基于非参数边缘积分估计的局部特征描述子

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1、2016年3月北京航空航天大学学报March2016第42卷第3期JournalofBeijingUniversityofAeronauticsandAstronauticsV01．42No．3http：ffbhxb．buaa．edu．C／1jbuaa@buaa．edu．cnDOI：10．13700／j．bh．1001-5965．2015．0156基于非参数边缘积分估计的局部特征描述子郑明国，吴成东+，陈东岳，贾同，金勇虎(东北大学信息科学与工程学院，沈阳110819)摘要：为提高图像匹配性能提出了关于

2、局部区域特征描述子的统计模型。该模型是一种基于梯度模值及方向分布的边缘积分函数模型。在离散梯度方向的边缘积分函数与梯度矢量场的模值累积方向直方图相同。采用基于核函数的非参数估计，估计了该函数，应用于尺度不变特征变换(SIFT)描述子。为了提高描述子的旋转不变性、独特性，降低运算复杂度，将特征点周围的局部区域作为圆形，由径向采样网格划分为8个子区域。在每个子区域估计边缘积分函数，特征向量由每个小块8个方向的函数值组成。实验表明，该描述子能够提高旋转变换的检测率(查全率)，降低运算复杂度。关键词：梯度分布；

3、非参数估计；边缘积分；尺度不变特征变换(SIFT)；图像匹配中图分类号：V249．32+5；TP391．4文献标识码：A文章编号：1001—5965(2016)03—0497-09基于局部区域描述的图像匹配方法广泛地应用于视觉导航、前景合成、图像检索以及目标跟踪等¨剖。其中基于局部区域一阶梯度分布的特征描述子被广泛研究，例如尺度不变特征变换(ScaleInvariantFeatureTransform，SIFT)描述子”1、梯度方向直方图(HistogramofOrientedGra-dient，HOG

4、)描述子”1和梯度定位与方向直方图(GradientLocationandOrientationHistogram，GLOH)描述子哺3等。SIFT描述子在一些范围内具有尺度、旋转、仿射、光照和压缩不变性。旋转以仿射不变性是视觉导航过程中很重要的因素。构建基于一阶梯度分布的特征算子的关键在于局部特征提取算法、采样网格的方式以及直方图统计算法。其中局部特征主要为梯度主方向或一阶梯度分布。采样网格的设计主要针对算子的不变性需求。例如，为了提高SIFT的旋转不变性，研究人员提出了基于旋转变换的直角坐标采样网格

5、"o、极坐标采样网格¨1和环采样网格¨1等方法；针对仿射变换的采样网格方法则大体包括基于图像仿射变换的直角坐标采样网格一1和径向采样网格"1等。关于组成直方图的方法，除SIFT使用的传统直方图统计算法外，文献[10]提出了一种统计模型，设梯度方向分布为圆形正态分布，并在此基础上使用参数估计方法描述局部特征。但该算法没有考虑梯度模值，只提到梯度方向，且特征向量维数比SIFT算法的维数增加了3倍，因此运算速度较慢。为了提高基于图像梯度分布的局部特征描述子的不变性、实时性及准确性，提出了一种新的梯度分布统计模

6、型。用模值累积梯度方向直方图作为离散边缘积分函数，使用非参数估计方法实现该函数的精确估计。针对视觉导航应用中十分重要的图像匹配算法的旋转不变性问题，提出了基于径向采样网格的SIFT描述子，降低特征向量维收稿日期：2015-03．19；录用日期：2015-07·17；网络出版时间：2015-10-3016：05网络出版地址：WWW．cnki．net／kcms／detail／11．2625．V．20151030．1605．002．html基金项目：国家自然科学基金(61273078)}通讯作者：Tel．：0

7、24-83687146E-mail：wuchengdong@ise．neu．edu．cn引用格式：郑明国，吴成东，陈东岳，等．基于非参数边缘积分估计的局部特征描述子fJJ．北京航空航天大学学报，2016，420)：497—505．ZHENGMG。WUCD，CHENDY，eta1．LocalfeaturedescriptorbasedOilnonparametricmargihalintegrationestima—tionfJJ．JournalofBeijingUniversityofAeronauti

8、csandAstronautics，2016，42(3)：497·505(inChinese)．498北京航空航天大学学报2016年数和运算复杂度。1模值累积方向直方图的统计模型直方图是一种概率密度函数的离散形式，对它的估计方法分为2种：参数估计和非参数估计。若在局部领域内像素的梯度方向分布形态已知，则估计称为参数估计，反之则称为非参数估计。如设方向分布为方向统计学的混合正态分布，方向分布估计为参数估计¨0

9、。本文设分布函数形态是未知的，用