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基于光流聚类与核线约束的车载序列全景影像匹配

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 车载移动测量系统,是近几年来测绘界比较前沿的技术之一,该测量系统是在移动测量设备中搭配全景数字相机、三维激光扫描仪、全球定位系统与惯性导航系统,以此来实现城市大比例尺的量测与数字城市建模等要求。由于其具有低成本,良好机动性、实时性强同时速度快等特点,因此车载移动测量系统已经成为测绘领域与地理信息系统数据采集方面一个十分有潜力的发展方向。车载测量系统的发展主要是在两个重要的方向:数字全景影像方面的发展与点云数据方面的发展。近几年全景影像的研究多集中在图像渲染、自动定向、三维城市建摸等方面,其中这些研究方面都需要以全景影像匹配作为基础,但是现如今对于全景影像匹配往往还是用于普通影像匹配的方法,很少有单独系统的对其进行研究。本文以车载序列影像为研究对象,对序列全景影像的匹配方面进行了深入研究。
论文对车载全景影像的发展进行了总结,对车载全景相机的成像结构投影模型等进行了深入分析,对于影像匹配与全景影像的特点也有分析,其中论文主要研究方向为两个部分:
首先,本文将一种光流聚类的思想应用与全景影像匹配之中,它利用SIFT匹配法的到匹配点作为位置点,以光流法得到的光流矢量作为方向矢量,并将这两个结合得到影像的特征空间,利用特征空间构建的光流图像作为聚类特征,用这一特征来大大提高匹配效率。论文详细阐述了光流聚类法的核心理论,并进行了实验验证理论的正确性,同时又对这种方法与SIFT匹配法与光流匹配法进行了实验对比与精度分析,取得了了较为理想的实验结果。
另一方面,论文对球形全景影像核线方程的推导与全景核线约束进行了研究,核线约束在数字摄影测量中已经是一项核心成熟的技术,而由于全景影像具有不同的几何模型,因此全景影像核线模型的推导与应用存在一些难度。论文主要对球形全景影像进行了深入理论研究并进行了核线影像生成实验与核线影像约束实验,也取得了较好的成果。
关键词: 车载移动测量系统、全景影像、匹配、光流聚类、核线约束
目录
摘 要 I
Abstract III
目录 V
第1章 绪 论 1
1.1 研究背景与意义 1
1.2 国内外研究现状与发展趋势 2
1.2.1 国内外移动测量系统发展历程与研究现状 2
1.2.2 车载序列全景影像研究现状 5
1.3 研究内容与思路 7
第2章 全景影像模型 9
2.1全景影像发展 9
2.2 全景影像成像模型 11
2.2.1 全景影像获取方式 11
2.2.2 多传感器成像模型 12
2.2.3 全景影像投影误差 15
2.3 全景影像投影模型 16
2.3.1立方体全景投影 16
2.3.2球型全景投影 17
2.3.3柱面全景投影 18
第3章 全景影像匹配 19
3.1 影像匹配 19
3.2 全景影像匹配 20
3.2.1 SIFT多尺度特征匹配法 21
3.2.1光流特征匹配法 24
3.2.3 光流特征聚类法 27
3.2 全景影像约束 30
3.2.1 核线与核线约束 30
3.3.2 全景核线影像生成 33
3.3 全景影像匹配精度评定 35
第4章 实验与分析 37
4.1 核线影像实验 37
4.1.1 全景核线影像生成 37
4.1.2 全景核线影像精度评定 39
4.2光流特征聚类全景匹配实验 41
4.3 车载序列全景影像匹配精度对比试验 45
4.3.1 核线约束试验对比 45
4.3.2 试验分析 46
4.3.3 空间前方交会实验 47
4.4 实验总结 49
第5章 总结与展望 51
5.1 总结 51
5.2展望 51
参考文献 53
致 谢 57
本文车载序列全景影像进行了全方位的研究,首先对车载序列全景影像的成像原理,投影模型以及其带来的误差进行了分析。又对全景影像的匹配做了详细介绍,结合车载序列全景影像的自身特点,其中介绍了一种新的全景匹配的方法,这种方法结合了SIFT匹配法与光流匹配法的特点,对这种方法的核心理论进行了详细的阐述并且进行了匹配实验以此来证明光流聚类法的正确性与可行性,将在相同影像下利用不同匹配方法的实验进行对比分析本文的方法与传统的SIFT匹配法与光流匹配法的优劣之处。另一方面对全景核线影像的生成方法进行阐述,并实验分析了核线约束条件在全景影像中的效果。
本文主要结构如下:
第一章,介绍本文的研究背景与意义,对国内外基于全景的移动测量技术进行总结,提出了本文研究内容和思路,最后介绍了本论文的组织结构。
 第二章,介绍了全景影像的发展,全景影像的成像模型与其模型造成的误差,全景影像的投影模型。
 第三章,介绍了影像匹配与全景影像匹配的异同,分析现如今常用的几种全景匹配方法,并引入光流特征聚类匹配法核线算法与步骤;引入核线约束概念,与全景核线影像的生成详解;对全景影像匹配的精度进行分析。
 第四章,进行全景核线影像生成实验;光流特征聚类法匹配实验;核线约束对比实验与前方交会实验;并对实验进行详尽分析。
第五章,对全文进行总结与展望。

本文主要研究对象是搭载了全景影像装置的车载移动测量系统。主要对全景影像在车载移动测量与三维数字城市建模中的关键技术为研究对象,其中以非常核心的一部分——全景影像匹配为主要研究内容,结合车载序列全景影像自身的特点,通过分析和对比几种传统的全景影像匹配方法,最终将一种更适用于全景序列影像匹配基于光流聚类匹配算法应用与实际匹配中,并对其进行实验与分析最终得出结论。同时提取了全景核线影像,将核线约束应用与全景序列影像之中。具体研究内容与成果主要包括以下几个方面:
1.介绍了车载移动测量系统的发展,同时主要对全景相机与全景影像的发展做了相机的介绍,并详细分析了全景影像的成像模型与投影原理。
2.对全景影像的匹配算法进行了分析,通过特征提取、搜索范围、相似性测度等因素结合分析适用于全景影像的匹配方法,最终得出结论一种基于光流聚类的匹配算法适合于车载序列影像的自身特点。并通过实验实现了基于光流聚类算法的匹配。
3.将核线约束条件引入全景影像之中,进行了核线影像生成实验,同时通过对不同的匹配方法进行核线约束,来分析匹配方法的精度。得出结论核线约束在不同的匹配方法中都具有剔除粗差的效果,同时也分析出光流聚类算法优于sift匹配算法与L-K光流匹配法。
4.通过对光流聚类法匹配同名点与手动选择匹配点同时进行空间前方交会实验,得到的点进行精度分析,侧面反映光流聚类匹配法的精度。
本文在研究过程中主要遇到了一些技术上的难题,其中包括在光流矢量生成的问题上,序列全景影像与视频影像的不同,需要找到个合理的影像数量才能得到较好的效果。另一方面在前方交会实验过程中,为了避免系统误差的干扰通过手动选择同名点与像点过程需要花费大量的时间。

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作者:佚名
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