建筑物圖像識別系統設計與實現

蔡興泉，柳靜華，2（.北方工業大學計算機學院，北京　0044；2.興唐通信科技有限公司，北京　009）

建筑物圖像識別系統設計與實現

蔡興泉1，柳靜華1，2
（1.北方工業大學計算機學院，北京100144；2.興唐通信科技有限公司，北京100191）

0　引言

隨著信息技術的發展，用戶對信息獲取的方式已經不僅僅局限于文字，人們更希望能夠直接從圖像中獲取其信息，圖像識別技術已經成為圖像處理領域新的研究熱點。建筑物圖像識別屬于其中一個熱門研究方向。有多種技術可以實現建筑物識別定位，比較常見的一種方法是利用全球衛星定位系統（GPS）進行定位。在視野良好的環境中，GPS可以對建筑物實現準確定位；但是在人口稠密區，GPS定位只能達到300米，無法滿足需求。此時僅僅依靠GPS準確識別周邊建筑物是非常困難的。本文主要研究并設計出一款建筑物圖像識別系統，首先利用SIFT算法提取待識別圖像特征信息，并創建圖像特征數據庫；然后利用圖像GPS匹配及圖像特征匹配算法識別建筑物。

1　相關工作

近年來，我國眾多學者對建筑物圖像識別技術有很多研究，但是很少有專門的系統設計實現，在系統設計方面，卻難以在系統的準確率和效率之間找到平衡點。

2012年，李松霖［1］提出了一種基于特征線匹配的城市建筑物識別系統，該系統可以很好地適應移動條件下的建筑物快速識別需求，但是其準確率不高。2012年，董肖［2］提出了一種快速穩健的建筑物圖像識別系統，該系統在建筑物識別上具有很高的準確性，但是沒有兼顧到圖像識別的速度。2013年，齊沁芳［3］提出了一種應用與增強現實系統的建筑物識別算法，該算法可以通過手持設備實時獲得建筑物的相關信息，因為是基于移動應用，系統重點放在加快圖像識別速度上，準確率不高。

在系統設計時，為了兼顧系統的響應速度與識別效率，本文在進行大量研究的基礎上，發現SIFT圖像識別算法，無論在時間復雜度，還是在空間復雜度方面都具有很大的優勢［4-5］，因此本文采用該算法設計建筑物圖像識別系統。

2　建筑物圖像識別系統

為了提高建筑物圖像識別系統對建筑物識別的準確率和效率，本文設計的基于移動設備的建筑物圖像識別系統主要分為四個重要模塊，即圖像特征提取模塊、圖像數據庫創建模塊、圖像特征匹配模塊和圖像數據傳輸模塊。圖像特征提取模塊包括圖像預處理、圖像GPS提取和圖像特征提取三部分，主要用來縮短系統響應時間，為后期圖像匹配做準備；圖像特征提取是指采用SIFT算法提取圖像特征，并保存成XML文件。圖像數據庫創建模塊包括GPS基本信息存庫和特征文件信息存庫兩部分。圖像特征匹配模塊包括GPS匹配和特征匹配兩部分，兩種匹配方式相結合識別出建筑物。

（1）圖像特征提取

首先采用雙線性插值方式縮小待識別圖像尺寸，減少圖像的響應時間；然后提取待識別GPS信息，用戶圖像匹配時縮小數據庫查找范圍；最后利用SIFT算法提取圖像的特征描述算子，客戶端將提取到的特征描述算子存儲為XML特征文件，供下一階段圖像特征匹配使用。

（2）圖像數據庫創建

利用計算機進行建筑物識別首先需要建立建筑物圖像特征數據庫。建立圖像特征數據庫需要搜集帶有GPS信息的建筑物圖像，筆者把北方工業大學等建筑物分別拍攝了不同視角、不同角度、不同鏡頭以及不同光照等條件下的帶有GPS數據的照片；然后對圖像中的GPS基本信息存庫；最后對圖像進行預處理及特征提取，將提取出來的特征信息放到XML特征文件中，并對特征文件、GPS數據、景點信息存庫。

（3）圖像特征匹配

圖像特征匹配包括GPS匹配和特征匹配兩個方面。GPS匹配首先提取待匹配圖像的GPS數據，然后與圖像數據庫中的所有圖像GPS計算距離D，若D<300，那么將圖像作為候選圖像，否則舍棄該圖像。特征匹配是指利用將待匹配圖像與GPS匹配得到的候選圖像集進行特征匹配，并將該結果返回給客戶端。

（4）圖像數據傳輸

圖像數據傳輸是指客戶端與服務器之間的通信。客戶端獲取待識別圖像后，預處理后進行特征提取，提取后的XML特征文件通過Socket數據傳輸方式傳送到服務器端；服務器端將圖像識別結果返回給客戶端。

3　實驗結果與分析

為了驗證本文設計的建筑物圖像識別系統的可行性和有效性，以北方工業大學建筑物為例，實現了該系統。系統的硬件設備為Lenovo臺式機：Intel Core i5 3.2GHz的CPU、4.00GB內存、NVIDIA GeForce 315顯卡；系統軟件環境為Windows 7、VS 2010等。

圖1　系統初始界面

用戶登錄系統后可以看到系統的初始界面如圖1所示。用戶可以通過該界面選擇進行圖像特征存庫操作或者直接進行圖像識別，系統包含客戶端與服務器兩部分，客戶端主要用來識別建筑物，服務器主要用來向數據庫添加模型圖像。

圖2　客戶端特征提取結果界面

圖2展示的是客戶端對圖像進行特征提取的結果界面，主要包含兩部分：圖像特征提取的結果圖像；圖像特征提取的XML特征文件打開路徑及鏈接。

圖3　服務器端特征匹配結果界面

圖3展示的是服務器端對建筑物圖像識別的結果界面，主要包含三部分：客戶端傳輸的圖像特征與數據庫圖像特征GPS匹配結果、最終的特征匹配結果、匹配成功的圖像特征文件打開路徑及鏈接。

4　結語

為了提高建筑物圖像識別系統對建筑物識別的準確率和效率，本文設計的建筑物圖像識別系統主要分為四個重要模塊，即圖像特征提取模塊、圖像數據庫創建模塊、圖像特征匹配模塊和圖像數據傳輸模塊。并且給出了系統模塊的實現及系統運行效果，系統運行效果表明，本文設計的基于移動設備的建筑物圖像識別系統運行效果良好。

進一步研究包括對圖像特征提取算法進行改進，提高系統的響應時間。

［1］李松霖，范海生，陳秀萬.基于特征匹配的城市建筑物識別方法研究［J］.遙感技術與應用，2012，27（2）：190-196.

［2］董肖.快速穩健的建筑物識別算法與系統［D］.華南理工大學，2012.

［3］齊沁芳.應用于增強現實系統的建筑物識別算法的研究與實現［D］.北京郵電大學，2013.

［4］Lowe D.G.Object recognition from local scale-invariant features［A］.Proceedings of the Seventh IEEE International Conference on Computer Vision［C］，1999：1150-1157.

［5］Mikolajczyk K.，Schmid C.A performance evaluation of local descriptors［J］.IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence，2005，27（10）：1615-1630.

Feature Extracting；GPS Matching；Feature Database；Feature Matching

Design and Implementation of Building Image Recognition System

CAI Xing-quan1，LIU Jing-hua1，2
（1.School of Computer Science，North China University of Technology，Beijing 100144；

2.Xingtang Communications Technology Co.，Ltd.，Beijing 100191）

1007-1423（2015）21-0018-03

10.3969/j.issn.1007-1423.2015.21.005

蔡興泉（1980-），男，山東萊蕪人，副教授，博士，研究方向為虛擬現實、數字娛樂等

2015-05-19

2015－07－14

為了更好地提高建筑物圖像識別系統的準確性和效率，采用SIFT算法研究并實現建筑物圖像識別系統。利用SIFT算法提取建筑物圖像特征，并保存XML特征文件；然后創建圖像特征數據庫，保存特征文件信息及圖像的基本信息；最后利用GPS匹配與SIFT特征匹配相結合的方式識別建筑物圖像。實驗驗證表明，該方法是可行有效的。該方法已經應用于實際的項目中。

特征提取；GPS匹配；特征數據庫；特征匹配

北京市人才強校行動計劃項目（No.2015NCUT008）、北京市教委教學專項（No.15010）

In order to better improve the accuracy and efficiency of the building image recognition system，focuses on researching and completing the building image recognition system with SIFT.Extracts the features of images with SIFT algorithm，and saves the features into XML file.Creates the image feature database which saves the base information and feature information of image.Uses GPS matching method and feature matching method to complete the image recognition.Provides the experiments results.The experiment results prove that the method is feasible and valid，and it has been used in the practical application.