Registration Based on ORB and FREAK Features for Augmented Reality Systems

This paper proposes a novel registration method for augmented reality(AR) systems based on Oriented FAST and RotatedBRIEF(ORB) and Fast Retina Keypoint(FREAK) natural features. In the proposed ORBFREAK method, feature extraction is implemented based on the combination of ORB and FREAK, and the feature points are matched using Hamming distance. To get good matching points, cross-checks and least median squares are used to perform outlier filtration, and camera pose is estimated using the matched points. Finally, AR is rendered.Experiments show that the proposed method improves the speed of registration to be in real time; the proposed method can accurately register the target object under the circumstances of partial occlusion of the object; and it also can overcome the effects of rotation, scale change, ambient light and distance.

基于自适应几何约束ORB的红外双目测距方法

针对传统特征匹配算法计算效率低、误匹配率高和双目视觉测量精度不足等问题,提出了一种基于自适应几何约束和随机抽样一致性方法的ORB(Oriented FAST and Rotated BRIEF)红外双目测距方法。首先,通过FAST(Features from Accelerated Segment Test)算法与BRIEF(Binary Robust Independent Elementary Features)算法检测并描述关键点,采用快速最近邻搜索的算法完成特征点初始匹配。然后,根据初始匹配点对的斜率与距离选择相应的阈值,构建基于斜率与距离的几何约束,剔除明显错误匹配点对。最后利用随机抽样一致性方法去除异常点完成精匹配,结合热像仪标定参数计算出目标物体的距离。实验结果表明,改进的ORB算法与传统算法相比,具有较好的特征点质量和较高的测量精度,测距平均绝对误差为1.64%,具有较好的实用价值。

基于视觉图像的飞行区大型目标监视方法改进研究

机场飞行区现使用的场面监视方法存在着定位偏差较大、不稳定、易跳变、皆为点源定位等问题。针对这些问题,设计了基于视觉图像的飞行区监视方法,实现快速准确的目标检测和轮廓定位,使飞行区监视更加稳定精确。提出了一种基于MobileNetV3和YOLOv5的网络模型(以下称为MobileNetV3-YOLOv5),即在YOLOv5的主干中使用MobileNetV3,来提高对目标的检测速度和准确度;提出了一种基于优化特征点提取的改进定向快速旋转简报(Oriented FAST and Rotated BRIEF,ORB)算法,将图像分割成多个区域,分别提取每个区域的特征点,从而提高目标识别框内区域的特征点识别数量,再进行特征点聚类筛选,最后根据识别目标类型采用最小包围盒进行轮廓划分,得到目标的轮廓定位。试验结果表明:MobileNetV3-YOLOv5方法对比原始YOLOv5模型,在识别目标准确率方面提升5百分点,在效率方面提升14张/s;同时在0~60 m的范围内,轮廓估计误差仅为2.9%;体现了所提出的监视方法的有效性,可以提升飞行区监视定位准确性和运行安全性。

基于ORB与RANSAC融合改进的图像配准

针对旋转不变性二进制描述算法(Oriented Fast and Rotated Brief,ORB)的尺度旋转性配准误差大,配准率较低及随机采样一致性(Random Sample Consensus,RANSAC)算法随机性强且不稳定的问题,提出一种ORB与RANSAC结合的快速特征匹配算法。首先,对特征点提取方式进行优化选择,消除特征边缘影响。之后构建简化的金字塔式尺度空间模型,改进分层图像的尺度空间结构,减少生成图像层数和数目;然后采用梯度方向改进传统ORB算法中的主方向提取模式,提高特征角点主方向的准确性。最后,通过构建分块随机取样检测的方式改进RANSAC算法,提高RANSAC算法的稳定性和图像配准的准确性。实验结果表明改进后的ORB和RANSAC融合算法在尺度和旋转配准方面性能有很大提高,并且配准的精度较传统ORB算法高,尺度配准精度提高55.41%,旋转配准精度提高26.66%。满足复杂图像快速精确配准拼接的精度和实时性要求。

适用于高精度同时定位与地图构建的均衡化亚像素ORB特征提取方法

在视觉同时定位与地图构建问题中,ORB(Oriented FAST and Rotated BRIEF)特征由于其高效、稳定的优点而受到广泛关注。针对ORB特征提取过程中存在的像点量测精度较低、特征聚集现象明显等问题,提出了一种适用于高精度SLAM的均衡化亚像素ORB特征提取方法。分析了精确特征定位的原理,对误差方程进行合理的简化并采用一种基于模板窗口距离的权函数计算方法,大幅降低了计算负担;设计了一种基于四叉树结构的特征均衡化方案,对包含特征的像平面空间进行有限次数的迭代分割,然后选取具有最优响应的特征。试验表明,本文方法进行特征提取的额外计算负担小于2.5 ms,在运行TUM和KITTI数据集时,ORB特征的量测精度分别为0.84和0.62 Pixel,达到亚像素水平,可以降低误差初值,提高光束法平差效率,并能够在满足特征总体分布规律的情况下,显著改善特征聚集的现象,有利于后续问题的稳健、准确求解。

运用DWT和ORB的图像篡改检测方法

针对数字图像常见的区域复制篡改方式和实时特征提取要求,结合离散小波变换(DWT)和ORB特征提取算法,提出了一种高效的数字图像区域复制篡改检测方法。该方法首先使用DWT将图像分解为LL、LH、HL、HH四部分;然后将ORB算法作用于LL部分,提取关键点,构建二进制描述向量r BRIEF;最后使用汉明距离匹配相似关键点,达到检测图像篡改的目的。通过实验结果证明,该方法不仅可以有效地检测出区域复制篡改图像,同时对平移、旋转、噪音和综合攻击后的篡改图像具备一定的鲁棒性,且与SIFT等算法相比具有更短的检测时间和更少的存储空间。

基于改进ORB特征的多姿态人脸识别

为了克服通过全局特征以及每位个体单个模板样本进行多姿态人脸识别的不足,提出基于改进的ORB局部特征以及每位个体多个模板样本的多姿态人脸识别方法.首先改进ORB算子的采样模式提高算子对人脸视角变化的鲁棒性,并采用每位个体的多个训练样本建立模板库,然后提取并匹配测试样本与模板样本的改进ORB特征.在特征提取阶段,为避免关键点数目变化的干扰,对全部样本提取一致数目的关键点;在特征匹配阶段,采用基于模型和基于方向的双重策略剔除误匹配点对,使用匹配点对数目与平均距离评价测试样本与每个模板样本的吻合程度.对CAS-PEAL-R1和XJTU数据库的实验结果表明,改进的ORB特征具有更好的识别性能;与采用多个训练样本构建个体单个模板样本的方法相比,在训练样本数目相同的条件下,该方法能较好地避免姿态的干扰,具有更好的识别效果.与SIFT算子相比,ORB算子在特征提取与特征匹配2个阶段都具有明显的速度优势.

动态背景下基于ORB特征匹配的运动目标检测算法

为了能够实时地检测出运动目标,提出一个基于ORB(Oriented FAST and Rotated BRIEF)特征匹配和改进的帧间差分相结合的检测算法。首先运用ORB算法提取特征点,采用RANSAC(RANdom SAmple Consensus)方法求得变换矩阵参数之后获取全局运动补偿图像,然后用帧间差分法实现运动目标的检测。ORB特征点匹配的快速性和准确性与RANSAC方法去除异常点的有效性确保变换矩阵参数的计算准确,再结合帧间差分法快速完整地检测出前景目标。实验结果显示,该算法能够准确地检测出运动目标,并在一定程度上解决了实时检测的问题。

面向扑翼飞行机器人的电子稳像算法设计

在扑翼飞行机器人的飞行过程中,由于其特有的驱动方式,机身存在周期性的俯仰和滚转运动,导致航拍视频出现抖动,影响成像效果的清晰度和稳定性.为了解决这一问题,本文提出了一种基于ORB和滑动均值滤波的电子稳像算法,用于在线消抖处理.首先,针对扑翼飞行机器人航拍图像的抖动周期与机翼扑动周期相一致的特性,设计了一种估计算法来根据图像特征估计机翼扑动周期.这一算法能够更准确地捕捉到抖动的周期性特征,为后续的稳像处理提供了重要参数.其次,提出了一种与扑动周期相关联的运动滤波算法,能够根据不同飞行工况对滤波参数自适应地进行动态调整.本文提出的算法优点在于能够根据扑翼飞行机器人实际飞行情况实时调整参数,从而更好地适应不同的飞行工况,进一步提高了稳像效果.最后,为了验证算法的可行性和稳定性,将视觉成像装置搭载在扑翼飞行机器人上进行了飞行实验.实验结果表明,相较于常用的电子稳像算法,本文所设计的算法在扑翼飞行机器人中表现出更好的稳像效果.最后,总结了本文所提出的算法优点,并对未来研究方向做出了展望.

基于余弦相似度的改进ORB匹配算法

针对ORB(oriented FAST and rotated BRIEF)在匹配多相似区域图像时误匹配率高的问题,提出一种基于余弦相似度的改进ORB算法。该算法首先通过汉明距离(Hamming distance)最近邻匹配,计算匹配特征向量的余弦相似度;其次通过梯度计算法计算余弦相似度的最优阈值范围;然后将汉明距离高自由度最近次近邻粗匹配结果,利用余弦相似度不变性剔除不在最优阈值范围的匹配点;最后用RANSAC算法再次精确匹配。实验结果表明:该算法能在保证匹配特征点数以及实时性的基础上,高效降低误匹配率,尤其在匹配多相似区域图像时,可将原算法产生的误匹配率降低80%左右,同时该算法还超越了原算法在图像发生视角、旋转、尺度、模糊、光照变化时的适应性。

NSST域改进ORB的泡沫流动特征提取及加药状态识别

针对浮选泡沫表面图像动态变化、光照影响、噪声干扰导致流动特征难于提取的问题,提出了一种在NSST域改进ORB的泡沫流动特征提取方法,并应用于浮选加药状态识别。对相邻两帧泡沫图像NSST分解,对多尺度高频子带先通过尺度相关系数去除噪声再分为多个内层和外层,在各内层通过方向模极大值检测提取兴趣点,然后在本层和上下层通过非极大值抑制提取特征点,采用多尺度BRIEF描述子对特征点描述,结合泡沫的运动趋势动态调整搜索的匹配区域,根据匹配结果计算泡沫流动特征。最后,构建行列自编码极限学习机对泡沫形态、尺寸分布特征和流动特征进行融合,然后通过自适应随机森林对加药状态分类识别。实验结果表明,改进的ORB受噪声和光照影响小,流动特征检测精度和效率较现有方法有较大提高,能准确地表征不同加药状态下泡沫表面的流动特性,加药状态的平均识别精度达97.85%,较现有文献方法有较大提升,为后续的加药量优化控制奠定基础。

一种改进的Qtree_ORB算法

在视觉SLAM中,特征点的提取和准确的特征匹配对机器人的位姿推断具有重要作用。针对传统ORB算法特征点分布不均匀,容易出现簇集的问题和Qtree_ORB算法特征点过均匀等问题,提出了一种基于四叉树改进的ORB特征提取算法。对每层图像金字塔进行自适应网格划分,采用自适应阈值来进行特征点提取;根据每层图像金字塔所提取特征点数目对四叉树的划分深度进行限制,减少冗余特征点;设定最小阈值来减少低质量特征点的提取;在Mikolajczyk数据集上对改进算法的均匀度和匹配性能进行测试,在TUM数据集上对改进算法在ORBSALM2系统中的精度进行测试。结果表明改进算法能够有效提高其均匀度,并且保持着较高的匹配精度;在ORBSLAM2测试中,改进算法能有效改进SLAM系统的轨迹精度和漂移程度。

改进ORB的轮式机器人视觉导航算法

为实现轮式机器人的自主导航和自主控制,针对传统视觉导航技术中ORB算法的特征点分布均匀程度较低、算法耗时较长的缺点,提出一种改进ORB算法:构建尺度空间金字塔对每层图像进行网格划分,增加空间尺度信息;设置感兴趣区域,采用改进FAST角点提取方法提取特征点;引入非极大值抑制方法,抑制低阈值特征点的输出;基于区域图像特征点分布的方差数值评价待检测图像中特征点分布的均匀程度。实验结果表明:使用改进ORB算法提取到的特征点分布均匀程度较高,匹配效果较好,特征点重叠现象降低,算法耗时较短;当特征点期望数值为3000时,图像中特征点分布的均匀程度提高71.13%,耗时降低比率为69.52%,说明该算法可以更好地应用于轮式机器人执行视觉导航算法。

基于阈值自适应调整的图像特征均匀分布ORB算法改进

基于相机的无人驾驶汽车视觉同步定位与地图构建(SLAM),可完成无人驾驶汽车的定位与建图。针对传统ORB(Oriented FAST and Rotated BRIEF)算法在提取图像特征点时容易造成冗杂、分布集中的问题,提出一种限制四叉树算法分裂深度的改进ORB(A-ORB)算法。该算法构造图像金字塔解决尺度不变性问题;根据所提取的特征点总数计算出每层金字塔所需要提取的特征点数;对每层金字塔图像采用自适应区域划分,根据图像信息计算特征点提取阈值;利用改进四叉树算法来均匀化分布特征点。进行了模拟实验。结果表明:相较于ORB、MA以及S-ORB算法,该算法运行效率提高了30%以上,匹配精度提高了10%以上。

改进ORB和Hough变换的指针式仪表识读方法

为了实现指针式仪表的自动识读,提出一种基于改进ORB(Oriented FAST and Rotated BRIEF)和Hough变换算法的指针式仪表识读算法。利用角点强化方法加强ORB算法检测的特征点,通过特征点匹配对计算模板图像与待检测图像之间的透视变换矩阵。利用数学形态学处理、阈值分割等图像预处理提取指针,并提出一种用于确定指针旋转圆心的基于ORB特征匹配对的相似特征三角形方法,结合投影法定位指针方向。利用指针细化算法和添加圆心约束的Hough变换算法检测指针角度。最后根据仪表的先验信息得到读数结果。实验结果表明该算法在识读速度和精度等方面都能够满足指针式仪表识读的要求,具有较高的可靠性和工程应用价值。

一种基于四叉树划分的改进ORB算法

原ORB(oriented FAST and rotated BRIEF)算法提取的图像特征点经常出现“扎堆重叠”现象,其分布较为密集且缺乏尺度不变性,因而容易造成图像特征点误匹配的问题。为了解决该问题,提出了一种基于四叉树划分的图像特征点提取算法。首先对图像建立尺度金字塔,然后使用四叉树划分图像并限制划分深度。用加速分段测试的特征(features from accelerated segment test,FAST)算法通过多个检测阈值对划分后的图像进行特征点检测。检测完毕后,根据划分出的子块总数和提取的特征点总数对划分出来的各个子块设置自适应阈值,提取ORB特征点。操作完成后通过采取非极大值抑制的方法筛选最佳特征点,并使用改良后的二元鲁棒独立基本特征(binary robust independent elementary features,BRIEF)算法计算得出特征点的描述符,最后进行特征点匹配。实验结果表明,本文算法提取的图像特征点较原ORB算法提取的效果在均匀程度上得到了明显地提升,冗余重叠的特征点数量减少,且在特征点提取速度方面较原ORB算法的提取速度提高了30%以上。

基于ORB-SLAM的室内机器人定位和三维稠密地图构建

针对在室内机器人定位和三维稠密地图构建系统中,现有方法无法同时满足高精度定位、大范围和快速性要求的问题,应用具有跟踪、地图构建和重定位三平行线程的ORB-SLAM算法估计机器人三维位姿;然后拼接深度摄像头KINECT获得的三维稠密点云,提出空间域上的关键帧提取方法剔除冗余的视频帧;接着提出子地图法进一步减少地图构建的时间,最终提高算法的整体速度。实验结果表明,所提系统能够在大范围环境中准确定位机器人位置,在运动轨迹为50 m的大范围中,机器人的均方根误差为1.04 m,即误差为2%,同时整体速度为11帧/秒,其中定位速度达到17帧/秒,可以满足室内机器人定位和三维稠密地图构建的精度、大范围和快速性的要求。

尺度及主方向改正的ORB特征匹配算法

针对二进制描述算法(Oriented fast and Rotated Brief,ORB)尺度性配准误差大,配准率低的问题,提出一种尺度和方向改进的ORB特征匹配算法。该算法以二进制描述算法ORB为基础,构建金字塔式尺度空间,改进尺度空间结构,简化尺度空间层数和采样图像数目,使提取特征点的过程更加效率,并采用Harris函数检测特征,消除边缘特征点的影响,提取具有尺度信息的特征点;然后采用梯度方向统计方法改进传统ORB算法中通过灰度质心法计算主方向的方式,优化求解主方向邻域范围,以提高图像特征主方向的准确性。实验结果表明,改进后的ORB算法在尺度和旋转配准方面性能有很大提高,并且配准的精度较传统ORB更高,更能满足复杂图像快速精确配准的要求。

改进的ORB特征匹配算法

针对传统ORB算法对边缘敏感且误匹配率较高的不足,提出了一种改进的ORB特征匹配算法。首先,采用改进的FAST14-24算法进行角点的初步提取,克服了传统ORB角点检测算法对图像边缘敏感的不足;然后在角点精筛选阶段,使用Shi-Tomasi角点检测算法剔除大部分的伪角点,得到重复率更高的特征点集;然后,使用改进的类视网膜描述符提取算法提取512维二进制描述符,并对描述符进行训练,使描述符具有更好的区分性;最后,在特征匹配阶段使用汉明距离进行匹配。在图像匹配实验中,本文算法的匹配正确率相比传统的ORB算法提高了18%~62%。实验结果表明:所提算法具有比ORB算法更高的匹配精度以及更好的鲁棒性。

混合现实系统中标志物识别的改进ORB算法

针对混合现实技术在识别标志物时易发生抖动,且识别过程易受到遮挡影响的问题,从标志物特征点提取与匹配的角度入手,改进混合现实技术对标志物的识别算法。通过构造尺度空间,结合加速稳健特征(speeded up robust features,SURF)算法提取特征点,对ORB(oriented FAST and rotated BRIEF)算法的特征点提取和匹配进行改进。改进后的算法在特征点匹配的过程中精度更高,比SURF算法提升了38.8%,比ORB算法提升了28.3%,有效地提高了目标识别的效率。结果表明:把改进后的算法运用在混合现实系统中,可以在标志物被遮挡50%时,成功把虚拟模型叠加在标志物上,解决了模型抖动的问题。