基于面积积分式的配准描述子方向计算方法
【专利摘要】基于面积积分式的配准描述子方向计算方法，涉及图像数据处理领域，解决采用现有图像匹配算法在计算图像的全方位旋转角度时，计算精度差的问题，本发明提出一种能快速、对各旋转方向响应一致的描述子方向矢量的方法，在传感器获得图像后，实时对图像进行配准，为后续图像处理算法提供配准后的图像数据。采用图像亮度质心不变矩的方向矢量计算方法，该方法的对全方位旋转角度的计算精度更均衡，且精度与SURF方法略有提升，计算速度是SURF方向矢量的四倍以上。采用的系数矩阵的计算方式，配准时只需完成系数矩阵与图像的乘法，且易于并行处理。这种方式在具有浮点型计算精度的同时，极大地优化计算速度。
【专利说明】基于面积积分式的配准描述子方向计算方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及图像数据处理领域，具体涉及矩不变量计算，图像配准和图像融合技 术。
【背景技术】
[0002] 图像配准技术是图像拼接，图像融合，目标识别，3D重建、图像恢复、相机定位、计 算机视觉等众多图像处理技术的技术基础和关键环节，主要可以分为基于灰度的方法和基 于特征的方法两大类。后者由于提取特征后仅对特征进行计算，相对前者其计算量较少，对 噪声、光照、视角和尺度变化不敏感，算法效率及配准精度高，具有很好的鲁棒性，因而成为 当前图像配准领域的主要研究方向。早期基于特征的算法包括Morvec、Harris等方法。
[0003] 2006 年 5 月，Bay 等人[1]提出了著名的 SURF (speeded up robust features)算 法，它的综合匹配效果与SIFT算法相当，并且大幅度提高了配准速度。SURF算法的计算速 度可以比SIFT快3倍，它可以对图像的旋转、尺度伸缩、光照、视角等变化保持不变性，但 是在处理图像光照和视角变化时不如SIFT算法。SURF采用pi/3大小的滑动窗口，根据窗 口内的XY方向小波响应计算描述子的方向矢量。受滑动角度的影响，当配准图像间的旋转 方向是滑动角度的整数倍时，SURF的表现略有下降。
[0004] 本文中设计了基于图像亮度质心不变矩的方向矢量计算方法，该方法的对全方位 旋转角度的计算精度更均衡，且精度与SURF方法略有提升，计算速度是SURF方向矢量的4 倍以上。
【发明内容】
[0005] 本发明为解决采用现有图像匹配算法在计算图像的全方位旋转角度时，计算精度 差的问题，提供一种基于面积积分式的配准描述子方向计算方法。
[0006] 基于面积积分式的配准描述子方向计算方法，该方法由以下步骤实现：
[0007] 步骤一、选择半径为r的圆形图像区域，所述圆形图像区域的中心作为特征点的 中心，并将所述特征点中心设为xy坐标轴的原点，将圆形图像区域中每个像素看成1*1的 单位正方形，每个像素的坐标（X，y)与表示该像素的单位正方形区域中心坐标一致，并设 定每个像素的亮度在所述单位正方形区域内均匀分布；则特征点面积为：χ = -〇. 5, X = 0. 5, y = 0. 5, y = -0. 5四条线段围成的面积；
[0008] 步骤二、设定面积积分系数矩阵是边长为2*r+l的正方形数组，设定步骤一所述 的半径为r的圆形图像区域的外接正方形区域为矩阵区域，则所述面积积分系数矩阵与所 述矩阵区域中的像素--对应；每个像素对应的面积积分系数为Qxy，每个像素的值为该像 素在圆形图像区域中的面积；当代表某个像素的单位正方形全部处于圆形图像区域内，则 所述像素的面积积分系数为1，该系数的坐标（xz，yz)与所对应像素的坐标一致；当代表某 个像素的单位正方形只有部分处于圆形图像区域内，则该像素的面积积分系数为该单位正 方形区域与圆形图像区域重叠部分的面积，该系数的坐标为该重叠区亮度质心的坐标；计 算获得面积积分系数矩阵中的面积积分系数Qxy和系数对应的坐标（xz，yz);
[0009] 步骤三、定义图像矩公式为
【权利要求】
1. 基于面积积分式的配准描述子方向计算方法，其特征是，该方法由以下步骤实现： 步骤一、选择半径为r的圆形图像区域，所述圆形图像区域的中心作为特征点的中心， 并将所述特征点中心设为xy坐标轴的原点，将圆形图像区域中每个像素看成1*1的单位正 方形，每个像素的坐标（X，y)与表示该像素的单位正方形区域中心坐标一致，并设定每个 像素的亮度在所述单位正方形区域内均勻分布；则特征点面积为：x = -〇. 5, X = 0. 5, y = 0. 5, y = -0. 5四条线段围成的面积； 步骤二、设定面积积分系数矩阵是边长为2*r+l的正方形数组，设定步骤一所述的半 径为r的圆形图像区域的外接正方形区域为矩阵区域，则所述面积积分系数矩阵与所述矩 阵区域中的像素--对应；每个像素对应的面积积分系数为Qxy，每个像素的值为该像素在 圆形图像区域中的面积；当代表某个像素的单位正方形全部处于圆形图像区域内，则所述 像素的面积积分系数为1，该系数的坐标（xz，yz)与所对应像素的坐标一致；当代表某个像 素的单位正方形只有部分处于圆形图像区域内，则该像素的面积积分系数为该单位正方形 区域与圆形图像区域重叠部分的面积，该系数的坐标为该重叠区亮度质心的坐标；计算获 得面积积分系数矩阵中的面积积分系数Q xy和系数对应的坐标（xz，yz); 步骤三、定义图像矩公式为m? =
3 '式中，I(x，y)为（X，y)点 的亮度，P，q分别X，y轴对应的阶数，当P = 1，q = 〇时，ni|u
?当p = 〇， q = 1 时，ra,
為>'），当 p = 0, q = 0 时，=
>，则亮度质心 C 为：
从特征点〇到亮度质心C建立表示图像片方向的向量oe ,则向量oe与X轴 的夹角的正切值表示为：
最终获得描述子的方向。
2. 根据权利要求1所述的基于面积积分式的配准描述子方向计算方法，其特征在于， 所述单位正方形区域与圆形图像区域重叠部分的面积，采用定积分的方法计算，每个像素 所对应的面积积分系数的坐标（x z，yz)采用几何形心的计算方法，利用公式一和公式二定 积分得到； 应用公式一对重叠区域的χζ坐标的求解过程为：
式中dS表示积分变量dx所对应的重叠区面积，X为dS对应X轴的坐标，S为单位正方 形内重叠区的面积，xl，x2分别为半径为r的圆形图像区域的圆周与代表该像素的单位正 方形交点的横坐标； 应用公式二对重叠区域的yz坐标的求解过程为：
式中dS表示积分变量dy所对应的重叠区面积，y为dS对应X轴的坐标，yl，y2分别为 半径为r的圆形图像区域的圆周与代表该像素的单位正方形交点的纵坐标。
【文档编号】G06T7/00GK104299235SQ201410531835
【公开日】2015年1月21日 申请日期:2014年10月10日 优先权日:2014年10月10日
【发明者】吴伟平, 闫得杰, 王栋 申请人:中国科学院长春光学精密机械与物理研究所