基于多核DSP 的SIFT 角點匹配系統(tǒng)設(shè)計

韓寧,方芳，丁鶴,聶江華,喻小龍

（1.中國航空工業(yè)集團雷華電子技術(shù)研究所，無錫 214063;2.南昌航空大學(xué)，南昌330063）

0 引言

圖像匹配最早是在上世紀(jì)70 年代提出的，當(dāng)時主要用于軍方的飛行器系統(tǒng)和武器導(dǎo)彈等系統(tǒng)中。1981年，Moravec 角點檢測算法被提出，由于此算法的穩(wěn)定性不好，研究學(xué)者又提出了此算法的改良版本Harris角點檢測。在Harris 角點的基礎(chǔ)上，后人又提出了Shi-Tomasi 算法，這個算法改進了得分函數(shù)，使得檢測出來的角點更為具有信息特征。1997 年，F(xiàn)AST 角點檢測算法被提出，正如它名字一樣，它的檢測速度非常的快，但是此算法并不具備描述子描述信息。2004 年，學(xué)者提出了SIFT 角點檢測算法，這個算法在各方面的性能都表現(xiàn)的特別優(yōu)秀。為了優(yōu)化SIFT 算法的速度問題，學(xué)者于2008 年又提出了SURF 角點檢測算法。接著又提出了速度更快，性能更穩(wěn)定的ORB 算法。

隨著數(shù)字信號處理芯片的興起以及FPGA 研究的突破，大量研究者都開始用DSP 和FPGA 實現(xiàn)圖像處理算法。本文設(shè)計了以6000 系列DSP 為平臺，基于SIFT 提取的角點匹配系統(tǒng)，相比于PC，少了體積龐大和功耗高的問題，并且充分利用了DSP 嵌入式系統(tǒng)，大大提高了系統(tǒng)性能。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

系統(tǒng)設(shè)計包括上位機通信程序設(shè)計、DSP 程序設(shè)計和算法程序設(shè)計。

上位機采用TCP/IP 協(xié)議棧可以使用網(wǎng)口進行通信，使用Windows 的Socket 套接字庫即可直接調(diào)用網(wǎng)口通信程序。通過以太網(wǎng)發(fā)送待處理圖像的二進制數(shù)據(jù)，之后接收處理后傳回來的圖像數(shù)據(jù)，最后將這段數(shù)據(jù)保存到本機的文件系統(tǒng)并顯示到操作軟件的界面。

下位機的程序設(shè)計主要包括SYS/BIOS 和NDK。在DSP 初始化BIOS 系統(tǒng)之后，會搭建NDK 環(huán)境，為上位機和DSP 之間搭建小型局域網(wǎng)，并靜態(tài)分配IP 地址和端口號。DSP 接收來自上位機傳來的圖像數(shù)據(jù)后會對圖像數(shù)據(jù)進行算法處理，得到的結(jié)果圖片數(shù)據(jù)又通過NDK 再傳回上位機。

算法程序設(shè)計主要包括了SIFT 角點檢測和角點匹配。SIFT 角點檢測分成兩個部分，先進行算法處理找出這些特征點在圖像中的具體坐標(biāo)，再對這些角點坐標(biāo)計算描述角點的描述子；分別計算兩幅圖像的角點信息之后，比對它們之間的歐氏距離以尋找最佳匹配對，從而完成整個匹配過程。系統(tǒng)總體流程圖如圖1所示：

圖1 系統(tǒng)總體流程

2 SIFT角點匹配

在實際應(yīng)用中，一般都有兩幅圖像計算它的SIFT描述子，原始圖像叫做模板圖像，另一幅圖像稱為待匹配圖像。圖像匹配的目的是為了找出待匹配圖像中與模板圖像中的相同點，即找出模板圖像在待匹配圖像中出現(xiàn)的位置。分別計算出兩幅圖像所有特征點的坐標(biāo)信息和描述子后，就可以通過兩幅圖像的描述子去尋找它們的最佳匹配對，而判斷匹配程度一般使用的是計算兩個描述子之間的歐氏距離。設(shè)兩幅圖像的描述子分別為：

式中：A-模板圖像的描述子向量

B-待匹配圖像的描述子向量

M-模板圖像的特征點數(shù)量

N-待匹配圖像的特征點數(shù)量

為了充分找出匹配對，最簡單的方法便是枚舉法，將模板圖像的描述子去分別與待匹配圖像的描述子去計算。示意圖如圖2 所示。

圖2 枚舉法

計算描述子之間的歐氏距離公式如式（2）所示：

對計算出來的距離按升序排序，得到最小值dmin和次最小值dminor-min。歐氏距離為最小值時，說明這兩個特征點的匹配度是非常高的，但只依據(jù)這個判斷是不夠的。因為不管如何去排序總會有最小值的出現(xiàn)，為了解決這個問題，在SIFT 算法中最小值和次最小值的比例要在一定閾值之內(nèi)才能滿足匹配的要求，判決式如式（3）所示：

3 上位機程序設(shè)計

為了滿足系統(tǒng)功能，設(shè)計了上位機軟件。軟件界面分為配置和圖像顯示兩個模塊。在配置模塊中，可以在電腦文件中選擇模板圖像和待匹配圖像，同時也可以設(shè)置接收圖像的保存路徑；選擇好文件后，可以選擇或輸入要連接的下位機服務(wù)器的IP 地址和端口號；當(dāng)前執(zhí)行進度也可在配置模塊中實時顯示。在顯示圖像模塊中有三個圖像顯示區(qū)域，分別顯示兩幅輸入圖像和一幅輸出圖像，具體軟件界面如圖3 所示。

4 系統(tǒng)測試

在上位機選擇相應(yīng)的測試圖片并設(shè)置相應(yīng)的配置后，點擊執(zhí)行按鈕，執(zhí)行結(jié)果會在界面中顯示，具體效果如圖4 所示。

可以看到，在待匹配圖像中精確地找到了模板圖像的位置，在匹配結(jié)果的17 個匹配對中，匹配正確率為100%，這足以說明此算法的穩(wěn)定性和系統(tǒng)計算的高效性。

5 結(jié)語

圖3 上位機軟件界面

通過一系列優(yōu)化及改進，系統(tǒng)的圖像匹配功能已經(jīng)非常完備了。打開上位機通信軟件，在編輯框輸入下位機IP 地址及端口號，再通過下拉對話框選擇需發(fā)送的圖像數(shù)據(jù)，點擊處理按鈕，系統(tǒng)會通過以太網(wǎng)將需處理的圖像數(shù)據(jù)傳入下位機；下位機接收圖像數(shù)據(jù)后，會讀取圖像使圖像數(shù)據(jù)規(guī)范化以滿足本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)要求，對兩幅圖像分別進行SIFT 角點算法處理，得到大量特征點及信息后，對這些特征點進行匹配，并把匹配結(jié)果通過以太網(wǎng)傳回給上位機；上位機接收到圖像數(shù)據(jù)后，會把結(jié)果存儲到計算機硬盤中，并把結(jié)果顯示到軟件界面以便分析。

圖4 測試結(jié)果