張平，王競(jìng)雪，2

(1.遼寧工程技術(shù)大學(xué) 測(cè)繪與地理科學(xué)學(xué)院，遼寧 阜新 123000；2.西南交通大學(xué) 地球科學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，成都 611756)

0 引言

直線特征匹配即在2幅或多幅影像中利用有效的匹配技術(shù)進(jìn)行同名直線特征識(shí)別的過程。直線作為豐富存在于自然景觀與人工建筑物群的邊緣特征，具有直觀性與整體性。與點(diǎn)特征相比，直線能夠用較少的特征表達(dá)更豐富的紋理信息，使其在計(jì)算機(jī)視覺與三維重建[1-4]中具有舉足輕重的作用。目前，計(jì)算機(jī)視覺領(lǐng)域內(nèi)的直線特征匹配方法可分為單直線匹配與組直線匹配。

單直線匹配主要利用直線自身長(zhǎng)度、角度、斜率等屬性信息[5-6]，并結(jié)合一定的匹配約束條件完成直線特征匹配?，F(xiàn)有的單直線匹配方法利用的主要約束條件有核線約束[7-8]、三角網(wǎng)約束[9]、鄰域約束[10-12]、區(qū)域描述約束[13-15]，其中，核線約束能夠增強(qiáng)匹配可靠性，應(yīng)用最為廣泛。梁艷等[16]利用目標(biāo)直線鄰域內(nèi)的同名點(diǎn)構(gòu)造與目標(biāo)直線相交的虛擬直線段，結(jié)合相交直線的局部仿射不變性，篩選目標(biāo)直線的候選同名直線，此過程受同名點(diǎn)匹配精確度與稀疏程度影響較大，導(dǎo)致匹配結(jié)果正確率降低；張?jiān)粕萚17]根據(jù)可靠種子點(diǎn)構(gòu)造同名三角網(wǎng)，利用三角網(wǎng)約束線-線與線-面的初匹配，再基于移動(dòng)窗口的自適應(yīng)直線相關(guān)方法確定最終的同名直線，該算法對(duì)位于紋理缺乏、斷裂區(qū)域的直線效果較好；王競(jìng)雪等[18]利用多重約束條件確定目標(biāo)直線到候選直線的支撐區(qū)域，借助仿射變換統(tǒng)一支撐區(qū)域的大小，進(jìn)而構(gòu)建目標(biāo)直線與候選直線的直線描述子(line band descriptor，LBD)，將滿足最近鄰距離比準(zhǔn)則的候選直線作為匹配結(jié)果，最后檢核匹配結(jié)果獲得可靠的同名單直線。上述單直線匹配算法結(jié)合可靠的約束條件，均取得了顯著的研究成果，但缺乏考慮相鄰直線間的相關(guān)性，該類匹配算法存在局限性。

組直線匹配即直線對(duì)匹配，利用直線間拓?fù)潢P(guān)系構(gòu)造特征直線對(duì)，并將其作為匹配基元，再結(jié)合可靠的約束完成直線對(duì)匹配。王競(jìng)雪等[19]利用限定直線鄰域矩形窗口以及直線間的角度、距離等信息對(duì)直線進(jìn)行編組，結(jié)合多重約束條件和灰度相關(guān)性確定同名直線對(duì)。將其拆分為對(duì)應(yīng)的同名單直線，得到初始匹配結(jié)果，對(duì)其中“一對(duì)多” “多對(duì)一” “多對(duì)多”匹配中的“多”直線進(jìn)行擬合，檢核過程中采用“一刀切”的方法，導(dǎo)致部分正確的匹配結(jié)果也被刪除，從而降低了匹配結(jié)果中同名直線的數(shù)目。Wang等[20]利用直線間的相似性、角度、長(zhǎng)度比作為特征編組的約束條件，構(gòu)建直線組描述符，并根據(jù)直線組描述符的相似性度量完成匹配，但該算法對(duì)于直線端點(diǎn)發(fā)生變化的情況適應(yīng)性較弱。Park等[21]將直線進(jìn)行兩兩分組，利用直線對(duì)的端點(diǎn)、直線中點(diǎn)、直線對(duì)交點(diǎn)構(gòu)造整體的參數(shù)模板，再通過整體的向量參數(shù)預(yù)估與參考模板最接近的模板，該方法計(jì)算過程中數(shù)據(jù)量大且匹配效率低。Alshahri等[22]根據(jù)2條直線夾角的角度約束條件構(gòu)造特征直線對(duì)，該編組約束條件單一，導(dǎo)致重復(fù)編組數(shù)量增多進(jìn)而造成匹配效率降低。此外，在對(duì)候選直線對(duì)進(jìn)行進(jìn)一步篩選過程中，在搜索影像上判斷目標(biāo)直線對(duì)中2條直線段的投影分別與對(duì)應(yīng)候選直線對(duì)中的2條直線段是否存在重疊部分，當(dāng)直線對(duì)中有一條直線段不存在重疊部分時(shí)，將刪除該候選直線對(duì)。該過程加強(qiáng)了直線空間接近性，但會(huì)刪除部分滿足重疊條件的單直線，造成匹配結(jié)果中同名直線正確率降低。同時(shí)，由于遮擋、直線提取算法等影響導(dǎo)致2張影像上同一目標(biāo)物的直線提取斷裂，此時(shí)利用該重疊約束條件，會(huì)出現(xiàn)代表同一目標(biāo)物的2條直線因沒有重疊而被剔除掉的情況，從而降低了同名直線匹配數(shù)目。根據(jù)現(xiàn)有的直線組匹配算法，本文提出一種直線對(duì)幾何特征約束的近景影像特征匹配算法。首先，對(duì)參考影像與搜索影像提取的直線進(jìn)行特征編組得到特征直線對(duì)；然后，依次結(jié)合雙重核線約束、仿射變換約束、最優(yōu)相似性原則確定同名直線對(duì)；最后，根據(jù)SIFT同名點(diǎn)到直線端點(diǎn)的距離關(guān)系將同名直線對(duì)拆分為同名單直線，并結(jié)合仿射變換約束整合匹配結(jié)果，最終得到一對(duì)一的同名單直線。

1 直線對(duì)匹配

本文在已有直線檢測(cè)算法(line segment detector，LSD)的提取結(jié)果與隨機(jī)抽樣一致算法(random sample consensus，RANSAC)優(yōu)化后的尺度不變特征變換(scale-invariant feature transform，SIFT)匹配的同名點(diǎn)結(jié)果基礎(chǔ)上，利用直線間的拓?fù)潢P(guān)聯(lián)性，提出了一種直線對(duì)幾何特征約束的近景影像特征匹配方法：首先，利用2條直線間的距離與角度等拓?fù)潢P(guān)系，結(jié)合排列組合函數(shù)模型構(gòu)造參考影像與搜索影像的特征直線對(duì)；其次，對(duì)獲取的特征直線對(duì)依次運(yùn)用雙重核線約束、仿射變換約束、最優(yōu)相似性原則確定2張影像的同名直線對(duì)；最后分別搜索出同名直線對(duì)中2條直線端點(diǎn)的最近同名點(diǎn)，根據(jù)同名點(diǎn)到直線端點(diǎn)的距離關(guān)系，拆分直線對(duì)為2對(duì)同名單直線獲得初始匹配結(jié)果，并為避免結(jié)果中出現(xiàn)錯(cuò)誤匹配，利用單直線中點(diǎn)仿射變換優(yōu)化匹配結(jié)果，進(jìn)而得到參考影像與搜索影像上一對(duì)一的同名單直線。

1.1 函數(shù)編組確定特征直線對(duì)

本文對(duì)參考影像和搜索影像分別進(jìn)行LSD直線提取，提取結(jié)果為L(zhǎng)={l1，l2，l3，…，ln}、R={r1，r2，r3，…，rm}。其中，n和m分別表示參考影像與搜索影像單直線提取數(shù)量?？紤]到直線存在提取不完整的現(xiàn)象，本文利用排列組合函數(shù)模型對(duì)直線進(jìn)行特征編組，增大對(duì)其的包含性，提供豐富的幾何信息，如直線對(duì)的交點(diǎn)。表達(dá)式如式(1)所示。

(1)

式中：N為直線編組后的數(shù)量；ns為提取的直線數(shù)量。參考影像與搜索影像直線編組的具體過程分為以下4個(gè)步驟。

1)根據(jù)2條直線在影像范圍內(nèi)交點(diǎn)的存在性判定直線編組。由于2條直線間的平行關(guān)系為不明顯特征，判定2條直線相交交點(diǎn)是否存在就顯得非常重要。如圖1所示，直線li與直線lj編組構(gòu)成特征直線對(duì)，其中P為特征直線對(duì)的交點(diǎn)坐標(biāo)。

2)根據(jù)距離公式確定特征直線對(duì)中l(wèi)i與lj4個(gè)端點(diǎn)距離，將4個(gè)距離中的最大值設(shè)置在一定范圍內(nèi)，確保不會(huì)因?yàn)橹本€邊緣化而生成無意義編組，從而增加編組數(shù)量。如圖1所示，直線li和lj符合編組條件構(gòu)成特征直線對(duì)，d1、d2、d3和d4分別為直線對(duì)4個(gè)端點(diǎn)距離，d1為a到c的距離、d2為b到c的距離、d3為a到e的距離、d4為b到e的距離。

圖1 特征直線編組

3)若2條直線間的夾角θ滿足一定范圍，則將直線編組為特征直線對(duì)。如圖1所示，直線li與直線lj滿足該條件可編組為特征直線對(duì)。

4)根據(jù)2條直線相交可得直線對(duì)交點(diǎn)與端點(diǎn)的距離信息，直線對(duì)交點(diǎn)與2條直線最近的2個(gè)端點(diǎn)的最大距離滿足一定范圍內(nèi)的直線編組生成特征直線對(duì)。如圖1所示，直線li與直線lj可編組為直線對(duì)，d5表示直線li端點(diǎn)b距離直線對(duì)交點(diǎn)P的距離。集合Gl={Gl1(l1，l′1，Pl1)，Gl2(l2，l′2，Pl2)，…，Gln′(ln′，l′n′，Pln′)}表示參考影像編組結(jié)果；集合Gr={Gr1(r1，r′1，Pr1)，Gr2(r2，r′2，Pr2)，…，Grm′(rm′，r′m′，Prm′)}表示搜索影像編組結(jié)果；n′和m′分別表示參考影像與搜索影像編組得到的特征直線對(duì)數(shù)目。

1.2 多重約束條件的直線對(duì)匹配

根據(jù)上文方法，將參考影像與搜索影像直線編組得到的特征直線對(duì)，依次運(yùn)用雙重核線約束、仿射變換約束和最優(yōu)相似性原則進(jìn)行匹配，確定2幅影像上的同名直線對(duì)。

1)雙重核線約束。編組得到特征直線對(duì)后，利用可提高匹配可靠性的核線約束篩選候選直線對(duì)。計(jì)算參考影像任意一組特征直線對(duì)交點(diǎn)在搜索影像的核線，并計(jì)算搜索影像每個(gè)特征直線對(duì)交點(diǎn)到核線的垂距，距離小于一定閾值的直線對(duì)選作候選直線對(duì)；然后，計(jì)算已知候選直線對(duì)交點(diǎn)在參考影像的核線，并求出參考影像直線對(duì)交點(diǎn)到核線的垂距，滿足距離閾值要求的搜索影像直線對(duì)作為雙重核線約束的候選直線對(duì)。如圖2所示，Hr1表示參考影像中以Pli為特征直線對(duì)交點(diǎn)在搜索影像中的核線，將搜索影像直線對(duì)交點(diǎn)與核線的垂直距離設(shè)置在一定范圍，確定以Prj1和Prj3為交點(diǎn)的候選直線對(duì)，其中i∈[1，n′]，j∈[1，m′]。Hl1為以Prj1為交點(diǎn)的候選直線對(duì)在參考影像生成的核線，根據(jù)交點(diǎn)Pli與核線Hl1的垂直距離判定搜索影像中以Prj1為交點(diǎn)的直線對(duì)為雙重核線約束的候選直線對(duì)。

圖2 核線約束示意圖

2)仿射變換約束。仿射變換作為基本的幾何變換，保持了變換后直線的“平直性”和“平行性”。由于直線對(duì)在仿射變換后的夾角具有不確定性，本文將參考影像特征直線對(duì)的交點(diǎn)仿射變換到搜索影像，根據(jù)候選直線對(duì)交點(diǎn)與仿射變換交點(diǎn)的距離約束篩選候選直線對(duì)。選擇與特征直線對(duì)交點(diǎn)距離依次最近的至少4組同名點(diǎn)計(jì)算相關(guān)參數(shù)。具體的仿射變換如式(2)所示。

x′=g1x+g2y+g3

y′=h1x+h2y+h3

(2)

式中：g1、g2、g3、h1、h2、h3為仿射變換的6個(gè)參數(shù)；(x，y)為參考影像直線對(duì)交點(diǎn)坐標(biāo)；(x′，y′)為仿射變換到搜索影像的交點(diǎn)坐標(biāo)。

分別計(jì)算搜索影像上候選直線對(duì)交點(diǎn)與仿射變換得到的搜索影像上交點(diǎn)之間的距離，設(shè)置在一定閾值范圍內(nèi)，確定最終候選直線對(duì)。

3)最優(yōu)相似性原則。上述雙重核線約束與仿射變換約束涉及到的距離閾值為可變因子，為了降低距離閾值的變化對(duì)匹配同名直線對(duì)正確率的影響，本文利用距離相似度量函數(shù)對(duì)搜索影像的候選直線對(duì)做最終篩選，從而確定同名直線對(duì)。相似性度量函數(shù)如式(3)所示。

sim(Gli，Grj)=e-|∑D1(Pr，Hr)|2e-|∑D2(Pl，Hl)|2e-|∑D3((X-X′)2+(Y-Y′)2)|

(3)

式中：Gli與Grj為滿足要求的同名直線對(duì)；D1為雙重核線約束中參考影像特征直線對(duì)交點(diǎn)在搜索影像的核線與滿足距離要求的候選直線對(duì)交點(diǎn)的距離；D2為雙重核線約束中搜索影像候選直線對(duì)交點(diǎn)在參考影像的核線與特征直線對(duì)交點(diǎn)滿足閾值的距離；D3為參考影像直線對(duì)交點(diǎn)仿射變換約束后與搜索影像候選直線對(duì)交點(diǎn)的距離。

1.3 同名單直線的確定與優(yōu)化

由于直線特征提取不完整，導(dǎo)致在特征編組時(shí)出現(xiàn)重復(fù)編組。此步驟主要將同名直線對(duì)拆分為同名單直線，有效地解決單直線對(duì)應(yīng)不一致的問題。分析以下3種情況：參考影像一條直線對(duì)應(yīng)搜索影像多條直線、參考影像多條直線對(duì)應(yīng)搜索影像一條直線、參考影像多條直線對(duì)應(yīng)搜索影像多條直線。

1)同名點(diǎn)約束確定同名單直線。同名點(diǎn)作為能提高匹配可靠性的條件，用其約束參考影像與搜索影像單直線，能增強(qiáng)單直線的描述性。本文利用同名點(diǎn)到同名直線對(duì)中單直線端點(diǎn)的距離關(guān)系拆分同名直線對(duì)。找到距參考影像2條單直線各自端點(diǎn)最近的同名點(diǎn)并計(jì)算距離，然后，計(jì)算搜索影像對(duì)應(yīng)同名點(diǎn)與2條單直線各自端點(diǎn)的距離，根據(jù)距離大小判斷搜索影像同名點(diǎn)與單直線端點(diǎn)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，再依據(jù)相似度量函數(shù)確定搜索影像單直線中相似性度量值最大的作為參考影像的同名單直線。如圖3所示，以同名直線對(duì)中單直線lt1為例，tr1與tr1′、tr2與tr2′為已知的匹配同名點(diǎn)，tr1為直線lt1左端點(diǎn)的最近同名點(diǎn)，tr2為直線lt1右端點(diǎn)的最近同名點(diǎn)。根據(jù)tr1′和tr2′與搜索影像2條單直線各自端點(diǎn)的距離判斷其與單直線端點(diǎn)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，確定tr1′歸屬于rt1和rt2的左端點(diǎn)，tr2′歸屬于rt1和rt2的右端點(diǎn)，最后，根據(jù)相似性度量函數(shù)確定相似性度量值最大的參考影像單直線lt1與搜索影像單直線rt1為同名單直線。

圖3 同名直線對(duì)拆分

本文利用相似性度量函數(shù)確定圖3中單直線lt1的同名直線rt1，如式(4)所示。

sim(lt，rt)=e-∑G(dtmd1，dtmd2)-∑G(dtmd1′，dtmd2′)

(4)

式中：∑G表示數(shù)值的平方和；dtmd為同名點(diǎn)與直線端點(diǎn)的距離；lt與rt分別為參考影像單直線與搜索影像單直線。最后，根據(jù)相似度量值最大的原則確定同名單直線。

2)結(jié)果優(yōu)化。由于直線重復(fù)編組造成匹配結(jié)果中單直線對(duì)應(yīng)關(guān)系不唯一，因此需要對(duì)其優(yōu)化。下面以“一對(duì)多”單直線匹配為例，運(yùn)用式(2)，根據(jù)參考影像單直線中點(diǎn)距離依次最近的至少4組同名點(diǎn)確定仿射變換模型。依據(jù)同名單直線的唯一性，將參考影像單直線的中點(diǎn)仿射變換到搜索影像，確定占距離最優(yōu)閾值的直線為參考影像的同名單直線。為了進(jìn)一步提高算法的準(zhǔn)確性，將參考影像單直線中點(diǎn)仿射變換至搜索影像，并將仿射變換后獲得的點(diǎn)到搜索影像單直線中點(diǎn)的距離設(shè)置在一定的范圍內(nèi)。

2 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

由于建筑物的輪廓邊緣蘊(yùn)含著豐富的直線信息，因此主要選取來自網(wǎng)絡(luò)公開數(shù)據(jù)庫(kù)的4組具有變換特性的典型建筑物近景影像數(shù)據(jù)，對(duì)本文算法的有效性進(jìn)行驗(yàn)證，并以Matlab 2017a為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)驗(yàn)證算法的有效性與可靠性。如圖4所示，其中，圖4(a)為小尺度平移變換影像，大小為640像素×480像素；圖4(b)為尺度變換影像，變換比例約為1∶1.54，大小為800像素×600像素；圖4(c)為視角變換影像，視角變換約為23°，大小為800像素×600像素；圖4(d)為旋轉(zhuǎn)變換影像并伴隨微小尺度變換，旋轉(zhuǎn)角度約為20°，大小為640像素×480像素。

圖4 實(shí)驗(yàn)影像

2.1 編組參數(shù)閾值選取

對(duì)上述4組影像分別進(jìn)行LSD直線提取與SIFT同名點(diǎn)匹配，并利用RANSAC對(duì)同名點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化。為了驗(yàn)證本文算法的有效性與可靠性，本文在實(shí)驗(yàn)過程中利用雙重核線約束與仿射變換約束進(jìn)行大范圍的全局搜索，保證同名直線對(duì)在較窄的數(shù)量區(qū)間內(nèi)波動(dòng)，因此，雙重核線約束與仿射變換約束涉及的距離閾值能夠篩選出足夠數(shù)量的候選直線且保證正確即可。依據(jù)實(shí)際的實(shí)驗(yàn)需求，雙重核線約束2個(gè)距離閾值分別設(shè)置為1、1，直線對(duì)交點(diǎn)仿射變換距離閾值設(shè)置為25；本文根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，單直線中點(diǎn)仿射變換距離閾值設(shè)置為7。

基于本文提出的直線對(duì)匹配方法可知，直線編組結(jié)果會(huì)對(duì)最終匹配結(jié)果有一定的影響。實(shí)現(xiàn)直線編組的過程主要有直線對(duì)4個(gè)端點(diǎn)的最大距離閾值Ta、2條直線夾角范圍閾值Tθ、2條直線交點(diǎn)與直線最近端點(diǎn)最大距離閾值Tb3個(gè)參數(shù)支撐。在已知上述參數(shù)閾值的前提下，本文以圖4(a)小尺度平移變換特性影像為例，通過選取不同的Ta、Tθ、Tb數(shù)值，分析編組的閾值選取對(duì)最終同名單直線正確率的影響，進(jìn)而確定實(shí)驗(yàn)選取的編組參數(shù)閾值。由于以上3組參數(shù)相互關(guān)聯(lián)，Ta作為編組初始閾值具有可控性，所以將Ta作為整體閾值的不變因子，通過Tθ與Tb的變換確定3個(gè)參數(shù)的最優(yōu)值。其中，3個(gè)閾值的取值范圍分別為Tθ∈{40°～140°，50°～130°，60°～120°}；Ta=80，100，120像素；Tb=30，40，50像素。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。表1表示

表1 直線編組不同閾值實(shí)驗(yàn)結(jié)果

直線對(duì)4個(gè)端點(diǎn)最大距離Ta依次等于80、100、120像素時(shí)，2條直線夾角范圍、2條直線交點(diǎn)與直線最近端點(diǎn)最大距離對(duì)最終匹配同名單直線正確率的影響。由表1可知，當(dāng)取Ta為固定閾值時(shí)，隨著夾角Tθ的變小，同名單直線的匹配正確率越來越高，但夾角的變小會(huì)導(dǎo)致編組數(shù)量的減少，直接影響最終同名直線的數(shù)量，使建筑物或者自然地物的輪廓信息不完整，因此，夾角最優(yōu)閾值選擇在相對(duì)穩(wěn)定的范圍即60°～120°；當(dāng)Ta與Tθ選取固定閾值Tb=40像素時(shí)，獲取的同名直線正確率最高，且數(shù)量充裕，因此，Tb=40像素為編組的最優(yōu)閾值；Ta=100像素時(shí)，最終匹配出同名直線的最高正確率出現(xiàn)在Tb=40像素且Tθ范圍在60°～120°時(shí)，因此，Ta=100像素為編組最優(yōu)閾值的同時(shí)也滿足以上最優(yōu)閾值的判斷。由上述分析確定編組的最優(yōu)閾值組為Ta=100像素；Tθ范圍在60°～120°；Tb=40像素。

2.2 對(duì)比實(shí)驗(yàn)與分析

為了進(jìn)一步驗(yàn)證本文算法的可靠性與有效性，在同名點(diǎn)獲取與直線提取結(jié)果相同的條件下，本文還實(shí)現(xiàn)了文獻(xiàn)[22]中的算法，并在其實(shí)現(xiàn)后增加了單直線中點(diǎn)仿射變換約束進(jìn)行匹配結(jié)果后處理，其中，文獻(xiàn)[22]算法的參數(shù)閾值設(shè)置為TG=15、Tδ=15。本文的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。圖5中標(biāo)為紅色的直線為最終匹配同名單直線的正確結(jié)果，標(biāo)為藍(lán)色的直線為錯(cuò)誤匹配直線，正確匹配數(shù)目通過人工目視判別，匹配實(shí)驗(yàn)的具體結(jié)果如表2所示。

圖5 本文算法的直線匹配結(jié)果

表2中第1列為實(shí)驗(yàn)影像類型，即本文圖4中的4組典型近景影像；第2列為單直線提取數(shù)目，包括參考影像與搜索影像；第3列為實(shí)驗(yàn)過程中采用的算法；后4列分別對(duì)本文算法與文獻(xiàn)[22]算法的編組數(shù)目、單直線匹配數(shù)目、匹配正確數(shù)、正確率進(jìn)行記錄。由表2可知，文獻(xiàn)[22]實(shí)現(xiàn)的參考影像與搜索影像上直線編組數(shù)目分別為21 707、21 587、39 952、9 198和23 313、38 858、33 215、8 790；本文對(duì)應(yīng)實(shí)現(xiàn)的編組數(shù)目為6 126、4 037、3 882、2 427和6 624、4 647、3 886、3 069。本文的直線編組數(shù)目明顯少于文獻(xiàn)[22]的直線編組數(shù)目，且最高減少了90.0%。以本文直線編組數(shù)目明顯少于文獻(xiàn)[22]的編組數(shù)目為前提，就最終匹配同名直線數(shù)目與正確匹配概率進(jìn)行對(duì)比分析，本文算法匹配得到的同名直線數(shù)目與匹配正確率總體看來都高于文獻(xiàn)[22]算法結(jié)果，且個(gè)別匹配得到的同名直線數(shù)量增加了54.0%，正確率平均增加了9.2%。由以上數(shù)據(jù)分析總結(jié)為，文獻(xiàn)[22]僅對(duì)存在交點(diǎn)以及夾角的角度大小在一定范圍內(nèi)的2條直線進(jìn)行特征編組，約束條件單一，因此，編組結(jié)果中直線對(duì)數(shù)目較多，導(dǎo)致篩選候選直線對(duì)過程耗時(shí)較長(zhǎng)，從而降低了匹配效率。而本文在直線對(duì)編組過程中，除了考慮2條直線的夾角以外，還增加了2條直線4個(gè)端點(diǎn)之間的距離約束和交點(diǎn)到直線端點(diǎn)的距離約束，多重約束減少了同一直線多次參與編組的機(jī)會(huì)，編組結(jié)果在保證直線對(duì)的可利用信息不變的情況下，直線對(duì)的數(shù)目明顯減少，進(jìn)而減少后續(xù)運(yùn)算時(shí)間，提高了匹配效率。文獻(xiàn)[22]利用直線對(duì)中單直線的重疊約束篩選候選直線對(duì)，當(dāng)存在遮擋、直線斷裂情況時(shí)，導(dǎo)致在2張影像上分別代表同一屬性的直線因沒有重疊部分而被篩選掉，從而造成結(jié)果中同名直線總數(shù)目減少，此外，當(dāng)出現(xiàn)一條直線區(qū)域不重疊時(shí)，將候選直線對(duì)整對(duì)剔除，導(dǎo)致正確匹配的直線被刪除掉，從而降低了匹配結(jié)果中同名單直線的正確率。本文利用穩(wěn)定的同名點(diǎn)特征描述符增強(qiáng)了提取不完整直線的描述性，保證了同名直線對(duì)中單直線一對(duì)一的關(guān)系，又減弱了對(duì)視角變換和旋轉(zhuǎn)變換影像的影響。同名單直線整合過程中，又結(jié)合單直線中點(diǎn)仿射變換約束，降低了誤匹配概率，對(duì)最終匹配的正確率起到促進(jìn)作用，同時(shí)增大了本文算法對(duì)尺度變換影像的抵抗力，進(jìn)一步增強(qiáng)最終同名單直線匹配約束力度。結(jié)合直線提取數(shù)量與直線匹配正確率進(jìn)行整體分析，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文算法具有一定的可靠性與有效性。

表2 對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果

考慮到本文涉及的部分幾何約束建立在匹配的同名點(diǎn)上，因此，參考圖6(a)和圖6(b)對(duì)該因素進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析。圖6(a)中4組影像匹配同名點(diǎn)的數(shù)量按順序呈現(xiàn)凹凸?fàn)?，與此同時(shí)，圖6(b)各組影像最終匹配出同名直線的正確率也呈現(xiàn)凹凸?fàn)?，狹義地總結(jié)為同名點(diǎn)的匹配數(shù)量對(duì)本文的算法有帶動(dòng)性。如第3組影像在直線編組數(shù)目上與第2組影像相近時(shí)，獲取的同名點(diǎn)數(shù)量明顯占優(yōu)，因此，最終匹配的同名單直線數(shù)量較多，匹配單直線正確率也較高。

圖6 同名點(diǎn)數(shù)量分析

3 結(jié)束語

本文提出了一種直線對(duì)幾何特征約束的近景影像特征匹配方法。該算法利用相鄰直線關(guān)聯(lián)性，通過函數(shù)直線特征編組的方式加強(qiáng)編組過程的約束力度，減少重復(fù)編組數(shù)量的同時(shí)，保證特征直線對(duì)對(duì)建筑物結(jié)構(gòu)紋理信息的覆蓋性；依次運(yùn)用雙重核線約束、仿射變換約束、最優(yōu)相似性原則提高了算法的適應(yīng)性與可靠性；通過同名點(diǎn)增強(qiáng)直線特征自身的描述性，有效地降低了提取不完整直線段對(duì)最終同名單直線匹配的影響，結(jié)合單直線中點(diǎn)仿射變換約束，進(jìn)一步增強(qiáng)了對(duì)變換特性影像的適應(yīng)性。在實(shí)驗(yàn)過程中，即便選取不同變換特性的影像，本文算法都可以獲得可靠的直線匹配結(jié)果，且表現(xiàn)出一定的穩(wěn)健性和普適性。由于本文算法中單直線中點(diǎn)仿射變換距離閾值約束去除了一部分正確匹配的同名單直線，因此后續(xù)研究將提高對(duì)誤去除單直線的利用率，增加最終匹配同名單直線的正確率。