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圖像序列的紋理特征匹配

利用路面序列圖像相鄰幀中同一紋理特征的匹配得到車體移動(dòng)的位移是計(jì)算車體運(yùn)動(dòng)速度的關(guān)鍵，如果直接將連續(xù)兩幀圖像進(jìn)行匹配計(jì)算，計(jì)算量較大，難以滿足實(shí)時(shí)性的要求．本文結(jié)合路面序列圖像的特點(diǎn)，提出了基于路面序列圖像投影算法進(jìn)行匹配跟蹤來計(jì)算兩幀間移動(dòng)位移．由圖1可知相鄰幀圖像其統(tǒng)計(jì)特性具有相似的特點(diǎn)，根據(jù)概率論中若二維連續(xù)隨機(jī)向量具有概率密度f（x，y），則關(guān)于x方向的邊緣概率密度為概率密度f（x，y）在y方向的投影；關(guān)于y方向的邊緣概率密度為概率密度f（x，y）在x方向的投影．因此本文將如圖3所示的圖像I（W，H）在x，y兩個(gè)方向進(jìn)行投影，把二維圖像轉(zhuǎn)換成能量集中在x，y兩個(gè)方向的一維數(shù)列，投影后的數(shù)列為符合一定統(tǒng)計(jì)規(guī)律的隨機(jī)信號序列．W，H分別為圖像的行數(shù)和列數(shù)，F(xiàn)（i，j）為圖像在像素點(diǎn)的灰度．

則圖像在水平軸和垂直軸上的投影為Fig．3Imagemodel相鄰幀圖像內(nèi)容相似，從相鄰圖像中得到的兩個(gè)方向的一維序列具有較強(qiáng)的相關(guān)性，且兩個(gè)方向上平移的距離接近于圖像在這個(gè)方向上的實(shí)際平移距離［7］．對圖像投影后得到的一維灰度序列仍能較好地表征圖像在x和y方向的特征如圖4所示．

為了實(shí)現(xiàn)行駛速度的測量的實(shí)時(shí)性，本文利用頻域中傅里葉變換（FFT）的互相關(guān)定理實(shí)現(xiàn)x，y方投影曲線的快速匹配［8－9］．用FFT來實(shí)現(xiàn)投影曲線的匹配，要注意離散傅里葉變換固有的周期性，采用零的方法來避免混疊．投影特性曲線快速匹配計(jì)算步驟如下：（4）對頻域卷積進(jìn)行傅里葉反變換得到x和y兩個(gè)方向的互相關(guān)函數(shù)Rx和Ry．（5）求出互相關(guān)函數(shù)Rx和Ry的峰值所對應(yīng)的圖像坐標(biāo)，該坐標(biāo)位置即為相鄰幀圖像Ik＋1相對于Ik在x和y方向的位移量（Δx，Δy），如圖5所示，圖中Ok為k幀圖像的原點(diǎn)，Ok＋1為k＋1幀圖像的原點(diǎn)．

方法驗(yàn)證

1攝像機(jī)的標(biāo)定

根據(jù)CCD攝像機(jī)所獲取的路面紋理信息計(jì)算工程機(jī)械的行駛速度，路面圖像像素上每一點(diǎn)的灰度數(shù)值反映了空間作業(yè)路面某點(diǎn)反射光的強(qiáng)度，路面圖像像素點(diǎn)坐標(biāo)與路面點(diǎn)的空間坐標(biāo)的關(guān)系由攝像機(jī)成像幾何模型決定，該幾何模型的參數(shù)為攝像機(jī)參數(shù)，計(jì)算這些參數(shù)的過程為攝像機(jī)標(biāo)定．在本文中攝像機(jī)的外部參數(shù)和內(nèi)部參數(shù)都將對速度測量精度產(chǎn)生影響，因此必須對這兩部分參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定．本文采用兩步法來實(shí)現(xiàn)攝像機(jī)內(nèi)、外參數(shù)的標(biāo)定，該方法的第一步利用最小二乘法解超定線性方程，求出外部參數(shù)；第二步求解內(nèi)部參數(shù)，如果攝像機(jī)無透鏡畸變，可由一個(gè)超定方程解出，如果存在徑向畸變，則可結(jié)合非線性優(yōu)化的方法獲得全部參數(shù)．該方法計(jì)算量適中，平均精度可達(dá)1／4000．如圖6所示為本文在實(shí)驗(yàn)室地面上畫定網(wǎng)格作為標(biāo)定模板及圖像處理后的標(biāo)定點(diǎn)．通過Harris角點(diǎn)檢測取N組對應(yīng)點(diǎn)，采用兩步法求出攝像機(jī)的內(nèi)外參數(shù)，攝像機(jī)內(nèi)外參數(shù)如表1所示．

2速度計(jì)算

本文在室內(nèi)地面上采用移動(dòng)平臺(tái)上安裝CCD攝像機(jī)模擬進(jìn)行方法驗(yàn)證，根據(jù)工程機(jī)械低速行駛速度的特點(diǎn)，平臺(tái)以0．5m•s－1勻速直線運(yùn)動(dòng)下進(jìn)行攝像機(jī)連續(xù)成像，應(yīng)用本文方法計(jì)算各瞬時(shí)速度值得到的速度曲線如圖7所示，平均速度為0．48m•s－1，速度誤差為0．02m•s－1．

結(jié)語

采用車載攝像機(jī)采集路面序列圖像，計(jì)算車體相對于路面的行駛速度，實(shí)現(xiàn)了非接觸式速度的測量．該方法依靠路面視覺信息，不存在滑轉(zhuǎn)等因素所造成的誤差影響．此外，無需路面及車輛運(yùn)動(dòng)的先驗(yàn)信息．同時(shí)根據(jù)路面圖像信息可獲得車體的定位信息，本文方法對于工程機(jī)械牽引性能的實(shí)際行駛速度的計(jì)算提供了有力的技術(shù)參考價(jià)值．

作者：金守峰胡永彪單位：長安大學(xué)工程機(jī)械學(xué)院