基于分层优化策略的颅骨点云配准算法

颅骨配准是颅面复原过程中的重要步骤之一,颅骨配准的精度直接影响着颅面复原结果的好坏。为了提高颅骨点云模型的配准精度和收敛速度,提出一种基于分层优化策略的颅骨点云配准算法,将配准过程分为粗配准和细配准两个过程,分别采用不同的优化策略进行优化。首先基于点的邻域提取几何特征,从而得到由平均曲率、高斯曲率、法向量夹角和主曲率构成的特征向量;进一步通过距离函数计算特征相似性来建立匹配点对,并采用k-means算法剔除误匹配点对;然后使用四元数法计算颅骨点云间的刚体变换关系,实现颅骨粗配准;最后通过引入k-维(k-d)树和加入几何特征约束对迭代最近点(ICP)算法进行改进,使用改进的ICP算法实现颅骨的精确配准。实验结果表明:粗配准过程采用k-means算法剔除误匹配点对的优化策略和细配准过程加入k-d树与几何特征约束的优化策略都是有效的。与ICP算法相比,本文算法的匹配率和配准精度分别提高了约17%和51%,算法耗时减少了约31%。与其他经典配准算法和改进的ICP算法相比,本文算法的配准效率是最优的。为了验证本文算法的普适性,还采用兵马俑碎片数据进行验证,本文算法也取得了较好的效果和最优的性能。因此,本文算法是一种有效的颅骨点云配准方法。     

基于断裂面特征点匹配的文物碎片重组方法

在计算机辅助文物虚拟复原过程中,针对现有复原方法匹配精度低、速度慢等问题,提出一种新的基于断裂面特征点匹配的文物碎片重组方法。利用改进的内部形状签名法提取碎片断裂面潜在特征点;计算特征点邻域几何特征的协方差矩阵,从而构建特征描述符;采用对数欧氏黎曼度量方法作为相似性度量准则,通过双向最近邻法获得初始点对集合,再利用典型相关分析法消除误匹配对得到最优匹配集;使用最小二乘法估算刚体变换矩阵将碎片粗对齐,再采用迭代最近点算法实现精确对齐,最终实现碎片重组。实验结果表明,本文算法相对传统算法特征点数量少,描述符简单,且稳健性强,有效提高了碎片重组的效率和准确性。     

改进SIFT变换与客观评价结合的图像配准算法

针对SIFT(Scale Invariant Feature Transform)算子在大幅复杂图像中提取的过多不稳定特征点及在只有少量重合区域下图像配准过程中出现的过多误匹配,导致图像配准精度下降。提出一种改进的SIFT算法,在对目标图像提取SIFT特征后,利用双向BBF(Best-Bin-First)匹配算法对提取的特征点进行匹配,采用SIFT描述子的尺度以及梯度方向信息建立最小邻域匹配剔除误匹配点,通过随机抽取一致性算法(RANSAC)进一步筛选匹配点,并利用最小二乘法结合多项式近似拟合出变换模型,利用局部均方根有效值(RMS)评价映射矩阵与实际图像的误差,找出并删除引起误差的误匹配点,迭代至配准图像符合评价标准后,计算出精确变换模型。实验结果表明,该算法提高了大幅复杂图像在少量重合区域时的配准精度。     

一种基于轮廓特征约束的飞机蒙皮配准方法

飞机蒙皮表面平缓、光滑、特征少,在使用迭代最近点进行数模配准时会产生错位、局部最小值等问题,因此提出了一种基于轮廓约束的蒙皮点云配准方法。首先定义一种新的三维轮廓Cκ特征点描述方法,并基于距离约束对初始Cκ特征点进行聚类和过滤,实现对蒙皮点云特征的精确描述。其次,基于距离的快速点特征直方图(FPFH-d)特征相似度约束,寻找点云和数模特征点的对应点对,实现蒙皮轮廓的初始配准。最终基于迭代最近点算法,融合Cκ特征描述的轮廓约束,实现蒙皮的精配准。利用斯坦福公共数据库点云对算法的速度和精度进行测试,与点快速直方图算法(FPFH-SAC-IA)相比,初始配准精度分别提高了48.47%和77.29%,速度分别提高了70.35%和97.08%,证明了Cκ特征点提取算法的普适性和有效性。基于以上算法,对飞机蒙皮测量数据进行实验验证,配准准确度达到了100%,在12 m~3范围内全局误差优于3.5 mm。该方法有效解决了蒙皮配准时的错位和局部最小值问题。     

一种稳健的特征点配准算法

为了能准确快速提取特征和可靠匹配特征点对,提出一种稳健的基于特征点的配准算法。首先改进了Plessey角点检测算法,有效提高所提取特征点的速度和精度。然后利用相似测度归一化互相关(Normalized cross correlation,NCC),通过双向最大相关系数匹配的方法提取出初始特征点对,用随机采样符合法(Random sample consensus,RANSAC)来剔除伪特征点对,实现特征点对的精确匹配。最后用正确匹配特征点对实现图像的配准。实验表明,该方法能够快速准确地提取两幅图像间的对应特征点,大大降低了误匹配的概率,两幅图像光照不一致、重复性纹理、旋转角度比较大等较难自动匹配情形下,仍能有效地实现图像的配准。     

一种基于三维形状上下文特征的点云配准算法

针对点云配准过程中点云数据量大、配准时间长、配准精度低的问题,提出了一种基于内部形态描述子（intrinsic shape signatures, ISS）和三维形状上下文描述子（3D shape context, 3DSC）的点云配准算法。该方法首先使用体素网格滤波器对点云进行下采样,接着利用ISS算法提取特征点,并通过3DSC进行描述,然后通过改进的随机采样一致性（randon sample consensus, RANSAC）算法进行粗匹配,最后用改进的迭代最近点算法（iterative closest point, ICP)对点云进行精匹配。试验结果表明,与基于ISS+3DSC的三维正态分布变换(normal distribution transformation, NDT)算法和基于采样一致性初始配准（sample consensus initial aligment, SAC-IA）的ICP算法相比,本文算法的配准精度及效率更高,且对于数据量大的点云也有较好的匹配效果。     

一种改进的视觉传感器与激光测距雷达特征匹配点提取算法

激光测距雷达与视觉传感器的配准是视觉图像与激光距离信息融合的前提。激光测距雷达与视觉传感器的配准可分为点匹配与平面匹配。由于混合像素和非结构空间特征激光点丢失现象,使得基于点匹配的视觉传感器与激光测距雷达配准算法精度难以提高。通过对混合像素和非结构空间特征激光点丢失问题的分析,提出了一种结合平面建模思想,利用假想激光光束与平面模型相交提取匹配特征点的方法。验证了实验结果并进行了算法精度比较。实验结果表明,这种改进的特征匹配点提取算法解决了特征点缺失,并且提高了点匹配的精度,使匹配性能大大地改善。     

基于特征点的对数极坐标变换图像配准算法

介绍了一种新的图像配准算法,可以很好地解决图像配准中的平移、旋转和缩放问题。算法的实现是首先使用SUSAN算子提取两幅图像的特征角点,剔除虚假的特征点(噪声点),然后使用改进对数极坐标变换和投影相关匹配算法实现特征点匹配;结合亚像素定位技术,可以进一步提高算法的精度。     

基于特征点自动匹配的红外图像配准研究

在模糊和含噪声的红外图像配准中,利用角点检测实现特征点的选择,在提高角点提取效率的同时又保证了角点提取的精度。根据互相关的双向匹配实现对应特征点的自动匹配,然后由对应的特征点对估计出仿射变换的参数。实测的数据和计算结果表明,这种方法对于双波段红外图像的配准是有效的,而且有利于后续的图像融合。     

基于特征匹配的三维点云配准算法

针对当前机器视觉热点研究的配准问题,提出了一种全新的快速点特征直方图(FPFH)特征描述与Delaunay三角剖分相结合的三维点云配准方法。首先采用FPFH综合描述特征信息,通过Delaunay三角网建立特征信息的局部关联性;再根据特征点对的对应关系进行采样一致性初始变换,实现初始配准;最后,根据得到的初值采用迭代最近点法进行精确配准,获得精确转换关系。分别对简单目标物体及复杂目标物体进行配准实验。实验结果表明,将FPFH特征描述与Delaunay三角剖分结合引入传统点云配准,简化了特征提取复杂度,缩小了特征点对匹配的搜索范围,提升了配准精度及速度,实现对目标物体高效配准,对提高机器视觉特征点匹配效率具有一定指导作用。     

基于SIFT算法及阈值筛选的点云配准技术研究

随着三维测量技术应用领域的逐渐拓宽，点云数据处理技术的需求日益迫切，而多视点点云配准，是其中的基础技术环节。在此针对传统ICP算法鲁棒性差、对迭代初值敏感、计算效率低等缺点，提出一种SIFT算法与阈值筛选相结合的点云配准算法。在参考点云和待配准点云中，通过计算SIFT关键点及各点主曲率，获得初始匹配点集；然后根据相似三角形阈值和法向量夹角阈值，进一步优化点对间的旋转平移关系。实验结果证明，相对于传统算法，改进算法能够以更短的时间来获得准确的配准效果，并且其自动化程度高以及能有效提高点云配准的效率和精度。     

一种结合几何相容性分析的谱匹配算法

为了可靠地实现点模式匹配,提出了一种基于谱图理论与几何相容性分析的点模式匹配算法。利用拉普拉斯矩阵的特征向量获得待匹配点集间谱匹配代价的表示;结合以邻近关系表示的几何相容性,定义了一种混合形式的匹配目标函数;给出了基于松弛迭代的求解算法。仿真数据和真实图像上的比较实验表明所给出的方法具有较好的精度与时间性能。     

An Improved Stereo Matching Algorithm for Vehicle Speed Measurement System Based on Spatial and Temporal Image Fusion

This paper proposes an improved stereo matching algorithm for vehicle speed measurement system based on spatial and temporal image fusion (STIF). Firstly, the matching point pairs in the license plate area with obviously abnormal distance to the camera are roughly removed according to the characteristic of license plate specification. Secondly, more mismatching point pairs are finely removed according to local neighborhood consistency constraint (LNCC). Thirdly, the optimum speed measurement point pairs are selected for successive stereo frame pairs by STIF of binocular stereo video, so that the 3D points corresponding to the matching point pairs for speed measurement in the successive stereo frame pairs are in the same position on the real vehicle, which can significantly improve the vehicle speed measurement accuracy. LNCC and STIF can be used not only for license plate, but also for vehicle logo, light, mirror etc. Experimental results demonstrate that the vehicle speed measurement system with the proposed LNCC+STIF stereo matching algorithm can significantly outperform the state-of-the-art system in accuracy.     

基于改进迭代最近点算法的两视角激光雷达数据配准

两视角激光雷达数据配准是空地探测遮蔽目标研究领域中的一项重要内容,迭代最近点（ICP）算法为其提供了理论基础,但遮蔽条件下激光雷达数据的复杂性使ICP算法在对应点确定上面临很大困难。在分析ICP算法基本原理和遮蔽条件下激光雷达数据特点的基础上,从控制点选择、对应点匹配和伪点对剔除三个方面给出了ICP算法的具体应用策略和改进措施,并提出一种基于固定-自适应重叠率的伪点对剔除方法。详细阐述了基于改进ICP算法的两视角激光雷达数据配准的具体步骤,并进行了实验验证。实验结果表明：改进后的ICP算法能够有效实现了遮蔽条件下的激光雷达数据配准,且与其他算法相比,具有较强的稳建性和较高的配准精度。     

Path-independent digital image correlation with high accuracy,speed and robustness

The initial guess transferring mechanism is widely used in iterative DIC algorithms and leads to path-dependence. Using the known deformation at a processed point to estimate the initial guess at its neighboring points could save considerable computation time, and a cogitatively-selected processing path contributes to the improved robustness. In this work, our experimental study demonstrates that a path-independent DIC method is capable to achieve high accuracy, efficiency and robustness in full-field measurement of deformation, by combining an inverse compositional Gauss–Newton (IC-GN) algorithm for sub-pixel registration with a fast Fourier transform-based cross correlation (FFT-CC) algorithm to estimate the initial guess. In the proposed DIC method, the determination of initial guess accelerated by well developed software library can be a negligible burden of computation. The path-independence also endows the DIC method with the ability to handle the images containing large discontinuity of deformation without manual intervention. Furthermore, the possible performance of the proposed path-independent DIC method on parallel computing device is estimated, which shows the feasibility of the development of real-time DIC with high-accuracy.     

基于广义正交迭代算法的立体视觉定位

提出了一种新的基于广义正交迭代算法的立体视觉定位.该算法通过提取CenSurE局部特征和相应的U-SURF描述符,采用SAD方法进行子像素立体匹配,并利用U-SURF描述符匹配进行前后帧图像特征跟踪.在RANSAC框架下对匹配点进行3D-3D运动估计获得了运动参量的初始值.由于3D-3D运动估计使3D点集间欧式距离误差最小,而3D特征点坐标受噪音影响很大,因此运动估计误差也较大.本文把广义正交迭代算法应用到立体视觉定位方法中,得到使立体相机目标空间共线性误差最小的运动估计参量,由于共线性误差比3D-3D运动估计算法中的共点误差受噪音影响更小,从而大大较少了运动估计误差.仿真实验和户外真实实验表明：本文算法获得了较高的计算准确度、鲁棒性和实时性,优于传统方法.     

多探测器拼接成像系统实时图像配准

依据已设计完成的基于同心球透镜的四镜头多探测器阵列拼接成像系统,对该系统图像拼接配准过程所采用的特征检测提取、特征向量匹配与筛选、空间变换模型参数估计等算法进行了研究。首先,采用Fast-Hessian检测子提取参考图像和待配准图像的特征点,并生成加速鲁棒特征(SURF)描述向量。接着,采用快速近似最近邻(FANN)逼近搜索算法获得初始的匹配点对,并对匹配点对特征向量的欧式距离进行排序。然后,参照成像系统光学设计参数设定合理的阈值,筛选并保留下较好的匹配点对。最后,提出了一种改进的渐进式抽样一致性(IPROSAC)算法对空间变换矩阵模型进行参数估计,从而得到参考图像与待配准图像的空间几何变换关系。实验结果表明:该算法对图像尺寸、旋转和光照变化都具有一定的不变性,特征匹配时间为0.542 s,配准变换时间0.031 s,配准误差精度小于0.1 pixel,可以满足成像系统关于图像配准实时性和准确性的要求,具有一定的工程应用价值。