一種基于異構(gòu)投影的三維地形快速精確匹配方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于三維地形匹配領(lǐng)域，具體為一種基于異構(gòu)投影的三維地形快速精確匹配方法。
【背景技術(shù)】
[0002]地形匹配技術(shù)是地形輔助導(dǎo)航的關(guān)鍵技術(shù)之一，它在航空領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，在水下運(yùn)載體的海底地形匹配定位、機(jī)器人導(dǎo)航定位以及陸地車輛導(dǎo)航等方面，也有著廣闊的應(yīng)用前景。
[0003]現(xiàn)有的地形匹配算法很多，國內(nèi)外也一直有人在研究，算法也在不斷的更新改進(jìn)?，F(xiàn)有的方法中，有在高斯曲率圖像中利用高斯曲率最大和最小的點(diǎn)作為特征點(diǎn)進(jìn)行地形匹配的方法。有用歸一化的小波描述符進(jìn)行輪廓的描述和匹配的基于地形輪廓的匹配方法，但是此方法在地形輪廓不明顯等情況不適用。有利用視覺詞典的方法證明直接的2D到3D的匹配方法能提高匹配性能，但是此方法數(shù)據(jù)量太大的話就會影響內(nèi)存，耗費(fèi)的時(shí)間長，匹配過程中沒有進(jìn)行誤描述符的剔除。后來出現(xiàn)了一種基于面特征的三維地形匹配算法，此方法的缺點(diǎn)是如果地形數(shù)據(jù)太大或者地形圖復(fù)雜，匹配的時(shí)間會很長，匹配速度太慢。為此，本發(fā)明提出了一種基于地形正射投影的新的三維地形快速精確匹配方法，充分利用地形的表面特征，很多情形下投影圖之間不是同源的，而是異構(gòu)的圖像。異構(gòu)的圖像缺乏灰度信息，傳統(tǒng)的圖像匹配方法已經(jīng)不適用。本發(fā)明利用直線特征與點(diǎn)特征結(jié)合的方法進(jìn)行投影圖匹配。首先利用直線匹配算法匹配圖像中的同名直線，對同名直線兩兩相交的交點(diǎn)作為虛擬角點(diǎn)，再利用點(diǎn)特征進(jìn)行第二次匹配，剔除誤匹配的直線。對點(diǎn)特征進(jìn)行匹配時(shí)采用的是具有更高匹配精度的改進(jìn)SURF (Speed-up robust features)算法，該算法結(jié)合了 SURF算法、HARRIS 算法和 NCC(Normalized Cross Correlat1n)算法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是提供一種基于異構(gòu)投影的三維地形快速精確匹配方法，以便提高三維地形匹配效率和匹配精度。
[0005]本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的，一種基于異構(gòu)投影的三維地形快速精確匹配方法，其特征在于，至少包括如下步驟:
[0006]步驟I，將原始數(shù)字高程模型地形數(shù)據(jù)格式USGS-DEM轉(zhuǎn)換為數(shù)字高程模型地形數(shù)據(jù)格式 CNSTDF-DEM ；
[0007]步驟2，對步驟I所述地形格式的參考三維地形和待匹配三維地形進(jìn)行正射投影；
[0008]步驟3，根據(jù)步驟2所述的正射投影，對投影圖進(jìn)行匹配，得到投影圖變換參數(shù)，匹配過程采用直線特征和點(diǎn)特征結(jié)合的方法；
[0009]步驟4，根據(jù)步驟3所述的變換參數(shù)，對參考三維地形和待匹配三維地形進(jìn)行匹配并得到匹配結(jié)果。
[0010]所述步驟I，包括如下步驟:[0011 ] 步驟11，打開一個(gè)地形文件；
[0012]步驟12，判斷打開的文件是否為USGS-DEM地形數(shù)據(jù)格式；
[0013]步驟13，如果不是則轉(zhuǎn)到步驟11，如果是則開始讀取數(shù)據(jù)頭；
[0014]步驟14，提取相關(guān)地形文件頭信息；
[0015]步驟15，存儲文件頭信息；
[0016]步驟16，開辟數(shù)據(jù)存儲空間；
[0017]步驟17，讀取數(shù)據(jù)體；
[0018]步驟18，過濾數(shù)據(jù)體的每行的前144個(gè)字節(jié)；
[0019]步驟19，存儲數(shù)據(jù)相關(guān)信息；
[0020]步驟110，結(jié)合存儲的文件頭和數(shù)據(jù)體保存為CNSTDF-DEM地形格式文件；
[0021]步驟111，地形轉(zhuǎn)換完成。
[0022]所述步驟2，包括如下步驟:
[0023]步驟21，打開得到的三維CNSTDF-DEM地形數(shù)據(jù)；
[0024]步驟22，得到地形表面紋理特征；
[0025]步驟23，得到三維地形紋理；
[0026]步驟24，根據(jù)紋理得到地形正射投影圖。
[0027]所述步驟3，包括如下步驟:
[0028]步驟31，對待匹配投影圖和參考投影圖進(jìn)行直線的檢測與匹配，匹配完同名直線后，在待匹配投影圖中將兩兩直線相交的交點(diǎn)作為待匹配投影圖虛擬角點(diǎn)；
[0029]步驟32，在參考投影圖中將兩兩直線相交的交點(diǎn)作為參考投影圖虛擬角點(diǎn)；
[0030]步驟33，對虛擬角點(diǎn)進(jìn)行SURF算法粗匹配；
[0031 ] 步驟34，對虛擬角點(diǎn)進(jìn)行SURF算法精匹配；
[0032]步驟35，通過第一次匹配，得到了參考圖像和待配準(zhǔn)圖像的精確特征點(diǎn)對集合ΦΑΒ，通過ΦΑΒ便可以求取參考圖像和待配準(zhǔn)圖像間的透視變換矩陣H ;
[0033]步驟36，對待匹配投影圖根據(jù)求出的變換矩陣H進(jìn)行變換；
[0034]步驟37，對待匹配投影圖進(jìn)行插值；
[0035]步驟38，變換插值之后得到中間圖像；
[0036]步驟39，獲得參考投影圖和待匹配投影圖；
[0037]步驟310，找出參考投影圖和待匹配投影圖之間的重疊部分作為各自的感興趣區(qū)域，并且根據(jù)重疊區(qū)域大小劃分參考圖像為多塊子區(qū)域。當(dāng)重疊區(qū)域較大時(shí)，子區(qū)域大小為64X64，當(dāng)重疊區(qū)域較小時(shí)子區(qū)域也相應(yīng)的變?。?br>[0038]步驟311，在參考投影圖的子區(qū)域中，以區(qū)域中心為中心，在周圍32X32，即參考圖像子區(qū)域大小的0.5倍鄰域內(nèi)進(jìn)行HARRIS特征點(diǎn)提取，取該區(qū)域中所有HARRIS特征點(diǎn)中R值最大的，即與周圍點(diǎn)最有區(qū)分度的點(diǎn)作為參考投影圖的特征點(diǎn)；如果在32X32鄰域內(nèi)沒有HARRIS特征點(diǎn)，則把子區(qū)域中心作為一個(gè)特征點(diǎn)處理；
[0039]步驟312，當(dāng)所有的參考投影圖特征點(diǎn)提取完后，進(jìn)行NCC算法匹配；
[0040]步驟313，在中間圖像中，以參考投影圖特征點(diǎn)坐標(biāo)為中心的96X96，即參考投影圖子區(qū)域大小的1.5倍鄰域內(nèi)進(jìn)行搜索，記錄相關(guān)系數(shù)和其特征點(diǎn)坐標(biāo)，得到粗匹配點(diǎn)；
[0041]步驟314，在96X96區(qū)域搜索完成后，比較所有記錄的粗匹配點(diǎn)的相關(guān)系數(shù)，選出最大的相關(guān)系數(shù)，進(jìn)行閾值τΝα限定；
[0042]步驟315，如果大于給定閾值TNee，則相應(yīng)坐標(biāo)點(diǎn)作為中間圖像的特征點(diǎn)和參考投影圖特征點(diǎn)的精匹配點(diǎn)；
[0043]步驟316，根據(jù)精匹配點(diǎn)對用最小二乘法進(jìn)行擬合；
[0044]步驟317，求出中間圖像和參考投影圖間的變換矩陣，得到投影匹配的最后變換參數(shù)，完成投影圖匹配。
[0045]所述步驟4，包括如下步驟:
[0046]步驟41，獲取投影匹配完成后得到的變換參數(shù)；
[0047]步驟42，返回到三維地形中，對三維地形進(jìn)行轉(zhuǎn)換；
[0048]步驟43，完成三維地形匹配。
[0049]該方法包括三維DEM (Digital Elevat1n Model)地形數(shù)據(jù)的獲取與轉(zhuǎn)換，對三維地形進(jìn)行正射投影，根據(jù)地形的正射投影再進(jìn)行投影圖匹配。對投影圖進(jìn)行匹配過程中采用直線特征與點(diǎn)特征結(jié)合的方法，在對投影圖進(jìn)行直線檢測并匹配完同名直線之后，找到同名直線兩兩相交的虛擬角點(diǎn)，并計(jì)算出該角點(diǎn)的坐標(biāo)。然后利用改進(jìn)的SURF算法對找出的虛擬角點(diǎn)進(jìn)行匹配，當(dāng)且僅當(dāng)對應(yīng)的角點(diǎn)匹配時(shí)，才認(rèn)為這兩條直線正確匹配。計(jì)算出投影圖之間的變換關(guān)系，再將變換參數(shù)應(yīng)用于三維地形之間的匹配，從而完成整個(gè)地形匹配過程。本發(fā)明利用三維地形投影進(jìn)行匹配，是一種三維地形匹配的新方法。本發(fā)明可以應(yīng)用于無人機(jī)視覺導(dǎo)航中，退化環(huán)境下，有遮擋的情況，針對異構(gòu)的投影進(jìn)行匹配。
[0050]本發(fā)明的有益效果是:充分利用地形的表面特征，對三維地形的正射投影進(jìn)行匹配，提供了一種新的三維地形匹配算法。對于異構(gòu)的地形投影，該算法也適用。改進(jìn)的SURF點(diǎn)特征算法提高了投影匹配的精度。
【附圖說明】
[0051]圖1本發(fā)明流程圖；
[0052]圖2地形數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換流程圖；
[0053]圖3地形投影圖獲?。?br>[0054]圖4改進(jìn)SURF算法流程圖；
[0055]圖5地形匹配過程；
[0056]圖6異構(gòu)投影圖的SURF與改進(jìn)SURF算法結(jié)果。
【具體實(shí)施方式】
[0057]如圖1所示，三維地形匹配的流程圖步驟特征是:
[0058]步驟I，將原始數(shù)字高程模型地形數(shù)據(jù)格式USGS-DEM轉(zhuǎn)換為數(shù)字高程模型地形數(shù)據(jù)格式 CNSTDF-DEM ；
[0059]步驟2，對步驟I所述地形格式的參考三維地形和待匹配三維地形進(jìn)行正射投影；
[0060]步驟3，根據(jù)步驟2所述的正射投影，對投影圖進(jìn)行匹配，得到投影圖變換參數(shù)，匹配過程采用直線特征和點(diǎn)特征結(jié)合的方法；
[0061]步驟4，根據(jù)步驟3所述的變換參數(shù)，對參考三維地形和待匹配三維地形進(jìn)行匹配并得到匹配結(jié)果。
[0062]如圖2所示，所述步驟I，包括如下步驟，其特征是:
[0063]步驟11，打開一個(gè)地形文件；
[0064]步驟12，判斷打開的文件是否為USGS-DEM地形數(shù)據(jù)格式；
[0065]步驟13，如果不是則轉(zhuǎn)到步驟11，如果是則開始讀取數(shù)據(jù)頭；
[0066]步驟14，提取相關(guān)地形文件頭信息；
[0067]步驟15，存儲文件頭信息；
[0068]步驟16，開辟數(shù)據(jù)存儲空間；
[0069]步驟17，讀取數(shù)據(jù)體；