图像配准理论及算法研究--《西安电子科技大学》2009年硕士论文
图像配准理论及算法研究
【摘要】：
图像配准是图像处理应用方面的一个基础问题,用于将不同传感器、不同视角、不同时间或不同拍摄条件下获取的同一场景的两幅或者多幅图像进行对准、叠加(主要是几何意义上的),在很多领域有着广泛的应用,如计算机视觉、医学诊断与辅助治疗、遥感影像、三维建模、图像拼接等。
基于变换域的配准方法是常用的方法之一,本文结合四元数的理论知识,通过对傅里叶变换域中技术成熟的相位相关法进行研究,将相位相关法的配准思想应用到彩色图像配准领域中,提出一种基于四元数傅里叶变换的亚像元相位相关方法,仿真结果表明了该方法的合理性和正确性;同传统的傅里叶变换相比,四元数傅里叶变换有很多的相似性。
基于特征的配准方法也是常用的方法之一,优点在于提取了图像的代表性特征信息,从而减少运算量,提高了算法速度。文中对现在流行的SIFT算法进行深入研究,对SIFT算法的缺陷进行改进和提升,将两种新的特征描述方法-CSIFT和SURF方法应用于图像配准领域中。实验结果表明,这两种方法在保持配准精度的同时,能稳定并快速的实现整个配准过程,更易于满足实时性的要求。
【关键词】：
【学位授予单位】：西安电子科技大学【学位级别】：硕士【学位授予年份】：2009【分类号】：TP391.41【目录】：
Abstract4-7
第一章 绪论7-14
1.1 研究的目的和意义7-8
1.2 国内外发展现状8-12
1.2.1 基于灰度信息的方法8-10
1.2.2 基于变换域的方法10-11
1.2.3 基于特征的方法11-12
1.3 本论文的主要内容12-14
第二章 图像配准理论14-22
2.1 图像配准的数学描述14
2.2 空间变换模型14-16
2.3 配准相似度度量16-18
2.3.1 距离测度17-18
2.3.2 角度度量法18
2.3.3 相关度量法18
2.4 重采样理论18-21
2.5 配准算法的评价标准21-22
第三章 基于变换域的图像配准方法研究22-31
3.1 标准相位相关22-23
3.2 相位相关的改进23-25
3.2.1 改进方法一23-24
3.2.2 改进方法二24-25
3.3 相位相关的扩展25-28
3.3.1 四元数（quaternion）25-26
3.3.2 四元数的傅立叶变换26-27
3.3.3 实验结果及结论分析27-28
3.4 彩色图像的亚像元平移28-30
3.4.1 实验结果29-30
3.5 小结30-31
第四章 基于CSIFT 的彩色图像配准方法研究31-44
4.1 CSIFT 算法框图31-32
4.2 特征的检测及匹配32-36
4.2.1 特征检测32-36
4.2.2 特征匹配36
4.3 估算变换参数及重采样36-37
4.4 实验结果及分析37-43
4.4.1 两种算法的计算结果比较37-39
4.4.2 变换参数未知的图像39-40
4.4.3 运行时间比较40
4.4.4 特征点检测40-43
4.5 小结43-44
第五章 基于SURF 图像配准方法研究44-53
5.1 SURF 的特征检测及描述过程44-48
5.1.1 特征检测45-47
5.1.2 主方向确定47
5.1.3 描述子形成47-48
5.2 特征匹配及参数求解48
5.3 实验结果及分析48-52
5.4 小结52-53
第六章 总结与展望53-55
6.1 本文的主要工作53
6.2 进一步研究的方向53-55
参考文献56-60
在读期间的研究成果60-61
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参考论文中的文字：图像配准是图像处理的基本任务之一,用于将不同时间、不同传感器、不同视角及不同拍摄条件下获取的关于同一目标或场景的两幅或多幅图像进行主要是几何意义上的匹配套和的过程。在对图像配准的研究过程中,大量技术被应用于针对不同数据和问题的图像配准工作,产生了多种不同形式的图像配准技术。
图像配准的基本问题是找出一种图像转换方法,用以纠正图像的形变。造成图像形变的原因多种多样,例如对于遥感图像而言,传感器噪声、由传感器视点变化或平台不稳定造成的透视变化、被拍摄物体的移动、变形或生长等变化、闪电和大气变化,以及阴影和云层遮盖都使图像产生不同形式的形变。正是图像形变原因和形式的不同决定了多种多样的图像配准技术。
迄今已报道了多种图像配准方法,主要有互相关法、傅立叶变换法、点映射法口脚外和弹性模型法。其中傅立叶变换法基于傅立叶变换的相位匹配是利用傅立叶变换的性质而出现的一种图像配准方法。图像经过傅立叶变换,由空域变换到频率缘则两组数据在空何上的相关运算可以变为频谱的复数乘法运算,同时图像在变换域中还能获得在空域中很难获得的特征。
一，基于相位相关的图像配准方法
在时域中信号的平移运动可以通过在频域中相位的变化表现出来（这是傅里叶变换的特性）。同理,图像的旋转、平移和比例变化也能在傅里叶变换的频域中反映出来。而且使用频域方法的好处是计算简单,同时傅立叶变换可以采用方法提高执行的速度。因此,傅氏变换是图像配准中常用的方法之一。下面我们就具体分析当图像发生平移、旋转和缩放时,图像信号在频域中的表现。
1，原理阐述
通过求取互功率谱的傅立叶反变换,得到一个狄拉克函数（脉冲函数）,再寻找函数峰值点对应的坐标,即可得到我们所要求得的配准点。实际上,在计算机处理中,连续域要用离散域代替,这使得狄拉克函数转化为离散时间单位冲击函数序列的形式。在实际运算中,两幅图像互功率谱相位的反变换,总是含有一个相关峰值代表两幅图像的配准点,和一些非相关峰值,相关峰值直接反映两幅图像间的一致程度。更精确的讲,相关峰的能量对应重叠区域的所占百分比,非相关峰对应非重叠区域所占百分比。由此我们可以看出,当两幅图像重叠区域较小时,采用本方法就不能检测出两幅图像的平移量。
2，配准情况
当图像间仅存在平移时，正确的配准图像如图a所示（中心平移化了），最大峰的位置就是两图像的相对平移量，反之若不存在单纯的平移，则会出现如b所示的情况（多脉冲林立）
3，算法流程
二，程序实现
1，核心函数的实现：
2，配准模拟结果：
3，实际的图像配准效果
注：下面这张图是单帧图像效果，有大量的椒盐噪声和散斑噪声
注：下面这张图像是八张单帧图像（图像内容可能一样，但是可能存在较小的位移）的叠加效果，散斑噪声和椒盐噪声得到明显去除
注：下面这张图像是八张图像先配准再叠加平均的效果，背景噪声及其散斑噪声得到消除，并且图像对比度得到一定程度提高
注：本博文为原创，后续可能继续更新本文。如果转载，请务必复制本条信息！
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&&图像配准是INSAR技术中关键的一环。可见光图像配准中的相位相关法,因为对噪声具有很高的稳健性,使用相当普遍。针对SAR图像特点,在相位相关法原有基础上,提出几点改进。特别是边缘模糊方面,从信号处理原理角度进行了深人的分析,并且在MATLAB环境下仿真得到验证。通过在原有相位相关法的基础上的几处改进,配准的速度和精度有很大提高,满足了INSAR对两幅SAR图象配准的精度
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基于角点特征的图像配准技术研究
数字图像配准技术是将不同时间、不同传感器、不同视角以及不同拍摄条件下获取的同一场景的两幅或多幅图像进行配准的处理过程，是数字图像处理中的一个基本问题。配准的效果将直接影响到其后续图像处理工作的效果。
数字图像配准主要分为三类方法：基于变换域的方法、基于特征的方法、基于灰度的方法。尽管图像配准技术的算法很多，但是没有哪一种算法能够适用于所有的图像。我们往往需要结合具体的情况，在算法精度、速度、鲁棒性上找到平衡，开发出适合图像特点的算法。本文重点研究了在基于变换域和基于特征的图像配准方法，并提出了一种基于特征的算法。
基于变换域的算法是图像配准中经常使用的算法，它思路简单、具有一定程度的抗噪特性。文章详细讨论了利用傅里叶相位相关理论解决图像旋转、平移的问题，该方法引入了极坐标变换，将旋转角度因子变换为平移因子，再利用相位相关技术完成角度的估计。但是该方法必须以图像中心为旋转中心，否则会出现估计错误，故限制了自身的应用。
本文介绍了基于特征的配准方法的概念、原理和常用算法。在此基础上提出一种鲁棒的基于特征点的配准算法。首先使用多尺度Harris角点检测算法，有效提高提取特征点的稳定度和精度；然后，利用欧式距离对特征点进行基于投票策略的初始配准；最后使用RANSAC(RandomSampleConsensus)算法剔除伪匹配对，实现由粗到细(coarse-to-fine)的图像配准。实验结果表明，该算法精度高，鲁棒性强，对处理大旋转和平移的图像配准问题显示出良好的效果。
图像配准技术的一个重要应用是对图像进行拼接。文章介绍了图像插值、拼缝消除等常见的图像拼接技术，采用渐入渐出的算法对完成配准后的图像进行了合成，取得了良好的效果。
最后对本文的工作进行了总结，并对本文在图像配准领域仍需要深入研究的地方进行了展望。
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针对特征稀少零件的图像精确拼接难题,提出了一种基于相位相关法和闭环运动控制的图像精确拼接方法,以充分发挥软硬件的综合优势。该方法以具有足够特征信息的零件为对象,获取成像系统分别沿
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