頭拍攝路面圖像，運用機器視覺等相關技術識別路徑，實現自動導航的一種新興導航方法。視覺導航依據視覺圖像，利用圖像處理、計算機視覺、模型識別等相關技術獲取運動體的運動信息和空間位置信息。由于視覺導航通常采用被動工作方式，設備簡單、成本低、經濟性好、應用范圍較廣，在理論上具有最佳引導柔性，因此近年來發展非常迅速實現導航。

視覺導航既適用于室內環境，也適用于室外環境，兩者都必須區分探測目標與背景。為了將障礙與背景分開，所需的圖像計算量很大，導致系統的實時性較差。可采用一些圖像處理方法,其中包括：使用Hough變換從圖像中提取直線形式的道路邊界，并通過對比探測到的道路信息與機器人內部存儲的地圖，修正偏差，實現導航，這種方法可以提高導航的魯棒性。也可以把圖像分解成為目標、背景、平地、不平地四類，并根據分解后的結果，將環境信息歸類于平原模式和目標模式，然后針對不同的模式采用不同的環境表示方法和導航方式。

現有視覺導航主要分為兩種方法：一種是利用人工設置的路標，如車輛自動駕駛、機器人自主尋徑等，這種方法需要視覺環境中存在人為設置的路標，而對于經常磨損的管道、無人進入的戈壁和外太空來說，人為設置路標不能實現。另一種是直接對視覺圖像進行分析，提取自然場景特征并進行匹配。這種方法對所拍攝圖像內容沒有嚴格路標要求，但希望其能對圖像間的分辨率差異、仿射變換、亮度變化有一定的不變性。

當前的視覺導航中的特征提取與匹配方法主要分為兩種：一種是對特征區域進行匹配，一種是對特征點進行匹配。特征區域匹配方法即從圖像中提取有特點的區域進行匹配：使用閾值分割、迭代法、熵方法等方法將特征區域提取出來，使用相關匹配等方法對特征區域進行匹配。對于特征區域來說，所占像素越多，形狀越豐富，匹配效果越好，但是在固定大小的圖像中這樣的特征區域數量有限，出現匹配錯誤所帶來的誤差不可忽略。同時切變等仿射變換將會改變特征區域形狀，將會出現大量匹配錯誤。特征點匹配方法即使用角點匹配方法提取出圖像中的顏色突變點并匹配，或使用SURF、SIFT等方法，提取出圖像中函數最小值的像素點并進行匹配。這些方法得到大量的匹配點，但當遇到仿射變換尤其是切變等仿射變換會使匹配點大量減少，相對于特征區域匹配的優勢無法明顯體現出來。

中國專利文獻CN103226820A中公開了一種改進的二維最大熵分割夜視圖像融合目標檢測算法，首先通過對二維直方圖的改進，選取權值利用該直方圖計算最大熵和對紅外和微光圖像分割，但是二維最大熵閾值分割法適用于目標占整體圖像像素較多并且目標與背景有較大差異的圖像，對于管道內部、戈壁、小行星表面的圖像，目標較小，紋理與背景相似，分割后的結構噪聲較大，導致匹配錯誤率較高。

在中國專利文獻CN102722731A中公開了一種基于改進SIFT算法的高效圖像匹配方法，利用SIFT算子對輸入的參考圖像和待匹配圖像進行特征點提取，結合Harris算子對SIFT提取的特征點進行優化以篩選具有代表性的角點作為最終的特征點，對SIFT特征描述符進行降維處理，獲取參考圖像和待匹配圖像的64維特征向量描述符，利用最近鄰/次緊鄰算法對參考圖像和待匹配圖像進行初始匹配，并采用隨機采樣一致性算法剔除其中的錯誤匹配，從而實現圖像的精匹配。但是對于紋理細密且單一的導航圖像會發生切變等仿射變換，降低了匹配精度。

發明內容

為此，本發明所要解決的技術問題在于現有的特征提取即匹配方法對于紋理與背景相似的圖像分割后噪聲大、匹配精度低的技術問題，從而提出一種適用于紋理與背景相似的圖像的特征提取與匹配方法。

為解決上述技術問題，本發明的提供一種視覺導航中的特征提取與匹配方法，包括如下步驟：

采用二維最大熵閾值分割法提取出特征區域；