[發(fā)明專利]一種基于多尺度描述子篩除誤匹配的三維圖像配準(zhǔn)方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201811169910.7
• 申請(qǐng)日: 2018-10-08
• 公開（公告）號(hào): CN109389625B
• 公開（公告）日: 2021-09-14
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 王耀南;田吉委;吳昊天;彭偉星;賈林;姚盼盼
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 湖南大學(xué)
• 主分類號(hào): G06T7/30
• 分類號(hào): G06T7/30
• 代理公司: 長沙市融智專利事務(wù)所(普通合伙) 43114
• 代理人: 龔燕妮

1.一種基于多尺度描述子篩除誤匹配的三維圖像配準(zhǔn)方法，其特征在于，包括以下步驟：

步驟1：獲取視角相鄰場景的三維點(diǎn)云X和Y，并為三維點(diǎn)云X和Y中的每個(gè)點(diǎn)構(gòu)造多尺度描述子(Q_i，N_i)；

其中，l表示三維點(diǎn)云X或Y中點(diǎn)的鄰域搜索半徑標(biāo)記，取值依次為1，2，…，L，L表示鄰域搜索半徑總數(shù)，L≥2；T_l表示歸一化向量，λ_l1，λ_l2，λ_l3為矩陣C_l進(jìn)行SVD分解后的特征值，λ_l1≥λ_l2≥λ_l3，n_l1，n_l2，n_l3分別為λ_l1，λ_l2，λ_l3對(duì)應(yīng)的特征向量，S_l＝{p_i|||p_i-p₀||≤r_l}，|S_l|表示S_l的最大值，p_i表示三維點(diǎn)云X或Y中某一點(diǎn)p₀的鄰域點(diǎn)，r_l表示點(diǎn)p₀的第l個(gè)鄰域搜索半徑，r_L為設(shè)定的最大鄰域搜索半徑，n_l分別表示三維點(diǎn)云中的點(diǎn)與點(diǎn)的搜索鄰域半徑l對(duì)應(yīng)的法向量，取值為n_l3；

步驟2：遍歷三維點(diǎn)云X和Y中每個(gè)點(diǎn)的多尺度描述子，將X和Y中具有相同多尺度描述子的點(diǎn)分別記錄為關(guān)鍵點(diǎn)集A_i0和B_i0；

步驟3：根據(jù)主曲率特征搜索關(guān)鍵點(diǎn)集A_i0和B_i0中的初始匹配點(diǎn)集A_i1和B_i1；

從關(guān)鍵點(diǎn)集A_i0選取任意點(diǎn)a_i，遍歷B_i0中點(diǎn)，選出與點(diǎn)a_i相匹配的點(diǎn)b_j，以滿足以下條件的點(diǎn)構(gòu)建初始匹配點(diǎn)集A_i1和B_i1：

其中，k₁(a_i)和k₂(a_i)分別表示在點(diǎn)a_i處，利用點(diǎn)a_i的鄰域點(diǎn)獲得的主曲率極小值和主曲率極大值，k₁(b_j)和k₂(b_j)分別表示在點(diǎn)b_j處，利用點(diǎn)b_j的鄰域點(diǎn)獲得的主曲率極小值和主曲率極大值，δ₁為設(shè)定的第一誤差閾值；

步驟4：利用相似三角形閾值對(duì)初始匹配點(diǎn)集A_i1和B_i1中的匹配點(diǎn)對(duì)進(jìn)行篩選，獲得配準(zhǔn)點(diǎn)對(duì)集A_i2和B_i2；

步驟5：基于SVD計(jì)算出A_i2和B_i2之間的第一旋轉(zhuǎn)矩陣R₁和第一平移矩陣T₁，利用第一旋轉(zhuǎn)矩陣R₁和第一平移矩陣T₁，依次計(jì)算A_i2中每個(gè)點(diǎn)a_i2的變換點(diǎn)a_3i的坐標(biāo)，同時(shí)計(jì)算A_i2中每個(gè)點(diǎn)在B_i2中的匹配點(diǎn)b_2i與對(duì)應(yīng)變換點(diǎn)之間的歐式距離d_3i；

A_i3＝R₁*A_i2+T₁

其中，(a_3ix,a_3iy,a_3iz)和(b_i2x,b_i2y,b_i2z)分別為a_3i和b_i2在x、y、z軸上的坐標(biāo)；

步驟6：計(jì)算k的初始值為1，N為當(dāng)前配準(zhǔn)點(diǎn)對(duì)集A_i2和B_i2中配準(zhǔn)點(diǎn)對(duì)數(shù)，并判斷d_k+1-d_kξ₃是否成立，ξ₃表示大于零的誤差閾值，若成立，則以當(dāng)前配準(zhǔn)點(diǎn)對(duì)集A_i2和B_i2作為三維點(diǎn)云X和Y的配準(zhǔn)數(shù)據(jù)，否則，令k＝k+1，返回步驟3，重新選取各點(diǎn)的鄰域點(diǎn)，計(jì)算主曲率；

利用旋轉(zhuǎn)角度閾值θ_m對(duì)配準(zhǔn)對(duì)做再次篩選，將當(dāng)前配準(zhǔn)點(diǎn)對(duì)集A_i2和B_i2中，不滿足以下公式對(duì)應(yīng)的配準(zhǔn)點(diǎn)對(duì)作為異常點(diǎn)或噪聲點(diǎn)進(jìn)行剔除：

Δθ_iθ_m

其中，Δθ_i表示當(dāng)前配準(zhǔn)點(diǎn)對(duì)集A_i2和B_i2中第i對(duì)配準(zhǔn)點(diǎn)對(duì)之間的旋轉(zhuǎn)角度差值；

當(dāng)前配準(zhǔn)點(diǎn)對(duì)集A_i2和B_i2中第i對(duì)配準(zhǔn)點(diǎn)對(duì)(x_i,y_i)之間的旋轉(zhuǎn)角度差值的求解過程如下：

1)從當(dāng)前配準(zhǔn)點(diǎn)對(duì)集A_i2和B_i2中，隨機(jī)選取不共面的兩對(duì)配準(zhǔn)對(duì)，以四個(gè)不共面的點(diǎn)構(gòu)成一個(gè)球面，由解析幾何求出所屬球面方程及球心O，以點(diǎn)O為原點(diǎn)，建立空間坐標(biāo)系；

2)以所建的空間坐標(biāo)系的Z軸作為第二旋轉(zhuǎn)矩陣R₂的旋轉(zhuǎn)軸，且R₂＝A₂B₂，A₂和B₂分別表示第二旋轉(zhuǎn)矩陣R₂的分解矩陣，B₂通過當(dāng)前配準(zhǔn)點(diǎn)對(duì)集A_i2和B_i2中一對(duì)配準(zhǔn)點(diǎn)對(duì)(x_k,y_k)滿足B₂x_k＝y(tǒng)_k時(shí)，進(jìn)行計(jì)算獲得，A₂的旋轉(zhuǎn)軸為Z軸，同時(shí)，根據(jù)設(shè)定的配準(zhǔn)距離閾值ξ，計(jì)算配準(zhǔn)角度閾值ε_i，

3)旋轉(zhuǎn)由所圍成的圓形區(qū)域，當(dāng)所圍成的圓形區(qū)域的左邊界與y_i相切時(shí)，由所圍成的圓形區(qū)域的旋轉(zhuǎn)角度為θ₁，此時(shí)由所圍成的圓形區(qū)域的圓心即為點(diǎn)M，由點(diǎn)M和y_i的距離r_s構(gòu)造一個(gè)一元二次方程，利用點(diǎn)M在大圓O中的方程，聯(lián)立兩個(gè)方程組獲得點(diǎn)M的x和y坐標(biāo)值，求出θ₁；

表示點(diǎn)x_i經(jīng)過B₂剛體變換，形成以B₂x_i為球心，ε_i為半徑的圓形區(qū)域；

所述大圓O是指點(diǎn)x_i在所述空間坐標(biāo)系中，以點(diǎn)O為原點(diǎn)所在的圓；

4)繼續(xù)旋轉(zhuǎn)所圍成的圓形區(qū)域，由所圍成的圓形區(qū)域的右邊界與y_i相切時(shí)，所圍成的圓形區(qū)域的旋轉(zhuǎn)角度為θ₂，此時(shí)由所圍成的圓形區(qū)域的圓心即為點(diǎn)N，由點(diǎn)N和y_i的距離r_s構(gòu)造一個(gè)一元二次方程，利用N在大圓O中的方程，聯(lián)立兩個(gè)方程組獲得點(diǎn)N的x和y坐標(biāo)值，求出θ₂，得到角度差值Δθ_i；

其中，r_s是所圍成的圓形區(qū)域的半徑，г表示在空間坐標(biāo)系O中B₂x_i到點(diǎn)O的距離，r_s＝г*tanε_i。