基于不变特征的图像配准方法研究与应用.doc

厦门大学博士后学位论文基于不变特征的图像配准方法研究与应用姓名：李玲玲申请学位级别：博士后专业：基础数学指导教师：李翠华;曾晓明20081201 ，猻 篒， 厦门大学博士后研究工作报告著作权使用声明作者签名：月日导师签名：衬曛聄日 目前在图像的配准方面已开展了许多研究工作，提出了多种图像配准方法。但是在实际应用中，作者发现所获得的不同传感器的图像往往存在尺度变化很大，有较大的旋转角度和畸变等大失配情况。另外，对于异质传感图像，会出现在一幅图像中出现的特征可能在另一幅图像中部分或不出现，一个图像上的多个灰度值对应另一个图像上单一灰度值等现象。现有的配准算法在这些实用场合下，要么失败要么效率非常低，所以，作者拟进一步深入研究适用于大适配多传感器图像的高性能配准算法并探讨其在图像融合中的应用。 基于不变特征的图像配准方法研究及应用图像配准研究现状企业甚至有自己的工作组专门研究医学图像配准问题。当前已有一些成型的图像软件包等，这些软件第二类是基于傅氏变换的图像配准方法【】，该类方法只适合配准灰度有线性图像。 基于不变特征的图像配准方法研究及应用本报告课题主要来源于：合关键技术研究”鞒；本报告的内容安排第三章基于互补不变特征匹配的图像配准。提出了一种基于和互补特征匹配的多传感器图像自动配准方法。该算法利用在目标识别和匹配方面取得了显著进展的和不变特征，利用近邻比和距离的仿射不变性实现特征匹配，进而实现大失配图像的配准。在保证亚像素配准精度的同时，能够较快地实现大失配图像的自动配准。 基于不变特征的图像配准方法研究及应用 ，工，少，图像配准就是寻找参考图像和待配准图像之间的变换参数。图给出了一个 参考图像空间几何变换函数，可用空间变换模型进行描述，是所有配准技术必需考虑 投影变换为待配准图像和参考图像中对应的两点则它们之间满足以下关系：经过刚体变换，图像上的物体的形状和相对大小保持不变。瑇琞。三；篯。， 一口一仃本章小结 图像配准方法主要有基于区域的、基于傅氏变换的、基于特征的方法和综合几种方法的混合方法。基于特征的图像配准方法因为具有较快的速度，能适应不同传感器及较大适配图像配准的需要，有良好的发展前景和应用前途。本章首先对目标识别等领域受到关注的不变特征进行讨论。然后详细讨论了我们提出的基于和互补不变特征匹配的多传感器图像自动配准方法。不变特征因其具有的重大应用价值，引起了国内外研究者和研究机构的广泛大学智能计算实验室【】，该实验室开展了局部仿射不变特征提取方面的工作，其研究成果已用于目标识别、全景图拼年开始进行几何不变性方面的研究，提出了一种具有完全仿射不变性的特征提取利用尺度空间的性质，提出了一种尺度不变特征点的检测方 利方法寻找局部极大值点，然后以极大值点为中心向四周沿径向搜索极小值，连接极小值点围成的区域即为一个仿射不变区域， 以仿射不变区域作为特征区域，在特征区域内提取矩特征作为不变特征。这是一种具有完全仿射不变性的局部不变特征提取方法，不足之处在于噪声对初始极大值的选择以及边界上的极小值的定位均有较大影响。这种方法将全局不变特征构造的思想引入到局部不变特征提取中，从而为全局和局部不变特征提取方法的结合提供了新思路。甅提出了一种最大稳定极值区域概念的方法【】等。还有许多方法专用于解决区域内信息描述问题，如方向可调滤波器 尺度、旋转变大学尺度、旋转变尺度、旋转变特征量区分能力较好具有完全仿射不变性，易受噪声干扰，特征区分度小具有完全仿射不变性，易受噪声干扰，特征区分度小形状上下文 基于不变特征的图像配准方法研究及应用基于要步骤：准用特征集。图像到参考图像映射函数;缓的参数值。适当的内插技术估计出来。参考图像意之和互补不变特征检测与描述 特征检测算法然后在邻域中选最优点。实验表明，在纹理信息丰富的区域算子可以提取而在纹理信息少的区域， 提取的特征点则较少。 基于不变特征的图像配准方法研究及应用生成尺度空间图像：三，为高斯函数，俐为其中，三：尺度空间图像；：图像在较虻钠郑坏海和枷袢赮方 向的偏微分：撼叨龋簅是跨尺度的归一化拉普拉斯函数，左边图像特征尺度为 基十不变特的刚像日方說究血用然后，对于每个侯选点，采用迭代法确定特征点及其特征尺度。具体步骤如下：索范围内获得局部极值，如果不能获得极值，则舍弃该点。尺度搜索范围限定为： 变换。分别使用矩阵吖一”和一“把像素坐标：蚗。进行变换，得到归一化的区域，它们之间通过一个旋转矩阵彼此联系。 懋确仿射门一化的源图像算该位鼍在原始图像域对应的位置，作为检测到的特征： 当矩阵充分得近似为旋转矩阵，或其特征向量和基本相等时，怪的特征纭。莨樗惴玫降牡愫拖煊姆律淝颍使用估计矩阵得到的归一化点邻域 这些过程将图像数据变换到了一个尺度不变性的特征点上，可以从不同尺度和位置来稠密的对图像进行覆盖，能在多种场景中提取并匹配特征点，以下就对这种方法每个步骤进行分析。尺度空间极值求取 其中琘，仃虶，琸A诮叨雀咚购耍琸为常数。在图中，本报告中。取，在图中第二组中的第一层图像的滤波因子 赫十十娈特征目像“女法研究厦用脏”“。罔的构建好的提取出图像特征点。原始图像和开始刳像 幽籎极值点榆删特征点定位 。甏凳我们知道的卣驢为：熙：虹些：丝丝：世 值大于，则认为该点是位于边缘而被过滤掉。特征点方向确定，坛禸，一妒目瑈旺琘一，一，一， 首先将坐标轴旋转为关键点的方向，以确保旋转不变性。靠近关键点的像素梯度方向信息贡献越大缓笤诿男】樯霞扑个方向气蓬呻描述子生成 最近邻特征点是指用不变的特征点描述符进行运算的与样本点具有最短欧几里德距离的特征点。次近邻特征点是指具有比最近邻距离稍长的欧几里德距离的特征点。通过最近邻与次近邻比值来进行特征点的匹配可以取得很好的效果，因为正确的匹配应该比错误的匹配有着明显的最短最近邻距离，从而达到稳定的匹配。对于错误的匹配，在特征点空间高维度的相同距离内可能还有其他的错误匹配存在，这样本报告可以将次近邻匹配作为在这一部分特征点空间对错误匹配密度的估计。则认定两个不变特征是匹配的。 瓺树搜索算法是二叉检索树的扩展，瓺树的每一层将空间分成两个。树的顶层结点按一维进行划分，下一层结点按另一维进行划分，以此类推，各个维循环往复。划分要使得存储在子树中大约一半的结点落入一侧，而另一半落入另一侧。当一个结点中的点数少于给定的最大点数时，划分结束。瓺树搜索算法大部分时间花费在检查结点上，并且对高维空间搜索效率降低。如果通过限制瓺树中叶子结点数，对叶结点设一个最大数目可以缩短搜索基础上用一个优先级队列实现以结点和被查询结点距离递增的顺序来搜索结点，结点和被查询结点的距离是指它们之间的最短距离。当沿一个方向的分支搜索一结点时，优先级队列会被加入一个成员，该成员记录了该结点相关的信息，包括当前结点在树中的位置和该结点与被查询结点之间的距离。当一个页结点被搜索到后，从队列的队首删除一项，然后再搜索包含最近邻结点的其它分支。 基于不变特征的图像配准方法研究及应用，蚴蚆，册。骸。，少：。畗之间的一， 基于不变特征的图像配准方法研究及应用，蚆，算法采用全局仿射变换作为图像配准的空间变换模型。两幅图像中匹配的特 基于不变特征的图像配准方法研究及应用，韂唬停鴕，实验结果与分析 较大光照差异和较大旋转的同传感器航空图像配准实验 基十涮馗住弈肯馝准方浊究肚戊用大尺度变化的可见灯红外图像配准实验， 一为了便于比较，本报告采用与文献【删中相同的精度计算方法和实验图像。该。采用本报告所提， 笨于变特缸的幽像挤椒縡究肚廊月鬃嘞鋈雾蛋结果。 基于不变特征的图像配准方法研究及应用 变换变换是一种真正意义上的图像二维表示方法，具有良好的多分辨率、局部化和方向性等优良特性。它将小波的优点延伸到高维空间，能够更好地刻画高维信息的特性，更适合处理具有超平面奇异性的信息。继承了变换的各向异性尺度关系，是解决二维或更高维奇异性新的工具。但是与不同的是，它是直接定义在离散域的一种数字信号处理方法，其算法的实现要比变换的算法简单的多。而且现在也有从泛函领域讨论连续或离散基逼近性能的文章，使得变换的理论体系日趋完善。变换能准确地将图像中的边缘等几何结构信息捕捉到不同尺度和不同方向的子带中，能够获得对图像平滑区域和边缘部分的稀疏表达，理论分析表明，琋。该变换通 变换的最终结果是用类似于线段的基结构来逼近 变换对曲线的表示。向信息。 弱艇笠：銎。匕二盏二相对于小波变换，变换可以更好地描述图像中的曲线奇异性，但 图框架结构图和频域分解图：腘蚣芙峁谷缤迹频域分解图经分析滤波后的下采样槿以及综合滤波前的上采样逯，而改为对相应的滤波器进行上采样，再对信号进行分析滤波和综合滤波。这种算法类似小波变换算法。由于没有上采样和下采样，所有的分解子带都和源图像的大小相同，从而使获得平移不变性。同时，具有多尺度几何分析的稳定性以及方向性和各向异性的特点。域图像融合算法 基于不变特征的图像配准方法研究及应用目前，广为采用的融合规则可概括为基于像素和基于邻域特征的融合规则。由人类视觉系统特性可知，人眼对单个像素的灰度取值并不敏感，图像清晰与否是由区域内像素共同体现的。因此基于像素的规则存在一定的局限性。基于邻域特征的规则是将某位置处邻域的方差、能量、梯度等特征作为一种测度来指导该位置处的系数选取。目前较为常用的融合算子一般为低频部分采取平均或加权平均算子，高频部分采取绝对值最大算子。对低频部分采用平均或者加权平均算子的策略必将损失一部分可见光图像的光谱信息，使融合图像的光谱信息逊色于可见光源图像。为获得视觉特性更佳、细节更丰富突出的融合效果，提出了一种基于邻域特征的融合规则及融合算子： 其中阳，矽，砂欤一撕矽】钟伽，砂，曰向，以躵沏，圳阳，圳。仂，胛其中，歉你兄担。籵觯琒它啦跸仇砂，在层口方向像素位置伽，彬处带通方向子带的系数值。 其中，行频率和列频率分别定义如下 基于不变特征的图像配准方法研究及应用 本报告所做的主要研究工作 换模型。贐摹捌浜拖灾匀诤纤阕的基础上，改进了融合规则。未来发展方向高特征匹配准确率。 基于不变特征的图像配准方法研究及应用 基于不变特征的图像配准方法研究及应用篴甖琂甀馆，琂甖甌，： 瓼瓸現珹，：倪国强，刘琼多源图像配准技术分析与展望光电工程，縅琓瓵 猻琹 基于不变特征的图像配准方法研究及应用甈瓺縍甋琈甅痳痑痙縆珻，緿甀篜 瓵甀篜琍 基于不变特征的图像配准方法研究及应用 甀篜 猧，甀篜琑縆珻甀 【】甅，瓹琈琓甋 基于不变特征的图像配准方法研究及应用，縁珹甅：【】甅畃瓸瓺】【】 基于不变特征的图像配准方法研究及应用縈甋甀縓甈琈瓺珻甈，【甈琈瓺珻甈，论文】山东大学图书馆，【】甊： 甌，： 基于不变特征的图像配准方法研究及应用型微型计算机系统，甌 基于不变特征的图像配准方法研究及应用时光荏苒，日月如梭，弹指间二年多的博士后生涯又近尾声，回首厦大求学学术上能有所成就，才不负先生们的谆谆教诲和殷切希望。还要衷心感谢刘丽老师对我工作、学习和生活方面的关心、鼓励和支持。谢数学学院的林亚南院长、赵俊宁院长、程立新副院长和高春玲老师、林智雄老师，博士后管理办公室罗俊峰老师等，他们在我的博士后研究期间提供了大量的帮助和支持，让我能够安心从事研究。他们平易近人的工作作风，是我一生中学习的榜样。同窗数载，与诸位同门间的情谊也时常萦绕于胸。在此我要感谢实验室的曲延云师姐，感谢她在工作和生活上给予的帮助；感谢杜晓凤师妹、金泰松、施华师弟，学术上的交流和切磋为我提供了大量有用的资料。