基于极差和Bilateral滤波的水面舰船图像角点检测算法.pdf

收稿日期：作者简介：王培元（），男，河北沧州人，讲师，博士（后），研究方向为反问题、三维重建、智能视觉感知。基于极差和 滤波的水面舰船图像角点检测算法王培元（海军航空大学，山东 烟台 ）摘要：对经典 角点检测算法，结合极差方法，基于不同滤波器替换的思路，构建了一种新的角点检测算法。在分析 滤波器、滤波器、样条滤波器为 算法带来不同检测效能的基础上，给出了一种最优的检测滤波器配置方案。对标准测试图像的仿真和对实际海面舰船图像的测试验证，表明所提出的算法可较好地抑制冗余角点，提升水面舰船目标的检测效率。关键词：角点检测；算法；滤波器；滤波器；样条滤波器中图分类号：文献标识码：文章编号：（）：（，）：，：；引言在图像特征的检测领域，角点检测算法 常作为各类新型检测算法开发的底层工具。虽然该算法对同一图像缩放后缺乏变尺度检测能力，但因其计算简单，且可较好地应对图像一定程度的噪声、旋转、对比度及亮度变换 ，对其研究及应用依旧比较广泛 。近 年，对 算法的改进工作从未停止，涌现出了很多经典的优化算法。例如，学者们 基于 滤波器来代替算法中的 滤波器，以弥补其因参数敏感带来的过度平滑、定位偏移、漏检误检等问题。基于相同思路，学者们 也使用了 样条滤波器开展了改进工作，亦取得了不错的效果。在对水面舰船灰度图像进行角点检测时，由于受海天线、波纹、粼光等影响，容易在水面上检测出的冗余角点，为后续的特征点匹配带来干扰，如图 所示。针对此检测需求，本文在对典型优化算法开展效能分析的基础上，探索相同约束准则下的最佳修正方法，并进一步结合图像分划、区域极差等思路，研究给出一种去除水面冗余角点的稳健算法。第 卷第 期 黄河科技学院学报 年 月 图 现有算法易在水面区域产生检测点 角点检测算法 角点检测算法在一个局部检测窗口中考察平均能量的变化，并结合阈值确定像素点是否为角点 。对于图像 （，），其在 和 方向的空间梯度分别为：（，），（，）（）利用 函数（，）（）（）对图像进行平滑，可得 （）因此，可有表述能量变化的角点响应函数（，）矩阵 （）（）（）其中，为求 的行列式，为求 的迹。取 。典型滤波器性能分析首先基于 和 样条两类典型滤波器，对 算法的优化性能进行分析。滤波器 滤波器的公式描述为：（）（）（）（，）（），（）（）正规化系数（）（，）（），（）（）其中，（，）为几何临近权重，（，）（，）()（）（，）（）为 和 间的欧氏距离，为与几何权重相关的可调参数。（，）为光度相似权重：（，）（），（）()（）（，）（）为光度值 和 直接的测量差，度权重相关的可调参数。样条滤波器 一个典型的 次 样条函数如下：（）（）！（）（），（）其中，（）为阶跃函数，一般可取 或 。针对含有 滤波器的 算法，分别利用上述两种滤波器进行改进，并开展角点检测效能分析。在 滤波器中，参数设置分别为 ，；在 样条滤波器中，参数设置分别为 和 。在 ，的噪声区间下，角点检测敏感度对比如图 所示。图 不同类型滤波器下修正 算法的检测敏感度比较从图 中可见，在噪声量级在 以下时，三类滤波器算法的检测效率差别不大；在噪声量级 ，区间下，未修正的 算法对角点的检测敏感度最高；在噪声量级 ，区间下，滤波器随着噪声强度的增大，角点检测王培元：基于极差和 滤波的水面舰船图像角点检测算法数量增长最为缓慢；在噪声量级 ，区间下，样条滤波器的检测敏感度高，将产生大量的冗余点，虽然 滤波器检测敏感度较为稳定，但这也说明将出现过度平滑的问题。综合来看，尺度参数可调是滤波器性能高低的优势，如果能够选择核实的尺度参数，滤波器将表现得更加稳健。基于极差和 滤波的舰船角点检测算法基于上述分析，本节给出一种新的基于极差方法和 滤波器的修正的 角点检测算法，描述如下。步骤 ：图像分块。根据舰船在图像中的占比，确定自适应的分块策略，若占比率估计为 ，则分块数级划分设定为 （）其中，表示取整。步骤：对求极差。对图像子块 计算其灰度值下的极差，即 分块内所有灰度值 分块内所有灰度值，然后计算（）步骤 ：设 ，令 ，如果某分块的 ，则将该分块删除，不在此分块内检测角点。步骤 ：计算图像 （，）在的空间梯度 和 ，并求，和 。步骤 ：利用 滤波器对，和 进行卷积运算，生成 矩阵。步骤 ：逐次按照像素顺序计算角点响应函数矩阵值，并按照大小进行排序，取 ，计算 ，如果 ，则停止迭代。试验分析按照上述算法编写程序代码，其中滤波器大小、卷积标量、领域范围一律设置为 。分块级数按照 的范围划定。设 ，加性噪声范围 ，滤波器参数 ，。代码运行硬件环境为基于 的 处理器，显卡。首先，使用大小为 的标准角点测试图像 ，对本文算法在不同噪声强度下对冗余角点的抑制能力开展仿真测试。表 给出了不同噪声程度下算法在角点数量、分布均匀度、角点冗余度的性能变化情况。可见，随着噪声量级的增大，由于极差方法先滤除了水面信息，角点的检测数量得到了有效的抑制，未出现如图 的对噪声敏感的数量级跃升情况。随着噪声强度的增强，分布均匀比较稳定，冗余度基本可控制在 以内，尤其可在典型噪声情况下（如 噪声）冗余度可达到零。说明本文给出的方法在抑制冗余角点检测上具备较好的稳健性。表 不同噪声下本文算法的性能噪声强度 角点数量 分布均匀度 角点冗余度 其次，对本文提出的算法用实际水面舰船图像进行验证。随机选择的具备不同海况、不同海域、不同天气情况下的不同类型舰船目标图像，基于角点检测所得 图像特征点的检测结果如图 所示，图像分辨率分别为 、。与图 对比可以看出，本文算法对不同水文气象条件下所形成的水面舰船图像，具有对噪声不敏感、有效避免冗余检测的特点。黄河科技学院学报图 不同水文气象条件下不同舰船目标的特征点检测结果 结论通过本文的探讨及实践，可知基于极差的方法和 滤波器对 算法进行改进，可有效降低对噪声的敏感性，提升抑制冗余角点的检测能力。这是因为 滤波方法可对图像几何边缘进行较好的保留，并且其内部参数可根据不同的图像特征进行调整。这种改进的方式，属于对算法模块的加性调整，不可避免地带来计算复杂度的升高。后续，需要进一步研究算法参数对不同类型图像数据的自适应设置能力，以提升算法的普适性。参考文献：，：?张宝祥，玉振明，杨秋慧 基于 算法和全卷积深度预测的显微镜成像的三维重建研究 光学精密工程，（）：高帅，贺伟，李涛，等 改进的 角点检测目标识别方法 探测与控制学报，（）：孙蒳伊，范文晶，曾远帆，等 基于 角点检测的装填靶标识别方法 空天防御，（）：朱丽娟 一种双边核函数的新 角点检测算法 激光与红外，（）：白传睿 基于深度相机和追踪相机的实时三维重建技术研究 济南：山东大学，马韵琪，田明，刘阳，等 基于改进 的消音壁亚像素级角点检测算法 长春理工大学学报（自然科学版），（）：宋涛，祁继辉，侯培国，等 基于 样条曲线的投影图像边缘融合方法 应用光学，（）：王培元：基于极差和 滤波的水面舰船图像角点检测算法