傾斜影像匹配關(guān)鍵算法及應(yīng)用研究

姚國(guó)標(biāo)

山東建筑大學(xué)土木工程學(xué)院，山東 濟(jì)南250101

大角度傾斜立體影像因其成像幾何模型穩(wěn)定、覆蓋范圍廣以及紋理信息豐富，在城市真三維重建中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。然而，由于傳感器在獲取影像過(guò)程中視角發(fā)生顯著變化，導(dǎo)致影像間存在較大的幾何和輻射畸變、同名區(qū)域遮擋等問(wèn)題，加大了計(jì)算機(jī)自動(dòng)立體量測(cè)同名像點(diǎn)匹配的難度。因此，研究此類影像的可靠匹配算法，無(wú)論是對(duì)提高城市真三維重建的效率，還是對(duì)推動(dòng)數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量自動(dòng)化進(jìn)程，均具有重要意義。

基于此，論文主要研究了仿射不變特征提取和匹配基礎(chǔ)原理、多類型特征區(qū)域互補(bǔ)性匹配方法、最小二乘高精度魯棒匹配算法、基于透視不變鄰域變換準(zhǔn)密集匹配策略、基于復(fù)雜三維場(chǎng)景的多視剖分匹配技術(shù)、核線驅(qū)動(dòng)約束下建筑物角點(diǎn)匹配方法以及上述算法和策略在三維重建中的應(yīng)用。主要內(nèi)容如下：

（1）多組次試驗(yàn)表明，沒(méi)有任何一種仿射不變特征能夠適應(yīng)所有不同類型、不同視點(diǎn)大小變化的影像，而不同特征之間的融合，能夠得到數(shù)量較多、分布較為均勻的特征匹配。基于此，提出了一種仿射不變特征互補(bǔ)性評(píng)價(jià)測(cè)度CM，實(shí)現(xiàn)了對(duì)現(xiàn)有仿射不變特征融合效果的定量評(píng)價(jià)，結(jié)果表明MSERs與Harris＆Hessian Affine特征互補(bǔ)性能較好，并提出融合互補(bǔ)仿射不變特征多層次自適應(yīng)匹配方法，傾斜立體影像試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了該方法的有效性。

（2）為增強(qiáng)特征匹配算法的抗差性，采用精確的核線方位代替特征區(qū)域主梯度方位，并提出了改進(jìn)的特征規(guī)則化處理與描述方法，通過(guò)最小二乘匹配算法來(lái)優(yōu)化特征匹配的精度，最小二乘迭代所需的良好的初始值由同名特征鄰域固有的幾何屬性求取，試驗(yàn)結(jié)果表明，該方法能夠使特征匹配精度有效提高到亞像素級(jí)。在仿射不變特征匹配基礎(chǔ)上，提出了一種透視不變鄰域變換準(zhǔn)密集匹配算法，該方法采用LSM迭代方法來(lái)精確求取局部透視不變鄰域即種子區(qū)域，然后基于最優(yōu)種子區(qū)域?qū)崿F(xiàn)透視不變鄰域變換準(zhǔn)密集匹配傳播。試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了該方法具有精度和效率優(yōu)勢(shì)。

（3）針對(duì)包含復(fù)雜建筑物的航空傾斜影像，提出了基于仿射近似平面剖分的精化匹配算法，該方法首先利用物方空間約束獲取粗略轉(zhuǎn)點(diǎn)及其高程，然后根據(jù)高程實(shí)現(xiàn)影像中仿射近似平面的自動(dòng)剖分，接著在各個(gè)仿射近似平面上完成對(duì)粗略轉(zhuǎn)點(diǎn)的精化匹配，最后的試驗(yàn)表明，該方法能夠有效獲取景象深度不同匹配點(diǎn)。

（4）針對(duì)包含復(fù)雜建筑物的航空傾斜影像，提出了一種基于核線驅(qū)動(dòng)與自適應(yīng)變窗口的建筑角點(diǎn)匹配策略，該方法采用RANSAC算法對(duì)初始同名點(diǎn)估計(jì)兩組傾角迥異的核線關(guān)系。然后，在傾角迥異的雙核線驅(qū)動(dòng)約束下，對(duì)左右影像中的建筑物角點(diǎn)特征進(jìn)行互相關(guān)匹配。試驗(yàn)表明，為視差斷裂區(qū)域的同名點(diǎn)匹配問(wèn)題探索了一種可行思路。然而，核線驅(qū)動(dòng)方法需要較多數(shù)量且分布相對(duì)均勻的初始匹配，如果初始匹配數(shù)量較少或者分布不均，利用RANSAC算法難以估算出傾角迥異的核線關(guān)系，將會(huì)嚴(yán)重影響算法的穩(wěn)定性。

（5）構(gòu)建真三維重構(gòu)應(yīng)用評(píng)價(jià)體系。在集成本文多種可靠匹配方法基礎(chǔ)上提出了一套多層次自動(dòng)轉(zhuǎn)點(diǎn)技術(shù)，試驗(yàn)證明該技術(shù)能夠?yàn)槎嗪綆A斜影像自動(dòng)空中三角測(cè)量提供充足的可靠同名像點(diǎn)，最后給出了傾斜影像自動(dòng)建模方法和實(shí)例。