图像的拼接—-RANSAC算法

大家好，又见面了，我是你们的朋友全栈君。

一、全景拼接的原理

1.RANSAC算法介绍
       RANSAC算法的基本假设是样本中包含正确数据(inliers，可以被模型描述的数据)，也包含异常数据(outliers，偏离正常范围很远、无法适应数学模型的数据)，即数据集中含有噪声。这些异常数据可能是由于错误的测量、错误的假设、错误的计算等产生的。同时RANSAC也假设，给定一组正确的数据，存在可以计算出符合这些数据的模型参数的方法。

2.使用RANSAC算法来求解单应性矩阵
        在进行图像拼接时，我们首先要解决的是找到图像之间的匹配的对应点。通常我们采用SIFT算法来实现特征点的自动匹配，SIFT算法的具体内容参照我的上一篇博客 。SIFT是具有很强稳健性的描述子，比起图像块相关的Harris角点，它能产生更少的错误的匹配，但仍然还是存在错误的对应点。所以需要用RANSAC算法，对SIFT算法产生的128维特征描述符进行剔除误匹配点。

        由直线的知识点可知，两点可以确定一条直线，所以可以随机的在数据点集中选择两点，从而确定一条直线。然后通过设置给定的阈值，计算在直线两旁的符合阈值范围的点，统计点的个数inliers。inliers最多的点集所在的直线，就是我们要选取的最佳直线。

       RANSAC算法就是在一原理的基础上，进行的改进，从而根据阈值，剔除错误的匹配点。首先，从已求得的匹配点对中抽取几对匹配点，计算变换矩阵。然后对所有匹配点，计算映射误差。接着根据误差阈值，确定inliers。最后针对最大inliers集合，重新计算单应矩阵 H。

3.基本思想描述：
①考虑一个最小抽样集的势为n的模型(n为初始化模型参数所需的最小样本数)和一个样本集P，集合P的样本数#(P)>n，从P中随机抽取包含n个样本的P的子集S初始化模型M；
②余集SC=P\S中与模型M的误差小于某一设定阈值t的样本集以及S构成S*。S*认为是内点集，它们构成S的一致集(Consensus Set)；
③若#(S*)≥N，认为得到正确的模型参数，并利用集S*(内点inliers)采用最小二乘等方法重新计算新的模型M*；重新随机抽取新的S，重复以上过程。
④在完成一定的抽样次数后，若未找到一致集则算法失败，否则选取抽样后得到的最大一致集判断内外点，算法结束。

 4.图像拼接

使用RANSAC算法估计出图像间的单应性矩阵，将所有的图像扭曲到一个公共的图像平面上。通常，这里的公共平面为中心图像平面。一种方法是创建一个很大的图像，比如将图像中全部填充0，使其和中心图像平行，然后将所有的图像扭曲到上面。由于我们所有的图像是由照相机水平旋转拍摄的，因此我们可以使用一个较简单的步骤：将中心图像左边或者右边的区域填充为0，以便为扭曲的图像腾出空间。
二、实验

1.源代码

# -*- coding: utf-8 -*-
from pylab import *
from PIL import Image
from PCV.geometry import homography, warp
from PCV.localdescriptors import sift

# set paths to data folder
featname = ['C:/Users/LE/PycharmProjects/untitled/hh/' + str(i + 1) + '.sift' for i in range(4)]
imname = ['C:/Users/LE/PycharmProjects/untitled/hh/' + str(i + 1) + '.jpg' for i in range(4)]

# extract features and match
l = {}
d = {}
for i in range(4):
    sift.process_image(imname[i], featname[i])
    l[i], d[i] = sift.read_features_from_file(featname[i])

matches = {}
for i in range(3):#2
    matches[i] = sift.match(d[i + 1], d[i])

# visualize the matches (Figure 3-11 in the book)
for i in range(3):#2
    im1 = array(Image.open(imname[i]))
    im2 = array(Image.open(imname[i + 1]))
    figure()
    sift.plot_matches(im2, im1, l[i + 1], l[i], matches[i], show_below=True)


# function to convert the matches to hom. points
def convert_points(j):
    ndx = matches[j].nonzero()[0]
    fp = homography.make_homog(l[j + 1][ndx, :2].T)
    ndx2 = [int(matches[j][i]) for i in ndx]
    tp = homography.make_homog(l[j][ndx2, :2].T)

    # switch x and y - TODO this should move elsewhere
    fp = vstack([fp[1], fp[0], fp[2]])
    tp = vstack([tp[1], tp[0], tp[2]])
    return fp, tp


# estimate the homographies
model = homography.RansacModel()

fp, tp = convert_points(1)
H_12 = homography.H_from_ransac(fp, tp, model)[0]  # im 1 to 2

fp, tp = convert_points(0)
H_01 = homography.H_from_ransac(fp, tp, model)[0]  # im 0 to 1

# warp the images
delta = 1000  # for padding and translation

im1 = array(Image.open(imname[1]), "uint8")
im2 = array(Image.open(imname[2]), "uint8")
im_12 = warp.panorama(H_12, im1, im2, delta, delta)

im1 = array(Image.open(imname[0]), "f")
im_02 = warp.panorama(dot(H_12, H_01), im1, im_12, delta, delta)

figure()
imshow(array(im_02, "uint8"))
axis('off')
show()

 

 特征匹配

 

 

 

 图像拼接

 

 

 

 

 特征匹配

 

 

 

 

 图像拼接

 

4.视差变化大拍摄

数据集

 

特征匹配

图像拼接

 

 

 5.同一地点不同方位拍摄 

 数据集

 

特征匹配

 

图片拼接

 

 三、实验结果分析

通过四种不同场景的测试，可以看出：

室外固定点位拍摄的场景因为检测到的特征点较多提高了匹配度， 虽然总体的拼接图像在视觉上有点扭曲，但大致上都拼接出来了。

室内固定点位拍摄的场景，拼接效果比较理想，但由于图像曝光度的不同，导致在图像的边界上存在边缘效应，这也是该算法需要改进的地方。

室外同一地点不同角度拍摄场景，拼接效果最不理想，这是由于，虽然算法在特征匹配时匹配度很高，但是在进行拼接时，算法不会帮我们旋转图片的角度达到很好的拼接效果。

室外视察变化大拍摄的场景，按理来说应该检索到的特征点很多，但拼接结果不是很理想，这是由于我拍摄时没有尽可能的水平移动所导致，并且我的拍摄背景很相似，建筑物比较对称，所以也提醒大家拍摄测试图像要注意：为了拼接出效果比较好的图像，在保证有相同匹配点的情况下，拍摄图像的间隔尽可能大一些。且一定要站在同一点，水平移动手机进行拍摄，就像拍摄全景图那样。若人拍摄的位置发生移动的话，算法可能就会因为找不到正确的点对而报错，且最好不要拍摄那种对称的建筑物，且两边的的特征点长的几乎一样的。这样会使算法的匹配出现失误。

图片像素越高会导致代码运行较慢甚至报错。

四、实验中遇到的错误

1.代码运行时出现

 

 解决方法：这是由于图片像素没有设置一致，将所有图片像素设置相同得以解决，同时像素不能太大会降低运行速度，也不能过小，这样提取的特征点不够准确。

2.在解决问题1.后又遇到

 

 解决方法：这是因为拍摄的图片没有尽可能的水平位移，并且选取的场景尽量不要对称。

3.解决完问题1和问题2后我又遇到了如下问题

 

 在百度，询问同学尝试多种方法后，此问题还是没有解决，可能是与拍摄图片本身有关，所以重新拍摄，以后找到解决方法再更新吧。