CN111626325A - 一种基于特征的图像匹配方法 - Google Patents

一种基于特征的图像匹配方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于特征的图像匹配方法，该方法通过图像匹配算法获取待匹配图像的特征点及其特征描述子，再根据最小欧式距离计算出待测图像间的n组初匹配点，根据最小欧式距离与次小欧式距离的比值，对误匹配点进行第一次删减；再根据图像角度进行第二次误匹配点删减，从而完成图像匹配。本发明解决了误匹配点多的问题，提升了匹配性能。

Description

一种基于特征的图像匹配方法
技术领域
本发明属于图像处理领域，尤其涉及一种基于特征的图像匹配方法。
背景技术
图像匹配是图像处理及计算机视觉中的一项重要技术，被广泛应用于医学图像处理分析、天气预报检测、遥感图像分析、图像三维重构、图像拼接、目标跟踪识别等领域。
图像匹配可分成以灰度为基础的匹配和以特征为基础的匹配。灰度匹配是将图像看成是二维信号，采用统计相关的方法寻找信号间的相关匹配。灰度匹配的缺点是计算量太大，不适合有速度要求的场景，所以该方法很少被使用。特征匹配是指通过分别提取两个或多个图像的特征(点、线、面等特征)，对特征进行参数描述，然后运用所描述的参数来进行匹配的一种算法。基于特征的匹配所处理的图像一般包含的特征有颜色特征、纹理特征、形状特征、空间位置特征等。特征匹配首先对图像进行预处理来提取其高层次的特征，然后建立两幅图像之间特征的匹配对应关系，通常使用的特征基元有：点特征、边缘特征和区域特征。特征匹配需要用到许多数学运算，如矩阵运算、梯度求解、傅立叶变换和泰勒展开等。实际使用过程中，会因仿射变换、尺度变化、环境干扰等问题出现误匹配点多而使得匹配性能严重降低的问题。
发明内容
发明目的：本发明提供了一种匹配性能高的图像匹配方法。
技术方案：为实现本发明的目的，本发明所述的基于特征的图像匹配方法，包括步骤：
(1)利用图像匹配算法选择待匹配的图像
Figure BDA0002448309720000011
和
Figure BDA0002448309720000012
的特征点并得到特征点的描述子；
(2)对于不同图像特征点的描述子进行欧式距离的计算，选取欧氏距离最小的两个特征点作为初匹配点；
(3)在初匹配点中，将最小欧式距离与次小欧式距离的比值和阈值比较，进行第一次误匹配点的删减；
(4)采用角度删减法，进行第二次误匹配点的删减。
进一步地，所述步骤(1)具体包括：通过图像匹配算法分别得到图像
Figure BDA0002448309720000013
和
Figure BDA0002448309720000014
的特征点X＝{Xi|Xi∈R,i∈[1,n]}，Y＝{Yj|Yj∈R,j∈[1,m]}，以及特征点所对应的特征描述子Xik、Yjk，k∈[1,c]；其中，i表示图像
Figure BDA0002448309720000015
检测得到的特征点序号，n为图像
Figure BDA0002448309720000016
检测到的特征点总数，j为图像
Figure BDA0002448309720000017
检测得到的特征点序号，m为图像
Figure BDA0002448309720000018
检测到的特征点总数，c表示特征描述子的维度，k为描述子维度的序号。
优选地，所述特征描述子的维度k取值为128。
进一步地，步骤(1)中，所述图像匹配算法包括：SURF算法、SIFT算法。
进一步地，所述步骤(2)包括：
(21)根据如下公式计算图像
Figure BDA0002448309720000021
中的每个特征点Xi与图像
Figure BDA0002448309720000022
中每个特征点Yj描述子之间的欧式距离：
Figure BDA0002448309720000023
(22)计算描述子的最小欧式距离Dij，将此时的Yj和特征点Xi作为一个初匹配点，记作(Xo,Yo')：
Figure BDA0002448309720000024
(23)重复步骤(21)-(22)直至遍历图像
Figure BDA0002448309720000025
中所有特征点，得到n个初匹配点。
进一步地，所述步骤(3)包括：
(31)计算初匹配点Xi的次小欧式距离Dij'，Yj'为对应次小欧式距离的特征点：
Figure BDA0002448309720000026
(32)计算最小欧式距离和次小欧式距离之间的比值：
λ＝Dij/Dij'
当λ小于等于阈值α时，则保留初匹配点(Xo,Yo')；当λ大于阈值α时，判定(Xo,Yo')为误匹配点，对其进行删除，从而完成第一次误匹配点的删减。如果初匹配点中存在的大量误匹配点会夸大图像之间的匹配程度。
优选地，步骤(33)中，所述阈值α取值为0.4。
进一步地，所述步骤(4)包括：
(41)将第一次误匹配点删减后的初匹配点按λ的值排序，将比值最小的三个匹配点(Xa,Ya')、(Xb,Yb')、(Xc,Yc')作为标准匹配点；
(42)计算图像
Figure BDA0002448309720000027
内的夹角
Figure BDA0002448309720000028
Figure BDA0002448309720000029
Figure BDA00024483097200000210
Figure BDA00024483097200000211
其中，(pa,qa)、(pb,qb)、(pc,qc)、(po,qo)分别是Xa、Xb、Xc和初匹配点(Xo,Yo')中Xo的像素坐标，o取值范围为1,2,…,n除去第一误匹配点序号；
(43)计算图像
Figure BDA0002448309720000031
内的夹角
Figure BDA0002448309720000032
Figure BDA0002448309720000033
Figure BDA0002448309720000034
Figure BDA0002448309720000035
其中，(pa',qa')、(pb',qb')、(pc',qc')、(po',qo')分别是Ya'、Yb'、Yc'和初匹配点(Xo,Yo')中Yo'的像素坐标；
(44)计算
Figure BDA0002448309720000036
和
Figure BDA0002448309720000037
的绝对差值
Figure BDA0002448309720000038
将其与阈值β比较，当δ＞β，认定该初匹配点为误匹配点，并将其删除；当δ≤β，则保留，通过该筛选过程完成第二次误匹配点的删减，否则误匹配点过多会影响图像的后续使用，如图像拼接、图像融合。
优选地，所述步骤(44)中，所述阈值β取值为15。
有益效果：1、通过用最小和次小欧式距离比值和阈值比较的方法进行了第一次误匹配点的删减，显著提高了匹配点的正确率；2、通过角度删减的方法进行了第二次误匹配点的删减，进一步提高了匹配点的正确率。在图像拼接、图像融合等领域中，对图像之间匹配点正确率的要求很高，而本申请提供的技术方案极大提高了图像的匹配正确率，满足了后续操作的要求。
附图说明
图1是本发明所述方法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。
如图1所示，其示出了本发明所述的基于特征的图像匹配方法的流程图，该方法包括步骤：
(1)对于待匹配图像
Figure BDA0002448309720000039
和待匹配图像
Figure BDA00024483097200000310
通过已有的图像匹配算法如SURF算法、SIFT算法分别得到两幅图像的特征点X＝{Xi|Xi∈R,i∈[1,n]}、Y＝{Yj|Yj∈R,j∈[1,m]},以及特征点所对应的特征描述子Xik、Yjk。其中，i表示图像
Figure BDA00024483097200000311
检测得到的特征点序号；n为图像
Figure BDA00024483097200000312
检测到的特征点总数；j表示图像
Figure BDA00024483097200000313
检测得到的特征点序号；m为图像
Figure BDA00024483097200000314
检测到的特征点总数；k∈[1,c]表示特征描述子的序号；c表示特征描述子的维度，一般取值为128。
(2)得到特征点的描述子后，对于图像
Figure BDA00024483097200000315
中的每个特征点Xi，通过下面的公式计算与图像
Figure BDA0002448309720000041
中每个特征点Yj描述子之间的欧式距离，选取欧氏距离最小的点Yj作为Xi对应的匹配点，记作初匹配点(Xo,Yo')。遍历完图像
Figure BDA0002448309720000042
中的每一个点后，可以得到n个初匹配点。
Figure BDA0002448309720000043
(3)对于初匹配点，通过下面的公式计算最小欧式距离Dij与次小欧式距离Dij'的比值，将此比值λ和阈值α比较。α越大，匹配点数越多，但错误匹配点也越多。经多次实验，得到经验阈值α＝0.4，若λ＞α，对误匹配点进行删除，完成第一次误匹配点的删减。
Figure BDA0002448309720000044
Figure BDA0002448309720000045
λ＝Dij/Dij'
(4)对第一次删减后的初匹配点按λ的值排序，将比值最小的三个匹配点(Xa,Ya')、(Xb,Yb')、(Xc,Yc')为标准匹配点。在第一张待匹配图像
Figure BDA0002448309720000046
中，三个标准匹配点Xa、Xb、Xc和Xo的像素坐标分别是(pa,qa)、(pb,qb)、(pc,qc)、(po,qo)。在图像
Figure BDA0002448309720000047
中，三个标准匹配点Ya'、Yb'、Yc'和Yo'的像素坐标分别是(pa',qa')、(pb',qb')、(pc',qc')、(po',qo')。
计算图像
Figure BDA0002448309720000048
内的夹角
Figure BDA0002448309720000049
图像
Figure BDA00024483097200000410
内的夹角
Figure BDA00024483097200000411
Figure BDA00024483097200000412
Figure BDA00024483097200000413
Figure BDA00024483097200000414
Figure BDA00024483097200000415
Figure BDA00024483097200000416
Figure BDA0002448309720000051
对于两张待匹配图像来说，如果匹配点都是正确的，上述四个点的相对位置是不变的，夹角
Figure BDA0002448309720000052
相差不大。当出现误匹配点时，夹角会有差异。确定正确概率最大的三个点为基准对剩下的点进行第二次删减。计算
Figure BDA0002448309720000053
和
Figure BDA0002448309720000054
的绝对差值
Figure BDA0002448309720000055
将其与阈值β比较，当δ＞β，认定该初匹配点为误匹配点，并将其删除；当δ≤β，则保留，通过该筛选过程完成第二次误匹配点的删减，否则误匹配点过多会影响图像的后续使用，如图像拼接、图像融合。β越大匹配点数越多，但错误匹配点也越多。经多次实验得到经验阈值β＝15。

Claims (9)

1.一种基于特征的图像匹配方法，其特征在于，包括步骤：
(1)利用图像匹配算法选择待匹配的图像
Figure FDA0002448309710000011
和
Figure FDA0002448309710000012
的特征点并得到特征点的描述子；
(2)对于不同图像特征点的描述子进行欧式距离的计算，选取欧氏距离最小的两个特征点作为初匹配点；
(3)在初匹配点中，将最小欧式距离与次小欧式距离的比值和阈值比较，进行第一次误匹配点的删减；
(4)采用角度删减法，进行第二次误匹配点的删减。
2.根据权利要求1所述的基于特征的图像匹配方法，其特征在于，步骤(1)具体包括：通过图像匹配算法分别得到图像
Figure FDA0002448309710000013
和
Figure FDA0002448309710000014
的特征点X＝{Xi|Xi∈R,i∈[1,n]}，Y＝{Yj|Yj∈R,j∈[1,m]}，以及特征点所对应的特征描述子Xik、Yjk，k∈[1,c]；其中，i表示图像
Figure FDA0002448309710000015
检测得到的特征点序号，n为图像
Figure FDA0002448309710000016
检测到的特征点总数，j为图像
Figure FDA0002448309710000017
检测得到的特征点序号，m为图像
Figure FDA0002448309710000018
检测到的特征点总数，c表示特征描述子的维度，k为描述子维度的序号。
3.根据权利要求2所述的基于特征的图像匹配方法，其特征在于，所述特征描述子的维度c取值为128。
4.根据权利要求1或2所述的基于特征的图像匹配方法，其特征在于，步骤(1)中，所述图像匹配算法包括：SURF算法、SIFT算法。
5.根据权利要求1所述的基于特征的图像匹配方法，其特征在于：所述步骤(2)包括：
(21)根据如下公式计算图像
Figure FDA0002448309710000019
中的每个特征点Xi与图像
Figure FDA00024483097100000110
中每个特征点Yj描述子之间的欧式距离：
Figure FDA00024483097100000111
(22)计算描述子的最小欧式距离Dij，将此时的Yj和特征点Xi作为一个初匹配点，记作(Xo,Yo')：
Figure FDA00024483097100000112
(23)重复步骤(21)-(22)直至遍历图像
Figure FDA00024483097100000113
中所有特征点，得到n个初匹配点。
6.根据权利要求1所述的基于特征的图像匹配方法，其特征在于，所述步骤(3)包括：
(31)计算初匹配点Xi的次小欧式距离Dij'，Yj'为对应次小欧式距离的特征点：
Figure FDA0002448309710000021
(32)计算最小欧式距离和次小欧式距离之间的比值：
λ＝Dij/Dij'
当λ小于等于阈值α时，则保留初匹配点(Xo,Yo')；当λ大于阈值α时，判定(Xo,Yo')为误匹配点，对其进行删除，从而完成第一次误匹配点的删减。
7.根据权利要求6所述的基于特征的图像匹配方法，其特征在于，步骤(33)中，所述阈值α取值为0.4。
8.根据权利要求6所述的基于特征的图像匹配方法，其特征在于，所述步骤(4)包括：
(41)将第一次误匹配点删减后的初匹配点按λ的值排序，将比值最小的三个匹配点(Xa,Ya')、(Xb,Yb')、(Xc,Yc')作为标准匹配点；
(42)计算图像
Figure FDA0002448309710000022
内的夹角
Figure FDA0002448309710000023
Figure FDA0002448309710000024
Figure FDA0002448309710000025
Figure FDA0002448309710000026
其中，(pa,qa)、(pb,qb)、(pc,qc)、(po,qo)分别是Xa、Xb、Xc和初匹配点(Xo,Yo')中Xo的像素坐标；
(43)计算图像
Figure FDA0002448309710000027
内的夹角
Figure FDA0002448309710000028
Figure FDA0002448309710000029
Figure FDA00024483097100000210
Figure FDA00024483097100000211
其中，(pa',qa')、(pb',qb')、(pc',qc')、(po',qo')分别是Ya'、Yb'、Yc'和初匹配点(Xo,Yo')中Yo'的像素坐标；
(44)计算
Figure FDA00024483097100000212
和
Figure FDA00024483097100000213
的绝对差值
Figure FDA00024483097100000214
将其与阈值β比较，当δ＞β，认定该初匹配点为误匹配点，并将其删除；当δ≤β，则保留，通过该筛选过程完成第二次误匹配点的删减，否则误匹配点过多会影响图像的后续使用，如图像拼接、图像融合。
9.根据权利要求8所述的基于特征的图像匹配方法，其特征在于，所述步骤(44)中，所述阈值β取值为15。
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