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图像特征点提取与匹配的算法分析

科学技术创新 2021年第22期 111-112页

作者：晏细兰杨震伦广州番禺职业技术学院信息工程学院广东广州511483

本文针对大规模高分辨率全景拼接运算量大这一问题,分析了SIFT和SURF图像特征点提取算法特点,实验证明SURF特征点提取效率比SIFT高,更适合并行计算,因此在大规模高分辨率率全景拼接时具有更高的效率。

关键词：全景拼接图像特征点提取 SIFT SURF

水下机器人视觉SLAM方法中的图像特征点提取技术研究

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水下机器人视觉SLAM方法中的图像特征点提取技术研究

作者：赵亮电子科技大学

学位级别：硕士

即时定位与地图构建(Simultaneous Localization and mapping,SLAM)技术是移动机器人智能化的关键技术。近年来,应用于水下环境的SLAM技术成为研究热点,但是水下环境因为具有地形复杂、光线昏暗、随机干扰多的特点而存在许多的技术难点... 详细信息

即时定位与地图构建(Simultaneous Localization and mapping,SLAM)技术是移动机器人智能化的关键技术。近年来,应用于水下环境的SLAM技术成为研究热点,但是水下环境因为具有地形复杂、光线昏暗、随机干扰多的特点而存在许多的技术难点。针对这些问题,本文主要以视觉SLAM系统关键技术和水下环境的图像处理为研究课题,重点研究了SLAM技术的实现方法、水下图像的预处理问题以及水下环境的特征提取和匹配算法,主要的研究内容如下:首先,本文介绍并分析基于视觉的SLAM实现方法,建立了基于EKF-SLAM算法的理论模型,通过Matlab仿真对比EKF-SLAM算法定位误差与里程计定位误差的差别,并仿真出两种定位方法绘制的地图误差的大小,通过实验证明了EKF-SLAM方法的准确性和可靠性,建立了可靠的EKF-SLAM系统模型。其次,本文研究了水下环境对摄像机成像的影响,分析了成像中的光线折射、散射及吸收现象并提出了相应的解决方法。然后,引入了应用于雾天的暗原色图像对比度增强方法,最终,提出了一种应用于水下环境的暗原色图像对比算法,通过实验证明了该方法的可行性,为后期的特征提取提供了有效的水下环境图像增强方法。然后,本文研究了图像特征提取的一般方法,分析了各种方法的优缺点和在水下环境中的适用性情况,验证了尺度不变特征转换(Scale-invariant feature transform,SIFT)算法是一种较为合适的水下特征提取算法。随后,针对SIFT算法实时性差和特征点冗余的缺点,提出了基于特征区域的处理方法,实验证明该方法对提高实时性有良好的效果。最终,提出了一种有效的特征提取改进方法。最后,本文分析了SLAM系统数据关联的方法,论证了数据关联方法的重要性。针对数据关联中的误匹配和匹配效率问题,提出了将双目相机的相对位置因素和路标点位置因素作为辅助条件进行关联的方法,实验证明,加入路标的位置信息之后,特征点的关联复杂度大幅降低,尤其是随着特征点数量的增加,特征点的匹配时间将大幅缩短,同时提高了匹配准确率,实时性提高达到4倍之多,提供了高效的数据关联改进方法。

关键词：视觉SLAM 水下机器人图像对比度增强图像特征点提取数据关联

基于阈值自适应调整的图像特征均匀分布ORB算法改进

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汽车安全与节能学报 2021年第3期12卷 298-306页

作者：时培成杨剑锋梁涛年齐恒安徽工程大学汽车新技术安徽省工程技术研究中心芜湖241000 芜湖伯特利汽车安全系统股份有限公司芜湖241009

基于相机的无人驾驶汽车视觉同步定位与地图构建(SLAM),可完成无人驾驶汽车的定位与建图。针对传统ORB(Oriented FAST and Rotated BRIEF)算法在提取图像特征点时容易造成冗杂、分布集中的问题,提出一种限制四叉树算法分裂深度的改进ORB... 详细信息

基于相机的无人驾驶汽车视觉同步定位与地图构建(SLAM),可完成无人驾驶汽车的定位与建图。针对传统ORB(Oriented FAST and Rotated BRIEF)算法在提取图像特征点时容易造成冗杂、分布集中的问题,提出一种限制四叉树算法分裂深度的改进ORB(A-ORB)算法。该算法构造图像金字塔解决尺度不变性问题;根据所提取的特征点总数计算出每层金字塔所需要提取的特征点数;对每层金字塔图像采用自适应区域划分,根据图像信息计算特征点提取阈值;利用改进四叉树算法来均匀化分布特征点。进行了模拟实验。结果表明:相较于ORB、MA以及S-ORB算法,该算法运行效率提高了30%以上,匹配精度提高了10%以上。

关键词：无人驾驶汽车同步定位与地图构建(SLAM) 运动信息 ORB算法图像特征点提取图像金字塔均匀分布

基于机器视觉的机械设备零件疲劳寿命检测方法

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制造业自动化 2022年第3期44卷 208-212页

作者：胡代弟李锐君郑州西亚斯学院电子信息工程学院新郑451150

针对机械设备零件疲劳检测过程中,接触式的人工检测存在检测结果准确性较差的问题,提出一种基于机器视觉的机械设备零件疲劳寿命检测方法。通过采集机械设备零件的图像,使用改进中值滤波方法滤除图像中的噪声,根据多尺度边缘检测方法有... 详细信息

针对机械设备零件疲劳检测过程中,接触式的人工检测存在检测结果准确性较差的问题,提出一种基于机器视觉的机械设备零件疲劳寿命检测方法。通过采集机械设备零件的图像,使用改进中值滤波方法滤除图像中的噪声,根据多尺度边缘检测方法有效提取零件图像边缘部分,提取机械设备零件图像疲劳特征点。通过NSST逆变换将图像特征点融合,同时引入支持向量理论(SVM)和模糊隶属度,分别赋予不同样本同等重要的模糊隶属度,增加支持向量分类性能,将全部样本输入到模糊SVM分类器中,将有疲劳特征的图像分类,最终完成机械设备零件疲劳寿命检测。实验结果表明,所提方法的检测结果与实际结果较为相近,经滤波处理后图像强化效果有所提升。

关键词：机器视觉机械设备零件疲劳寿命检测图像特征点提取

rBRIEF描述符与RANSAC算法硬件加速的研究

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rBRIEF描述符与RANSAC算法硬件加速的研究

作者：赵子威哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

图像特征点提取是计算机视觉领域的一个重要研究课题。然而,多数图像特征点提取算法的计算复杂度较高。在实际应用中,传统的PC平台很难满足实时性特征点提取的需求。因此,采用FPGA(Field Programmable Gate Array)平台对其进行加速就成... 详细信息

图像特征点提取是计算机视觉领域的一个重要研究课题。然而,多数图像特征点提取算法的计算复杂度较高。在实际应用中,传统的PC平台很难满足实时性特征点提取的需求。因此,采用FPGA(Field Programmable Gate Array)平台对其进行加速就成为了研究热点。同时,图像特征点提取算法得到的匹配结果中通常会包含大量的误匹配点,采用RANSAC(Random Sample Consensus)算法能够有效地将其剔除。针对图像特征点提取算法实时性与鲁棒性的需求,本文设计了基于FPGA的rBRIEF(Rotated Binary Robust Independent Elementary Features)描述符构造算法与RANSAC算法的硬件加速方案。在rBRIEF算法的硬件实现中,本文采用了象限分割与角度查找的方法生成特征点主方向,并使用旋转采样点提取模板的方式来生成描述符。然后,本文设计了一种特征点主方向生成模块与描述符生成模块高度并行化的电路结构,实现了在单周期内构造rBRIEF描述符,极大地加快了图像处理帧率。本文提出的RANSAC算法硬件加速器被用于对图像特征点匹配结果进行筛选。根据该应用场景,本文采用仿射变换模型与切比雪夫距离相结合的方法来判定匹配点之间的正确关系。在电路设计方面,本文设计了数据分流缓存电路与伪随机地址发生器,用于伪随机采样匹配点对。针对RANSAC算法的迭代特性,本文创新性的提出了一种单行脉动矩阵结构的模型评估阵列,实现了RANSAC算法迭代过程的并行化处理。本文将rBRIEF描述符构造模块与RANSAC算法硬件加速器,同课题组之前实现的SURF(Speeded-Up Robust Features)特征点检测电路相结合,在Zynq-7000平台上搭建了一个图像特征点提取与匹配筛选系统。在100 MHz频率下,该系统对640×480分辨率图像的处理速度能够达到325 fps(frame per second)。最终实验结果表明,在标准测试集和实景图片的测试下,本文的设计对图像模糊、光照变化的场景具有较强的鲁棒性。在某些150°大角度旋转的实际场景下,其匹配结果与软件Open CV结果的重合率能够达到85%以上。同时,在设定800次迭代来筛选384对匹配点的情况下,本文设计的RANSAC算法硬件加速器仅耗时0.2 ms。

关键词：图像特征点提取 FPGA rBRIEF RANSAC 匹配筛选

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增强现实的昼夜视觉定位研究

增强现实的昼夜视觉定位研究

作者：师晨辉中国科学院大学(中国科学院空天信息创新研究院)

学位级别：硕士

视觉定位是目前计算机视觉和摄影测量领域的研究热点,可以在无全球导航卫星系统信号的条件下提供米级的定位精度,是实现增强现实位姿计算的重要方法。但是视觉定位的性能对于光照变化极为敏感,在昼夜变化这种极端光照环境下,甚至不能工... 详细信息

视觉定位是目前计算机视觉和摄影测量领域的研究热点,可以在无全球导航卫星系统信号的条件下提供米级的定位精度,是实现增强现实位姿计算的重要方法。但是视觉定位的性能对于光照变化极为敏感,在昼夜变化这种极端光照环境下,甚至不能工作,从而限制了增强现实的适用场景。近些年,出现了基于深度神经网络的图像局部特征提取新方法,利用这些方法进行训练学习产生的局部特征点相比于传统局部特征点,表现出了出色的昼夜匹配和昼夜视觉定位性能。此外,由于激光雷达具有厘米级甚至更高的测量精度以及抗光照变化特性,可以利用高精度激光点云作为几何约束,提高视觉定位的精度。但是,这些深度神经网络的运行需要密集的计算,难以满足增强现实实时的定位要求,且将激光点云作为几何约束进行优化会进一步增加计算量,因此本论文将主要针对如何实现高效、鲁棒且高精度的昼夜视觉定位这一具有挑战性的问题进行探索研究。本论文的主要研究内容与成果如下:(1)针对当前基于深度神经网络局部特征提取方法运行效率低的问题,构建了一个轻量化网络,进行高效实时的图像局部特征点提取,从而提高昼夜视觉定位的效率。为了保证提取的特征点具有鲁棒的昼夜视觉定位性能,采用知识蒸馏的方法,并同时利用一个教师网络和公开数据集中的大规模标签数据对构建的轻量化网络进行监督训练。实验结果表明:构建的轻量化网络比教师网络在参数个数上减少了30倍,特征提取效率达到了92 FPS,明显快于其他基于深度神经网络的局部特征提取方法,达到了较好的昼夜视觉定位性能,其在仅使用最近邻特征匹配方法的条件下,在(0.5m,5°)和(5m,10°)两个误差范围内取得了最好的昼夜视觉定位效果。(2)为了进一步提高昼夜视觉定位的精度,提出了一种基于图像与激光点云先验地图的昼夜视觉定位方法。首先利用一种实时移动的图像激光雷达一体化设备,采集对齐的图像与稠密激光点云,构建先验地图,并基于已构建的轻量化网络提取图像特征点;然后直接利用图像中二维特征点与先验地图中三维激光点的2D-3D对应关系进行定位。实验结果表明:相较于传统纯视觉定位方法定位,本论文提出的视觉定位方法可以构建更高精度的先验地图,获得更高的昼夜视觉定位精度,且可以方便地对先验地图进行更新和拓展。(3)为了实现具有空间一致性的虚实融合效果,设计并实现了虚实相机配准方法。基于构建的先验地图实现了快速的相机内参在线标定,代替传统的离线标定方法;通过虚实相机配准得到真实相机内外参数与三维渲染引擎中虚拟相机参数的映射关系,实现了真实相机驱动虚拟相机的虚实融合渲染。(4)结合游戏引擎构建了增强现实原型系统,实现了本文提出的昼夜视觉定位算法与同步定位制图系统的耦合技术。以中国科学院奥运园区遥感楼周边的城市环境和北京市延庆区黄裕口滑坡现场的野外环境为例,实验验证了本文提出的技术和算法,实现了昼夜间的增强现实可视化和良好的虚实融合效果。

关键词：增强现实昼夜视觉定位图像特征点提取知识蒸馏激光点云

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铝合金焊缝视觉传感识别与跟踪系统研究

铝合金焊缝视觉传感识别与跟踪系统研究

作者：宋正东南京理工大学

学位级别：硕士

本文针对铝合金构件自动焊接接缝跟踪存在的镜面反射、弧光干扰、飞溅等难题,开展铝合金焊接接缝自动跟踪系统设计、接缝坡口视觉图像质量影响因素分析及预处理、偏差提取与在线跟踪调控、跟踪系统集成及试验验证等4项技术研究,突破铝... 详细信息

本文针对铝合金构件自动焊接接缝跟踪存在的镜面反射、弧光干扰、飞溅等难题,开展铝合金焊接接缝自动跟踪系统设计、接缝坡口视觉图像质量影响因素分析及预处理、偏差提取与在线跟踪调控、跟踪系统集成及试验验证等4项技术研究,突破铝合金焊接弧光和镜面反射干扰消除技术、坡口图像特征点提取、铝合金焊接变形对跟踪精度的影响、偏差提取算法设计等4项关键难点,研制了激光接缝跟踪焊接系统,开发了激光接缝跟踪算法及调控软件,通过了高强铝合金自动焊接的实时跟踪试验验证。本文分析研究了各种干扰因素对接缝坡口视觉图像的影响,设计了“分离式挡弧板”作为第一道抗弧光干扰措施、“截止-窄带滤光系统”作为抗干扰传感核心技术措施、传感器壳体黑化内壁等铝合金二次反射抗干扰措施,研制了激光-CMOS传感器硬件装置;针对车体铝合金接头坡口的高镜面反射和焊接变形引起的弧光反射难题,开发了一种坡口图像滤波降噪、自适应阈值处理和轮廓提取算法,通过扫描轮廓一侧的特征点,而后根据无干扰区域轮廓差值计算出特征点的像素坐标。经验证,该算法即使在镜面反射较强和变形严重的条件下依然能对特征点进行精确检测。为了减小系统的振荡,本文进行了模糊控制器算法设计。在模糊化和模糊推理后通过比较不同解模糊方法对输出的影响,采用重心法解模糊,获得了较为平滑的输出,提高了系统的稳定性。本文集成了图像采集和预处理、图像抗干扰计算、特征点检测、坡口判断、偏差提取算法和模糊控制等软件程序,研制了专机型激光-CMOS接缝自动跟踪控制系统,具有铝合金焊枪自适应跟踪焊缝的功能,同时具有参数设置、坡口特征参数提取输出、过程监控等功能,预留了数据库系统接口。本文采用6061高强铝合金构件对V型坡口焊缝、单边V型坡口焊缝和I型坡口对接焊缝进行无弧跟踪和实际焊接跟踪试验与验证。试验结果显示,在速度为80cm/min时,对直线型和曲线型焊缝的铝合金构件进行跟踪时,精度可达±0.7mm;速度为20cm/min时,跟踪精度达到±0.4mm,满足车体自动焊接接缝跟踪的要求。

关键词：铝合金视觉传感镜面反射图像特征点提取焊缝跟踪

SLAM中图像特征匹配算法研究及其硬件实现

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SLAM中图像特征匹配算法研究及其硬件实现

作者：何茜西安理工大学

学位级别：硕士

随着近年来我国综合国力的提升,国家利益范围从传统的领土、领空和领海,向海陆空天电等多方位迅速拓展,建立一支能够有效支援和维护国家利益拓展的战略性军事力量变得尤为重要,因而对非目标合作探测识别与精确打击成为了发展空间装备体... 详细信息

随着近年来我国综合国力的提升,国家利益范围从传统的领土、领空和领海,向海陆空天电等多方位迅速拓展,建立一支能够有效支援和维护国家利益拓展的战略性军事力量变得尤为重要,因而对非目标合作探测识别与精确打击成为了发展空间装备体系和保护国家空间安全的重要环节。由于SLAM算法具有在未知环境下对自身进行高精度的实时定位和对环境进行地图重建的特点,因此,SLAM技术已经成为太空战略武器装备研究领域中极其重要且极富挑战性的问题。本文主要研究了SLAM算法中图像特征匹配算法的基本原理,针对图像匹配算法的当前现状进行分析,在此基础上,为了提高图像特征点匹配速度和自适应性,将原FAST特征点提取算法的采样模式精简为以待测像素点为中心边上12个像素点的菱形模式,根据精简模式下FAST算法的反向推导计算出整帧图像的全局阈值,为了避免出现特征点堆积现象对提取的特征点进行非极大值抑制,采用FREAK特征点描述算法对特征点进行描述生成一串512位的二进制描述符,完成对相邻两帧图像中的特征点匹配。由于传统的图像匹配算法都是在软件平台上实现的,为了保证SLAM算法实时性要求,本文设计了基于FPGA平台的图像匹配算法硬件电路,对其进行硬件加速。其控制芯片采用的是以ALTERA公司生产的STRATIXIV芯片,开发软件为Quartus 17.1。通过利用Modelsim电路仿真工具对电路中各个子模块进行功能仿真,验证电路是否满足设计要求,最后通过FPGA开发板对图像匹配算法电路模块进行板级验证,分析了电路性能和功耗。最后实验结果表明,本文设计的图像匹配算法模块电路可以对图像匹配算法电路模块进行硬件加速,满足SLAM算法的实时性要求。

关键词： SLAM算法图像匹配图像特征点提取图像特征点描述图像特征点匹配