LSD井下視頻圖像線特征匹配算法改進(jìn)

毛昕蓉，楊興林，張小紅，韓曉冰

（西安科技大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院，陜西 西安 710054）

0 引 言

隨著計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)的飛速發(fā)展，高精度的圖像匹配在目標(biāo)識(shí)別[1-3]與視覺(jué)[4-7]SLAM等領(lǐng)域中被廣泛的應(yīng)用。常見(jiàn)的圖像特征提取匹配算法可以分為2類，一類為基于點(diǎn)特征的圖像特征提取匹配算法[8-11]，另一類為基于線特征的圖像特征提取匹配算法[12-14]。

基于點(diǎn)特征的圖像特征提取匹配算法作為現(xiàn)今的主流算法，一直都是研究熱點(diǎn)，但是其在光照不足，弱紋理環(huán)境中，存在圖像特征匹配率較低的問(wèn)題，進(jìn)而降低視覺(jué)SLAM的精度。故而產(chǎn)生基于線特征的圖像匹配算法，例如WANG等利用SIFT（Scale Invariant Feature Transform）特征匹配算法的鄰域位置劃分思想，提出均值標(biāo)準(zhǔn)差直線描述子MSLD（Mean-Standard Deviation Line Descriptor），并將其應(yīng)用在曲線匹配中[15]，但是該方法容易產(chǎn)生邊界誤差。為克服這一問(wèn)題，在FAN等提出的依據(jù)樣本亮度序的子區(qū)域劃分方法的基礎(chǔ)上[16]，WANG等提出基于亮度序的均值標(biāo)準(zhǔn)差描述子IOMSD（Intensity Order Mean-Standard Deviation Descriptor）[17]和基于亮度序列的曲線描述子IOCD（Intensity Order Curve Descriptor）[18]，該方法極大地提高圖像匹配率。劉少剛等改進(jìn)動(dòng)態(tài)閾值分割合并算法，與固定閾值算法相比，提高直線擬合的精度[19]。劉肅艷等提出一種結(jié)合同名點(diǎn)和極線約束的近距離圖像線匹配算法，結(jié)果表明，該算法得到的直線匹配結(jié)果更加可靠[20]。朱紅等提出一種基于直線重合相似度的近距離圖像直線匹配算法，算法使用SIFT算子對(duì)同名點(diǎn)進(jìn)行匹配，并使用RANSAC（Random Sample Consensus）算法對(duì)匹配進(jìn)行優(yōu)化，能有效地減少計(jì)算量，具有良好的魯棒性[21]。傅丹等提出一種基于極線約束和RANSAC算法的圖像匹配方法，該算法有效地解決部分遮擋圖像中的直線匹配問(wèn)題[22]。王競(jìng)雪等以LSD算法提取的直線段作為匹配基元，利用SIFT匹配得到的同名點(diǎn)構(gòu)造同名三角形網(wǎng)絡(luò)約束來(lái)確定候選直線，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，其匹配率得到了極大的提高[23]。

目前較流行的線特征匹配算法為L(zhǎng)SD線特征匹配算法，但是基于井下特殊環(huán)境，現(xiàn)有的LSD線特征算法的誤匹配較大，無(wú)法在井下環(huán)境中實(shí)現(xiàn)高精度的特征匹配。故而針對(duì)該問(wèn)題，在LSD線特征提取匹配算法的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)。即首先對(duì)攝像頭采集的井下視頻圖像進(jìn)行圖像幀提取，然后對(duì)提取的圖像幀進(jìn)行圖像增強(qiáng)，其次對(duì)增強(qiáng)后的圖像幀進(jìn)行Canny邊緣提取，最后對(duì)提取Canny邊緣信息后的圖像幀進(jìn)行LSD線特征提取匹配，并計(jì)算匹配率。

1 改進(jìn)算法

由于現(xiàn)有線特征提取匹配算法在井下存在誤匹配較大，無(wú)法適應(yīng)井下環(huán)境，故而進(jìn)行改進(jìn)，首先利用攝像頭采集井下環(huán)境的視頻圖像，并提取視頻圖像的視頻幀，然后進(jìn)行圖像增強(qiáng)，對(duì)增強(qiáng)后的圖像幀進(jìn)行Canny邊緣提取，最后對(duì)提取Canny邊緣信息后的圖像幀進(jìn)行LSD線特征提取匹配，并計(jì)算匹配率，改進(jìn)算法流程如圖1所示。

圖1 算法流程Fig.1 Process of algorithm

1.1 圖像增強(qiáng)

由于井下環(huán)境中光照不足，通過(guò)攝像頭采集的井下視頻圖像質(zhì)量不高，模糊不清，無(wú)法提取出足夠的特征點(diǎn)，從而降低匹配率。因此，改進(jìn)算法首先將通過(guò)攝像頭采集的視頻圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行圖像幀提取，再將提取的圖像幀進(jìn)行圖像增強(qiáng)。其流程如圖2所示。

圖2 圖像預(yù)處理算法流程Fig.2 Process of image preprocessing algorithm

1.1.1 對(duì)比度亮度增強(qiáng)

圖像對(duì)比度是指圖像明暗區(qū)域中不同亮度層級(jí)的測(cè)量，其差異范圍越大代表對(duì)比越大，反之則表示對(duì)比越小。對(duì)比度越大，圖像越清晰；反之，則模糊不清。故而，高對(duì)比度在圖像的清晰度、細(xì)節(jié)表現(xiàn)等方面被廣泛的應(yīng)用。

而圖象亮度是指圖像的明亮程度，在RGB圖像中，亮度體現(xiàn)為每個(gè)點(diǎn)的像素值的大小，像素值越大，亮度越高，對(duì)比度亮度增強(qiáng)計(jì)算見(jiàn)式（1）。

gi,j=α·f（i,j）+β,α>0

（1）

式中f（i，j）為源圖像像素；g（i，j）為輸出圖像像素；i和j為像素位于第i行和第j列；α為系數(shù)乘以源像素值，其會(huì)擴(kuò)大最大像素值和最小像素值之間的差異，從而提升對(duì)比度；β為加數(shù)，可以直接增大源像素值，提升亮度。

因此，經(jīng)過(guò)圖像對(duì)比度亮度增強(qiáng)后的結(jié)果如圖3所示。

圖3 對(duì)比度亮度增強(qiáng)結(jié)果Fig.3 Result of contrast and brightness enhancement

由圖3可知，經(jīng)過(guò)圖像對(duì)比度亮度增強(qiáng)后，得到的運(yùn)行結(jié)果明顯優(yōu)于原始圖像，但其依舊存在圖像模糊的情況，例如圖3中左側(cè)防護(hù)墻壁上的防護(hù)網(wǎng)依舊很模糊，故而，改進(jìn)算法將增強(qiáng)后的視頻圖像幀進(jìn)行對(duì)數(shù)變換。

1.1.2 對(duì)數(shù)變換

對(duì)數(shù)變換通過(guò)對(duì)圖像的低灰度值進(jìn)行部分?jǐn)U展，從而達(dá)到強(qiáng)調(diào)圖像低灰度部分的目的，其計(jì)算見(jiàn)式（2）。

f（i,j）=Aln[|g（i,j）|+1]

（2）

式中 （i，j）為視頻圖像的像素點(diǎn)；f（i，j）為輸出圖像的像素灰度值；g（i，j）為輸入圖像的像素灰度值；A為強(qiáng)度參數(shù)，主要用于變換陰影特征提升的動(dòng)態(tài)范圍，將動(dòng)態(tài)范圍變換到一個(gè)合適的區(qū)間，以顯示陰影區(qū)域更多的細(xì)節(jié)。

經(jīng)過(guò)對(duì)數(shù)變換后的運(yùn)行結(jié)果如圖4所示。

圖4 對(duì)數(shù)變換結(jié)果Fig.4 Result of logarithmic transformation

由圖4可知，經(jīng)過(guò)對(duì)數(shù)變換后的圖像幀清晰度大幅度提升，為后續(xù)Canny邊緣提取打下了基礎(chǔ)。

1.2 Canny邊緣提取

對(duì)視頻圖像幀進(jìn)行圖像增強(qiáng)后，進(jìn)行邊緣特征信息提取，常見(jiàn)的圖像邊緣特征提取算子有很多，例如，Sobel算子，Laplacian算子和Canny算子等。其中Sobel算子和Laplacian算子存在邊緣定位精度不夠和對(duì)噪聲干擾敏感等問(wèn)題，而Canny算子相較于Sobel算子和Laplacian算子，其不易受噪聲干擾且邊緣定位精度較高，故而改進(jìn)算法選用Canny算子進(jìn)行邊緣特征檢測(cè)。

Canny算子為1986年，CANNY在其碩士論文中提出的邊緣檢測(cè)算子[24]，該算子具有良好的性能，故而基于Canny邊緣檢測(cè)的流程如下。

1）對(duì)原始圖像幀進(jìn)行圖像變換，再通過(guò)高斯濾波（見(jiàn)式（3））方法進(jìn)行平滑去噪，從而得到無(wú)噪聲圖像，其中δ是標(biāo)準(zhǔn)差，用來(lái)控制圖像平滑程度[25]。當(dāng)δ較小時(shí)，能夠準(zhǔn)確確定邊緣位置；反之，則會(huì)丟失部分信息，增加運(yùn)算量，故而要適當(dāng)選擇平滑參數(shù)[26]。

（3）

2）通過(guò)一階偏導(dǎo)算子求出水平Gx和垂直Gy的偏導(dǎo)數(shù)，并求出圖像灰度的梯度幅值G和方位角度θ，計(jì)算見(jiàn)式（4）。

（4）

3）抑制步驟2）中的梯度幅值極大值，并尋找局部最大值。

4）設(shè)定2個(gè)閾值T1和T2進(jìn)行驗(yàn)證，驗(yàn)證流程如圖5所示。

圖5 閾值驗(yàn)證流程Fig.5 Process of threshold verification

在原圖中利用高低閾值得到2幅閾值圖像，其中，低閾值圖像中存在的邊緣信息比高閾值的圖像多，此外，將得到的2幅閾值圖像進(jìn)行連接即可得到邊緣檢測(cè)結(jié)果。故而，經(jīng)過(guò)Canny邊緣提取后的運(yùn)行結(jié)果如圖6所示。

圖6 Canny邊緣提取結(jié)果Fig.6 Result of Canny edge extraction

由圖6可知，經(jīng)過(guò)Canny邊緣提取算法對(duì)井下視頻幀圖像進(jìn)行提取后，井下視頻圖像幀的邊緣信息被提取出來(lái)，為后續(xù)線特征提取打下了基礎(chǔ)。

1.3 LSD特征提取匹配

LSD線特征算法通過(guò)計(jì)算每一個(gè)像素對(duì)應(yīng)的水平線的角度得到一個(gè)level-line場(chǎng)。例如，單位向量場(chǎng)是所有向量點(diǎn)與基點(diǎn)之間的水平切線，因此該場(chǎng)被劃分為多個(gè)區(qū)域，這些區(qū)域可以通過(guò)共享同一水平線的角度連接。這些連接的區(qū)域可以成為線段的支持區(qū)域。每條線段的支撐區(qū)域是實(shí)際線段的候選區(qū)域，符合相關(guān)關(guān)系的集合對(duì)象與這些候選區(qū)域相關(guān)。對(duì)于這些線段，其支持區(qū)域最重要的慣性軸是矩形框的方向，其大小剛好覆蓋整個(gè)區(qū)域。

最小邊界矩形框上像素的水平角度小于矩形框的角度稱為對(duì)齊點(diǎn)。計(jì)算矩形框中的所有像素點(diǎn)和對(duì)齊點(diǎn)的數(shù)量，以驗(yàn)證矩形框是否已被檢測(cè)為直線段，并確定其是否為直線段。

從上面線段的候選區(qū)域中，對(duì)齊點(diǎn)的個(gè)數(shù)是最優(yōu)的點(diǎn)集合。因此，定義一個(gè)假設(shè)，即在對(duì)立模型中，當(dāng)線段區(qū)域有多個(gè)對(duì)齊點(diǎn)時(shí)，該線段區(qū)域被視為一個(gè)線段。對(duì)于一副圖像i和一個(gè)矩形r，記k（r，i）為對(duì)齊點(diǎn)的數(shù)量，n（r）為矩形r內(nèi)的總像素?cái)?shù)。計(jì)算見(jiàn)式（5）。

Ntest*PH0[k（r,I）≥k（r,i）]

（5）

式中Ntest為矩形的數(shù)量；PH0為針對(duì)逆向模型的一個(gè)概率；I為H0模型下隨機(jī)圖像。

在將線特征通過(guò)LSD算法提取后，需要對(duì)其進(jìn)行特征匹配，剔除誤匹配，從而提高匹配率。改進(jìn)算法首先通過(guò)漢明距離進(jìn)行特征匹配，然后設(shè)定相鄰兩特征最小距離為30，并計(jì)算相鄰兩特征的距離，若該距離小于最小距離的2倍，則為正確匹配，反之則為誤匹配，最后計(jì)算匹配率。具體流程如圖7所示。

2 改進(jìn)算法實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)源為攝像頭采集的西安科技大學(xué)煤礦井下實(shí)訓(xùn)中心模擬礦道視頻圖像，并在Unbuntu 16.04上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。在實(shí)驗(yàn)中，首先對(duì)攝像頭采集的視頻圖像進(jìn)行圖像幀提取，再對(duì)圖像幀進(jìn)行圖像增強(qiáng)，其次通過(guò)Canny邊緣提取算法進(jìn)行視頻幀邊緣提取，然后對(duì)攜帶邊緣信息的圖像幀進(jìn)行LSD線特征提取，最后進(jìn)行特征匹配，其中，改進(jìn)算法改進(jìn)和原始算法的匹配結(jié)果如圖8和圖9所示。

圖7 LSD特征提取匹配流程Fig.7 Process of LSD feature extraction matching

圖8 改進(jìn)算法匹配結(jié)果Fig.8 Result of improved algorithm matching

由圖8和圖9匹配結(jié)果可知，原始算法匹配結(jié)果中存在的誤匹配對(duì)在改進(jìn)算法中均已被剔除，且其提取的線特征相較于原始算法更多，故而改進(jìn)后的算法較原始算法更優(yōu)。此外，在實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證過(guò)程中，對(duì)攝像頭采集的井下視頻在改進(jìn)算法和原始算法上分別進(jìn)行了300幀的特征匹配，文中對(duì)前40幀進(jìn)行分析，匹配結(jié)果見(jiàn)表1和表2。

表1 改進(jìn)算法前40幀特征匹配匹配率

由表1和表2可知，改進(jìn)算法在連續(xù)前40幀井下圖像特征匹配中，匹配結(jié)果明顯高于原始算法，且改進(jìn)算法提取的線特征也多與原始算法提取的線特征，故而，對(duì)其進(jìn)行了對(duì)比，結(jié)果見(jiàn)表3。

由表3可知改進(jìn)算法明顯優(yōu)于原始算法，連續(xù)前40幀井下視頻匹配過(guò)程中其匹配率有34次都為100%匹配，其余2次也都達(dá)到97%以上，而原始匹配算法最高匹配率只有95%。此外，對(duì)實(shí)驗(yàn)中連續(xù)300幀匹配結(jié)果進(jìn)行取平均，并再次進(jìn)行對(duì)比，對(duì)比結(jié)果見(jiàn)表4，如圖10所示。

由表4和圖10可知，改進(jìn)算法對(duì)連續(xù)300幀井下圖像的平均匹配率為99.88%，而原始算法的平均匹配率只有88.42%，其匹配率較原始算法提高了11.46%，可以為后續(xù)視覺(jué)SLAM在井下環(huán)境工作提供一定的參考。

表2 原始算法前40幀特征匹配匹配率

表3 連續(xù)前40幀井下圖像匹配率對(duì)比

表4 連續(xù)300幀圖像平均匹配率

圖10 連續(xù)300幀圖像平均匹配率Fig.10 Average match rate of 300 consecutive frames of images

5 結(jié) 論

1）改進(jìn)了LSD特征提取匹配算法。利用圖像對(duì)比度亮度增強(qiáng)算法和Canny邊緣提取算法，實(shí)現(xiàn)井下環(huán)境的高精度圖像特征匹配，為井下圖像特征提取匹配提供了一種新方法。

2）改進(jìn)的LSD井下視頻圖像線特征提取匹配算法具有更高的匹配精度。相較于原始算法，改進(jìn)算法在連續(xù)300幀井下視頻圖像線特征匹配結(jié)果中，其匹配率提升11.46%。

3）改進(jìn)的LSD井下視頻圖像線特征提取匹配算法后續(xù)可以使用在井下無(wú)人巡檢機(jī)器人上，也為視覺(jué)SLAM在井下環(huán)境中的應(yīng)用提供一定的參考。