CN102385750A

CN102385750A - 基于几何关系的直线匹配方法及***

Info

Publication number: CN102385750A
Application number: CN2011101694533A
Authority: CN
Inventors: 陈茂银; 周东华; 侯强
Original assignee: Tsinghua University
Current assignee: Tsinghua University
Priority date: 2011-06-22
Filing date: 2011-06-22
Publication date: 2012-03-21
Anticipated expiration: 2031-06-22
Also published as: CN102385750B

Abstract

本发明公开了基于几何关系的直线匹配方法及***。该直线匹配方法包括：步骤1，对若干个图像进行直线检测；步骤2，对从同一个图像检测到的直线进行投影变换；步骤3，求取同一个图像检测到的直线在投影面上形成的圆弧的交点；步骤4，生成同一个图像检测到的直线的匹配特征；步骤5，利用从各图像检测到的直线对应的匹配特征进行直线匹配。本发明无需预先求取基本矩阵，避免了点匹配精度对直线匹配的精度的影响，提高了匹配算法的效率。

Description

基于几何关系的直线匹配方法及***

技术领域

本发明涉及图像处理领域，尤其涉及基于几何关系的直线匹配方法及***。

背景技术

直线是三维世界中构成物体中重要几何元素。从三维场景中获得的二维图像中物体的直线特征仍然保留。不同视角下对同一场景拍摄的图像中一部分直线保持不变或直线间具有一定的相关性，找到不同图像中的对应的直线，利用直线之间的对应关系确定两幅图像间的匹配及变换关系有重要的意义。三维场景的恢复主要利用点及线将三维的物体目标等再现出来，匹配不同图像中的直线是三维重建的重要基础。

直线匹配的方法主要采用极几何约束进行初匹配，再利用相关法进行精匹配。极几何约束方法是利用两视角下获得的图像的几何关系，建立了图像点间的对应几何变换关系，在一幅图像中的点在另一视角的图像中的几何约束可通过基本矩阵表示，获得图像间的基本矩阵利用直线的两个端点可得到另一视角图像中满足几何约束的区域，属于几何约束的区域直线作为候选直线，完成粗匹配。精匹配采用相关的方法，选取直线邻域内像素的灰度变化作为相似度实现匹配。

采用极几何约束的方法需要预先求取基本矩阵，基本矩阵的求取是采用匹配点对求线性方程的方法实现，在直线匹配前需要进行点匹配，直线匹配的精度受点匹配精度影响，匹配算法效率不高。

发明内容

针对现有技术中存在的上述问题，本发明提供了基于几何关系的直线匹配方法及***。

本发明提供了基于几何关系的直线匹配方法，包括：

步骤1，对若干个图像进行直线检测；

步骤2，对从同一个图像检测到的直线进行投影变换；

步骤3，求取同一个图像检测到的直线在投影面上形成的圆弧的交点；

步骤4，生成同一个图像检测到的直线的匹配特征；

步骤5，利用从各图像检测到的直线对应的匹配特征进行直线匹配。

在一个示例中，步骤1中，对图像的边缘进行检测从而检测出图像中的直线。

在一个示例中，步骤2中，以图像

的几何中心作为坐标变换的中心点，投影中心为单位球面的中心点，其中L₁，L₂，L₃，L L，L_n为同一个图像中检测到的直线。

在一个示例中，步骤2中，设坐标变换中心点在图像中的坐标为(q_x0 q_y0)，同一图像中检测到的直线上任一点的坐标为(q_x q_y)，则投影变换关系为：

\frac{(\begin{matrix} q_{x} - q_{x 0} & q_{y} - q_{y 0} & - 1 \end{matrix})}{| | (\begin{matrix} q_{x} - q_{x 0} & q_{y} - q_{y 0} & - 1 \end{matrix}) | |} .

在一个示例中，步骤3中，设同一图像中检测到的两条直线对应的第一圆弧上和第二圆弧上的两点的坐标向量分别为

和

则圆弧的交点为

在一个示例中，步骤4包括：

步骤41，选取弧线的交点所对应的在直线上的两点之间距离最远的坐标点p_max1，p_max2，并以

的中点作为新的坐标变换中心点，并将同一图像中检测到的直线进行新的投影变换；

是坐标点p_max1，p_max2在X轴的中点，

是坐标点p_max1，p_max2在Y轴的中点；

步骤42，求取坐标点p_max1，p_max2在新的投影下所在圆弧的单位法向量，并将该单位法向量设置为参考向量；

步骤43，计算同一图像中检测到的直线在新投影下的坐标向量与参考向量的夹角；

步骤44，将夹角进行排序后作为直线的匹配特征。

在一个示例中，步骤5中，利用距离最近准则对直线的匹配特征进行匹配。

本发明提供了一种实现基于几何关系的直线匹配方法的***。

本发明无需预先求取基本矩阵，避免了点匹配精度对直线匹配的精度的影响，提高了匹配算法的效率。

附图说明

下面结合附图来对本发明作进一步详细说明，其中：

图1是本发明的基于几何关系的直线匹配方法流程图；

图2是投影变换模型图；

图3是圆弧交点求取原理图。

具体实施方式

本发明提出了一种新的直线匹配方法，利用图像中直线间的几何关系进行匹配判断。图像中的直线与直线之间有平行和相交关系，不同视角下获得的图像直线间的相交或平行关系在一定条件下是不变的，从一条直线出发确定出直线和其他直线的几何关系，利用几何关系的一直性判别是否为同一直线。将直线投影到球面上后，每两条直线在球面上存在两个交点，该两交点为球面大圆的两个极点，选取极点作为几何关系的表示量，将每一条直线同其他直线的几何关系采用向量表示，利用向量相关性作为匹配准则进行匹配。

本发明提供的方法如图1所示，其使用了2个图像(不限于2个图像)，即图像1和图像2，但对每个图像的处理流程相同。本发明提供的方法包括：

步骤101、对图像1和图像2进行直线检测。进行直线检测时，通过对图像边缘检测，进而从图像边缘中检测出直线。原两幅图像分别记为：f¹(x y)和f²(x y)，检测出图像f¹(x y)中的直线n条分别记为

图像f²(x y)中的直线m条分别记为

属于直线上

上的第j个点表示为

仅有直线点的图像记为∏₁，∏₂，表示为

步骤102、投影变换。经过投影变换图像上同一直线上的点在投影面上处于同一大圆弧上。不同圆弧间必然存在两个交点，且两交点的连线通过球心。图像中直线的几何及关系不同对应的交点的位置就不同，例如图像中两直线平行则球面上的圆弧交点靠近投影模型的赤道，两直线在图像中相交则球面上的圆弧交点偏离赤道。球面圆弧间的交点位置信息反应了直线间的几何关系。投影变换模型如图2所示，以图像f¹(x y)中的直线

几何关系特征向量求取为例说明投影变换的过程。

为图像∏₁中的直线，选取∏₁的几何中心

为坐标变换的中心点，投影中心C选为球面的中心，选取单位球面，连接直线上点和投影中心C得投影线，投影线和球面的交点

为

在球面上的投影点，将∏₁上的点采用投影变换关系投影到球面上。记：图像∏₁中

取值为1点为，

坐标变换中心点在图像中的坐标为

则投影点cp¹坐标为：

\frac{(\begin{matrix} q_{x}^{1} - q_{x 0}^{1} & q_{y}^{1} - q_{y 0}^{1} & - 1 \end{matrix})}{| | (\begin{matrix} q_{x}^{1} - q_{x 0}^{1} & q_{y}^{1} - q_{y 0}^{1} & - 1 \end{matrix}) | |}

步骤103、求取几何交点。同一大圆弧及投影中心可确定唯一平面，两两相交圆弧的交点的连线是过圆弧及投影中心的两平面相交的交线。通过两相交平面的法向量可求出交线的方向向量。如前所示交线过球心，交点位于球面上，交点的坐标可通过交线的方向向量求出。以直线

和直线

为例，图像∏₁中直线上两点在球面上的投影点

和

的坐标向量为

直线

上两点在球面上的投影点

和

的坐标向量

则

投影圆弧与

投影圆弧的交点为：

两交点关于球心对称，取向量第一分量不小于零的值记为求出其他圆弧同

投影圆弧的交点，在∏₁上的对应点

同理依次求取各圆弧间的交点，即图像∏₁中直线

和

投影圆弧的交点为

在原图像中的对应点为

步骤104、生成匹配特征。该步骤中，利用投影变换的逆变换求出圆弧交点对应的图像点，这些点即为图像中的直线交点。选取直线交点中距离最远两点的中点作为新的变换中心，将所有交点以新的变换中心重新投影到球面上，距离最远两点所在的圆弧的单位法向量作为参考向量。在新投影下交点的坐标向量和参考向量的夹角(或内积绝对值)作为交点的表示量，该表示量作为直线特征的一个元素。将属于同一直线上交点的表示量按从小到大排列，生成特征向量。

作为示例，选出直线交点中距离最远两点，

两点中点：

p_{mid}^{1} : (\begin{matrix} p_{{mid}_{x}}^{1} & q_{{mid}_{y}}^{1} \end{matrix}) = (\begin{matrix} \frac{p_{{\max 1}_{x}}^{1} + p_{{\max 2}_{x}}^{1}}{2} & \frac{p_{{\max 1}_{y}}^{1} + p_{ma x 2 y}^{1}}{2} \end{matrix}) .

以

为变换中心将交点

投影到球面上求新的投影坐标。

直线交点

在新投影下投影坐标向量为：

点

在新投下的投影点的坐标向量：

过该两点圆弧的单位法向量为：

\overset{&OverBar;}{C} V_{\max}^{1} = \frac{\overset{&OverBar;}{C} p_{\max 1}^{1} \times \overset{&OverBar;}{C} P_{\max 1}^{1}}{| | \overset{&OverBar;}{C} p_{\max 1}^{1} \times \overset{&OverBar;}{C} p_{\max 1}^{1} | |},

记为参考向量

交点投影坐标向量

和参考向量

的内积：

直线

特征向量生成：

上各交点投影坐标向量

各交点投影坐标向量同参考向量的夹角：

ar \cos (\overset{&OverBar;}{C} V_{\max}^{1} \cdot {[\overset{&OverBar;}{C} P_{12}^{1}; \overset{&OverBar;}{C} P_{13}^{1}; ΛΛ; \overset{&OverBar;}{C} P_{1 n - 1}^{1}]}^{T}) .

对

ar \cos (\overset{&OverBar;}{C} V_{\max}^{1} \cdot {[\overset{&OverBar;}{C} P_{12}^{1}; \overset{&OverBar;}{C} P_{13}^{1}; ΛΛ; \overset{&OverBar;}{C} P_{1 n - 1}^{1}]}^{T})

按大小排序结果

sort (ar \cos (\overset{&OverBar;}{C} V_{\max}^{1} \cdot {[\overset{&OverBar;}{C} P_{12}^{1}; \overset{&OverBar;}{C} P_{13}^{1}; ΛΛ; \overset{&OverBar;}{C} P_{1 n - 1}^{1}]}^{T}))

则匹配特征表示为：

{MG}_{1 =}^{1} sort (ar \cos (\overset{&OverBar;}{C} V_{\max}^{1} \cdot {[\overset{&OverBar;}{C} P_{12}^{1}; \overset{&OverBar;}{C} P_{13}^{1}; ΛΛ; \overset{&OverBar;}{C} P_{1 n - 1}^{1}]}^{T})) .

生成所有直线的几何关系匹配特征，

采用同样步骤生成图像∏₂的特征

步骤105、直线匹配。利用距离最近准则匹配直线的特征向量。以上所述仅为本发明的优选实施方式，但本发明保护范围并不局限于此。任何本领域的技术人员在本发明公开的技术范围内，均可对其进行适当的改变或变化，而这种改变或变化都应涵盖在本发明的保护范围之内。