一種基于多個(gè)簡(jiǎn)單矩陣相乘的快速平面單應(yīng)估計(jì)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種基于多個(gè)簡(jiǎn)單矩陣相乘的快速 平面單應(yīng)估計(jì)方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 如今隨著信息技術(shù)的發(fā)展和攝像頭的普及，計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)越來(lái)越多地出現(xiàn)在人 們的日常生活當(dāng)中。二維射影變換，也稱平面單應(yīng)(planar homography)，是計(jì)算機(jī)視覺(jué)的 一個(gè)理論基礎(chǔ)，描述了一個(gè)平面與攝像機(jī)透視投影下的成像面的映射關(guān)系。平面單應(yīng)計(jì)算 廣泛出現(xiàn)在全景圖拼接、三維重建、基于視覺(jué)的定位、物體檢測(cè)等任務(wù)中，是一種非常常用 且重要的技術(shù)。
[0003] 研究人員提出了多種方法以解決平面單應(yīng)的計(jì)算問(wèn)題。目前的主流算法在兩個(gè)平 面間四個(gè)及以上點(diǎn)對(duì)匹配完全正確的情況下，使用直接線性變換方法（Direct Linear Transformation，DLT)來(lái)魯棒的計(jì)算出單應(yīng)矩陣。對(duì)于存在大量外點(diǎn)（對(duì)應(yīng)錯(cuò)誤的點(diǎn)和非此 平面點(diǎn)）的情況，使用隨機(jī)抽樣一致(Random Sample Consensus，RANSAC)算法可以較好的 結(jié)合四點(diǎn)DLT方法來(lái)排除錯(cuò)誤的點(diǎn)對(duì)應(yīng)，找到所有內(nèi)點(diǎn)（某個(gè)平面上對(duì)應(yīng)正確的點(diǎn)）來(lái)計(jì)算 平面單應(yīng)。但是DLT方法涉及求取高階矩陣的特征值問(wèn)題，計(jì)算量大;RANSAC算法效率較差、 在高比例外點(diǎn)、多平面估計(jì)情況下經(jīng)常會(huì)失效。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種基于多個(gè)簡(jiǎn)單矩陣相乘的快速平面單應(yīng) 估計(jì)方法，能避免計(jì)算量大、效率差、在高比例外點(diǎn)情況下失效的問(wèn)題。
[0005] 本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是:提供一種基于多個(gè)簡(jiǎn)單矩陣相乘的 快速平面單應(yīng)估計(jì)方法，包括以下步驟：
[0006] (1)提取圖像間的對(duì)應(yīng)特征點(diǎn)對(duì)；
[0007] (2)從得到的對(duì)應(yīng)特征點(diǎn)對(duì)中選取兩點(diǎn)對(duì)作為基準(zhǔn)點(diǎn)對(duì)，并對(duì)圖像中的點(diǎn)分別進(jìn) 行二維相似變換以及初等行變換；
[0008] (3)從得到的對(duì)應(yīng)特征點(diǎn)對(duì)選出除基準(zhǔn)點(diǎn)對(duì)外的第三個(gè)點(diǎn)對(duì)和第四個(gè)點(diǎn)對(duì)，并利 用第三個(gè)點(diǎn)對(duì)分別求出兩個(gè)平面位移；利用第四個(gè)點(diǎn)對(duì)求出雙曲旋轉(zhuǎn)縮放變換的兩個(gè)參 數(shù)；
[0009] (4)更換第四個(gè)點(diǎn)對(duì)，利用更換的第四個(gè)點(diǎn)對(duì)得到雙曲旋轉(zhuǎn)縮放變換的多組參數(shù)， 并判斷其正確性，得到圖像間的平面單應(yīng)矩陣。
[0010]按循環(huán)方式更換第三個(gè)點(diǎn)對(duì)和基準(zhǔn)點(diǎn)對(duì)，重復(fù)步驟進(jìn)行驗(yàn)證。
[0011] 所述步驟(2)中的二維相似變換包括兩個(gè)平移、一個(gè)旋轉(zhuǎn)和一個(gè)縮放。
[0012] 所述步驟(4)中運(yùn)用了參數(shù)聚類的方法來(lái)判斷雙曲旋轉(zhuǎn)縮放變換中參數(shù)的正確 性。有益效果
[0013] 由于采用了上述的技術(shù)方案，本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下的優(yōu)點(diǎn)和積極效 果:本發(fā)明不再使用隨機(jī)抽樣一致的傳統(tǒng)方法來(lái)實(shí)現(xiàn)平面單應(yīng)估計(jì)，能避免計(jì)算量大、效率 差、在高比例外點(diǎn)情況下失效的問(wèn)題。本發(fā)明基于多個(gè)簡(jiǎn)單矩陣相乘和參數(shù)聚類驗(yàn)證的快 速單應(yīng)矩陣計(jì)算方法可以使計(jì)算機(jī)在復(fù)雜環(huán)境下快速地檢測(cè)場(chǎng)景平面構(gòu)成，以達(dá)到結(jié)構(gòu)估 計(jì)或物體檢測(cè)的目的。特別地，本發(fā)明提出的運(yùn)用兩點(diǎn)作為基準(zhǔn)一次性驗(yàn)證所有通過(guò)此兩 點(diǎn)所在直線的所有平面的思想可以快速地篩去大量錯(cuò)誤的單應(yīng)結(jié)果，極大地提高了程序的 運(yùn)行效率，使得本發(fā)明的方法具有可行性和實(shí)用性。
【附圖說(shuō)明】
[0014] 圖1是兩個(gè)圖像間單平面單應(yīng)計(jì)算時(shí)的示意圖；
[0015] 圖2是基于多個(gè)簡(jiǎn)單矩陣相乘和參數(shù)聚類驗(yàn)證方法的快速單應(yīng)矩陣計(jì)算方法流程 圖。
【具體實(shí)施方式】
[0016] 下面結(jié)合具體實(shí)施例，進(jìn)一步闡述本發(fā)明。應(yīng)理解，這些實(shí)施例僅用于說(shuō)明本發(fā)明 而不用于限制本發(fā)明的范圍。此外應(yīng)理解，在閱讀了本發(fā)明講授的內(nèi)容之后，本領(lǐng)域技術(shù)人 員可以對(duì)本發(fā)明作各種改動(dòng)或修改，這些等價(jià)形式同樣落于本申請(qǐng)所附權(quán)利要求書(shū)所限定 的范圍。
[0017] 本發(fā)明的實(shí)施方式涉及一種基于多個(gè)簡(jiǎn)單矩陣相乘的快速平面單應(yīng)估計(jì)方法，包 括以下步驟:提取圖像間的對(duì)應(yīng)特征點(diǎn)對(duì);從得到的對(duì)應(yīng)特征點(diǎn)對(duì)中選取兩點(diǎn)對(duì)作為基準(zhǔn) 點(diǎn)對(duì)，并對(duì)圖像中的點(diǎn)分別進(jìn)行二維相似變換以及初等行變換;從得到的對(duì)應(yīng)特征點(diǎn)對(duì)選 出除基準(zhǔn)點(diǎn)對(duì)外的第三個(gè)點(diǎn)對(duì)和第四個(gè)點(diǎn)對(duì)，并利用第三個(gè)點(diǎn)對(duì)分別求出兩個(gè)平面位移； 利用第四個(gè)點(diǎn)對(duì)求出雙曲旋轉(zhuǎn)縮放變換的兩個(gè)參數(shù);更換第四個(gè)點(diǎn)對(duì)，利用更換的第四個(gè) 點(diǎn)對(duì)得到雙曲旋轉(zhuǎn)縮放變換的多組參數(shù)，并判斷其正確性，得到圖像間的平面單應(yīng)矩陣。
[0018] 下面以處理同一場(chǎng)景下兩幅圖像為例（見(jiàn)圖1)，具體說(shuō)明本發(fā)明提供的一種基于 多個(gè)簡(jiǎn)單矩陣相乘和參數(shù)聚類驗(yàn)證方法的快速單應(yīng)矩陣計(jì)算方法，如圖2所示，其步驟為：
[0019] 步驟1、提取兩幅圖像I:和12間的η個(gè)特征點(diǎn)對(duì)⑷X = A，B，C，D......，可按 描述子的匹配度高低進(jìn)行點(diǎn)對(duì)的排序。
[0020] 步驟2、從圖像中挑選出兩個(gè)特征點(diǎn)作為第一次循環(huán)的基準(zhǔn)點(diǎn)，解出一個(gè)特 定的二維相似變換HS1(如下式所示包含2個(gè)平移tx和ty、l個(gè)旋轉(zhuǎn)Θ和1個(gè)縮放參數(shù) s)，使得 變換為齊次坐標(biāo)點(diǎn)對(duì)[± 1，0，1 ]τ。
[0021]
⑴
[0022]步驟3、計(jì)算出將點(diǎn)對(duì)[± 1，0,1]τ變?yōu)橹苯请p曲線點(diǎn)對(duì)[± 1，1，0]%勺二維射影變換 Hei，如下式所示，此時(shí)Αι、Βι經(jīng)Hei*Hsi變換為[± 1，1，0 ]τ。
[0023]
(2)
[0024] 步驟4、計(jì)算出I沖另兩個(gè)特征點(diǎn)C^D^HEAHsi變換后的點(diǎn)C3、D3;將C3認(rèn)為是原點(diǎn) 平移產(chǎn)生的，由于平移改變無(wú)窮遠(yuǎn)點(diǎn)[± 1，1，0]T，由此計(jì)算出一個(gè)二維平移變換Hn，有
[0025]
(B)
[0026]接著計(jì)算出D3經(jīng)平移變換Hn后的點(diǎn)D5。
[0027] 步驟5、同理對(duì)圖像12上的點(diǎn)六2、82、(：2、0 2進(jìn)行相同的操作，計(jì)算出變換矩陣!152、拖2 和ΗΤ2，其中HE2 = HE1，可得C2、D2經(jīng)HE2*HS2變換后的點(diǎn)C4、D4和D4經(jīng)平移變換ΗΤ2后的點(diǎn)D 6。
[0028] 步驟6、解出D#PD6之間的雙曲相似變換He中的參數(shù)a、b，有：
[0029]
⑷
[0030]其中a、b與雙曲相似變換中的縮放因子s和雙曲旋轉(zhuǎn)角Θ有下列關(guān)系：
[0031] a = s sec9,b = s tanB (5)
[0032] 步驟7、固定點(diǎn)對(duì)K G C2}不變，使網(wǎng)G 1^從剩余的n-3個(gè)點(diǎn)對(duì)中隨機(jī)或依次 挑出，重復(fù)上面的步驟4到步驟6,解出多組a、b值，并進(jìn)行聚類分析，有滿足一定密集性條件 的解即意味著圖像11中的三角形AiBiCi與圖像1 2中的三角形A2B2C2是同一平面的映射，可以 求出兩者之間正確的平面單應(yīng)矩陣H，有
[0033]
(6)
[0034] 步驟8、挑選另一組點(diǎn)對(duì)作為，重復(fù)步驟4到步驟7,驗(yàn)證所有經(jīng)過(guò)線AiBi 的平面是否存在平面映射關(guān)系。
[0035] 步驟9、重新挑選兩組點(diǎn)對(duì)作為基準(zhǔn)點(diǎn)對(duì)，重復(fù)步驟2到步驟8,驗(yàn)證所有可能的平 面單應(yīng)關(guān)系。
[0036]不難發(fā)現(xiàn)，本發(fā)明不再使用隨機(jī)抽樣一致的傳統(tǒng)方法來(lái)實(shí)現(xiàn)平面單應(yīng)估計(jì)，能避 免計(jì)算量大、效率差、在高比例外點(diǎn)情況下失效的問(wèn)題。本發(fā)明基于多個(gè)簡(jiǎn)單矩陣相乘和參 數(shù)聚類驗(yàn)證的快速單應(yīng)矩陣計(jì)算方法可以使計(jì)算機(jī)在復(fù)雜環(huán)境下快速地檢測(cè)場(chǎng)景平面構(gòu) 成，以達(dá)到結(jié)構(gòu)估計(jì)或物體檢測(cè)的目的。特別地，本發(fā)明提出的運(yùn)用兩點(diǎn)作為基準(zhǔn)一次性驗(yàn) 證所有通過(guò)此兩點(diǎn)所在直線的所有平面的思想可以快速地篩去大量錯(cuò)誤的單應(yīng)結(jié)果，極大 地提高了程序的運(yùn)行效率，使得本發(fā)明的方法具有可行性和實(shí)用性。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于多個(gè)簡(jiǎn)單矩陣相乘的快速平面單應(yīng)估計(jì)方法，其特征在于，包括以下步驟： (1) 提取圖像間的對(duì)應(yīng)特征點(diǎn)對(duì)； (2) 從得到的對(duì)應(yīng)特征點(diǎn)對(duì)中選取兩點(diǎn)對(duì)作為基準(zhǔn)點(diǎn)對(duì)，并對(duì)圖像中的點(diǎn)分別進(jìn)行二 維相似變換以及初等行變換； (3) 從得到的對(duì)應(yīng)特征點(diǎn)對(duì)選出除基準(zhǔn)點(diǎn)對(duì)外的第三個(gè)點(diǎn)對(duì)和第四個(gè)點(diǎn)對(duì)，并利用第 三個(gè)點(diǎn)對(duì)分別求出兩個(gè)平面位移;利用第四個(gè)點(diǎn)對(duì)求出雙曲旋轉(zhuǎn)縮放變換的兩個(gè)參數(shù)； (4) 更換第四個(gè)點(diǎn)對(duì)，利用更換的第四個(gè)點(diǎn)對(duì)得到雙曲旋轉(zhuǎn)縮放變換的多組參數(shù)，并判 斷其正確性，得到圖像間的平面單應(yīng)矩陣。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于多個(gè)簡(jiǎn)單矩陣相乘的快速平面單應(yīng)估計(jì)方法，其特征在 于，按循環(huán)方式更換第三個(gè)點(diǎn)對(duì)和基準(zhǔn)點(diǎn)對(duì)，重復(fù)步驟進(jìn)行驗(yàn)證。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于多個(gè)簡(jiǎn)單矩陣相乘的快速平面單應(yīng)估計(jì)方法，其特征在 于，所述步驟(2)中的二維相似變換包括兩個(gè)平移、一個(gè)旋轉(zhuǎn)和一個(gè)縮放。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于多個(gè)簡(jiǎn)單矩陣相乘的快速平面單應(yīng)估計(jì)方法，其特征在 于，所述步驟(4)中運(yùn)用了參數(shù)聚類的方法來(lái)判斷雙曲旋轉(zhuǎn)縮放變換中參數(shù)的正確性。
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種基于多個(gè)簡(jiǎn)單矩陣相乘的快速平面單應(yīng)估計(jì)方法，包括以下步驟：提取圖像間的對(duì)應(yīng)特征點(diǎn)對(duì)；從得到的對(duì)應(yīng)特征點(diǎn)對(duì)中選取兩點(diǎn)對(duì)作為基準(zhǔn)點(diǎn)對(duì)，并對(duì)圖像中的點(diǎn)分別進(jìn)行二維相似變換以及初等行變換；從得到的對(duì)應(yīng)特征點(diǎn)對(duì)選出除基準(zhǔn)點(diǎn)對(duì)外的第三個(gè)點(diǎn)對(duì)和第四個(gè)點(diǎn)對(duì)，并利用第三個(gè)點(diǎn)對(duì)分別求出兩個(gè)平面位移；利用第四個(gè)點(diǎn)對(duì)求出雙曲旋轉(zhuǎn)縮放變換的兩個(gè)參數(shù)；更換第四個(gè)點(diǎn)對(duì)，利用更換的第四個(gè)點(diǎn)對(duì)得到雙曲旋轉(zhuǎn)縮放變換的多組參數(shù)，并判斷其正確性，得到圖像間的平面單應(yīng)矩陣。本發(fā)明能避免計(jì)算量大、效率差、在高比例外點(diǎn)情況下失效的問(wèn)題。
【IPC分類】G06F17/16
【公開(kāi)號(hào)】CN105653503
【申請(qǐng)?zhí)枴?br>【發(fā)明人】郭娟, 蔡棽
【申請(qǐng)人】東華大學(xué)
【公開(kāi)日】2016年6月8日
【申請(qǐng)日】2015年12月30日