TWI463438B - 特徵點描述壓縮方法及特徵點描述壓縮裝置 - Google Patents

Description

特徵點描述壓縮方法及特徵點描述壓縮裝置

本發明是有關於一種壓縮方法，且特別是有關於一種特徵點描述(Feature Descriptor)壓縮方法及特徵點描述壓縮裝置。

特徵點描述(Feature Descriptor)係指最能代表特徵點的描述子，而特徵點描述可以透過不同的方式取得，如尺度不變特徵轉換(Scale Invariant Feature Transform,SIFT)。尺度不變特徵轉換將要被擷取特徵點的輸入影像，進行多次高斯糢糊(Gaussian Blurr)與降低解析度(Subsample)。之後將同樣解析度的模糊影像做影像相減(image difference)，產生多個高斯差值圖(Difference of Gaussian,DoG)。接著以鄰近層的DoG影像，尋找DoG影像中像素值比鄰近26個像素值都大(max)或都小(min)的像素，這樣的像素點便是一個特徵點的所在。

尺度不變特徵轉換找出特徵點的所在後，會根據特徵點所在的影像位置建立一個範圍(window)，並計算方塊中兩兩相鄰像素點間的亮度梯度向量(intensity gradient vector)。之後，統計範圍內梯度向量的值方圖(histogram)，可找出值方圖中的的峰值(peak)梯度方向，以此方向做為此特徵點的主軸(orientation)，後續產生的特徵點描述中的向量方向都是相對於此主軸的角度表示。接著，將前述範圍切成4x4個次方塊(subblock)，每個方塊內統計梯度向量值方圖，每個值方圖有八個梯度向量方向(8 bins)，每個梯度向量方向的值經過權重(weighting)與正規化(normalization)就是特徵點描述中的向量值。因此特徵點描述中總共會有4x4x8=128個特徵描述向量，128個特徵描述向量又稱為128筆資料。由於每個特徵點描述由128筆資料構成，而若每筆資料的寬度為1個位元組(Byte)，因此每個特徵點描述需要128個位元組。

歐洲專利編號WO2009133856A1揭露一種用來建立物件辨識影像資料庫之方法，其主要係將特徵點描述量化後捨棄較小的6個位元，而改以2位元表示。美國專利公開號US2010080469A1揭露一種降低特徵點描述資料的方法，其主要係採五樣本點梯度向量的特徵點描述，將特徵點描述的向量維度由128個向量減少成40個向量。中國大陸專利編號CN101661618A揭露一種具翻轉不變性的圖像特徵點提取與描述方法，其主要係採用擴展覆蓋9單元的特徵點描述，將特徵描述的向量維度由128個向量減少成83個向量。

本發明係有關於一種特徵點描述(Feature Descriptor)壓縮方法及特徵點描述壓縮裝置。

根據本發明，提出一種特徵點描述(Feature Descriptor)壓縮方法。特徵點描述壓縮方法包括：自儲存裝置讀取原始特徵點描述；根據向量預設值將原始特徵點描述之原始向量非均值量化為中間特徵點描述之中間向量；以及對中間特徵點描述執行運行長度編碼以產生壓縮特徵點描述。

根據本發明，提出一種特徵點描述(Feature Descriptor)壓縮裝置。特徵點描述壓縮裝置包括非均值量化器及運行長度編碼器。非均值量化器自儲存裝置讀取原始特徵點描述，並根據向量預設值將原始特徵點描述之原始向量非均值量化為中間特徵點描述之中間向量。運行長度編碼器對中間特徵點描述執行運行長度編碼以產生壓縮特徵點描述。

為了對本發明之上述及其他方面有更佳的瞭解，下文特舉實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下：

下述實施例係揭露一種特徵點描述壓縮方法及特徵點描述壓縮裝置。特徵點描述壓縮方法包括：自儲存裝置讀取原始特徵點描述；根據向量預設值將原始特徵點描述之原始向量非均值量化為中間特徵點描述之中間向量；以及對中間特徵點描述執行運行長度編碼以產生壓縮特徵點描述。

特徵點描述壓縮裝置包括非均值量化器及運行長度編碼器。非均值量化器自儲存裝置讀取原始特徵點描述，並根據向量預設值將原始特徵點描述之原始向量非均值量化為中間特徵點描述之中間向量。運行長度編碼器對中間特徵點描述執行運行長度編碼以產生壓縮特徵點描述。

第一實施例

請參照第1圖至第4圖，第1圖繪示係為第一實施例之特徵點描述壓縮裝置之示意圖，第2圖繪示係為原始特徵點描述之示意圖，第3圖繪示係為中間特徵點描述之示意圖，第4圖繪示係為特徵點描述壓縮方法之流程圖。特徵點描述壓縮方法能應用於特徵點描述壓縮裝置1，且特徵點描述壓縮裝置1包括非均值量化器11及運行長度編碼器12。非均值量化器11及運行長度編碼器12例如係由硬體電路或軟體所實現。

特徵點描述壓縮方法包括如下步驟。首先如非均值量化步驟41所示，非均值量化器11自儲存裝置讀取原始特徵點描述D1，並根據向量預設值將原始特徵點描述f之原始向量{v₀ ,v₁ ,...,v_n-1 }非均值量化為中間特徵點描述f’之中間向量{v₀ ’,v₁ ’,...,v_n-1 ’}。儲存裝置可以是記憶體、記憶卡、或是任何可以記憶數位資料的媒介。接著如運行長度編碼步驟42所示，運行長度編碼器12對中間特徵點描述f’執行運行長度編碼(Run-length coding)以產生壓縮特徵點描述f”。

請同時參照第5圖及第6圖，第5圖繪示係為非均值量化器之示意圖，第6圖繪示係為非均值量化步驟之細部流程圖。前述非均值量化器11用以找出原始特徵點描述中各原始向量所對應之量化區間，並輸出對應之量化區間的量化值。非均值量化器11進一步包括比較器111及多工器112，且前述步驟41進一步包括步驟411至416。首先如步驟411所示，非均值量化器11取原始特徵描述f之第i個原始向量v_i 。其中，i例如為0～n-1的正整數。接著如步驟412所示，非均值量化器11判斷第i個原始向量v_i 是否落於第k個量化區間。當第i個原始向量v_i 未落於第k個量化區間，則執行步驟413。如步驟413所示，非均值量化器11遞增k，而k例如係遞增1。非均值量化器11並於遞增k後重複執行步驟412。藉此，非均值量化器11即能找出第i個原始向量v_i 所對應的量化區間。相反地，當第i個原始向量v_i 落於第k個量化區間，則執行步驟414。如步驟414所示，非均值量化器11將第i個中間向量v_i 設為第k個量化區間所對應之量化值。第k個量化區間所對應之量化值又可稱為第k個量化區間的代表值q_k 。換言之，第0個量化區間的代表值為q₀ ；第1個量化區間的代表值為q₁ ；第2個量化區間的代表值為q₂ ，以此類推。

進一步來說，前述步驟412可由比較器111比較第i個原始向量v_i 是否不大於向量預設值V_th 以進一步判斷第i個原始向量v_i 是否落於第k個量化區間。而前述步驟414可由多工器412根據比較器111之比較結果選擇性地輸出預設量化值V_d 或第i個原始向量v_i 做為第i個中間向量v_i ’。當第i個原始向量v_i 不大於向量預設值V_th ，多工器112輸出之量化值等於預設量化值V_d 。當第i個原始向量v_i 大於向量預設值V_th ，多工器112輸出之量化值等於第i個原始向量v_i 。換言之，當第i個原始向量v_i 不大於向量預設值V_th ，多工器112輸出之第i個中間向量v_i ’等於預設量化值V_d 。當第i個原始向量v_i 大於向量預設值V_th ，多工器112輸出之第i個中間向量v_i ’等於第i個原始向量v_i 。

舉例來說，原始向量的數值範圍若介於0～255之間。則可設計226個量化區間。若向量預設值V_th 及預設量化值V_d 分別設為30及0，則第0個量化區間的數值範圍為0～30。第1至225個量化區間的數值範圍則分別設計為31至255。任何落在第0個量化區間的原始向量，量化值皆為0。落在第1個量化區間的原始向量，量化值皆為31；落在第2個量化區間的原始向量，量化值皆為32，以此類推。

如第2圖及第3圖繪示，其中，第2圖之水平軸為向量編號i、垂直軸為向量值v_i ，第3圖之水平軸為向量編號i、垂直軸為中間向量編號v_i ’。若將向量預設值V_th 設為30，則當第i個原始向量v_i 小於或等於30時，第i個中間向量v_i ’等於0。當第i個原始向量v_i 大於30時，第i個中間向量v_i ’等於第i個原始向量v_i 。藉此，中間特徵點描述f’中連續出現相同中間向量的次數將多於原始特徵點描述f中連續出現相同原始向量的次數。

前述步驟414執行完畢後接著執行步驟415。如步驟415所示，非均值量化器11判斷是否存在第i+1個原始向量v_i+1 。若存在第i+1個原始向量v_i+1 則執行步驟416，如步驟416所示，非均值量化器11遞增i並將k設為0，而i例如係遞增1。若不存在第i+1個原始向量v_i+1 則執行第7圖繪示之步驟421。換言之，當不存在第i+1個原始向量v_i+1 則結束非均值量化步驟41。

非均值量化步驟除上述步驟411至416外，更能另外增加一除錯步驟。除錯步驟介於步驟412與步驟413之間，並由非均值量化11判斷第k+1個量化區間是否存在，若第k+1個量化區間不存在，則產生一警告訊息通知使用者非均值量化步驟發生錯誤。若第k+1個量化區間存在，則執行步驟413。

請參照第7圖，第7圖繪示係為運行長度編碼步驟之示意圖。前述步驟42進一步包括步驟421至433。首先如步驟421所示，運行長度編碼器12取中間特徵點描述f’之第i個中間向量v_i ’。接著如步驟422所示，運行長度編碼器12判斷第i個中間向量v_i ’是否為中間特徵點描述f’之第1個中間向量v₀ ’。當第i個中間向量v_i ’不為中間特徵點描述f’之第1個中間向量v₀ ’，則執行步驟425。

相反地，當第i個中間向量v_i ’為中間特徵點描述f’之第1個中間向量v₀ ’，則執行步驟423。如步驟423所示，計數器將計數值設為0。接著執行步驟424，運行長度編碼器12遞增i，而i例如係遞增1。然後執行步驟425。如步驟425所示，運行長度編碼器12判斷第i個中間向量v_i ’是否等於第i-1個中間向量v_i-1 ’。當第i個中間向量v_i ’等於第i-1個中間向量v_i-1 ’時，執行步驟426。如步驟426所示，運行長度編碼器12暫存第i個中間向量v_i ’至暫存器做為向量暫存值，且計數器遞增計數值。

接著如步驟427所示，運行長度編碼器12判斷第i+1個中間向量v_i+1 ’是否存在。當第i+1個中間向量v_i+1 ’存在，則執行步驟424。相反地，當第i+1個中間向量v_i+1 ’不存在，則執行步驟428。如步驟428所示，當第i+1個中間向量v_i+1 ’不存在時，運行長度編碼器12輸出連續符號、向量暫存值及計數值做為壓縮特徵點描述f”。步驟428執行完畢後即結束特徵點描述壓縮方法。

舉例來說，當中間特徵點描述f’連續出現中間向量v₁ ’至v₁₂ ’皆為0時，則運行長度編碼器12輸出之連續符號為@，而向量暫存值及計數值分別為0及12。如此一來，多個連續出現的相同中間向量可簡化為連續符號、向量暫存值及計數值三筆資料，以減少壓縮特徵點描述f”的資料量。

當第i個中間向量v_i ’不等於第i-1個中間向量v_i-1 ’時，執行步驟429。如步驟429所示，運行長度編碼器12判斷計數值是否等於0。當計數值不等於0，則執行步驟431。如步驟431所示，運行長度編碼器12輸出連續符號、向量暫存值及計數值做為壓縮特徵點描述f”。接著如步驟432所示，運行長度編碼器12將計數值設為0。然後如步驟433所示，運行長度編碼器12判斷第i+1個中間向量v_i+1 ’是否存在。當第i+1個中間向量v_i+1 ’存在，則執行步驟424。相反地，當第i+1個中間向量v_i+1 ’不存在，則結束特徵點描述壓縮方法。

當計數值等於0，則執行步驟430。如步驟430所示，運行長度編碼器12輸出該第i個中間向量做為該壓縮特徵點描述。然後如步驟433所示，運行長度編碼器12判斷第i+1個中間向量v_i+1 ’是否存在。當第i+1個中間向量v_i+1 ’存在，則執行步驟424。相反地，當第i+1個中間向量v_i+1 ’不存在，則結束特徵點描述壓縮方法。

第二實施例

請參照第8圖，第8圖繪示係為第二實施例之特徵點描述壓縮裝置之示意圖。特徵點描述壓縮裝置8與特徵點描述壓縮裝置1主要不同之處在於，特徵點描述壓縮裝置8更包括向量預設值調整器13。向量預設值調整器13根據儲存裝置之剩餘記憶容量適應性地調整向量預設值V_th 。當儲存裝置之剩餘記憶容量較低時，向量預設值調整器13將向量預設值V_th 調高以提高壓縮率。相反地，當儲存裝置之剩餘記憶容量較高時，向量預設值調整器13將向量預設值V_th 調低以提高資料的正確性。

綜上所述，雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明。本發明所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾。因此，本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

1、8．．．特徵點描述壓縮裝置

11．．．非均值量化器

12．．．運行長度編碼器

13．．．向量預設值調整器

41．．．非均值量化步驟

42．．．運行長度編碼步驟

111．．．比較器

112．．．多工器

411～416、421～433．．．步驟

f．．．原始特徵點描述

f’．．．中間特徵點描述

f”．．．壓縮特徵點描述

V_th ．．．向量預設值

V_d ．．．預設量化值

v_i ．．．第i個原始向量

第1圖繪示係為第一實施例之特徵點描述壓縮裝置之示意圖。

第2圖繪示係為原始特徵點描述之示意圖。

第3圖繪示係為中間特徵點描述之示意圖。

第4圖繪示係為特徵點描述壓縮方法之流程圖。

第5圖繪示係為非均值量化器之示意圖。

第6圖繪示係為非均值量化步驟之細部流程圖。

第7圖繪示係為運行長度編碼步驟之示意圖。

第8圖繪示係為第二實施例之特徵點描述壓縮裝置之示意圖。

41．．．非均值量化步驟

42．．．運行長度編碼步驟

Claims (17)

1. 一種特徵點描述(Feature Descriptor)壓縮方法，包括：自一儲存裝置讀取一原始特徵點描述；根據一向量預設值將該原始特徵點描述之複數個原始向量非均值量化為一中間特徵點描述之複數個中間向量；以及對該中間特徵點描述執行一運行長度編碼以產生一壓縮特徵點描述。
2. 如申請專利範圍第1項所述之特徵點描述壓縮方法，更包括：根據該儲存裝置之剩餘記憶容量適應性地調整該向量預設值。
3. 如申請專利範圍第1項所述之特徵點描述壓縮方法，其中該非均值量化步驟包括：取該些原始向量之一第i個原始向量；判斷該第i個原始向量是否落於一第k個量化區間；以及當該第i個原始向量落於該第k個量化區間，將該些中間向量之一第i個中間向量設為該第k個量化區間所對應之一量化值；其中，i係為正整數。
4. 如申請專利範圍第3項所述之特徵點描述壓縮方法，其中於判斷是否落於一第k個量化區間之該步驟中係比較該第i個原始向量是否不大於該向量預設值。
5. 如申請專利範圍第4項所述之特徵點描述壓縮方法，其中於設為該第k個量化區間所對應之一量化值之該步驟包括：當該第i個原始向量不大於該向量預設值，該量化值等於一預設量化值；以及當該第i個原始向量大於該向量預設值，該量化值等於該第i個原始向量。
6. 如申請專利範圍第1項所述之特徵點描述壓縮方法，其中該運行長度編碼步驟包括：判斷該些中間向量之一第i個中間向量是否等於該些中間向量之一第i-1個中間向量；以及當該第i個中間向量等於該第i-1個中間向量時，暫存該第i個中間向量至一暫存器做為一向量暫存值，並遞增一計數值；其中，i係為正整數。
7. 如申請專利範圍第6項所述之特徵點描述壓縮方法，其中該運行長度編碼步驟更包括：當該第i個中間向量不等於該第i-1個中間向量且該計數值等於0時，輸出該第i個中間向量做為該壓縮特徵點描述。
8. 如申請專利範圍第7項所述之特徵點描述壓縮方法，其中該運行長度編碼步驟更包括：當該第i個中間向量不等於該第i-1個中間向量且該計數值不等於0時，輸出一連續符號、該向量暫存值及該計數值做為該壓縮特徵點描述。
9. 如申請專利範圍第7項所述之特徵點描述壓縮方法，其中該運行長度編碼步驟更包括：當該些中間向量之一第i+1個中間向量不存在時，輸出一連續符號、該向量暫存值及該計數值做為該壓縮特徵點描述。
10. 一種特徵點描述(Feature Descriptor)壓縮裝置，包括：一非均值量化器，用以自一儲存裝置讀取一原始特徵點描述，並根據一向量預設值將該原始特徵點描述之複數個原始向量非均值量化為一中間特徵點描述之複數個中間向量；以及一運行長度編碼器，用以對該中間特徵點描述執行一運行長度編碼以產生一壓縮特徵點描述。
11. 如申請專利範圍第10項所述之特徵點描述壓縮裝置，更包括：一向量預設值調整器，用以根據該儲存裝置之剩餘記憶容量適應性地調整該向量預設值。
12. 申請專利範圍第10項所述之特徵點描述壓縮裝置，其中該非均值量化器取該些原始向量之一第i個原始向量並判斷該第i個原始向量是否落於一第k個量化區間，當該第i個原始向量落於該第k個量化區間，該非均值量化器將該些中間向量之一第i個中間向量設為該第k個量化區間所對應之一量化值；其中，i係為正整數。
13. 申請專利範圍第12項所述之特徵點描述壓縮裝置，其中該非均值量化器包括：一比較器，比較該第i個原始向量是否不大於該向量預設值；以及一多工器，當該第i個原始向量不大於該向量預設值，該多工器輸出之該量化值等於一預設量化值，當該第i個原始向量大於該向量預設值，該多工器輸出之該量化值等於該第i個原始向量。
14. 申請專利範圍第10項所述之特徵點描述壓縮裝置，其中該運行長度編碼器判斷該些中間向量之一第i個中間向量是否等於該些中間向量之一第i-1個中間向量，當該第i個中間向量等於該第i-1個中間向量時，暫存該第i個中間向量至一暫存器做為一向量暫存值，並遞增一計數值；其中，i係為正整數。
15. 申請專利範圍第14項所述之特徵點描述壓縮裝置，其中當該第i個中間向量不等於該第i-1個中間向量且該計數值等於0時，該運行長度編碼器輸出該第i個中間向量做為該壓縮特徵點描述。
16. 申請專利範圍第15項所述之特徵點描述壓縮裝置，其中當該第i個中間向量不等於該第i-1個中間向量且該計數值不等於0時，該運行長度編碼器輸出一連續符號、該向量暫存值及該計數值做為該壓縮特徵點描述。
17. 申請專利範圍第15項所述之特徵點描述壓縮裝置，其中當該些中間向量之一第i+1個中間向量不存在時，該運行長度編碼器輸出一連續符號、該向量暫存值及該計數值做為該壓縮特徵點描述。