[发明专利]一种快速相机运动下有效匹配特征的方法

说明书

本发明公开了一种快速相机运动下有效匹配特征的方法。本发明步骤如下：步骤1.收缩膨胀效应和特征区块的变形；步骤2.设计一种一元化的变形方法来处理SE效应；步骤3.在特征跟踪过程中，每个受收缩膨胀效应影响的特征区块都会被对应的投影区块所替代。随后我们利用光度误差与几何误差来匹配投影区块与当前帧图像。本发明将颜色和深度信息结合起来，令二维的区块反投影至三维空间中，并通过初始相机运动将其重新投影到下一帧的观测相机上。投影过程使原始区块变形从而获取区块在连续帧之间的外观变化情况，同时通过这些变形的区块能准确简单地实现特征跟踪。

技术领域

本发明属于计算机视觉领域，尤其针对特征匹配，具体涉及一种快速相机运动下有效匹配特征的方法。

背景技术

特征匹配是大部分计算机视觉领域中大部分技术的基础，同时相机定位技术也依赖于特征匹配方法，并且是大量应用的基础，如导航、避障、三维重建等等技术都依赖于当前时刻准确的相机运动状态。快速的相机运动导致了传统的特征匹配方法发生无法有效提取特征、特征匹配错误等问题，其主要原因是由于在快速运动下，彩色相机所获取的彩色图像将产生严重的运动模糊，导致了基于特征描述子的特征点匹配方法无法提取足够数量的有效特征；基于光度值的区块特征匹配方法虽然能很适应图像模糊的情况，但是由于快速的相机运动使得相机在较大的视角差下拍摄相邻两帧的彩色图像，从而导致相邻两帧所提取的区块特征产生较大的纹理区别而无法匹配。

发明内容

本发明的目的是利用现有的消费级RGB-D相机，以彩色图与深度图像作为输入，提供一种快速相机运动下有效匹配特征的方法。

本发明具体按照以下步骤实施：

步骤1.收缩膨胀效应和特征区块的变形

相机移动时，从不同帧的不同角度我们能得到特征块，因此，图像域中的特征面片的二维形状因帧而异。利用快速相机运动下块的三维几何来确定连续图像之间的二维变形。由于块具有不同几何形状和相机运动的不规则性，其可能在连续帧中产生不同程度的变形。

(情况1)如果一个块中的像素深度之间没有显著差异，那么无论相机运动有多剧烈，它的一般形状在两个连续帧中都将保持不变。

(情况2)当相机缓慢移动时，即使块中存在较大的深度差异，它的二维形状仍将保持不变。

(情况3)如果相机移动得很快，光强分布和块的形状都将发生改变。

这些现象中出现的收缩效应和扩展效应，被统称为收缩膨胀效应。

步骤2.设计一种一元化的变形方法来处理SE效应，区块变形过程的细节如附图3所示

从k-1帧中提取的块中的每个像素i都定义为其中p_i表示面片中像素i的图像坐标，I_i，d_i，n_i分别表示像素i的光度值、深度值和三维法向量。我们首先将每个块反向投影到三维世界坐标系中：

在这里，π(·)表示将一个点从三维相机坐标系投影到二维像素域，π^-1(·)代表对其反向操作。T_k-1是帧k-1的相机姿态，它将帧k-1的相机坐标系中的一个三维点转换为世界坐标系，并将其指定为相机坐标系的第一帧。L_i在世界坐标系中，但索引自第k-1帧中的像素i，所以该情况下投影中强度信息不变。P_i和n_i处在世界坐标系下。然后我们将L_i投影到k帧的像素坐标系下，

其中k’表示它被投影到这一帧，而不是最初就处于这一帧。注意T_k是需要计算的量，它将影响投影的二维位置。

投影后，如果P^k-1中两个投影得到的像素恰好在中位于相同的像素坐标，然后我们