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语义约束下的光学影像与激光点云自动配准研究

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语义约束下的光学影像与激光点云自动配准研究

作者：崔志芳武汉大学

学位级别：硕士

在测绘遥感领域中,光学影像与激光点云是获取地面目标信息的两个主要数据源,但它们各自存在一些局限性,相机成像过程易受光线、遮挡等因素的干扰,难以直接通过光学影像获取地物完整的三维信息,而激光点云虽能提供精确的三维空间位置信息... 详细信息

在测绘遥感领域中,光学影像与激光点云是获取地面目标信息的两个主要数据源,但它们各自存在一些局限性,相机成像过程易受光线、遮挡等因素的干扰,难以直接通过光学影像获取地物完整的三维信息,而激光点云虽能提供精确的三维空间位置信息,但不具备丰富的光谱和纹理信息。因此光学影像与激光点云具备良好的优势互补,将这两者进行配准融合,可以充分利用互补信息和冗余信息获取更加准确、完整的三维场景信息,从而弥补单一传感器数据带来信息遗失问题,进一步挖掘与发挥其在自动驾驶、无人机监测、三维重建、数字城市等方面的应用。由于难以获取光学影像和激光点云的不同特征信息之间可靠的相关性,因此本文从语义信息出发,实现光学影像与激光点云由粗到精的自动配准。针对该目标,本文主要研究和工作内容如下所示:(1)研究基于卷积神经网络的图像语义信息提取方法。由于光学影像与激光点云的底层视觉特征如颜色、纹理等相关性较小,难以满足高精度配准的需求,因此本文将激光点云投影生成点云深度影像,采用卷积神经网络对光学影像与激光点云进行语义分割,获取图像语义信息。本文最终选取在各个精度指标上均表现良好的Trans UNet网络对图像进行语义分割,由于光学影像包含丰富的纹理和光谱信息,其语义分割效果优于点云深度影像。(2)提出了一种语义与几何约束的光学影像与激光点云粗配准算法。利用光学影像与点云深度影像的语义信息,提取建筑物面片,并对建筑物碎片进行过滤处理,从而将建筑物面片所构建的最小外接矩形的中心点作为配准基元,对其进行Delaunay三角剖分,进而采用三角形相似原理对光学影像与点云深度影像的稀疏点集进行配准,并利用最小外接矩形几何信息约束配准过程。本文通过多组实验,与传统的SIFT和ORB特征提取与匹配算法进行对比,证明了该算法的可行性与有效性。(3)设计了一种新的相似性测度:语义互信息,并提出了一种语义互信息约束的精配准算法。针对光学影像与点云深度影像灰度差异较大的问题,本文将原始光学影像与点云深度影像间的互信息与它们的语义分割结果图像间的互信息进行加权融合,从而构建语义互信息,将其作为配准过程中的相似性测度,并采用Powell搜索算法优化粗配准参数,从而实现光学影像与点云深度影像间的精配准。实验结果表明采用传统互信息进行配准往往容易陷入局部最优解,而采用语义互信息进行配准的精度优于传统的互信息配准算法的精度,能满足实际应用的需求。

关键词：激光点云光学影像自动配准语义分割语义互信息

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面向工业测量的三维点云自动配准技术研究

面向工业测量的三维点云自动配准技术研究

作者：陈安国哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

点云配准是三维点云处理的关键技术之一,其被广泛应用于机器人导航、自动驾驶、三维表面重建以及工业测量等领域中。由于三维扫描设备的视野限制,单次扫描通常无法得到所需的工件点云,需要变换扫描设备的姿态,从不同的视角扫描工件得到... 详细信息

点云配准是三维点云处理的关键技术之一,其被广泛应用于机器人导航、自动驾驶、三维表面重建以及工业测量等领域中。由于三维扫描设备的视野限制,单次扫描通常无法得到所需的工件点云,需要变换扫描设备的姿态,从不同的视角扫描工件得到多片点云,通过点云间的重叠区域求解出点云的正确位姿,将不同视角的点云统一到同一坐标系中,使之成为完整的点云模型。本文侧重于三维点云两两配准算法的研究,针对经典ICP算法及其变体对于只有部分重叠的点云配准具有一定局限性的问题,提出一种改进的ICP配准算法,并将改进算法应用于实际工程应用中。针对RSLS机器人三维测量设备采集的工件点云存在的噪声问题进行分析,然后针对噪声的特点,研究相应的滤波算法将其从主体点云中剔除,为后续点云配准技术的研究提供良好的点云数据。针对点云数据在空间上存在的错位问题,着重进行基于ICP算法的点云精配准算法研究。先对ICP算法及其变体的原理和四个主要环节进行详细的分析,包括点的选择、对应点对的查找、误匹配点对的剔除及目标函数的构造等。然后针对其不足之处,提出一种自适应剔除重叠区域边界点的改进ICP算法,该算法通过去除重叠区域边界的误匹配点对,保证用于求解最优变换的点对具有较高的正确性来达到提高配准精度的目的。为了验证改进算法的适用性和有效性,采用不同类型的点云数据进行两两配准算法实验验证。将改进算法与经典ICP算法、Tr ICP算法以及FRICP算法在配准精度和效率方面进行对比。根据实验结果,对于重叠率较高的点云数据,该算法能够获得与目前最新的FRICP算法相当的配准精度,同时具有较高的配准效率;对于重叠率较低的点云数据,在良好的初始位置下,此算法依旧能达到较好的配准效果,且优于Tr ICP算法。最后,通过汽车管路系统中的一段管件分析配准算法在实际工程中的应用。

关键词：三维点云自动配准 ICP算法重叠区域边界点

基于边缘最优映射的红外和可见光图像自动配准算法

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自动化学报 2012年第4期38卷 570-581页

作者：廉蔺李国辉张军涂丹国防科学技术大学信息系统与管理学院系统工程系长沙410073 国防科学技术大学信息系统工程国防科技重点实验室长沙410073

针对同一场景的红外和可见光图像间一致特征难以提取和匹配的难题,提出了一种在多尺度空间中基于边缘最优映射的自动配准算法.在由粗至细的尺度空间中,算法分别采用仿射模型和投影模型作为参考图像和待配准图像间的空间变换模型.在每个... 详细信息

针对同一场景的红外和可见光图像间一致特征难以提取和匹配的难题,提出了一种在多尺度空间中基于边缘最优映射的自动配准算法.在由粗至细的尺度空间中,算法分别采用仿射模型和投影模型作为参考图像和待配准图像间的空间变换模型.在每个尺度层上,首先基于相位一致性方法提取两幅图像的边缘结构,并在相应的空间变换模型下将在待配准图像中提取的二值边缘映射到参考图像的边缘强度图上;接着采用并行遗传算法寻找一组全局最优的模型参数,使两幅图像间的结构相似度最大.在各层的寻优结束之后,使用Powell算法对全局寻优后的模型参数进行局部精化.实验结果表明,该算法能够充分利用图像间的视觉相似结构,有效地实现红外和可见光图像的自动配准.

关键词：红外图像自动配准边缘映射参数优化

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基于最大化对齐度的多模态图像自动配准

电子与信息学报 2003年第6期25卷 755-762页

作者：王东峰邹谋炎中国科学院电子学研究所北京100080

该文讨论图像配准的广义定义并提出一种新的图像配准准则—对齐度。对齐度能够正确地反映两幅不同灰度属性的图像是否配准,并且将图像配准归结为对齐度的最大化。新准则可以用来配准多模态图像包括灰度属性差异很大的图像。该文应用多... 详细信息

该文讨论图像配准的广义定义并提出一种新的图像配准准则—对齐度。对齐度能够正确地反映两幅不同灰度属性的图像是否配准,并且将图像配准归结为对齐度的最大化。新准则可以用来配准多模态图像包括灰度属性差异很大的图像。该文应用多分辨率方法和Powell方向族搜索法来最大化对齐度。因此,用该方法可以自动地处理图像配准问题,不需要定义地标点或特征点。多模态医学图像和遥感图像的自动配准的例子说明了该文方法的有效性。

关键词：图像配准对齐度多模态图像自动配准图像处理

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基于断骨模型自动配准的完全性骨折钢板预弯

光电子．激光 2009年第7期20卷 977-982页

作者：刘斌华顺刚欧宗瑛赵德伟王卫明大连理工大学CAD与网络技术研究所精密与特种加工教育部重点实验室辽宁大连116024 大连大学附属中山医院辽宁大连116001

提出了一种可以在完全性骨折手术前获取目标预弯钢板几何参数的仿真方法。通过CT扫描获取骨折部位的序列断层图像,利用Curvelet变换对CT序列图像进行去噪处理并建立三维模型。针对断骨模型的特殊结构,使用顶点法矢特征分割得到断骨截面... 详细信息

提出了一种可以在完全性骨折手术前获取目标预弯钢板几何参数的仿真方法。通过CT扫描获取骨折部位的序列断层图像,利用Curvelet变换对CT序列图像进行去噪处理并建立三维模型。针对断骨模型的特殊结构,使用顶点法矢特征分割得到断骨截面。采用基于最小包围盒的粗配准和基于非迭代估计的精配准相结合的策略对两断骨截面进行配准,并驱动两断骨模型配准。最后拟合出预弯钢板的形态,测量其几何参数。通过对肱骨和肋骨骨折进行的实验表明,此方法可以精确地建立预弯钢板模型,大幅度缩短手术时间,提高手术质量。

关键词：自动配准完全性骨折钢板预弯

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基于线特征的城区激光点云与影像自动配准

光学学报 2015年第5期35卷 352-360页

作者：何培培万幼川杨威秦家鑫武汉大学遥感信息工程学院湖北武汉430079

鉴于激光点云和影像数据成像机理的差异以及现有配准基元的可获取性特点,通常采用基于特征的配准算法修正两者之间的转换关系,其中建筑物的边缘及角点为最常用的特征。针对城区建筑物分布密集、形状相似的问题,提出了一种基于道路线的... 详细信息

鉴于激光点云和影像数据成像机理的差异以及现有配准基元的可获取性特点,通常采用基于特征的配准算法修正两者之间的转换关系,其中建筑物的边缘及角点为最常用的特征。针对城区建筑物分布密集、形状相似的问题,提出了一种基于道路线的机载激光雷达数据和高分辨率航空影像自动配准方法。该方法充分利用点云数据提供的高程与强度信息,提取出高精度的规则化道路矢量线;根据初始外方位元素建立点云数据和航空影像的近似变换关系,以道路矢量线在航空影像的投影位置为先验知识,采用改进的道路矩形整体匹配算法得到影像中的道路中心线,获取同名线特征;以同名道路线段的首末端点作为控制信息,利用基于欧拉角的空间后方交会算法解算新的影像外方位元素,实现航空影像和激光雷达数据的配准。实验结果表明,该方法利用道路特征实现航空影像与激光雷达点云的配准,提取特征少且配准精度较高,大大提高了工作效率。

关键词：遥感道路线特征机载激光雷达航空影像自动配准

基于传感器参数和目标轮廓中心的自动配准算法研究

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光学精密工程 2005年第3期13卷 354-363页

作者：刘松涛王学伟周晓东王成刚海军航空工程学院控制工程系山东烟台264001

通过对光电成像型反舰导弹的成像过程分析,提出了一种自动配准算法。其基本思路是将图像变换模型分解,逐步简化。可见光和红外图像配准时的变换为仿射变换。首先,利用传感器参数的调整,消除图像间的比例变化,将仿射变换简化为刚体变换;... 详细信息

通过对光电成像型反舰导弹的成像过程分析,提出了一种自动配准算法。其基本思路是将图像变换模型分解,逐步简化。可见光和红外图像配准时的变换为仿射变换。首先,利用传感器参数的调整,消除图像间的比例变化,将仿射变换简化为刚体变换;然后,依赖图像信息,用形态学边缘检测的方法求取目标的轮廓中心,以此为控制点消除图像间的平移变化,实现图像的完全配准;最后,通过观察海天线是否重合以及利用均方根误差原则,对算法的配准效果做详细评估。仿真实验表明,该算法准确、快速,配准精度满足目标识别的要求,可以较好地解决异类传感器弱小目标图像配准的难题。

关键词：算法研究自动配准目标轮廓仿射变换图像配准均方根误差异类传感器过程分析反舰导弹光电成像配准算法模型分解图像变换基本思路图像信息边缘检测仿真实验目标识别配准精度弱小目标可见光形态学控制点

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TM影像与GIS矢量数据的自动配准

武汉大学学报（信息科学版） 2005年第11期30卷 950-954页

作者：张剑清董明张宏伟武汉大学遥感信息工程学院武汉市珞喻路129号430079

介绍了一种新的基于信息融合的TM影像和GIS矢量数据自动配准方法。首先建立TM影像和GIS矢量数据的近似变换关系,在此基础上以矢量地图上的信息(水系、道路网等)为先验知识,利用多尺度模板匹配法对TM影像中的线状信息进行自动提取。把自... 详细信息

介绍了一种新的基于信息融合的TM影像和GIS矢量数据自动配准方法。首先建立TM影像和GIS矢量数据的近似变换关系,在此基础上以矢量地图上的信息(水系、道路网等)为先验知识,利用多尺度模板匹配法对TM影像中的线状信息进行自动提取。把自动提取的结果作为像方观测,矢量地图数据作为地面观测,通过广义点摄影测量原理和方法,解算出TM影像的外参数,实现新的TM影像和旧的GIS矢量数据的自动配准。实验结果表明,一般情况下,本文方法达到了像素级精度,且大大提高了工作效率。

关键词： TM影像 GIS矢量地图线状地物广义点摄影测量自动配准

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基于直线特征匹配的序列图像自动配准

武汉大学学报（信息科学版） 2007年第8期32卷 676-679页

作者：张鹏强余旭初韩丽刘景正信息工程大学测绘学院郑州市陇海中路66号450052 信息工程大学电子技术学院郑州市商城东路12号450004

提出了一种运用相应直线段特征作为控制基础的序列图像自动配准方法。根据相应直线段"共线"原理建立了图像配准模型,该模型的优点是不必精确定位相应直线段的端点,突破了相应特征必须严格"同名"的限制。同时,根据图像配准对控制直线段... 详细信息

提出了一种运用相应直线段特征作为控制基础的序列图像自动配准方法。根据相应直线段"共线"原理建立了图像配准模型,该模型的优点是不必精确定位相应直线段的端点,突破了相应特征必须严格"同名"的限制。同时,根据图像配准对控制直线段的要求,分别设计了序列图像中直线段特征的自动提取和自动匹配算法,从而实现了概略对准条件下的序列图像的全自动配准。

关键词：序列图像自动配准直线提取直线匹配