树木影像特征提取与立体匹配技术研究
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摘要
立体视觉应用于森林资源调查将是一种全新的手段，它将大大节省森林调查人力、财力，并且获得更丰富的信息。本文在总结其它行业应用立体视觉技术成功经验的基础上，探索立体视觉技术应用于森林资源调查的可行性，寻找在森林资源调查中立体视觉的实现策略。
第一章，概述了计算机视觉发展简史，以及在计算机视觉中占有重要地位的Marr视觉理论。在总结了立体视觉在其它行业组成功应用的基础上，阐述了立体视觉在森林资源调查中应用的意义，展望了应用前景。
第二章，系统的综述了立体视觉中的图像采集及预处理、特征检测、摄像机标定、立体匹配和三维重建等组成部分。尤其对立体匹配中的约束、立体匹配的分类，立体匹配的实现策略以及立体匹配的常用算法进行了总结。
第三章，通过系统的实验，确定了林业立体视觉量测系统中各组成部分采用的方法、策略，立体视觉应用于森林资源调查所能达到的精度。
对于用FUJIFILM FinePix6900Zoom数码相机野外实际拍摄的树木近景图像，在FVision中，采用不同的平滑去噪方法对图像进行预处理，从速度和处理效果综合考虑，高斯模板滤波最佳。分别用一阶梯度算子、二阶微分算子以及SUSAN算子进行树干边缘检测实验，实验结果表明，对于树干阶跃型的边缘， Canny算子不但能检测出树干的边缘强度，而且能够检测出树干边缘的方向。对于不同背景下的树干，可以通过改变Canny算子的标准差，来获得最佳的树干的边缘。另外，大模板的LoG算子(本文采用13×13的LoG模板)也可以检测出很好的单像素的Zero Crossing树干边缘。
在前人工作的基础上，进一步完善了非线性度量误差模型在摄像机定标的应用。通过多次重复性的实验，成功实现了以线性最小二乘法求解摄像机参数做初值，再用非线性度量误差模型对摄像机参数进行优化的单目标定方法。通过对本文所采用的FUJIFILM FinePix6900Zoom数码相机在固定支架
滑动和不同地点搬动进行重复性拍摄大小为1280×960图像，然后进行摄像机标定参数求解。得出FUJIFILM FinePix6900Zoom数码相机在搬动拍摄过程中，dx=dy，并且稳定在0.0061~0.0062之间，而像主点坐标(u0,v0)不稳定。在固定支架上滑动摄像机拍摄过程中，dx=dy同样稳定在0.0061~0.0062之间。像主点坐标(u0,v0)保持稳定在(625,510)左右。直接采用非线性度量误差模型进行双目标定，对于摄像机内参数，得到与单目标定相同的结论。利用本文的标定结果，重建后得出，在固定支架上滑动摄像机拍摄时，随着基线长度从50mm开始，不断增加，基线长度达到400mm时,单点重建精度平均稳定在厘米级。而在不同地点搬动摄像机拍摄，基线大于3m时，单点重建平均精度低于50mm。
立体匹配是立体视觉中最难解决的问题。根据树干的特点，在尝试了多种在其它行业成功应用的立体匹配算法之后，提出了适合树干边缘的立体匹配策略。即首先进行人机交互式的树干边缘约束下的变区域立体匹配，然后利用非线性度量误差模型进行整体匹配。对于相同的立体图像对，本文分别采用的Canny算子、模板为13×13的LoG算子和Sobel算子检测的树干边缘做约束，区域相似性度量分别采用熵差、不变矩、相关性以及三者的综合。按照本文提出的匹配策略获得了不同的匹配结果。通过对不同匹配方法获得的树干边缘的匹配点集进行重建，计算树木点位坐标和树木点位，对实验结果进行对比分析得出结论。其中人机交互式的Canny算子检测出的树干边缘特征约束下，变区域的相关匹配或综合测度匹配获得的匹配点集，然后进行基于非线性度量误差模型的整体匹配优于其它匹配算法。当采用单目标定的摄像机参数，重建到地理坐标系下时，胸径测定的平均相对误差分别为7.584118%(相关)和4.8394047%(综合测度)；树木点位平均误差分别为164.6309mm(相关)和167.18mm(综合测度)。当采用双目标定的摄像机参数重建到摄像机1坐标系下时，胸径测定的平均相对误差分别为7.828278%(相关)
和4.433936%(综合测度)；树木点位平均误差分别为177.1102mm (相关)和175.3981mm(综合测度)。
第四章简要概述了FVision。FVision是基于本文提出的立体视觉理论和方法，在Visual C++6.0下开发的树木近景立体量测系统。在FVision中包含了错误信息类、数学运算类、遗传算法类、图像处理类，图像特征检测类、视觉类等。实现了树木图像显示与处理、特征检测、形态学处理、立体匹配、摄像机标定及三维重建等具有林业特色的功能，同时还有数据输入输出、编辑撤销和还原、人机交互、容错机制等辅助功能。
实践表明，立体视觉技术测定的树木点位坐标完全能够满足森林资源调查的精度要求，而胸径测定基本能够满足资源调查的精度要求。
As a novel method, the application of stereo vision on forest resources inventory will not only reduce the cost, but also brings even richer information. In this thesis, strategies on stereo measurement suitable for forest environment is discussed based on the summary of the application of stereo vision on other area. The focus of the thesis is on the abstract of tree features and the techniques of stereo matching.
Firstly, the history of the development of computer vision and the Marr vision theory, which plays an important part in computer vision, is briefly introduced. Secondly, an introduction on the meanings of stereo vision on the s forest resources inventory is given after the summary on its successful application on other areas and the application perspective is looked forward. Moreover, the components of forest measurement system based on stereo vision is put forward.
The image preprocessing on the tree photos taken in the field is introduced at first. In the FVision system, edges of tree stem can be detected by first order gradient operator, second order gradient operator or SUSAN operator respectively. The Canny operator is the best to the three edge detection criteria on detecting step edge. An LoG operator of large template (13×13)can detect the Zero Crossing tree edge of single pixel perfectly . Moreover, the moravec operator and the Forstner operator, which are very useful on detection of feature points in calibration and matching, are developed in FVision.
The three coordinates systems in stereo vision and the pinhole camera model are introduced. The application of nonlinear error in measure model in the calibration of camera is further improved on the base of other researcher. By repeat the experiment over and over, a mistake in the formula is found in reference 76, which used to decompose the camera parameters by projective matrix. An one-lens calibration is developed successfully. With the camera parameters resolved by linear least square algorithm as the initials, the nonlinear error in measure model is used to optimize camera parameters. Photos with the size of 1280×960 are taken with the camera (FUJIFILM FinePix6900Zoom) moving between the two ends of the fixed bracket or with the camera bracket moved from one site to another. Then the camera parameters are resolved. The result shows that, during the moving the camera and photo taken at different sites, the resolved parameters of FUJIFILM FinePix6900Zoom camera meet the equation dx=dy, where dx or dy is stable between 0.0061 and 0.0062, while (u0,v0) is not stable. During the camera's slipping between the two ends of the fixed bracket, dx=dy , where dx or dy is also stable between 0.0061 and 0.0062 and (u0,v0) keep stable around (625,510). If only nonlinear error in measure model is used for two-lens calibration, the same conclusion as that of the one-lens calibration can be drawn for the camera's intrinsic parameters.
Stereo matching is one of the most difficult problem in stereo vision. Based on the summary of current development of stereo matching, a stereo matching strategy fit for the tree edge is put forward after the attempts of several stereo matching algorithms which are successfully used in other areas. This strategy uses an interactive variable area stereo matching constrained by tree edge. Then, a global matching is done using nonlinear error in measure model. For the same
stereo image pairs, the tree edge using as constrains are detected respectively by Canny operator with , LoG operator with a template size of 13×13 and Sobel operator. The measure of area similarity is taken respectively by entropy difference, invariant moment, correlation and the synthesis of the three. Different matching results are gained with different matching methods put forward in thesis.
With the camera calibration result in chapter 3, the sign points are reconstructed. The camera slipping on the bracket, the baseline length increased from 50mm, when the baseline length reaches 400mm, the single reconstruction error stab
第一章，概述了计算机视觉发展简史，以及在计算机视觉中占有重要地位的Marr视觉理论。在总结了立体视觉在其它行业组成功应用的基础上，阐述了立体视觉在森林资源调查中应用的意义，展望了应用前景。
第二章，系统的综述了立体视觉中的图像采集及预处理、特征检测、摄像机标定、立体匹配和三维重建等组成部分。尤其对立体匹配中的约束、立体匹配的分类，立体匹配的实现策略以及立体匹配的常用算法进行了总结。
第三章，通过系统的实验，确定了林业立体视觉量测系统中各组成部分采用的方法、策略，立体视觉应用于森林资源调查所能达到的精度。
对于用FUJIFILM FinePix6900Zoom数码相机野外实际拍摄的树木近景图像，在FVision中，采用不同的平滑去噪方法对图像进行预处理，从速度和处理效果综合考虑，高斯模板滤波最佳。分别用一阶梯度算子、二阶微分算子以及SUSAN算子进行树干边缘检测实验，实验结果表明，对于树干阶跃型的边缘， Canny算子不但能检测出树干的边缘强度，而且能够检测出树干边缘的方向。对于不同背景下的树干，可以通过改变Canny算子的标准差，来获得最佳的树干的边缘。另外，大模板的LoG算子(本文采用13×13的LoG模板)也可以检测出很好的单像素的Zero Crossing树干边缘。
在前人工作的基础上，进一步完善了非线性度量误差模型在摄像机定标的应用。通过多次重复性的实验，成功实现了以线性最小二乘法求解摄像机参数做初值，再用非线性度量误差模型对摄像机参数进行优化的单目标定方法。通过对本文所采用的FUJIFILM FinePix6900Zoom数码相机在固定支架
滑动和不同地点搬动进行重复性拍摄大小为1280×960图像，然后进行摄像机标定参数求解。得出FUJIFILM FinePix6900Zoom数码相机在搬动拍摄过程中，dx=dy，并且稳定在0.0061~0.0062之间，而像主点坐标(u0,v0)不稳定。在固定支架上滑动摄像机拍摄过程中，dx=dy同样稳定在0.0061~0.0062之间。像主点坐标(u0,v0)保持稳定在(625,510)左右。直接采用非线性度量误差模型进行双目标定，对于摄像机内参数，得到与单目标定相同的结论。利用本文的标定结果，重建后得出，在固定支架上滑动摄像机拍摄时，随着基线长度从50mm开始，不断增加，基线长度达到400mm时,单点重建精度平均稳定在厘米级。而在不同地点搬动摄像机拍摄，基线大于3m时，单点重建平均精度低于50mm。
立体匹配是立体视觉中最难解决的问题。根据树干的特点，在尝试了多种在其它行业成功应用的立体匹配算法之后，提出了适合树干边缘的立体匹配策略。即首先进行人机交互式的树干边缘约束下的变区域立体匹配，然后利用非线性度量误差模型进行整体匹配。对于相同的立体图像对，本文分别采用的Canny算子、模板为13×13的LoG算子和Sobel算子检测的树干边缘做约束，区域相似性度量分别采用熵差、不变矩、相关性以及三者的综合。按照本文提出的匹配策略获得了不同的匹配结果。通过对不同匹配方法获得的树干边缘的匹配点集进行重建，计算树木点位坐标和树木点位，对实验结果进行对比分析得出结论。其中人机交互式的Canny算子检测出的树干边缘特征约束下，变区域的相关匹配或综合测度匹配获得的匹配点集，然后进行基于非线性度量误差模型的整体匹配优于其它匹配算法。当采用单目标定的摄像机参数，重建到地理坐标系下时，胸径测定的平均相对误差分别为7.584118%(相关)和4.8394047%(综合测度)；树木点位平均误差分别为164.6309mm(相关)和167.18mm(综合测度)。当采用双目标定的摄像机参数重建到摄像机1坐标系下时，胸径测定的平均相对误差分别为7.828278%(相关)
和4.433936%(综合测度)；树木点位平均误差分别为177.1102mm (相关)和175.3981mm(综合测度)。
第四章简要概述了FVision。FVision是基于本文提出的立体视觉理论和方法，在Visual C++6.0下开发的树木近景立体量测系统。在FVision中包含了错误信息类、数学运算类、遗传算法类、图像处理类，图像特征检测类、视觉类等。实现了树木图像显示与处理、特征检测、形态学处理、立体匹配、摄像机标定及三维重建等具有林业特色的功能，同时还有数据输入输出、编辑撤销和还原、人机交互、容错机制等辅助功能。
实践表明，立体视觉技术测定的树木点位坐标完全能够满足森林资源调查的精度要求，而胸径测定基本能够满足资源调查的精度要求。
As a novel method, the application of stereo vision on forest resources inventory will not only reduce the cost, but also brings even richer information. In this thesis, strategies on stereo measurement suitable for forest environment is discussed based on the summary of the application of stereo vision on other area. The focus of the thesis is on the abstract of tree features and the techniques of stereo matching.
Firstly, the history of the development of computer vision and the Marr vision theory, which plays an important part in computer vision, is briefly introduced. Secondly, an introduction on the meanings of stereo vision on the s forest resources inventory is given after the summary on its successful application on other areas and the application perspective is looked forward. Moreover, the components of forest measurement system based on stereo vision is put forward.
The image preprocessing on the tree photos taken in the field is introduced at first. In the FVision system, edges of tree stem can be detected by first order gradient operator, second order gradient operator or SUSAN operator respectively. The Canny operator is the best to the three edge detection criteria on detecting step edge. An LoG operator of large template (13×13)can detect the Zero Crossing tree edge of single pixel perfectly . Moreover, the moravec operator and the Forstner operator, which are very useful on detection of feature points in calibration and matching, are developed in FVision.
The three coordinates systems in stereo vision and the pinhole camera model are introduced. The application of nonlinear error in measure model in the calibration of camera is further improved on the base of other researcher. By repeat the experiment over and over, a mistake in the formula is found in reference 76, which used to decompose the camera parameters by projective matrix. An one-lens calibration is developed successfully. With the camera parameters resolved by linear least square algorithm as the initials, the nonlinear error in measure model is used to optimize camera parameters. Photos with the size of 1280×960 are taken with the camera (FUJIFILM FinePix6900Zoom) moving between the two ends of the fixed bracket or with the camera bracket moved from one site to another. Then the camera parameters are resolved. The result shows that, during the moving the camera and photo taken at different sites, the resolved parameters of FUJIFILM FinePix6900Zoom camera meet the equation dx=dy, where dx or dy is stable between 0.0061 and 0.0062, while (u0,v0) is not stable. During the camera's slipping between the two ends of the fixed bracket, dx=dy , where dx or dy is also stable between 0.0061 and 0.0062 and (u0,v0) keep stable around (625,510). If only nonlinear error in measure model is used for two-lens calibration, the same conclusion as that of the one-lens calibration can be drawn for the camera's intrinsic parameters.
Stereo matching is one of the most difficult problem in stereo vision. Based on the summary of current development of stereo matching, a stereo matching strategy fit for the tree edge is put forward after the attempts of several stereo matching algorithms which are successfully used in other areas. This strategy uses an interactive variable area stereo matching constrained by tree edge. Then, a global matching is done using nonlinear error in measure model. For the same
stereo image pairs, the tree edge using as constrains are detected respectively by Canny operator with , LoG operator with a template size of 13×13 and Sobel operator. The measure of area similarity is taken respectively by entropy difference, invariant moment, correlation and the synthesis of the three. Different matching results are gained with different matching methods put forward in thesis.
With the camera calibration result in chapter 3, the sign points are reconstructed. The camera slipping on the bracket, the baseline length increased from 50mm, when the baseline length reaches 400mm, the single reconstruction error stab
引文
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