專利名稱：圖像點特征具有旋轉(zhuǎn)不變性的電路實現(xiàn)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種圖像特征匹配領(lǐng)域中，硬件電路結(jié)構(gòu)可以在FPGA或ASIC芯片中實現(xiàn)實時匹配，令點特征具有旋轉(zhuǎn)不變性的電路實現(xiàn)方法。
背景技術(shù)：
隨著圖像采集和傳輸技術(shù)的發(fā)展，對圖像的自動識別受到廣泛關(guān)注。圖像匹配是一種重要的圖像自動識別方法。在進行圖像匹配時，希望能找到一種對平移、縮放、旋轉(zhuǎn)、光 照變化、噪聲等因素保持一定不變性、穩(wěn)定性的圖像局部特征操作數(shù)，從而可以作為匹配景物的重要依據(jù)。點特征匹配的首要任務(wù)就是提取穩(wěn)定的特征，并進行描述。這里穩(wěn)定一詞的含義指的是希望該特征能對旋轉(zhuǎn)、尺度縮放、仿射變換、視角變化、光照變化等圖像變化因素保持一定的不變性，而對物體運動、遮擋、噪聲等因素也保持較好的可匹配性，從而可以實現(xiàn)差異較大的兩幅圖像之間特征的匹配。對圖像變化保持穩(wěn)定的特征描述符稱為不變量，比如對圖像的旋轉(zhuǎn)保持穩(wěn)定的不變量稱為旋轉(zhuǎn)不變量(Rotation Invariant)，對尺度縮放保持穩(wěn)定的不變量則稱為尺度不變量(Scale Invariant)。特征描述符(Featrue Descriptors)指的是檢測圖像的局部特征(比如邊緣、角點、輪廓等)，然后根據(jù)匹配目標的需要進行特征的組合、變換，以形成易于匹配、穩(wěn)定性好的特征向量，從而把圖像匹配問題轉(zhuǎn)化為特征的匹配問題，進而將特征的匹配問題轉(zhuǎn)化為特征空間特征向量的聚類問題。點特征是最重要的局部特征，它是圖像平面內(nèi)亮度沿不同方向變化均顯著的局部極值點。點特征作為圖像中的局部低層特性，其較小的鄰域可以作為基于亮度相關(guān)性圖像匹配方法的特征窗口，這使得它們能夠?qū)D像的幾何、亮度變化以及場景的互相遮擋具有很好的魯棒性，因此適合作為圖像匹配的基元。在具有旋轉(zhuǎn)不變性圖像矩的傳統(tǒng)算法中，必須將圖像的坐標從直角坐標系轉(zhuǎn)換到極坐標系，這種轉(zhuǎn)換不僅會極大地增大計算量，并且會產(chǎn)生明顯的舍入誤差，從而導(dǎo)致以圖像矩為特征的圖像識別誤差率上升。特征提取過程中目標圖像會受到平移、尺度、旋轉(zhuǎn)、光照變化等因素的影響，從而降低識別系統(tǒng)的實用性和準確性?，F(xiàn)有技術(shù)令點特征具有旋轉(zhuǎn)不變性的一般處理方法是，在xy直角坐標系中描述圖像，y軸為垂直方向，X軸為水平方向，坐標系中的每個整數(shù)坐標點對應(yīng)一個圖像像素點。根據(jù)一定規(guī)則選取圖像中的局部極值點(本文中稱關(guān)鍵點)，關(guān)鍵點對應(yīng)圖像中某一個像素位置。定義鄰域圖像是以關(guān)鍵點為中心選取的一小塊圖像或經(jīng)過變換的圖像。變換的圖像可為濾波圖像或梯度圖像等。為令點特征具有旋轉(zhuǎn)不變性，一般需鄰域圖像形狀具有旋轉(zhuǎn)對稱性，即為圓形。根據(jù)一定規(guī)則計算此鄰域圖像中主要紋理的方向，該方向稱主方向。鄰域圖像可能有多個主方向，例如鄰域圖像是一個以關(guān)鍵點為中心的正五角星圖案；也可能沒有主方向，例如鄰域圖像是一個以關(guān)鍵點為中心的圓盤圖案。主方向可以多種表述方式，例如定義主方向角度的具體數(shù)值為該方向同y軸方向的夾角。而后將鄰域圖像旋轉(zhuǎn)某一角度，使得主方向同I軸方向一致，該過程稱主方向歸一化。在旋轉(zhuǎn)后的鄰域圖像中計算關(guān)鍵點的特征向量，能夠使點特征具有旋轉(zhuǎn)不變性。計算特征向量時，通常對不同像素賦予不同權(quán)重，一般是越接近關(guān)鍵點的像素權(quán)重越高。由于主方向是圖像自身的屬性，因此無論原始圖像如何旋轉(zhuǎn)，最后都使鄰域圖像經(jīng)過主方向歸一化后具有相同的朝向，在此基礎(chǔ)上計算的特征向量都不會因為圖像旋轉(zhuǎn)而發(fā)生改變。實現(xiàn)主方向歸一化的一般方法是逐個處理鄰域圖像中的所有像素，根據(jù)主方向角度計算該像素旋轉(zhuǎn)后的坐標位置。設(shè)鄰域圖像半徑為R，其中包含進行Rp個像素。Rp是自然數(shù)，等于對RXRX 取整后的數(shù)值。計算每個像素的旋轉(zhuǎn)坐標需正弦(sin)和余弦(cos)運算各一次。則完成整個鄰域圖像的旋轉(zhuǎn)需要Rp次sin和Rp次cos運算。sin和cos屬于超越函數(shù)，采用CORDIC算法硬件實現(xiàn)時一般需多個時鐘節(jié)拍完成，而且計算精度越高 所需節(jié)拍數(shù)越多。按照一般方法，硬件完成一個關(guān)鍵點的主方向歸一化需RpX2次sin或cos運算，其時間代價無法承受。現(xiàn)有對點特征算法硬件加速的研究，大多集中于濾波和特征點檢測等易于硬件化實現(xiàn)的部分；而對實現(xiàn)復(fù)雜的主方向歸一化等部分鮮有提及。盡管對算法硬件化部分可以實現(xiàn)數(shù)十幀/秒的處理能力，但未硬件化部分的計算量仍然巨大，導(dǎo)致算法整體處理速度未得到顯著提高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對上述現(xiàn)有技術(shù)存在的不足之處，提出一種在圖像匹配中，不受關(guān)鍵點選取規(guī)則影響，能夠避免關(guān)鍵點相鄰像素權(quán)重過高，并能減少鄰域圖像主方向歸一化操作時間耗費和硬件開銷，令點特征計算具有旋轉(zhuǎn)不變性的電路實現(xiàn)方法。本發(fā)明的上述目的可以通過以下措施來達到，一種圖像點特征具有旋轉(zhuǎn)不變性的電路實現(xiàn)方法，其特征在于包括如下步驟(I)在關(guān)鍵點鄰域圖像中建立直角坐標系與極坐標系的對應(yīng)關(guān)系，首先將直角坐標系下對圓形鄰域圖像旋轉(zhuǎn)操作，轉(zhuǎn)換為極坐標系下對矩形鄰域圖像的循環(huán)移位操作；以鄰域圖像中心點為原點建立x-y直角坐標系，每個像素點對應(yīng)直角坐標系中一個整數(shù)坐標點P(x，y);建立Θ軸范圍為(0°，360° )的r-θ極坐標系，與X軸正方向的夾角為
Θ = arctan，每個(r, Θ )即是p點在極坐標系中的坐標；
Vx J 2π(2)設(shè)主方向角度的分辨率為α度，根據(jù)α確定極坐標系Θ軸上的有效數(shù)據(jù)個數(shù)Ν，Ν=360° /α , a取值在5° 45°之間，將鄰域圖像的極坐標系轉(zhuǎn)換為一個NR圖像矩陣；(3)以鄰域圖像的直角坐標系原點為圓心，在直角坐標系中畫出半徑為r(r=l,…，R)的R個同心圓，將360°圓周角等分為N份，畫出N條射線，射線和同心圓的每個交點對應(yīng)極坐標系中NR圖像矩陣的一個有效點，將與該交點距離最近的鄰域圖像像素寫入極坐標系NR圖像矩陣的對應(yīng)位置，即得到以極坐標系方式表示關(guān)鍵點鄰域圖像；(4)將上述每個同心圓覆蓋的圖像環(huán)在其與X軸正方向交點處截斷，并拉伸成一條長為360°的直線段，取整后按r值依次排列在極坐標系中。在極坐標系下，對關(guān)鍵點鄰域圖像的旋轉(zhuǎn)等效為對NR圖像矩陣的移位操作。本發(fā)明相比于現(xiàn)有技術(shù)具有如下有益效果。
本發(fā)明將直角坐標系下對圓形鄰域圖像的旋轉(zhuǎn)操作，轉(zhuǎn)換為極坐標系下對矩形鄰域圖像的循環(huán)移位操作。對全部鄰域圖像的旋轉(zhuǎn)操作通過對圖像數(shù)據(jù)進行移位的硬件并行實現(xiàn)。采用極坐標系下專用硬件并行移位的電路結(jié)構(gòu)實現(xiàn)圖像旋轉(zhuǎn)操作，減少了鄰域圖像主方向歸一化操作的時間耗費和硬件開銷。在極坐標系下，對關(guān)鍵點鄰域圖像的旋轉(zhuǎn)等效為對NR圖像矩陣的移位操作，避免了對所有每個領(lǐng)域圖像像素進行復(fù)雜的sin和cos函數(shù)計算，減少了計算的硬件電路開銷和時間開銷。本發(fā)明的實現(xiàn)方式和效果不受關(guān)鍵點選取規(guī)則的影響。本發(fā)明將圖像鄰域轉(zhuǎn)換為極坐標系，解決了主方向歸一化的并行計算瓶頸，大大提高了算法硬件加速性能。



圖I是本發(fā)明中鄰域圖像轉(zhuǎn)換極坐標系的原理示意圖。圖2是本發(fā)明中鄰域圖像轉(zhuǎn)換極坐標系的硬件結(jié)構(gòu)示意圖。圖3是本發(fā)明中通過對NR矩陣圖像寄存器實施循環(huán)移位實現(xiàn)圖像旋轉(zhuǎn)的硬件結(jié)構(gòu)示意圖。圖中1. RpXRn結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)開關(guān)；2.鄰域圖像寄存器；3共Rn個NR矩陣圖像寄存器；4. NXN結(jié)構(gòu)交叉開關(guān)；5.第O列共R個寄存器；6.歸一化NR矩陣圖像寄存器；7.第η列共R個寄存器。
具體實施例方式參閱圖I。本發(fā)明中圖像點特征具有旋轉(zhuǎn)不變性的電路包含兩個模塊鄰域圖像轉(zhuǎn)換極坐標系模塊和領(lǐng)域圖像旋轉(zhuǎn)模塊。鄰域圖像轉(zhuǎn)換極坐標系模塊實現(xiàn)將鄰域圖像轉(zhuǎn)換為極坐標系下表示。領(lǐng)域圖像旋轉(zhuǎn)模塊將極坐標系中的圖像按照指定角度旋轉(zhuǎn)。鄰域圖像轉(zhuǎn)換極坐標系是在圖像中以鄰域圖像中心點(即關(guān)鍵點)為原點，建立x-y直角坐標系，y軸向上為正方向，X軸向右為正方向，圖像的每個像素點P對應(yīng)直角坐標系中一個整數(shù)坐標點(X，y)，記為P (X，y)，X和y均為整數(shù)。建立r-θ極坐標系，縱軸為r,向上為正方向；橫軸為θ，Θ軸范圍為
, r0>l。
5.如權(quán)利要求I所述的圖像點特征具有旋轉(zhuǎn)不變性的電路實現(xiàn)方法，其特征在于，以直角坐標系原點為圓心，畫出半徑為r (r=l，…，N) N個同心圓和N條射線，這些射線將360°圓周角等分為N份等分角的扇形區(qū)域。射線和同心圓的每個射圓交點由小圓圈標出。
6.如權(quán)利要求5所述的圖像點特征具有旋轉(zhuǎn)不變性的電路實現(xiàn)方法，其特征在于，每個射圓交點對應(yīng)極坐標系中NR圖像矩陣的一個有效像素點；某條射線上的全部交點對應(yīng)NR圖像矩陣的一列像素點。
7.如權(quán)利要求I所述的圖像點特征具有旋轉(zhuǎn)不變性的電路實現(xiàn)方法，其特征在于，在鄰域圖像轉(zhuǎn)換極坐標系的硬件結(jié)構(gòu)中，存儲鄰域圖像數(shù)據(jù)的每個數(shù)據(jù)寄存器，存儲鄰域圖像的一個像素，鄰域圖像共有Rp個像素，則鄰域圖像寄存器共有Rp個數(shù)據(jù)寄存器。
8.如權(quán)利要求7所述的圖像點特征具有旋轉(zhuǎn)不變性的電路實現(xiàn)方法，其特征在于，每個數(shù)據(jù)寄存器，用于存儲NR矩陣圖像的一個像素，NR矩陣圖像共有Rn個像素，則NR矩陣圖像寄存器共有Rn個數(shù)據(jù)寄存器。
9.如權(quán)利要求I所述的圖像點特征具有旋轉(zhuǎn)不變性的電路實現(xiàn)方法，其特征在于，鄰域圖像轉(zhuǎn)換極坐標系是將鄰域圖像寄存器中的Rp個數(shù)據(jù)經(jīng)過數(shù)據(jù)開關(guān)寫入NR矩陣圖像寄存器的過程。
10.如權(quán)利要求9所述的圖像點特征具有旋轉(zhuǎn)不變性的電路實現(xiàn)方法，其特征在于，將圖像數(shù)據(jù)從NR矩陣圖像寄存器，經(jīng)過交叉開關(guān)寫入歸一化NR矩陣圖像寄存器，交叉開關(guān)的狀態(tài)由移位列 數(shù)η控制。
全文摘要
本發(fā)明提出的一種圖像點特征具有旋轉(zhuǎn)不變性的電路實現(xiàn)方法，旨在提供一種在圖像匹配中，不受關(guān)鍵點選取規(guī)則影響，減少鄰域圖像主方向歸一化的電路實現(xiàn)方法。本發(fā)明通過下述技術(shù)方案予以實現(xiàn)(1)將直角坐標系下對圓形鄰域圖像的旋轉(zhuǎn)操作，轉(zhuǎn)換為極坐標系下對矩形鄰域圖像的循環(huán)移位操作；(2)根據(jù)α確定極坐標系θ軸上的有效數(shù)據(jù)個數(shù)N，將鄰域圖像的極坐標系轉(zhuǎn)換為一個NR圖像矩陣；(3)畫出N條射線和同心圓的每個交點對應(yīng)極坐標系中NR圖像矩陣的一個有效點，將與該交點距離最近的鄰域圖像像素寫入極坐標系NR圖像矩陣的對應(yīng)位置；(4)將每個同心圓覆蓋的圖像環(huán)在其與x軸正方向交點處截斷，依次排列在極坐標系中。
文檔編號G06T3/60GK102930505SQ20121032996
公開日2013年2月13日 申請日期2012年9月9日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月9日
發(fā)明者扈嘯, 劉桂芬, 劉怡, 王剛, 黃自力, 高升久 申請人:西南技術(shù)物理研究所