[发明专利]一种ORB特征提取与匹配的方法及装置

摘要

本发明公开了一种ORB特征提取与匹配的方法及装置，首先将原始图像转化为灰度图像，进行FAST角点、HARRIS角点提取、质心计算以及高斯模糊，输出特征点关键信息和高斯模糊图像。对图像进行下采样，得到多组特征点关键信息和高斯模糊图像。然后计算特征点对应的描述子信息，将两帧图像的描述子信息进行特征匹配，得到ORB特征匹配结果。最后输出原始图像以及与原始图像同步的ORB特征匹配结果。解决了现有技术中对相同目标图像进行识别需要消耗大量内存和CPU资源的问题。本发明可以提高对相同目标图像进行识别的速度，在保证特征提取与匹配准确度的前提下，同时保证了实时性。

主权项

1.一种ORB特征提取与匹配的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤(1)：将不同时刻同一场景的多帧原始图像转化为只包含灰度信息的图像，对转化后的每一帧灰度图像进行FAST角点、HARRIS角点提取，对每一帧灰度图像中的每个像素点进行质心计算，并对每一帧灰度图像进行高斯模糊，然后输出每一帧图像的特征点关键信息和经高斯模糊后的图像，特征点关键信息包括提取的FAST角点信息、HARRIS角点信息以及质心计算结果；

步骤(2)：根据金字塔的层数要求重复执行步骤(1)，对每一帧图像进行下采样，得到每一帧图像的多组特征点关键信息和经高斯模糊后的图像；

步骤(3)：根据特征点关键信息和经高斯模糊后的图像，计算特征点对应的描述子信息，将两帧图像的描述子信息进行特征匹配，得到ORB特征匹配结果。

2.根据权利要求1所述的ORB特征提取与匹配的方法，其特征在于，在步骤(3)之后还包括：输出原始图像以及与原始图像同步的ORB特征匹配结果。

3.根据权利要求1所述的ORB特征提取与匹配的方法，其特征在于，在步骤(1)之前还包括：采集不同时刻同一场景的多帧图像，并进行存储。

4.根据权利要求3所述的ORB特征提取与匹配的方法，其特征在于，当采集的是一路视频流的多帧图像时，将当前描述子信息与前一帧图像缓存的描述子信息进行匹配，得到一路图像的ORB特征匹配结果；

当采集的是两路视频流时，将两路视频流的描述子信息进行互相匹配，得到两路图像的ORB特征匹配结果。

5.根据权利要求4所述的ORB特征提取与匹配的方法，其特征在于，当采集的是一路视频流的多帧图像时，金字塔的层数为1层；

当采集的是两路视频流时，金字塔的层数为2～3层。

6.根据权利要求1所述的ORB特征提取与匹配的方法，其特征在于，步骤(1)中质心计算方法如下：

步骤(a)：以每一个像素点为中心，d为直径的圆形窗口，计算每个像素点的邻域距m_pq：

m_pq＝∑_x,yx^py^qI(x,y)

其中，I(x,y)是以当前像素点为原点的坐标系，x和y是I(x,y)坐标系中的坐标；p和q取0或1，计算一阶领域距的值m₀₀，m₀₁和m₁₀；

步骤(b)：根据邻域距计算质心C：

其中，m₀₀是以I(0,0)为原点，直径为d的圆形窗口中所有像素点的灰度累加和；m₁₀是x方向上的质心偏移累加和，m₀₁是y方向上的质心偏移累加和，C是以I(0,0)为原点的质心的相对坐标；

步骤(c)：从特征点到质心C做向量，则质心角度θ为：

θ＝atan2(m₀₁,m₁₀)

其中，从I(0,0)指向质心C的向量与x轴的夹角即为质心角度θ，根据C的坐标，并通过反正切函数即能求得质心角度θ的数值。

7.根据权利要求6所述的ORB特征提取与匹配的方法，其特征在于，将直径为d个像素点的圆形窗口从图像的左方到右方，从上方到下方呈z字形滑动，计算m₀₁：

m₀₁＝原有邻域距+新进入圆形窗口的右半圆的边界像素点加权和－新移出圆形窗口的左半圆的边界像素点加权和；

将边长为d个像素点的正方形窗口从图像的左方到右方，从上方到下方呈z字形滑动，计算m₁₀：

m₁₀＝正方形窗口内的列向量和的加权和－正方形窗口内圆形窗口外的像素点加权和。

8.一种基于权利要求1‑7任意一项所述的ORB特征提取与匹配方法的装置，其特征在于，包括FPGA单元，FPGA单元包括输入模块、存储器、ORB特征预处理模块以及输出模块；

输入模块，用于接收视频源端设备采集到的不同时刻同一场景的多帧原始图像，并传输给存储器进行存储；

ORB特征预处理模块，用于将不同时刻同一场景的多帧原始图像转化为只包含灰度信息的图像，并对转化后的每一帧灰度图像进行FAST角点、HARRIS角点提取，对每一帧灰度图像中的每个像素点进行质心计算，对每一帧灰度图像进行高斯模糊，并输出特征点关键信息和经高斯模糊后的图像；

ORB特征预处理模块，还用于根据特征点关键信息和经高斯模糊后的图像，计算特征点对应的描述子信息，将两帧图像的描述子信息进行特征匹配，得到ORB特征匹配结果；

输出模块，用于输出原始图像以及与原始图像同步的ORB特征匹配结果。

9.根据权利要求8所述的ORB特征提取与匹配的装置，其特征在于，输入模块包括视频输入接口和功能配置接口，视频输入接口与视频源端设备连接，功能配置接口用于选择接收一路视频流图像或者二路视频流图像；

输出模块包括原始图像输出接口和ORB特征匹配结果输出接口。

10.根据权利要求8所述的ORB特征提取与匹配的装置，其特征在于，FPGA单元集成在ZYNQ芯片上。