ComputerEngineeringandApplications计算机工程与应用 2013,49(10) 177 一种改进的快速特征点信息匹配算法 刘 佳,曹正文,孙德禄,邓雨晨 LIU Jia,CAO Zhengwen,SUN Delu,DENG Yuchen 西北大学信息科学与技术学院,西安710127 School ofInformation Science&Technology,Northwest University,Xi’an 710127.China LIU Jia,CAO Zhengweu,SUN Delu,et a1.Improved algorithm of fast feature points matching.Computer Engineering and Applications,2013,49(10):177—179. Abstract:Feature points matching plays an important role in image retrieve,pattem recognition and SO on.Feature detectors such as SIFT(DoG),Harris and SUSAN algorithm are good methods which yield high quali ̄features,however they are too compu— tationally intensive for using in real-time applications of any complexity.This paper puts forward an improved fast feature point matching algorithm.And uses the full afine method to extract the lfocal feature points,which it was advocated by Guoshen and Jean-Michel,then uses the Random Fem to match feature points,uses RANSANC to remove dead points.The experimental results show that this method improves the image matching points,and reduces the matching time. Key words:feature points;full afine;random fern;matching;RANSAC f摘要:特征点匹配在图像检索、模式识别等技术中起着重要的作用。已有的匹配算法如SIFT(DoG),Harris以及SUSAN 算法,虽然可以提取高质量的特征点,但是这些算法本身计算量比较大,难以将其运用于实时性要求比较高的应用中。提 出一种改进的快速特征点匹配算法,采用Guoshen Yu和Jean.Michel Morel提出的全仿射方法,对局部特征点进行仿射变 换并模拟摄像机戍像原理,根据摄像机成像的仿射关系提取特征点并使用随机蕨类算法训练分类器,使用RANSAC去除 坏点,实现对特征点的快速准确匹配。实验结果表明该方法提高了图像的匹配点数,同时降低了匹配时间。 关键词:特征点;全仿射变换;随机蕨类;匹配;RANSAC 文献标志码:A 中图分类号:TP doi:1O.3778/j.issn.1002.8331.1301.0148 1 引言 在图像的识别、分类、检索和图像校正等问题中,特征 点匹配是必不可缺的一部分。应用最广泛的特征点匹配 算法是由David Lowe于2004年提出的尺度不变特征变换 SIFT算法川。该算法及其改进算法已经广泛地应用于场景 感知 。 、机器人定位一 、图像检索 、目标跟踪 吸三维模型 一些场景图片中匹配点可以达到3 000个以上,因此单纯从 匹配点数上来说,ASIFT算法是比较好的匹配算法,但对两 幅图像(图像大小:512×512)使用ASIFT法进行匹配需要 十几秒以上的时间,对于每秒25帧的视频图像,该算法的 实时性较差,还是难以满足快速匹配的要求。而随机蕨类 (Random Fern)法是Mustafa 0zuysal等人2009年针对随 机森林算法优点进行改进后提出的快速分类器算法 ,该 方法可以快速准确地进行特征点匹配,提高算法实时性。 据此,本文利用随机蕨类(Random Fern)的高效性和ASIFT 算法优点,提出一种改进的快速特征点信息匹配算法。 重构 1等领域中。SIFT算法的性能取决于适当的尺度选择, 其优点是可以比较好地进行特征点匹配,但存在准确匹配 点数低,算法复杂度比较高,运行效率低等缺点。为了解决 该算法维数过高的问题,同年,Yan Ke等引入主成分分析 (PcA)对SIFT算法进行降维处理 ,从而提高了算法效率。 2008年,Herbert Bay等人提出了加速鲁棒特征提取算法 2改进的特征点匹配算法的关键技术 特征点匹配算法一般至少包括两部分:检测特征点和 特征描述。首先,在检测特征点时应选择适当的感兴趣点 SURF ,通过对关键点周围的小波变换进行求和运算来达 到目的,这种算法比原始的SIFT算法快好几倍。2009年, Guoshen Yu和Jean—Michel Morel提出将全仿射变化和SIFT 及其周围适当的像素区域。然后,将关于特征点的不变特 征和相关像素区域联系起来。对于特征点的检测和其特 算法结合的ASIFT算法,大大提高了准确匹配的点数” ,在 基金项目:陕西省教育厅自然科学专项(No.12JK0497)。 作者简介:刘佳(1989一),女,硕士研究生,主要研究领域为量子信息、信号与信息处理;曹正文(1969一),女,副教授,主要研究领域为 量子定位、信号与信息处理等;孙德禄(1987~),男,硕士研究生,主要研究领域为图像信息处理。E.mail:liujiajiamao@sina.cn 收稿日期:2013一O1.14 修回日期:2013.03—04 文章编号:1002—8331(2013)10—0177—03 ComputerEngineering andApplications计算机工程与应用 征描述应当尽可能具有尺度和旋转等不变特性。因此本 :文首先根据摄像机成像原理在不同视角下采集到的图像 之间的几何仿射关系,提取特征点并对特征点进行不变性 特征描述,然后使用随机蕨类分类器对特征点进行快速的 匹配,具体内容如下。 j ,ifI(p )> (,(尸)) 【0,otherwise (6) 2.3随机蕨类分类 随机蕨类算法 u表示为式(7): 2.1摄像机仿射模型 图像局部形变可以理解为是摄像机采集视角不同产 生的,存在摄像机运动的情况下可以用式(1)描述 : c =arg maxP(c=eil ̄,, ,…, ) 征集,使用贝叶斯变换可得: (7) 上式随机蕨类分类公式中C为类别随机变量,. 为特 u(x, ) u(ax+ +e,cx+ +., ) (1) 三维物体表面一个点在不同采集视角P和P 下,其 两者关系可以表述为式(2): -->AP+D= (2) 摄像机运动分解可以表示为图1。 图1摄像机运动分解图 由图1和式(2)可知 = IC, ;l I, 可以分解为下式: A= (1f,) ( )= A ㈦ >0,其中 ( 1代表旋转变化的矩阵, 表示倾斜变化矩 阵。由文献[9】可知对于U1 x,Y)=u(a(2, )),U2 x,Y)= u(S(x, )),存在唯一参数f(“ ,“:)和 (“ ,“。),使得鲥~= HxR ) R:( )。相比于随机蕨类算法仅仅适用于对摄 像机平面仿射形变的情况,上述仿射模型考虑了摄像机光 轴的变化,因此能够更好地描述现实场景中的图像形变。 2.2特征点选择及模式 Edward Rosten和Tom Drummond在2006年提出了 FAST关键点检测方法 。在m x n大小的图像块中P是 其中心,在其邻域内有足够多的点满足: Ⅳ= ∑E(circle(p))1 I(x)-I(p)1> (4) 其中s 为像素问比较的阈值,Ⅳ一般选取为12,l(x)是 以r为半径以P为圆心的圆上的像素,I(p1为中心像素。 FAST算法可以快速地检测出稳定的角点,利用FAST获取 关键点,选取以FAST特征关键点为中心的图像块,随机选 取两个像素 (d 和,( , )作比较 ”,表示为式(5): :』【10',iof,the( ,rwi1)<Ise (dj,2J (5) 式(4)的各像素之间是的,而本文算法认为局部 像素之间具有一定关联性,所以提出使用图像块中的像素 和图像块均值作比较,可以表示为式(6): P C=ci] 一 = ㈦ 当P(C1为均匀分布时,式(7)可以简化为式(9): =arg max尸( , ,…,厂Ⅳfc=ci) (9) 由于直接求取联合概率过于复杂,设各个特征之间彼 此,因此可得 P( , ,…, !c=c )=兀P( lc=c ) (10) 特征之间彼此,完全忽视了特征之间的关系。 Mustafa Ozuysal对特征随机划分为Ⅳ组,每组大小为S, 所以式(1O)可以表达为式(11): P( , ,…,f ̄lc=c )=兀尸( Ic=c ) (11) 其中 F [ ( , ( ,2 一, ( , )】, =1,2,…,Ⅳ 3实验结果及分析 特征点的配准应当具有快速准确的性能。本文的算 法正是基于此,首先选取FAST方法检测关键点,然后根据 式(3)进行仿射变换,接着根据式(11)求取仿射变换后的 模式,最后使用RANSAC去除坏点。 实验是在Intel i5 CUP,2G内存平台下完成的。图2 从左到右依次是ASIFT算法、Random Fern算法及本文改 进算法的实验结果对比图。 (a)ASIFT(b)Random Fern (c)本文算法 图2三种算法实验效果对比 表1分别从匹配点数和运行时问对本文算法、Random Fem及ASIFT三种算法实验结果做了对比。ASFT算法虽 然可以匹配1 430点,但其需要耗时达18 S之多,实时性比 较差;Random Fern算法其运行时间仅为0.03 S,但匹配点 数比较少,仅有31l点;本文所提出的算法匹配点数可以 刘佳,曹正文,孙德禄。等:一种改进的快速特征点信息匹配算法 2013,49(10) 179 达到2 021点,耗时仅仅为0.064 s。相较于ASIFT算法和 Random Fern算法,本文算法不仅可以满足时间要求比较 ple detection in surveillance scenes[J].Structural,Syntactic, and Statistical Pattern Recognition.Berlin:Springer—Verlag, 2006.4109:100一l08. 严格的场合,同时可以匹配更多的点,实现了快速而准确 的特征点匹配。 表1算法性能对比 [4]Murarka A,Modayil J,Kuipers B.Building local safety maps for a wheelchair robot using vision and lasers[C]//Proceedings of the 3rd Canadian Conference on Computer and Robot Vision.Washington,DC:IEEE Computer Society,2006. 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