改進(jìn)人工魚群的ORB特征匹配算法

李思璇，胡志剛，2，王新征，付東遼，祖向陽

1.河南科技大學(xué)醫(yī)學(xué)與技術(shù)工程學(xué)院，河南 洛陽 471003

2.河南省智能康復(fù)醫(yī)療機(jī)器人工程研究中心，河南 洛陽 471003

在視覺SLAM（simultaneous localization and mapping）[1]中前端（視覺里程計(jì)）為后端優(yōu)化提供了所需的信息，信息精度直接影響后端優(yōu)化效果與建圖軌跡的準(zhǔn)確性，精度較高的特征匹配方法有助于準(zhǔn)確定位與地圖構(gòu)建。ORB（oriented FAST and rotated BRIEF）[2]是在FAST與BRIEF基礎(chǔ)上改進(jìn)的一種含有方向的二進(jìn)制描述方法，雖然在匹配精度上略遜于SURF 與SIFT 算法，但在實(shí)時性方面有著巨大優(yōu)勢，因此在視覺SLAM中得到廣泛應(yīng)用。近年來眾多學(xué)者為提升ORB匹配精度進(jìn)行大量研究。在特征檢測方面，文獻(xiàn)[3]針對亮度變化明顯場景提出一種ORB 局部像素自適應(yīng)分類方法，對特征點(diǎn)精準(zhǔn)提取后結(jié)合PROSAC 算法有效降低了不同光強(qiáng)度下的誤匹配率。文獻(xiàn)[4]使用樹狀存儲結(jié)構(gòu)，對圖像節(jié)點(diǎn)分割成多個子區(qū)域，根據(jù)子區(qū)域特征點(diǎn)數(shù)量進(jìn)行均勻提取，這種方法有效地解決了特征點(diǎn)聚集冗余的問題，具有優(yōu)良的圖像匹配能力。還有通過將多種算法征檢測與ORB結(jié)合以改進(jìn)自身不具備尺度不變性問題并得到了可靠度較高的匹配結(jié)果[5-7]。有研究人員進(jìn)行圖像目標(biāo)分類檢測將K-means 聚類算法與ORB 結(jié)合[8]解決傳統(tǒng)特征匹配不能多目標(biāo)匹配的問題。文獻(xiàn)[9]通過圖像語義分割，提取目標(biāo)圖標(biāo)區(qū)域生成詞袋模型，使用SVM 提升了圖像分類性能。在后端優(yōu)化方面，文獻(xiàn)[10]將人工魚群應(yīng)用在粒優(yōu)子集合優(yōu)化，重新調(diào)整粒子的提議分布，使估測粒子更符合實(shí)際狀態(tài)分布，提高了機(jī)器人的位姿估計(jì)精度。文獻(xiàn)[11]在視覺SLAM路徑規(guī)劃中通過引入聚集因子β與迭代次數(shù)共同影響自適應(yīng)因子改善了人工魚群收斂精度，同時添加權(quán)重評價因子計(jì)算了人工魚當(dāng)前位置的適應(yīng)度值，改進(jìn)算法有效的避免陷入局部解的問題并提高了最佳路徑的規(guī)劃速度。在眾多目標(biāo)分類中K-means 聚類算法在類之間區(qū)別較為明顯時具有良好的分類性能，但過于依賴隨機(jī)選取的初始值，容易造成結(jié)果不穩(wěn)定。目前較為成熟的SVM 分類核函及參數(shù)基本上都是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值設(shè)定，考慮在未知環(huán)境中核函數(shù)及參數(shù)應(yīng)當(dāng)按照實(shí)際場景來確定，動態(tài)滿足核函數(shù)與參數(shù)的設(shè)定目前較為復(fù)雜。人工魚群算法作為一種群體智能優(yōu)化算法[12]，在組合優(yōu)化問題中得到廣泛的應(yīng)用，它的優(yōu)點(diǎn)在于對初始值的要求不高，前期快速較快，個體之間獨(dú)立存在且獲得的信息輕便簡潔，使得算法在設(shè)計(jì)改進(jìn)中上更加靈活，操作性更高。

在總結(jié)以上方法后發(fā)現(xiàn)現(xiàn)存方法中或多或少存在著特征點(diǎn)檢測彈性不足，未考慮實(shí)際的情況對特征點(diǎn)數(shù)量以及區(qū)域檢測進(jìn)行過多控制，雖然部分圖分類效果良好但應(yīng)用在實(shí)際環(huán)境中實(shí)時性尚未達(dá)到一定標(biāo)準(zhǔn)。

考慮人工魚群適合求解精度要求不高的尋優(yōu)問題與大量特征點(diǎn)之間無需零差別描述匹配相互耦合，且人工魚群的聚群、追尾、自由行為對特征點(diǎn)選取起到了快速分類的效果，縮小匹配范圍，加大了不同區(qū)域之間特征點(diǎn)的描述差異，故本文采用改進(jìn)人工魚群與ORB 特征匹配算法結(jié)合提高特征匹配正確率。改進(jìn)算法分成兩個部分：（1）對于FAST 角點(diǎn)邊緣敏感不足的情況，提出FAST-16的角點(diǎn)彈性檢測方法，根據(jù)不同情況彈性的選擇角點(diǎn)圓周位置進(jìn)行像素值對比；（2）使用自適應(yīng)的魚群參數(shù)對人工魚群進(jìn)行行為分析，在圖像中規(guī)劃聚群區(qū)域、追尾區(qū)域、自由區(qū)域，對人工魚群（即特征點(diǎn)）更加靈活的分類，最后分別使用漢明距離的篩選方法與RANSAC 算法進(jìn)行特征匹配并將正確匹配率進(jìn)行對比。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，改進(jìn)后的ORB 算法匹配精度大幅提升，同時滿足室內(nèi)輪椅定位與建圖實(shí)時性的需求，為室內(nèi)輪椅定位與建圖的準(zhǔn)確性做良好的鋪墊工作。

1 人工魚群與ORB算法的基本原理

1.1 人工魚群的行為描述

人工魚群算法[13]是對魚類不同行為歸納總結(jié)得出的一種優(yōu)化方法，將魚群行為描述分為如下四種并概述一些基本定義，其中X=(x1,x2,…,xn)表示當(dāng)前人工魚的位置，Y=f(x)表示尋求的目標(biāo)函數(shù)，di,j=||Xi-Yj||表示個體與個體之間的相互距離，Visual表示以人工魚為中心的感知半徑，W表示聚集程度。

（1）覓食行為：Xi在Visual圓周內(nèi)選擇任意一點(diǎn)新狀態(tài)Xj，若Yi

（4）隨機(jī)行為：作為其他情況的補(bǔ)充，人工魚在不滿足任何行為的時候在Visual圓周任意更新位置。

全局性公示板用于保存人工魚的最佳狀態(tài)，每次行為迭代后都會檢索其自身狀態(tài)，若優(yōu)于最佳狀態(tài)，則將全局公示板更正為當(dāng)前狀態(tài)。

1.2 ORB特征匹配原理

1.2.1 FAST特征點(diǎn)檢測

圖像中任意兩點(diǎn)像素P1、P2，構(gòu)建灰度差值函數(shù)M=|IP1-IP2|。設(shè)強(qiáng)差異的闕值為T，若M>T，則認(rèn)為這2個點(diǎn)具有強(qiáng)差異?？紤]圓心像素點(diǎn)周圍以3為半徑的16 個像素點(diǎn)，如果這16 個像素點(diǎn)中有連續(xù)的n個強(qiáng)差異像素點(diǎn)，那么它就是一個特征點(diǎn)，如圖1所示。

圖1 FAST檢測原理圖Fig.1 Detection schematic of FAST

為了使特征點(diǎn)帶有方向描述[4]，首先定義圖像塊的矩函數(shù)Mpq如式（1）所示：

式（2）表示的是以r為半徑的鄰域S內(nèi)質(zhì)心位置C：

連接圖像塊的幾何中心O與質(zhì)新C，得到式（3）中θ為特征點(diǎn)的方向：

1.2.2 特征點(diǎn)描述

普通BRIEF不具有方向旋轉(zhuǎn)的性質(zhì)，通過上文計(jì)算出方向向量使BRIEF 具有良好的旋轉(zhuǎn)不變性。通過選取角點(diǎn)周圍隨機(jī)選取n個點(diǎn)對進(jìn)行比較，并用0 與1 組合成描述子。每個BRIEF 描述子是一個長度為n的二進(jìn)制數(shù)值碼串，并構(gòu)成點(diǎn)對集合S，使用鄰域方向θ和對應(yīng)的旋轉(zhuǎn)矩陣Rθ，構(gòu)建S的一個校正版本Sθ，如式（4）所示：

其中θ為主方向，在求得的新點(diǎn)對中使用相互關(guān)聯(lián)性最低的一組點(diǎn)對集合，得到含有方向的描述子。

1.2.3 特征點(diǎn)匹配

特征匹配作為視覺里程計(jì)中極為關(guān)鍵的部分，匹配的好壞程度將決定后續(xù)優(yōu)化模型的工作量大小，目前常用的有暴力匹配法（brute-force matcher），它使用的方法是在原始圖像中選取一個包含描述子的特征點(diǎn)，然后按照一定的順序與目標(biāo)圖像中的特征點(diǎn)進(jìn)行描述距離的比較，最后與距離描述最近的點(diǎn)進(jìn)行匹配，同時本文參考了文獻(xiàn)中工程上的篩選方法，通過篩選將描述距離小于最小距離特定倍數(shù)的特征點(diǎn)進(jìn)行匹配。RANSAC 算法[14]是在兩幅圖像中找到最佳單應(yīng)性矩陣H（homography matrix），它表示的是同一物體，在不同視角下的矩陣轉(zhuǎn)換關(guān)系。此種算法具有良好的剔除誤匹配能力，抗噪能力強(qiáng)，適用于大部分場景的特征匹配。

2 改進(jìn)人工魚群的ORB特征匹配算法

使用改進(jìn)人工魚群算法與ORB特征匹配結(jié)合需要大量豐富的圖像特征點(diǎn)以便于通過魚群行為更好的對特征信息分類，減小匹配范圍，提高正確匹配率。為了得到更多的特征點(diǎn)，需要對圖像明顯分界處更加合理靈活的檢測，改進(jìn)FAST 算法并未通過增加或減小圓周半徑r來提高靈敏度，而是對特征點(diǎn)達(dá)到一定條件后，對圓周不同方向上彈性選取像素位置進(jìn)行像素值對比，然后根據(jù)檢測結(jié)果結(jié)合改進(jìn)人工魚群具有并行計(jì)算、收斂速度快的特點(diǎn)，通過對特征點(diǎn)3 種魚群行為分析，將其分類成多個類間描述差異較大的特征區(qū)域，最后利用RANSAC算法進(jìn)行特征匹配。

2.1 改進(jìn)FAST特征點(diǎn)檢測

在實(shí)際特征點(diǎn)檢測中，F(xiàn)AST為了加快計(jì)算速度，在像素點(diǎn)以r為半徑的圓周上，全部像素點(diǎn)并未按照順時針方向比較，而是每間隔3個像素點(diǎn)取一個像素點(diǎn)與之進(jìn)行對比（以3為半徑間隔3個位置，如位置1、5、7、9的像素點(diǎn)），若大于等于3 個同時屬于強(qiáng)差異的像素點(diǎn)則繼續(xù)檢測中間需要相連接的像素點(diǎn)。當(dāng)至少連續(xù)9 個同時為強(qiáng)差異像素點(diǎn)則認(rèn)為該點(diǎn)是特征點(diǎn)，雖然這種方法計(jì)算速度較快但同時由于用于依賴開始選擇固定的4個像素點(diǎn)，導(dǎo)致邊緣敏感不足，抗鋸齒能力不強(qiáng)。針對這種情況，改進(jìn)后的FAST在選擇間隔為3的4個像素點(diǎn)中，若只存在2個同時屬于強(qiáng)差異的像素點(diǎn)則先考慮其他2 個非強(qiáng)差異像素點(diǎn)的邊緣與中心像素點(diǎn)是否存在強(qiáng)差異。如圖2（a）所示：若位置1 為非強(qiáng)差異像素點(diǎn)，則考慮位置1 的上下邊緣，若位置13 為非強(qiáng)差異像素點(diǎn)，則考慮位置13左右邊緣與中心像素強(qiáng)度差異關(guān)系，在這兩對邊緣中只要存在1 個強(qiáng)差異點(diǎn)即可認(rèn)為滿足選擇的4個像素點(diǎn)中同時存在3個強(qiáng)差異像素點(diǎn)的初始要求，在邊緣檢測條件滿足后進(jìn)行像素點(diǎn)的連續(xù)性檢測，到達(dá)至少9個像素點(diǎn)連續(xù)為強(qiáng)差異像素則認(rèn)為它是一個特征點(diǎn)進(jìn)行保留，反之則去除。圖2（b）為經(jīng)過改進(jìn)后的圓周檢測位置示例。

圖2 改進(jìn)FAST檢測原理圖Fig.2 Detection schematic of improved FAST

確定角點(diǎn)后通過灰度質(zhì)量心法計(jì)算出質(zhì)心C與主方向θ，得到帶有方向的rBEIEF。改進(jìn)FAST特征點(diǎn)檢測流程圖如圖3所示。

圖3 改進(jìn)FAST特征點(diǎn)檢測流程圖Fig.3 Feature point detection flowchart of improved FAST

2.2 改進(jìn)人工魚群的特征點(diǎn)選取

通常魚群聚集的地方往往是營養(yǎng)較為豐富的地方，基于此思想在特征點(diǎn)檢測中特征點(diǎn)較多的區(qū)域同樣圖像特征較為豐富，考慮K-means聚類方法[15]需要多次迭代并照顧全局每一個點(diǎn)，直到計(jì)算出一個或多個聚類中心，過于依賴初始點(diǎn)的位置，如圖4（a）所示，經(jīng)過聚類算法的計(jì)算將圖像中的點(diǎn)分為上下兩類，距離聚類中心較遠(yuǎn)的點(diǎn)同樣被考慮在計(jì)算范圍之內(nèi)。本文通過上文改進(jìn)的FAST提取，將當(dāng)前特征點(diǎn)作為已收斂后的人工魚群，即圖像特征信息最優(yōu)提取，通過改進(jìn)人工魚群思想計(jì)算出一個或多個聚群區(qū)域，根據(jù)特征點(diǎn)相應(yīng)的位置判斷其當(dāng)前的狀態(tài)，對于未在聚群區(qū)域的特征點(diǎn)通過狀態(tài)判斷策略選擇保留或去除。每一個特征點(diǎn)位置對圖像整體計(jì)算影響較小，通過減小圖像特征區(qū)域外的相似描述提高匹配精度。圖4（b）為改進(jìn)人工魚群的特征點(diǎn)分類原理圖。

圖4 分類類型示意圖Fig.4 Schematic diagram of classification types

下面是改進(jìn)算法中包含的一些基本定義：SR（satisfactional research）代表區(qū)域認(rèn)可度，F(xiàn)I（follow intensity）代表人工魚的追隨強(qiáng)度，Nmax為圖像中檢測到特征點(diǎn)的數(shù)量。

（3）自由狀態(tài)行為分析：如圖4（b）綠色點(diǎn)所示，不在聚群與追尾區(qū)域的人工魚將被認(rèn)定為自由狀態(tài)Fd，考慮其不影響其他人工魚的條件下，將其去除。自由狀態(tài)的行為分析將圖像中某一局部區(qū)域單獨(dú)出現(xiàn)的特征點(diǎn)在不影響其他特征點(diǎn)聚類、描述圖像信息的情況下視為環(huán)境干擾產(chǎn)生的噪聲，故通過不同的行為分析后將其在圖像特征點(diǎn)中過濾消除。

2.3 特征點(diǎn)匹配

隨機(jī)一致性（random sample consensus，RANSAC）通過擬合參數(shù)模型高效的去除了大量誤匹配，該方法[16]可以在包含大量誤差超過閾值的數(shù)據(jù)集中分離出誤差在一定范圍內(nèi)的優(yōu)質(zhì)參數(shù)。在實(shí)際情況中，RANSAC算法對于優(yōu)質(zhì)的模型會很快跳出迭代，節(jié)省大量計(jì)算時間。它的計(jì)算過程如下：

（1）從數(shù)據(jù)集合中，任意的抓取一定的參數(shù)生成擬合函數(shù)，并計(jì)算出最佳單應(yīng)性矩陣H。

（2）設(shè)置一個誤差閾值T，計(jì)算其他未被選擇的點(diǎn)與模型的投影距離L，若L

（3）計(jì)算每個模型含有局內(nèi)點(diǎn)的數(shù)量，通過迭代隨機(jī)生成的模型，直到局內(nèi)點(diǎn)數(shù)目不再變化，并達(dá)到最大數(shù)量時停止采樣。

2.4 改進(jìn)算法的總流程

改進(jìn)算法的具體流程如圖5所示。

圖5 改進(jìn)人工魚群的ORB特征匹配流程圖Fig.5 ORB feature matching flowchart of improved AFSA

首先針對特征點(diǎn)檢測能力不足的的情況，對FAST特征點(diǎn)圓周彈性位置的像素值進(jìn)行對比然后提取特征點(diǎn)；接著通過改進(jìn)人工魚，結(jié)合其速度快、輸入信息簡潔，算法設(shè)計(jì)方便等優(yōu)點(diǎn)劃分特征區(qū)域，追尾區(qū)域，對特征點(diǎn)賦予不同狀態(tài)優(yōu)化選?。蛔詈笫褂肦ANSAC 算法計(jì)算出最佳擬合函數(shù)去除圖像中的誤匹配。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 改進(jìn)FAST算法的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本文實(shí)驗(yàn)環(huán)境為Ubuntu 16.04，CPU 為i7-4510U，Opencv2.4.13，為了驗(yàn)證改進(jìn)算法的有效性，選擇公開數(shù)據(jù)集中bikes場景、light場景、graffiti場景，公開數(shù)據(jù)集的地址為http：//www.robots.ox.ac.uk/～vgg/research/affine/，同時選取了實(shí)際場景，對改進(jìn)FAST 算法前后進(jìn)行了效果圖的比較。在實(shí)際測試中過高的閾值使判斷條件過于嚴(yán)格，導(dǎo)致少量的特征點(diǎn)無法準(zhǔn)確描述圖像信息，過低的閾值會導(dǎo)致特征點(diǎn)聚集在圖像某一處，大量重疊。本文在實(shí)驗(yàn)中將閾值設(shè)置為（Threshold=50），在提取階段階段進(jìn)行了非極大值抑制，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。

圖6 改進(jìn)FAST效果對比圖Fig.6 Effect comparison diagram of improved FAST

通過觀察，圖6（a）左二摩托車車頭與車尾有大量重疊的特征點(diǎn)，每輛摩托車車胎、遮陽棚、門框均少量特征點(diǎn)。從圖6（b）可以發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過改進(jìn)后的算法使得車胎處、門框處存在較多的特征點(diǎn)符合實(shí)際圖像的輪廓邊界，并無聚集重疊的特征點(diǎn)。根據(jù)圖6（c）所示，圖像樹葉、建筑物入口上方處，特征點(diǎn)過于密集，樓梯邊緣處也沒有有效檢測到特征點(diǎn)。如圖6（d）所示，在樹葉與樓體中檢測到了較多且均勻分布的特征點(diǎn)，對樓梯邊緣、白色汽車車體邊界處進(jìn)行了高質(zhì)量的特征點(diǎn)提取，對圖6（c）中存在的問題進(jìn)行了有效的改善。從圖6（e）中可以很明顯的看到，在整個圖像中明顯分界處并沒有符合理想的特征點(diǎn)，而經(jīng)過改進(jìn)后的算法在圖6（f）中精準(zhǔn)的對圖像中存在邊界的地方進(jìn)行了特征提取，對圖像輪廓進(jìn)一步詳細(xì)的描述。在實(shí)際環(huán)境中，從圖6（g）與6（h）可以發(fā)現(xiàn)改進(jìn)算法更加精準(zhǔn)的將暖氣片之間縫隙作為特征點(diǎn)提取出來符合理論的設(shè)計(jì)原理，對右下角辦工桌的邊緣使用特征點(diǎn)勾繪出來滿足物品實(shí)際的邊緣形狀，并對桌面物品的外形又有著進(jìn)一步的精準(zhǔn)描繪。從圖6（i）與6（j）對比中可以看出，改進(jìn)算法對圖像下方的辦公椅提取出較多的特征點(diǎn)，并且對圖像上方的燈管處提取出與實(shí)際情況一致的特征點(diǎn)。這是由于傳統(tǒng)FAST嚴(yán)格要求對比像素的圓周位置導(dǎo)致特征提取并不理想，通過算法改進(jìn)前后效果表明改進(jìn)ORB的FAST算法，可以靈活有效地對不同情況的像素位置及時調(diào)整，更加均勻精準(zhǔn)的突出圖像中存在的特征點(diǎn)，對于特征點(diǎn)圓周位置彈性范圍的灰度值對比檢測，可以有效地克服特征點(diǎn)對邊緣檢測的不敏感。

3.2 改進(jìn)ORB特征匹配算法的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在3.1 節(jié)中對ORB 的FAST 算法進(jìn)行了改進(jìn)，并在公開數(shù)據(jù)集中驗(yàn)證了改進(jìn)算法的有效性。本實(shí)驗(yàn)?zāi)M室內(nèi)環(huán)境共采集了80 組室內(nèi)圖片進(jìn)行特征點(diǎn)匹配，選擇其中40 組匹配效果較為良好圖片作為樣本，計(jì)算了不同特征匹配算法的平均正確匹配率并測試了算法的穩(wěn)定性即標(biāo)準(zhǔn)差，結(jié)果如表1所示。

根據(jù)表1 可知，傳統(tǒng)ORB 平均正確匹配率較低，并且標(biāo)準(zhǔn)差達(dá)到3.1%，匹配結(jié)果極不穩(wěn)定。通過使用篩選匹配或RANSAC 匹配策略與傳統(tǒng)ORB 結(jié)合，不需要額外消耗更多的匹配時間便可以將平均正確匹配率小幅度提升15.4%～29.5%，將標(biāo)準(zhǔn)差降低0.4%～0.8%，雖然改善了匹配效果與穩(wěn)定性但并未達(dá)到理想正確匹配率。優(yōu)化ORB算法與篩選匹配結(jié)合在匹配精度方面較傳統(tǒng)ORB 提高了39.2%，經(jīng)過優(yōu)化后的ORB 算法明顯比傳統(tǒng)ORB 匹配效果提升一個數(shù)量級并且降低了正確匹配率標(biāo)準(zhǔn)差至2.0%，但依然不滿足理想的正確匹配率。最后，通過改進(jìn)人工魚群的ORB 優(yōu)化算法與RANSAC匹配結(jié)合，在平均消耗時間上比優(yōu)化ORB+篩選匹配多2.32 ms，在滿足實(shí)時檢測的要求下平均正確匹配率與標(biāo)準(zhǔn)差分別達(dá)到92.7%、1.3%，結(jié)果相對穩(wěn)定，與傳統(tǒng)ORB 相比匹配精度提升了117%，標(biāo)準(zhǔn)差降低1.8%，符合理想的正確匹配率與穩(wěn)定性。

表1 匹配結(jié)果對比Table 1 Comparison of matching results

下面給出在實(shí)際環(huán)境中與公開數(shù)據(jù)集中配精度效果較好的四組圖片加以說明，第一組如圖7所示。其中圖（a）為初始圖像，圖（b）、（c）、（d）、（e）、（f）分別對應(yīng)傳統(tǒng)ORB 特征匹配、傳統(tǒng)ORB+篩選特征匹配、傳統(tǒng)ORB+RANSAC匹配、優(yōu)化ORB+篩選匹配、優(yōu)化ORB+RANSAC匹配5種實(shí)驗(yàn)的結(jié)果。

圖7 改進(jìn)ORB特征匹配效果圖Fig.7 Feature matching effect diagram of improved ORB

從圖7（b）中可以觀察到由于傳統(tǒng)ORB使用暴力匹配法，圖像中存在大量誤匹配，使得匹配精度極低。在圖7（c）與7（d）中可以觀測到雖然使用了兩種不同的特征匹配策略，雖然在匹配精度上小幅度的改善了誤匹配率，但由于圖像特征點(diǎn)在提取的過程中并未提取出質(zhì)量較高的特征點(diǎn)，并且是對全局相似特征點(diǎn)進(jìn)行對比匹配，導(dǎo)致原始圖像左側(cè)的特征點(diǎn)在目標(biāo)圖像上發(fā)生了誤匹配，產(chǎn)生并不理想的匹配效果。觀察圖7（e）與7（f）中可以發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化ORB 與RANSAC 匹配算法的結(jié)合正確匹配率高于ORB 與篩選匹配的結(jié)合，同時對于目標(biāo)圖像缺少初始圖像左側(cè)的部分，并在該部分產(chǎn)生大量特征點(diǎn)，目的是檢測兩張圖像經(jīng)過改進(jìn)人工魚群劃分特征區(qū)域后，區(qū)域內(nèi)的特征點(diǎn)是否會像去除的特征點(diǎn)一樣干擾匹配。通過實(shí)驗(yàn)表明，RANSAC 匹配算法雖然會帶來迭代計(jì)算，由于優(yōu)化ORB 算法通過劃分特征區(qū)域大大縮小了匹配范圍，彌補(bǔ)了RANSAC計(jì)算量大的劣勢，并且在特征區(qū)域內(nèi)特征點(diǎn)之間不會產(chǎn)生強(qiáng)烈干擾，降低特征點(diǎn)由于隨機(jī)相似的特征描述引起的誤匹配。

如圖8所示，為樣本中兩組不同場景的傳統(tǒng)ORB特征匹配與改進(jìn)算法的效果對比圖。圖（a）、（b）、（c）、（d）兩組實(shí)際效果對比圖選擇的場景分別是正常光線的室內(nèi)、與光線較暗的走廊，通過效果對比圖可以看出經(jīng)過改進(jìn)人工魚群的ORB特征匹配算法在較亮或較暗的環(huán)境中都具有較好匹配效，圖（e）、（f）是選用公開數(shù)據(jù)集中的graffiti場景通過偏轉(zhuǎn)一定角度來進(jìn)行特征匹配，從圖8（e）中可以看出偏轉(zhuǎn)后的圖像特征匹配較為混亂，具有較高的誤匹配率，使用改進(jìn)的特征匹配算法通過對圖像的位置信息分類，縮小匹配范圍，有效地降低了誤匹配率，即使在圖片偏轉(zhuǎn)一定角度的情況下仍然具有一定的魯棒性，改進(jìn)算法具有較高的穩(wěn)定性與正確匹配率。

圖8 不同場景改進(jìn)算法對比圖Fig.8 Comparison diagram of improved algorithms for different scenes

3.3 改進(jìn)算法總結(jié)

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果得出改進(jìn)人工魚群的圖像信息分類擴(kuò)大了不同特征區(qū)域特征點(diǎn)之間的描述差異，使得室內(nèi)物品雜亂較多的情況下具有較好的分類匹配效果，同時針對室內(nèi)環(huán)境光照強(qiáng)度的不同，具備較好穩(wěn)定性以及良好特征匹配性能，降低了實(shí)際環(huán)境中誤匹配率。改進(jìn)算法為室內(nèi)環(huán)境中的輪椅導(dǎo)航與建圖提供了良好的前端信息，為后續(xù)工作關(guān)鍵幀的確定做好準(zhǔn)備。

4 結(jié)論

本文針對室內(nèi)輪椅定位與地圖構(gòu)建中提高視覺里程計(jì)ORB特征匹配正確率的要求。首先根據(jù)不同條件對ORB中FAST彈性選取邊緣位置后進(jìn)行像素值對比，經(jīng)過檢測后提取出特征點(diǎn)并計(jì)算方向與描述子，然后通過改進(jìn)人工魚群的ORB特征選取策略對特征點(diǎn)劃分特征區(qū)域并根據(jù)其位置賦予不同狀態(tài)，最后結(jié)合RANSAC匹配算法，對傳統(tǒng)ORB 算法進(jìn)行了優(yōu)化。通過改進(jìn)前后的ORB 算法對公開數(shù)據(jù)集與實(shí)際場景實(shí)驗(yàn)效果對比，結(jié)果表明改進(jìn)FAST 算法可以在圖像邊緣處檢測到更多的特征點(diǎn)，基于人工魚群的ORB 算法平均正確匹配率可以達(dá)到92.7%，穩(wěn)定性較高。該算法對于室內(nèi)環(huán)境具較高的正確匹配率，環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)，為后續(xù)工作室內(nèi)輪椅定位與地圖構(gòu)建做好了充分準(zhǔn)備。