[发明专利]一种透视变换模型下的宽基线影像直线匹配方法

说明书

本发明公开了一种透视变换模型下的宽基线影像直线匹配方法，其步骤包括：1)以大地水准面作为物方平面，找出相机像方平面与物方平面之间的透视变换关系，即透视变换矩阵；2)根据所述透视变换矩阵，将原始影像投影至物方平面上，得到消除所述原始影像透视变形效应后的正形影像；3)对得到的所述正形影像进行线段匹配；然后将得到的匹配线段通过所述透视变换矩阵逆变换至所述原始影像上，获取所述原始影像中的匹配线段对。本发明匹配出的线段在数量和正确率上都能得到极大的提升，同时效率基本没有损失。

技术领域

本发明涉及一种透视变换模型下的宽基线影像直线匹配方法，特别是关于一种基于透视变换模型下的宽基线影像线段匹配方法。

背景技术

线特征匹配是实现图像匹配的常用算法。线段匹配在虚拟现实(VR)、机器导航、遥感测绘测量中物体三维结构重建等方面有重要的研究意义，而且线段的匹配也是首先需要解决的问题。线段特征在自然环境和人造目标中都普遍的存在，例如：地面的房屋建筑、太空中人造卫星的太阳能电池板、大海中的轮船等都具有非常多而复杂的线段特征。现在，高精度、高效率的线段匹配算法对于序列分析、场景匹配等具有重要的价值。

目前，很多研究在处理常规短基线、小视角测量影像时，线段匹配效果较好；但是，当面对宽基线、大视角影像时，匹配效果急剧下降甚至失效。Meltzer采用类似于点的局部仿射不变进行匹配，但是，其不擅长处理非共面、三维结构复杂的场景。Li使用两个相邻线段构建射线-点-射线和线-节点-线的结构描述符，在构建金字塔阶段比较耗时。Wang等人将采用线段组的方式建立局部描述符，对仿射扭曲和非共面表面进行匹配，但是这种方法比较耗时，同时在纹理不丰富的地方可能找不到足够多的线段而失效。宽基线影像的线段匹配实践之所以比较难，其关键性原因是大视角导致待匹配的两张影像产生巨大的视角差异，这种差异致使同一区域产生的透视变形不一致，从而使同一块区域的相似匹配程度很低甚至无法匹配，导致线段匹配效果的下降。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种在POS(Positioning and OrientationSystem)数据已知的前提下，实现基于透视变换模型下的高精度、高效率的宽基线影像线段匹配的方法。

为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：一种透视变换模型下的宽基线影像直线匹配方法，包括以下步骤：1)以大地水准面作为物方平面，找出相机像方平面与物方平面之间的透视变换关系，得到透视变换矩阵；2)根据透视变换矩阵，将相机拍摄的原始影像投影至物方平面上，得到消除原始影像透视变形效应后的正形影像；3)对得到的正形影像进行线段匹配；4)将得到的匹配线段通过透视变换矩阵逆变换至原始影像上，以获取原始影像中的匹配线段对。

所述步骤1)找出成像平面与物方平面之间的透视变换关系，得到透视变换矩阵，包括以下步骤：①采用Y-X-Z转角系统，将POS数据通过一系列转换后，可以获得相机的外方位元素，包括三个角元素和三个线元素；②通过三个角元素，求得相机的旋转矩阵；③在得到旋转矩阵的基础上，再加上三个线元素，建立起像方二维像点与物方三维点的透视转换关系，即得到透视变换矩阵。

所述步骤③在得到旋转矩阵的基础上，再加上三个线元素，建立起像方二维像点与物方三维点的透视转换关系，即得到透视变换矩阵，包括以下步骤：(1)利用计算机视觉中的中心投影模型，建立像方二维像点与物方三维点之间通用的射影变换关系；(2)选择POS数据对应的当地大地水准面为物方投影平面，即取其高程为0，对射影变换关系进行简化，得到像平面与物方空间平面之间的初始透视转化关系，即得到初始透视变换矩阵；(3)在(2)的基础上，找到尺度伸缩因子，求出尺度调整后的最终透视变换矩阵，并建立原始影像像点与三维物方点之间的转换关系，包括以下步骤：a)根据初始透视变换矩阵，计算原始影像的宽度在经过变换后得到的宽度，根据前后宽度变化比值求出尺度伸缩因子；b)根据尺度伸缩因子，与初始透视变换矩阵做乘积得到尺度调整后的最终透视变换矩阵；从而建立起原始影像与透视变换影像之间的转换关系。