基于特征点匹配的无人机航拍图像拼接技术
基于SIFT特征点的图像拼接技术研究
基于SIFT特征点的图像拼接技术研究一、本文概述图像拼接技术作为计算机视觉领域的重要研究方向，旨在将多幅具有重叠区域的图像进行无缝连接，生成一幅宽视角或全景图像。
这一技术在许多领域都有着广泛的应用，如遥感图像处理、虚拟现实、全景摄影等。
近年来，随着数字图像处理技术的快速发展，基于特征点的图像拼接方法因其高效性和稳定性受到了广泛关注。
其中，尺度不变特征变换（SIFT）作为一种经典的特征提取算法，在图像拼接中发挥着重要作用。
本文旨在深入研究基于SIFT特征点的图像拼接技术，分析其基本原理、算法流程以及关键步骤，并通过实验验证其在实际应用中的效果。
文章将介绍SIFT算法的基本原理和特征提取过程，包括尺度空间的构建、关键点检测和描述子的生成等。
将详细阐述基于SIFT特征点的图像拼接流程，包括特征匹配、几何变换模型的估计、图像配准和融合等步骤。
同时，还将讨论在拼接过程中可能出现的问题和相应的解决方法。
本文将通过实验验证基于SIFT特征点的图像拼接方法的有效性。
实验中，将使用不同场景和不同类型的图像进行拼接，分析算法在不同情况下的性能表现。
还将与其他图像拼接算法进行对比，以评估SIFT算法在图像拼接中的优势和局限性。
文章将总结基于SIFT特征点的图像拼接技术的研究成果和实际应用价值，并展望未来的研究方向和发展趋势。
通过本文的研究，旨在为图像拼接技术的发展和应用提供有益的参考和借鉴。
二、SIFT算法原理尺度不变特征变换（Scale-Invariant Feature Transform，SIFT）是一种广泛应用于图像处理和计算机视觉领域的特征检测和描述算法。
SIFT算法的核心思想是在不同的尺度空间上查找关键点，并计算出关键点的方向，生成一种描述子，这个描述子不仅包含了关键点，也包含了其尺度、方向信息，使得特征具有尺度、旋转和亮度的不变性，对于视角变化、仿射变换和噪声也保持一定的稳定性。
SIFT算法主要包括四个步骤：尺度空间极值检测、关键点定位、关键点方向赋值和关键点描述子生成。
无人机图像拼接算法的研究及实现
无人机图像拼接算法的研究及实现随着近年来无人机技术的飞速发展，无人机图像拼接技术也得到了广泛的应用。
该技术可以将无人机拍摄得到的相邻区域的图像进行拼接，生成高分辨率的全景图像，提供了一种高效的地图制作和空中监测的手段。
本文将从无人机图像拼接的原理入手，分析其算法的研究，介绍常见的图像拼接算法以及其应用场景，并在最后给出一个无人机图像拼接的实现实例。
一、无人机图像拼接原理无人机的航拍图像拼接是借助现代数字图像处理技术来实现的。
该技术需要处理大量的数据，并结合图像的特征进行定位，将相邻图像进行拼接，生成全景图像。
以下是无人机图像拼接的原理图：如图所示，相机通过对地面连续拍摄，得到多幅重叠区域较多的图像。
在无人机图像拼接中，首先需要对相机进行标定，得到相机的内外参数。
然后，根据每张拍摄的图像的特征，例如SIFT特征，计算出每幅图像的特征点。
接着，通过匹配不同图像之间的特征点，建立不同图像之间的关系。
最后，运用优化算法对关系进行优化，完成图像拼接，生成全景图像。
二、无人机图像拼接的算法研究目前，无人机图像拼接的算法主要有以下几种：1. 基于特征点匹配的无人机图像拼接算法这种算法主要的思路是在多副图像上提取一些稀有的、具有代表性的特征点。
然后根据特征点的相似程度进行匹配，得到匹配点对。
匹配点对的质量好坏非常重要，其正确率和准确度直接决定了拼接后的图像质量。
这种算法的核心是对特征点的提取和匹配两个部分的处理。
由于SIFT, SURF和ORB等算子在特征提取和匹配上有着良好的效果，因此应用广泛。
2. 基于区域分割的无人机图像拼接算法该算法主要是先将输入的拍摄图像进行区域分割，将该图像分为多个区域，然后根据区域之间的相似度，通过一系列的变换操作，将这些不同区域的图像配准后合并起来生成全景图像。
这种算法具有很好的兼容性和可扩展性，能够处理不同场景和不同光照下的图像拼接。
但是该算法也存在着一些缺陷，例如耗费计算时间比较长而导致对计算机处理性能的要求比较高。
基于SURF特征的无人机航拍图像拼接方法
中值滤波是非线性滤波技术的一种，可用于噪声消除 以及图像增强，基本思想是将以某点（x，y）为中心的小 区域内所有像素灰度按大小顺序排列，将中间值作为（x， y）点处的灰度值，让周围像素值接近于真实值，从而消除 孤立的噪声。本文所选用的中值滤波方法在去除脉冲噪声、 椒盐噪声的同时，又能保留源图像边缘信息。 2 基于 SURF 特征的图像配准算法研究及改进
2006 年首次提出，中文名称为“加速版的具有鲁棒性的特征” 算法。SURF 是由尺度不变特征变换算法 SIFT 算法演变而 来的，SURF 算子最大特征是采用了 harr 特征以及积分图 像概念，大大提升了程序运行速度。经试验总结，SURF 算 法的运行速度比 SIFT 算法快好几倍；SURF 算法多用于计 算机视觉领域中的物体识别和 3D 重构中，SURF 特征提取 效果如 1 所示。
目前，图像配准算法中基于图像特征的研究方法成为 人们研究的热点，基于图像特征图像配准算法的核心思想 提取出图像特征，然后将多幅图像特征进行匹配，从而完 成图像配准。1988 年，Harris 和 Stephens 提出了 Harris 角 点检测算法，该算法的核心是提取待拼接图像角点特征， 通过自相关函数保证特征均匀合理，使得拼接速度大大提 升；Z.Yang 等人同样基于角点特征提出了一种利用仿射不 变量和互加权矩仿射不变量算法来对角点进行匹配，这种 算法优点在于不用建立多幅图像角点间的对应关系，缺点 是极易受到噪声影响。1999 年，Low 最先提出了 SIFT 特 征提取算法，并且在 2004 年对该算法进行了改进；该算法 首先提取待拼接图像的 SIFT 特征向量，然后对该向量进行 匹配，对图像几何变换具有较高的鲁棒性，其中包括几何 旋转、几何缩放和平移变换等。基于 SIFT 特征的图像配准 算法，在近年来成为了基于特征图像匹配的经典算法。
基于SIFT特征的无人机航拍图像拼接
基于SIFT特征的无人机航拍图像拼接乔文治【摘要】无人机在飞行过程中由于机体的倾斜和抖动,造成航拍图像出现大的仿射变形.因此,传统的图像拼接算法很难得到好的效果.基于SIFT(Scale Invariant Feature Transform)特征的图像拼接算法,首先通过提取图像的尺度不变特征点,解决了待拼接图像间大的平移、旋转、尺度变化的干扰.然后,通过欧式距离判断得到初匹配特征点集,并利用RANSAC方法进一步精确了匹配点集,得到了准确的变换矩阵;最后,采用加权平均法的图像融合技术,得到了稳定的、鲁棒的图像拼接结果.【期刊名称】《教练机》【年(卷),期】2011(000)004【总页数】6页(P9-14)【关键词】图像拼接;航拍图像;SIFT;特征匹配【作者】乔文治【作者单位】洪都航空工业集团,江西,南昌,330024【正文语种】中文无人机(Unmanned Aerial Vehicle，UAV)具有机动性强，反应灵活，价格低等特点，无论在军事还是民用上都有广泛的运用前景。
获取高分辨率、能描述场景的二维或三维图像是它的主要任务之一，但无人机遥感平台在获取图像时，因受到其飞行高度和CCD相机焦距的限制，单张航拍图像很难包含所有的目标区域，因此，图像拼接已成为无人机航拍图像处理的关键问题之一。
图像拼接（Image Mosaics）通常都是将数张有重叠部分（包括不同时间、不同视角、不同传感器）的图像拼成一副大型的无缝高分辨率图像的技术。
图像拼接的方法可分为两大类：基于空间域和基于频域。
基于频域的算法主要利用傅里叶变换将图像转换到频域进行拼接计算。
例如，Fourier-Mellin算法，相位相关法等。
这类算法速度快，但准确性较差；基于空间域的图像拼接算法是目前研究的热点。
1996年，R.Szeliski[1]将八参数投影变换模型用于图像配准，然后利用LM算法（Levenberg-Marquardt迭代非线性最小化方法）搜索参数空间获得变换参数。
简析无人机技术航拍与图像拼接技术
简析无人机技术航拍与图像拼接技术1 概述随着社会不断发展和进步，无人机遥感技术在很多领域发挥着不可或缺的作用，譬如军事领域、农业领域、考古领域、环境监测领域、城市规划领域、灾害监测领域、地理测绘领域等。
无人机遥感技术之所以会有如此广泛的应用，是由于无人机遥感图像具有高灵活性、续航时间长，可以在特别危险地区探测，效率特别高，成本也低，还有无人机可在低海拔地区飞行，能够避免云层干扰等独特优势。
2 无人机遥感发展2.1 无人机发展概况因为计算机技术的不断发展，无人机遥感技术也获得了巨大进步，并且因为本身独特优势，受到愈来愈广泛的关注。
一般来说，无人机遥感技术提取和归纳人们所需信息，主要是利用精密成像仪器和图像分析技术，然后通过对这些时效性较高的图像进行特性分析等其他操作来达成。
无人机遥感技术发展如此之快，以至于图像拼接技术也受到越来越多关注，国内外很多研究人员正在对图像拼接技术进行更深研究。
目前，无人机图像拼接技术受到普遍关注，各个国家的学者都进行着与无人机图像拼接有关技术研究工作。
图像拼接技术通过数年研究，已经获取相当多研究成果，但是现在依然有很多问题有待解决，诸如相幅较小、数量多、影像倾斜度大、重叠不规则等一系列问题。
图像拼接效果和效率主要受图像配准精度和有效性所制约。
2.2 无人机航拍原理无人机，顾名思义是一种无人驾驶的或称作不载人的飞行器。
它主要是通过无线电遥控设备或机载计算机程序系统来进行控制。
无人机航拍是以无人机作为拍摄基准平台，随机载有高分辨率CCD数码相机、红外扫描仪、激光扫描仪等机载遥感设备获取地面图像或其他类型数据信息。
通过计算机对所获取的遥感图像信息按照一定精度要求进行解译识别处理，并制作成相关更重要、更全面信息的大幅全景图像。
无人机航拍技术是一种全新的高科技遥感应用技术，需要多种技术手段互相支撑构建成为一个平台系统。
全系统是集成遥感、遥测技术与计算机技术新型应用技术，在设计和最优化组合方面具有突出特点。
航空照相机的全景图像拼接技术
航空照相机的全景图像拼接技术随着无人机技术的快速发展，航空照相机作为无人机上的重要组成部分，越来越被广泛应用于航空摄影、地理测绘、农业科学等领域。
而其中一项关键技术——航空照相机的全景图像拼接技术，则成为了许多专业摄影师和测绘工作者所关注和探索的重点。
全景图像拼接技术是指将多幅局部重叠的照片通过计算机算法进行自动拼接，生成一幅无缝衔接的大尺寸全景图像的过程。
这项技术的发展，使得我们可以更好地捕捉和保存大范围的景观，更准确地记录和表达真实世界的细节和信息。
航空照相机的全景图像拼接技术的关键在于如何实现照片之间的准确定位和重叠区域的自动识别。
在航空摄影中，由于无人机在拍摄过程中会发生姿态变化和高度变化，这就造成了照片之间的尺度差异和视角变化，在进行图像拼接时增加了一定的难度。
为了解决这一问题，研究人员提出了多种算法和方法。
其中，图像特征点匹配是一种常用的方法。
该方法通过寻找图像中的关键点，并计算关键点的描述子，然后通过匹配关键点和描述子来找到对应的点，从而实现图像的对齐和融合。
此外，还可以利用传感器数据、GPS信息和惯性导航系统等，提高航空照相机姿态、位姿的估计精度，进一步优化图像拼接的结果。
除了关键点匹配，多图像融合算法也是实现航空照相机全景图像拼接的重要手段之一。
该算法通过对多幅图像进行颜色、亮度、对比度等方面的调整，使得图像在拼接后具有一致的外观。
同时，还可以采用多重融合方法，将不同的图像特征和信息进行优化和融合，从而得到更准确的全景图像。
除了技术点的研究，航空照相机全景图像拼接技术的发展还需要考虑到实际应用中的需求和使用场景。
例如，对于航空摄影来说，拼接后的全景图像对于地理测绘、城市规划、农业科学等领域的应用至关重要。
因此，算法的稳定性、拼接效果的准确性和高效性等方面都需要进行综合考虑。
此外，在航空照相机全景图像拼接技术的研究和应用过程中，还需要关注数据的存储和处理。
航空照片的体积通常很大，因此如何高效地存储、传输和处理这些数据，也是一个需要解决的问题。
无人机航拍图像处理中几何纠正方法
无人机航拍图像处理中几何纠正方法随着无人机技术的发展和应用的普及，无人机航拍成为了获取高分辨率、大范围地表图像的重要手段。
然而，由于无人机航拍图像常常受到地球曲率和飞机姿态等因素的影响，导致图像存在一定的几何畸变。
为了获得更精准、真实的地表图像，必须对无人机航拍图像进行几何纠正。
本文将介绍无人机航拍图像处理中几种常见的几何纠正方法。
一、图像配准图像配准是确定不同图像之间对应关系的过程，包括旋转、平移、缩放等操作，使得多个图像在同一坐标系下对应的地物特征点具有一致性。
图像配准通常分为点对点配准和区域匹配两种方式。
1. 点对点配准点对点配准是通过选择两张或多张图像中的特征点，并计算出特征点之间的几何变换关系，完成图像之间的配准。
常用的点对点配准方法包括特征点检测、特征点匹配、几何变换模型拟合等步骤。
这些方法主要依赖于特征点的提取和匹配算法，如SIFT(Scale-invariant feature transform)、SURF(Speeded Up Robust Features)等，通过计算特征点之间的相似性来获取图像的几何变换关系。
2. 区域匹配区域匹配是通过计算图像中的像素值相似性，找出图像中相似区域之间的几何变换关系，实现图像配准。
区域匹配常用的方法包括基于相关性的匹配算法和基于特征匹配的算法。
区域匹配方法在配准精度上通常优于点对点配准，但计算复杂度较高。
二、几何畸变模型几何畸变模型是将航拍图像中的像素坐标与地理坐标进行映射的数学模型。
根据无人机航拍图像的特点，常用的几何畸变模型包括透射变换模型、多项式畸变模型和切变模型等。
1. 透射变换模型透射变换模型是一种较为常用的几何纠正方法，通过选取适当的控制点来确定尺度、旋转、平移和切变等几何变换参数，将图像中的像素坐标与地理坐标进行映射。
透射变换模型可以较好地解决图像的尺度和形变问题，适用于航拍图像中的大范围地表纠正。
2. 多项式畸变模型多项式畸变模型通过利用多项式函数拟合航拍图像中的像素坐标与地理坐标之间的关系，实现几何纠正。
基于特征点匹配的图像拼接技术研究
基于特征点匹配的图像拼接技术研究近年来，随着数字图像技术的飞速发展，图像处理领域的研究也日益深入。
其中，图像拼接技术一直是一个备受关注的热门话题。
图像拼接可以将多幅图像拼接成一张更大的图像，拼接后的图像可以展示更多的内容并且视觉效果更为统一，从而增强了图像的表现力。
本文将探讨基于特征点匹配的图像拼接技术的研究。
一、图像拼接的基本原理在进行图像拼接之前，需要先获取需要拼接的图像。
另外，在进行图像拼接的过程中，需要选定某个图像作为拼接的基准图像，然后将其他的图像与该基准图像进行拼接。
图像拼接的基本原理就是通过将各个小图像匹配并拼接成一个大图像，来实现图像的放大或者拼凑的需求。
拼接过程中，需要考虑如下几个要素：1. 特征匹配：在进行图像拼接之前，需要对各个小图像之间的特征点进行匹配。
特征点包括颜色、形状、对比度等等信息。
2. 图像转换：在匹配特征点之后，需要将各个小图像进行矩阵变换，从而实现小图像和基准图像的空间匹配。
3. 拼接处理：将各个小图像拼接到基准图像上，并对其进行处理，排除几何变换带来的差异，保持整个大图像的平衡和完整性。
二、基于特征点匹配的图像拼接技术特征点指的是图像中比较明显的一些关键角点，相比于普通像素点，特征点能更加准确地代表图像的特征和结构。
因此，选取和匹配特征点是实现图像拼接的重要环节之一。
基于特征点匹配的图像拼接技术是一种比较高效和准确的图像拼接方法。
主要基于下列步骤进行：1. 特征提取：对需要拼接的图像进行特征点的提取和描述。
特征点提取算法包括SIFT，SURF，FAST等常用算法。
2. 特征匹配：利用特征点描述子进行匹配，分为粗匹配和精确匹配两个阶段。
粗匹配时使用肯定匹配匹配，接着使用RANSAC算法筛选出符合条件的匹配点，并通过最小均值误差法计算变换矩阵。
3. 图像转换：在完成特征点匹配后，根据匹配点之间的关系，计算变换矩阵，并将需要拼接的图像根据变换矩阵进行变换，使各个小图像与大图像空间位置对应。
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UAV (Unmanned Aerial Vehicle) image
High resolution High flexibility High efficiency Low cost
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图像拼接的步骤
图像拼接技术主要包括３个重要步骤： 特征提取、 特征配准和图像融合。
remove the false registration using constraint registration algorithm
use the gradual fade-out method for image fusion
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经典的Harris角点检测算法
Harris角点检测算法只计算图像的一阶导数
其中图像配准是整个图像拼接技术的核心部分，直 接决定了图像拼接结果的质量。图像配准算法主要 分为３类： 基于灰度图像的匹配、基于特征的匹 配和基于变换域的匹配。
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目录
背景 ✓ 角点检测 本文提出的改进算法 后续工作 实验结果
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角点检测ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
Corner in a digital image is referring to the local maximum curvature contour line in the image.
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特征点配准失败的原因
➢角点之间存在相似性，这导致匹配错误。 ➢两幅图像之间的角点不是一对一的关系，有些特
征点找不到相应的匹配点。
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特征点的配准
互相关函数（correlation feature registration）：
以每个特征点为中心， 取一个(2N+1) X (2N +1) 大小的相关窗口。 I 和I′ 代表两幅图像中像素点的灰度值。
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几种角点检测的比较
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背景 角点检测 ✓ 本文提出的改进算法 后续工作 实验结果
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流程图
use Harris operator to detect the image corner
use the correlation feature registration to find registration pair
UAV Image Automatic Mosaic Method
Based On Matching Of Feature Points
（基于特征点匹配的无人机航拍图像拼接技术）
@2013 IEEE Yang Xiao Hong,Zhang Qing Jie,Zhao Dan Dan dept. of aircraft controller aviation university of air force Shao Xiang Xin college of electronic science ˂ engineering changchun university of technology Xu Jing dept. of neurology internal medicine first hospital of jilin university
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图像融合
M(x,y)=
M1、M2：待拼接图像 M：融合后的图像
ω1、ω2：重叠区域对应像素的权值。 一般取ωi ＝ ω 1/ ω ，ω 表示重叠区域的宽度 (i=0或1) 且满足条件 ω 1 ＋ ω2 ＝ 1 ，0< ω1,ω2 <１ 。
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目录
背景 角点检测 本文提出的改进算法 后续工作 ✓ 实验结果
这说明（ A ，A ′ ） 和（B ，B ′ ）是两对对应的匹配对
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A(2,2) B(3,3)
A’(0,1) B’(1,2)
L=|2-0|/|2-1|=2 R=|3-1|/|3-2|=2
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目录
背景 角点检测 本文提出的改进算法 ✓ 后续工作 实验结果
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与边缘和直线等特征相比 ，角点具有提取过程简单，结果 稳定和提取算法适应性强等特点 ，广泛应用于图像配准领 域。
角点检测的方法主要分为两种：(1) 基于图像边缘的方法 : 先提取图像信息的边缘，然后再求角点； (2) 基于图像灰 度的方法， 例如： Moravec算法 、Harris算法、SUSAN 算法等。
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报告人：张帆 2016/4/28
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目录
背景
角点检测
本文提出的改进算法
后续工作
实验结果
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✓ 背景 角点检测 本文提出的改进算法 后续工作 实验结果
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图像拼接
图像拼接技术是指将一组相互之间存在重叠部分的图 像序列先进行空间配准， 再经过图像变换、 重采样 和图像融合后形成一幅包含每个图像序列的宽视角或 ３６０°视角的全景图像的技术。图像拼接具有重要 的实用意义，广泛应用于遥感图像处理、 地理信息 系统、 虚拟现实技术、 视频拼接、 医学图像分析、 机器人视觉和３Ｄ图像重建等领域。近年来，也逐渐 成为计算机数字图像处理领域中的一个研究趋势。
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去除伪配准对——constraint registration algorithm
设点 A ( xA ,yA) 和点 B ( xB , yB) 分别是参考图像中任意的两个特征点， 在 待拼接图像中有两个对应的特征点分别是 A′ ( x′A ,y′A ) 和 B′ (x′B, y′B )， 如果(A,A′) , (B,B′) 的坐标满足如下关系:
Corner Response Function (角点响应函数CRF)定义如下：
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一种新的角点响应函数
CRF阈值的选取：考虑到算法的通用性，不可能在对每张图片进行处理 时都进行比较来得出适合不同图片自身的阈值，所以就对阈值的自适应 能力提出了要求，根据参考图像自动确定阈值T ——首先对参考图像设 定一个比较小的初始阈值 T1 ，对大于T1的点取局部极大值， 然后对结 果进行排序， 根据要求选取最大的若干个像素点作为候选角点结果，同 时记录该结果角点提取的最小阈值，作为待拼接图像角点提取的阈值T。