徐振武,，徐志京

　　(上海海事大學(xué) 信息工程學(xué)院，上海 201306)

　　摘要：經(jīng)典的Harris算法在提取圖像的角點(diǎn)上具有計(jì)算簡單,、適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)勢,，但該方法由于人為設(shè)定單一閾值，容易出現(xiàn)偽角點(diǎn),、漏檢點(diǎn)及運(yùn)行速度不理想等現(xiàn)象,。針對這一情況，文章在傳統(tǒng)Harris算法基礎(chǔ)上提出一種新的檢測方法,，采用多閾值的圓形非極大值抑制法提取角點(diǎn), 以此降低算法檢測時間并增強(qiáng)圖像旋轉(zhuǎn)不變性，再借鑒SUSAN思想消去大部分偽角點(diǎn),。通過實(shí)驗(yàn)對比,，該算法具有更好的角點(diǎn)檢測性，為后期的圖像配準(zhǔn)奠定了良好的基礎(chǔ),。

　　關(guān)鍵詞： Harris角點(diǎn)檢測,；圓形區(qū)域；多閾值,；SUSAN算法

0引言

　　隨著近代計(jì)算機(jī)的迅速發(fā)展,，人們?yōu)榱双@取更高像素更寬視角的圖像以作科學(xué)研究，圖像拼接逐漸成為了計(jì)算機(jī)各領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)［12］,。

　　圖像蘊(yùn)含有豐富的信息特征,，其中角點(diǎn)特征是圖像拼接領(lǐng)域的主要技術(shù)指標(biāo)，業(yè)界對角點(diǎn)沒有統(tǒng)一定義，一般被認(rèn)為是圖像像素點(diǎn)亮度發(fā)生了劇烈改變或邊緣曲線曲率極大值的點(diǎn)［3］,， 它能以極少的數(shù)據(jù)量來表現(xiàn)圖像的整體信息,， 這有利于圖像處理的速度與精度。角點(diǎn)檢測方法在圖像拼接中的配準(zhǔn),、融合,、 定位等方面起著重要作用， 其提取的好壞決定圖像拼接的質(zhì)量結(jié)果,。適量恰當(dāng)?shù)恼_角點(diǎn)在圖像拼接過程中可增強(qiáng)圖像的抗噪性和圖像形變的適應(yīng)能力,，有利于圖像的后續(xù)匹配,使得實(shí)時處理成為可能。

　　目前角點(diǎn)的檢測方法大致分兩種：基于圖像邊緣特征的角點(diǎn)檢測, 該算法依賴于圖像邊緣特征［4］,，提取邊緣信息而求得角點(diǎn),，但算法定位精度差，對噪聲敏感,；基于圖像灰度的角點(diǎn)檢測,，該方法依賴于像素點(diǎn)的曲率與梯度值信息。其中Harris算法［5］是一種被大眾所熟知的算法, 可較好地提取角點(diǎn),。該算法雖然是一種優(yōu)秀的檢測方法, 但研究發(fā)現(xiàn)存在不足:

　?。?）人為單一閾值的設(shè)定會對角點(diǎn)提取產(chǎn)生不確定的影響；

　?。?）算法中所用的高斯平滑函數(shù)對圖像的誤檢及漏檢產(chǎn)生難以把控,；

　　（3）Harris算子的運(yùn)行速度不夠理想,。

　　而對Harris的改進(jìn)一直是圖像研究的熱點(diǎn),，參考文獻(xiàn)［6］提出采用自適應(yīng)閾值的方法能達(dá)到更快更精確提取角點(diǎn)的效果，但在圖像的抗噪性和適應(yīng)圖像形變能力上略顯不足,；而參考文獻(xiàn)［7］提出的改進(jìn)方法能滿足要求,，但在運(yùn)算速度上又略顯欠缺。

　　針對上述不足,，本文提出基于Harris的改進(jìn)方法,，采用多閾值的圓形區(qū)域非極大值抑制，再結(jié)合SUSAN思想達(dá)到檢測效果,。

1Harris角點(diǎn)檢測算法簡介

　　角點(diǎn)檢測的鼻祖是Moravec算法,，之后Harris在Moravec算子思想上提出Harris算法。

　　Harris算法的思想是定義一組矩形區(qū)域窗口中圖像灰度誤差的總和為任意方向上的自相關(guān)值［8］,。圖1表示圖像邊緣在不同區(qū)域的變化情況,。圖1(a)、(b)窗口在邊緣上沒變化,，而(c)的窗口在各個方向上具有明顯的變化,，根據(jù)此現(xiàn)象,，可將(c)作為角點(diǎn)。

　　窗口平移［u,v］的量產(chǎn)生的圖像灰度變化E(u,v):

　　E(u,v)=∑x,yw(x,y)［I（x+u,y+v）-I(x,y)］2(1)

　　由I（x+u,，y+v）=I(x,y)+Ixu+Iyv+O(u2+v2)

　　得：　

　　由于矩陣M=AC

　　CB特征值不易計(jì)算,，通常計(jì)算式(5)，R為角點(diǎn)響應(yīng)值(CRF),，大小為：

　　R=detM－k(traceM)2(5)

　　其中,，detM=λ1λ2=AC－B2,traceM=λ1λ2=A+C,detM是矩陣M的行列式;traceM是矩陣M的跡;k是經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，取0.04~0.06,。若R>CRFmax,，則此像素點(diǎn)可提取為角點(diǎn)。

　　為了避免在求CRF時設(shè)定k,，這里參考文獻(xiàn)［7］：

　　R=［I2x*I2y-(IxIy)2］/(I2x+I2y+ε)(6)

　　ε表示任意小的正數(shù),。

2改進(jìn)的Harris角點(diǎn)檢測算法

　　2.1算法思想

　　本文采用多閾值方法。首先設(shè)定初始閾值并采用圓形區(qū)域非極大值抑制來提取大部分的候選角點(diǎn),，之后對圖像作等比分塊處理,。利用塊的自適應(yīng)閾值求塊的補(bǔ)充角點(diǎn)。以此達(dá)到避免單一閾值下角點(diǎn)缺失或較多偽角點(diǎn)現(xiàn)象,。

　　傳統(tǒng)Harris算法常用3×3（大小可調(diào)）為模板區(qū)域?qū)D像非極大值抑制：模板中心點(diǎn)與其余8點(diǎn)逐一比較大小,，若中心點(diǎn)響應(yīng)值大于其他任一模板內(nèi)響應(yīng)值，則該中心點(diǎn)被認(rèn)為是角點(diǎn),。同理圓形窗口下以圓心作為中心點(diǎn),，若比較后中心點(diǎn)響應(yīng)值最大，則作為候選角點(diǎn)提取,，圓心位置順序遞增,，相反則舍棄該點(diǎn)，進(jìn)行下一輪非極大值抑制,。

　　運(yùn)用矩形模板區(qū)域非極大值抑制時,，如果圖像發(fā)生旋轉(zhuǎn)變化，窗口也發(fā)生變化,，因此增加了誤檢與漏檢的風(fēng)險(xiǎn),。而根據(jù)圓的旋轉(zhuǎn)不變性，采用圓形窗口能夠提高圖像旋轉(zhuǎn)不變性,。

　　2.2算法實(shí)現(xiàn)步驟

　　（1）初始角點(diǎn)RA提取

　　在初始閾值下,，利用圓形區(qū)域進(jìn)行非極大值抑制方法求得候選角點(diǎn)集合A并計(jì)算A中每個像素點(diǎn)的CRF值R,，取最大Rmax0，令基礎(chǔ)閾值：

　　T0=c0×Rmax0(7)

　　c0為常數(shù),。當(dāng)c0取0.02~0.04 時可滿足要求,。

　　令R>T0且R為模板區(qū)域內(nèi)極大值的點(diǎn)A,，記為初始角點(diǎn)RA。

　?。?)塊角點(diǎn)RB提取

　　將一個V×W圖像切割為M×N塊數(shù)量,塊的尺寸為(V/M)×(W/N),。在塊中求除了RA之外的Rmax值。將第［p,q］塊的最大R記為Rmax B(p,q),，設(shè)置塊閾值為:

　　TB(p,q)=cB×Rmax B(p,q)(8)

　　cB為常數(shù),，取值0.1~0.3時檢測出的塊角點(diǎn)RB能夠很好地彌補(bǔ)初始角點(diǎn)的欠缺。

　　(3)SUSAN思想消除誤檢

　　SUSAN算法能消去誤檢點(diǎn),，并具有較好的抗噪性,，其步驟：初置閾值s并定義一圓形模板，用此模板逐一比照圖像每一區(qū)域,。 若模板中心點(diǎn)（核）灰度值與模板內(nèi)某像素點(diǎn)灰度差小于s,，即該點(diǎn)與中心點(diǎn)(核)具有相似灰度值。所有類似的點(diǎn)組成的區(qū)域叫做USAN,，SUSAN算法示意圖如圖2所示,。　　

　　算法上, 用圓形模板掃描整幅圖像, 當(dāng)模板在灰色區(qū)域如圖2中的d, USAN面積最大,；當(dāng)模板接近灰色區(qū)域邊緣圖b時,，USAN面積慢慢減小,；當(dāng)核在灰色區(qū)域邊緣時如圖c,， USAN面積很小,；在核處于角上時如圖e,，USAN面積最小。

　　由此利用圓形模板掃描RA,、RB可刪除誤檢點(diǎn),。設(shè)像素點(diǎn)(m,n)為RB的角點(diǎn),若以(m,n)為核的USAN面積大于1/2模板面積即認(rèn)為該點(diǎn)為誤檢點(diǎn)。如此便可略去大部分誤檢點(diǎn),。

3實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

　　對于改進(jìn)Harris角點(diǎn)檢測算法一直是圖像拼接等領(lǐng)域研究的熱點(diǎn),，針對Harris算子的不足，各方法的改進(jìn)都側(cè)有不同,，本文結(jié)合傳統(tǒng)Harris,、參考文獻(xiàn)［7］的改進(jìn)算法做一個簡單比較。

　　實(shí)驗(yàn)中,，先采用一張角點(diǎn)較明顯的圖,，對傳統(tǒng)Harris、參考文獻(xiàn)［7］及本文算法進(jìn)行對比,。為了客觀比較,，與參考文獻(xiàn)［7］相同,，本文傳統(tǒng)算法閾值大小也采用1 200，比較結(jié)果如圖3所示,?！?/p>

　　圖3(a)傳統(tǒng)Harris算法中，提取出較多角點(diǎn)數(shù)量,，且在這張角點(diǎn)分明的圖像里,，有著稍微的角點(diǎn)聚簇現(xiàn)象，而誤檢點(diǎn)數(shù)較其他兩圖亦是最多,，且處理時間也比較長,；而參考文獻(xiàn)［7］與本文算法所得到角點(diǎn)分布圖較為相近，角點(diǎn)數(shù)較傳統(tǒng)算法有所減少,，分布也較均勻,。但對比兩圖，統(tǒng)計(jì)圖中3種角點(diǎn)數(shù)量,，如表1所示,，不難看出本文算法更出色，其正確角點(diǎn)及漏檢角點(diǎn)雖然相似,，但誤檢數(shù)量更少,，有利于圖像拼接后續(xù)的配準(zhǔn)工作。

　　本文所用圓形區(qū)域非極大值抑制,，不但在運(yùn)算時間上表2角點(diǎn)數(shù)量及算法運(yùn)算時間對比算法圖像1圖像2圖像3圖像4圖像5角點(diǎn)時間/s角點(diǎn)時間/s角點(diǎn)時間/s角點(diǎn)時間/s角點(diǎn)時間/s傳統(tǒng)Harris算法1 551152.841 20092.1173818.723784.601801.12參考文獻(xiàn)［7］算法1 332140.251 09787.5160515.32773.821700.98本文算法1 20888.0798774.4155610.512352.781620.78有優(yōu)化,，而且對圖像旋轉(zhuǎn)不變性也有不錯的改善。圖4是對圖像作45°旋轉(zhuǎn)后算法對比：

　　圖4對圖像作45°旋轉(zhuǎn)后算法對比圖4(a)對比圖3（a),，經(jīng)45°旋轉(zhuǎn)后,，傳統(tǒng)Harris算法能提取出大部分的角點(diǎn)，但存在較嚴(yán)重的漏檢現(xiàn)象,。采用本文算法,，對比圖3(c)與圖4(c)的圖像旋轉(zhuǎn)角點(diǎn)檢測狀況可知，旋轉(zhuǎn)前后,，均能很好地檢測出角點(diǎn),，漏檢與誤檢現(xiàn)象雖然存在，但比傳統(tǒng)算法好,。比較參考文獻(xiàn)［7］方法,，本文算法在采用圓形非極大值抑制后，具有更多的正確角點(diǎn)和更少的誤檢點(diǎn),。

　　Harris算子本身具有不錯的抗噪性,，但本文在采用SUSAN思想后能增強(qiáng)算法的抗噪性。圖5是在0.1的高斯噪聲下效果對比。

　　從圖5可以看出,，本文算法在高斯噪聲環(huán)境下有不錯的表現(xiàn)，特別是偽角點(diǎn)檢測上,。經(jīng)過大量圖像角點(diǎn)處理實(shí)驗(yàn)證明,，本文算法在消除誤檢點(diǎn)效果上好于原算法，因此認(rèn)為具有更強(qiáng)的抗噪性,。

　　在圖像處理的時間上,，對比本文算法較傳統(tǒng)算法也略有優(yōu)勢。為客觀比較,，本文采用上海海事大學(xué)信息工程學(xué)院為背景的圖像,，由Android手機(jī)拍攝，原圖尺寸為：5 248×3 936,，利用圖像編輯軟件進(jìn)行等比例縮放,，其尺寸分別為：3 726×2 794、2 624×1 698,、1 312×984,、656×492、328×246,。

　　隨著圖像分辨率的降低,，角點(diǎn)數(shù)也在減少，這是可預(yù)見的,，因?yàn)楦叻直媛蕡D像勢必具有更豐富的細(xì)節(jié)信息,，所能提取的角點(diǎn)數(shù)目也更多。由表2可知,，相較于傳統(tǒng)Harris和參考文獻(xiàn)［7］算法,，本文介紹的算法能在涵蓋圖像的特征情況下提取出相對少的角點(diǎn)，且運(yùn)行速度也可圈可點(diǎn),，因此認(rèn)為在算法性能上要好于另外2種,。圖6是表2的圖像4，尺寸大小為656×492,。

　　綜上圖示及表數(shù)據(jù),，本文算法在漏檢、誤檢都有不錯表現(xiàn),，利用該算法,，能夠很好地檢測出正確角點(diǎn)，同時能改善傳統(tǒng)算法在角點(diǎn)的聚簇現(xiàn)象,，勻化角點(diǎn)分布,，有利于后面的圖像配準(zhǔn)處理。

4結(jié)束語

　　在基于灰度的角點(diǎn)檢測算法中,，被大眾所知的經(jīng)典Harris算法具有不錯的效果,，能滿足日常應(yīng)用,，并且對該方法的改進(jìn)一直是一個熱點(diǎn)話題。本文基于傳統(tǒng)Harris算法在圖像拼接領(lǐng)域應(yīng)用的不足,，提出改進(jìn)思想,，采用多閾值的圓形非極大值抑制法提取角點(diǎn)并利用SUSAN思想去除誤檢點(diǎn)，經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明,，在運(yùn)算時間及消除多余的誤檢點(diǎn)以及減少漏檢現(xiàn)象上有明顯的改善,，具備比較好的角點(diǎn)檢測性能，此方面的性能提升,，可為后期獲得更好圖像拼接效果提供一個算法參考,。

參考文獻(xiàn)

　　［1］ TUYTELAARS T,，MIKOLAJCZYK K． Local invariant feature detectors: a survey［J］.Foundations and Trendsin Computer Graphicsand Vision,，2008，3(3): 177280．

　?。?］ 仇國慶,，馮漢青，蔣天躍,，等．一種改進(jìn)的Harris角點(diǎn)圖像拼接算法［J］．計(jì)算機(jī)科學(xué),，2012,39(11):264266

　　［3］ SMITH A M, BRADY J M. Susan: A new approach to low level image processing［J］ . International Journal of Computer Vision, 1997, 23(1): 4578.

　?。?］ HARRIS C, SATEPHENS M J. A combined corner and edge detector［J］. Image Vision Computting, 1988, 6(1): 121128.

　?。?］ 涂春平，柴亞輝,，李廣麗,，等．一種基于Harris角點(diǎn)特征精確匹配的圖像拼接方法［J］．實(shí)驗(yàn)室研究與探索,2011,30(10):4043.

　　［6］ 沈士喆,，張小龍,， 衡偉．一種自適應(yīng)閾值的預(yù)篩選Harris角點(diǎn)檢測方法［J］．?dāng)?shù)據(jù)采集與處理，2011,，26（2）:207213.

　?。?］ 毛雁明． 一種改進(jìn)的基于Harris的角點(diǎn)檢測方法［D］．昆明： 云南師范大學(xué)，2009.

　?。?］ 龍伶敏． 基于Adaboost的人臉檢測方法及眼睛定位算法研究［D］． 成都： 電子科技大學(xué),，2008.