基于局部不变特征的实时精确景象匹配算法研究

摘要

本文开展了景象匹配辅助导航系统中基于局部不变特征的景象匹配算法研究,并通过建立仿真平台对提出的理论、算法和方案进行了验证。
　　 在实际应用过程中,图像可能受到噪声、背景的干扰,也可能发生视角、光照、尺度、平移、旋转等变化,如何选择合理的图像匹配算法,使之满足景象匹配辅助导航系统的要求,即精确性、实时性、鲁棒性,是景象匹配算法的核心所在。考虑到采用部分Hausdorff距离度量进行图像匹配定位,匹配精度有限,速度较慢,抗旋转和抗噪声能力差,且难以精确确定图像之间的旋转变换参数,为此,本文通过引入图像局部不变特征并应用于景象匹配辅助导航中,可以有效克服部分Hausdorff距离度量上的不足,从而大大提高图像匹配算法性能。
　　 SIFT(ScaleInvariantFeatureTransform)特征不仅具有良好的表征性能,而且在视角、尺度、旋转变化下保持不变。本文针对图像间存在较大几何畸变的情况,以SIFT特征为基础,提出并系统地阐述了基于SIFT特征的惯性/图形组合导航用景象匹配算法,该算法利用SIFT特征点实现特征匹配,提高了图像匹配精度、速度、稳定性和鲁棒性。
　　 针对SAR图像受到几何畸变和严重斑点噪声影响下的景象匹配问题,本文引入了SURF(Speeded-UpRobustFeatures)算法来进行景象匹配辅助导航。SURF在重复性、独特性、鲁棒性、计算时间等方面相当或超过了现有算子,本文以此为基础,提出了一种鲁棒精确的图像匹配算法。通过大量仿真实验分析,验证了SURF算法在SAR/INS组合导航系统中具有良好的应用效果。
　　 考虑到SIFT和SURF算法存在一定的误差,获得的特征点位置存在扭曲变化,本文利用RANSAC算法过滤掉错误和低精度的匹配点,并对提取出的特征点对进行最小二乘算法拟合,获取航向和位置偏差信息。
　　 本文还结合工程实际应用情况,设计了景象匹配辅助导航系统仿真平台,该仿真平台以本文研究的图像匹配算法输出为信息来源,进行组合导航系统的误差修正,从而有效验证了所提出的算法的有效性。

目录

文摘

英文文摘

图、表清单

注释表

第一章 绪论

1.1 引言

1.2 景象匹配辅助导航技术

1.3 景象匹配算法研究现状

1.3.1 基于区域的匹配算法

1.3.2 基于解释的匹配算法

1.3.3 基于特征的匹配算法

1.4 图像匹配技术难点

1.5 论文主要研究内容和意义

第二章 基于局部不变特征的景象匹配方案研究

2.1 引言

2.2 景象匹配的理论分析

2.2.1 景象匹配的数学描述

2.2.2 空间变换模型

2.2.3 图像匹配误差来源

2.2.4 图像精确匹配模型

2.3 不变特征

2.4 局部不变特征

2.4.1 性能

2.4.2 局部不变特征检测的研究现状

2.5 基于局部不变特征的景象匹配总体方案

2.5.1 基于局部不变特征的景象匹配系统实现

2.5.2 误匹配点剔除方法

2.6 本章小结

第三章 基于局部不变特征的抗变形快速景象匹配算法研究

3.1 引言

3.2 SIFT算法

3.2.1 尺度空间极值求取

3.2.2 特征点方向确定

3.2.3 提取特征描述符

3.2.4 特征匹配

3.3 SIFT算法实现图像匹配流程

3.3.1 图像匹配流程设计

3.3.2 RANSAC算法

3.3.3 最小二乘精匹配算法

3.4 惯性组合导航系统中SIFT特征匹配算法优化设计

3.4.1 SIFT特征点方向

3.4.2 实测图尺寸的选择

3.4.3 保留边缘特征点

3.4.4 SIFT特征匹配参数选择

3.5 基于SIFT特征的导航用快速图像匹配算法

3.6 实验结果及分析

3.6.1 算法对不同分辨率图像和不同区域的匹配适应性分析

3.6.2 算法的抗噪声性能分析

3.6.3 算法的匹配精度分析

3.6.4 算法实时性分析

3.6.5 算法性能总结

3.7 本章小结

第四章 基于局部不变特征的鲁棒景象匹配算法研究

4.1 引言

4.2 SAR景象匹配工作原理及对图像匹配算法的需求分析

4.2.1 SAR成像基本原理

4.2.2 SAR景象匹配算法特性

4.3 SURF特征匹配算法基本原理

4.3.1 特征点检测

4.3.2 特征点方向确定

4.3.3 提取特征描述符

4.3.4 特征匹配

4.4 基于SURF特征的鲁棒景象匹配算法

4.5 实验结果与分析

4.5.1 算法对SAR图像不同区域的匹配适应性分析

4.5.2 算法的抗斑点噪声性能分析

4.5.3 算法的匹配精度分析

4.5.4 算法实时性分析

4.5.5 算法性能总结

4.6 本章小结

第五章 惯性/景象匹配组合导航仿真研究

5.1 引言

5.2 景象匹配辅助导航仿真系统原理与结构

5.3 惯性/景象匹配组合导航仿真实验

5.3.1 基于SIFT的惯性/景象匹配组合导航系统仿真结果分析

5.3.2 基于SURF的惯性/景象匹配组合导航系统仿真结果分析

5.3.3 惯性/景象匹配组合导航仿真结果分析

5.4 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

参考文献

致谢

在学期间的研究成果及学术论文情况