[发明专利]基于图像的物体三维几何不变量快速获取方法

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种数字图像处理领域的方法，具体是一种基于图像的物体三维几何不变量快速获取方法。

背景技术

相机成像过程是将物体从三维空间投影到二维图像的过程，在这个过程中物体沿相机光轴方向的几何信息受到损失，信息损失给目标的识别、跟踪带来了很大的困难。传统的基于三维重建的方法可以从图像恢复物体的三维信息，但是面临着算法复杂、实时性差、易受噪声干扰、不够精确等缺点。三维几何不变量是对物体三维几何结构的高度抽象与概括，描述了物体三维几何结构的本质特征，不受成像角度、相机位置、光照变化等因素的影响，具有高度的稳定性和可靠性。因此研究直接由图像获得目标三维几何不变量的方法，对物体识别、目标跟踪等计算机视觉高级应用具有重大的意义。

经过对现有已公开发表文献的检索发现，Quan L.在IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence 1995年第1期34-46页发表的论文Invariants of Six Points and Projective Reconstruction from Three Uncalibrated Images中，提出了根据多帧图像信息、不经过三维重建过程、直接计算几何结构三维几何不变量的方法。该方法针对由三维空间中处于一般位置的6个点(满足任意4点不共面的条件)组成的特定几何结构，根据3帧图像中点的位置和匹配关系，计算其具有的三维几何不变量，实现了图像目标三维几何不变量的快速计算，对后续的目标识别等应用具有重要的影响。但是该方法出于便于推导和理解的考虑，使用了非齐次坐标的表达形式，而非齐次坐标对图像噪声非常敏感、测量误差大，不变量计算精度受到影响。Weiss I.等在IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence 2001年2期116-128页发表的论文Model-based Recognition of 3D Objects from Single Images中，提出了根据单帧图像信息、不经过三维重建过程、直接计算几何结构三维几何不变量的方法。该方法针对三维空间中6个处于一般位置的点(满足任意4点不共面的条件)组成的特定几何结构，根据单帧图像中点的位置计算其具有的三维几何不变量，实现了齐次坐标下图像目标三维几何不变量的快速计算，对后续的目标识别等应用具有重要的影响。但是该方法的推导过程仅针对特定几何结构有效，对一般结构而言缺乏借鉴意义，并且获得三维几何不变量不够全面，根据该方法仅可计算6个三维几何不变量中的3个。目前还没有理想方法能避免三维重建、直接由图像信息计算一般几何结构的三维不变量，并且对图像噪声具有良好鲁棒性。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种基于图像的物体三维几何不变量快速获取方法，针对由点特征组成的任意几何结构，根据其在多帧图像中的位置信息和匹配关系，快速计算几何结构的三维几何不变量，该方法可以避免三维重建过程，直接获得目标的三维特征，具有算法复杂度低、简单快速、对图像噪声鲁棒性好、计算精度高等特点。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括如下具体步骤：

步骤一，建立由点特征组成，并且点特征的数量大于等于6的几何结构，得到关于该几何结构的多帧图像并确定不同图像中几何特征的匹配关系。

所述的几何结构具有三维射影不变量且该不变量可由图像获得。

所述的点特征中，当由四个以上点时，不存在四点位于同一平面。

所述的几何特征的匹配关系是指：任意图像中的任一一个点特征与其他图像中该点的位置唯一对应。

步骤二，确定几何结构具有的三维射影不变量数量和具体表示形式。

所述的确定三维射影不变量数量是指：I＝3m-15，其中：I表示不变量的数量，m表示几何结构中点特征的数量。

所述的三维射影不变量是指：其中：P表示几何结构中的点特征，|·|表示对几何特征齐次坐标组成的矩阵取行列式，分式上下两端任一几何特征出现的次数总和保持相等。

步骤三，建立物体的图像信息与物体的三维特征之间的联系，具体步骤为：使用相机的投射投影成像模型，建立三维空间特征与其二维图像中的投影之间的关系，根据投射投影成像模型，三维空间中一点P与其在二维图像中的投影点p之间的关系为：λ·p＝M·P，其中：λ为尺度因子，P表示三维几何结构中的点特征，p表示点P在二维图像中的映射，M为表征三维物体与其二维投影间关系的投射投影模型。