一种旋转对称描述子的计算方法及硬件加速器技术

本发明专利技术提供一种旋转对称描述子的计算方法，其采样位置关于采样区域中心旋转对称。本发明专利技术利用这一特点可以用移位操作代替旋转采样位置使描述子具有旋转不变性，大幅降低计算开销和存储开销。在图像上计算旋转对称描述子的步骤包括：确定采样区域；计算采样方向；计算描述子以及对描述子进行移位。本发明专利技术还提供了一种采用旋转对称描述子的计算方法的硬件加速器。

A Method of Calculating Rotating Symmetric Descriptor and Hardware Accelerator

【技术实现步骤摘要】
一种旋转对称描述子的计算方法及硬件加速器
本专利技术涉及计算机视觉和图像处理领域，具体涉及一种旋转对称描述子的计算方法及硬件加速器。
技术介绍
图像特征点提取是从图像中提取关键信息的一种手段，是图像分析与图像识别的前提。图像特征点提取一般包含两个步骤：检测特征点以及计算特征点的描述子。在众多特征描述子中，BRIEF(BinaryRobustIndependentElementaryFeatures)描述子由于计算复杂度低、匹配迅速，在实时应用场景中受到了广泛的应用。BRIEF描述子是一种由0、1序列组成的二进制描述子，通过比较特征点周围采样位置处的像素灰度值大小得来。由于BRIEF不具备旋转不变性，往往不会直接在实际场景中应用。为了使BRIEF描述子获得旋转不变性，现有的常用方法是计算特征的方向，然后根据特征方向旋转描述子的采样位置，使其与特征方向一致(如ORB(OrientedFASTandRotatedBRIEF)特征)。这样无论特征如何旋转，描述子的采样位置都会经过相同的旋转，这使得计算出的描述子不受旋转影响。然而旋转描述子的采样位置大幅度提高了计算描述子的复杂度，增加了时间和能耗开销。在一些对实时性要求较高的图像处理场景中，常常需要考虑使用专用硬件加速器来提高图像特征提取速度。为了加速BRIEF描述子采样位置的旋转操作，需要使用大量的乘法器，这会带来大量的片上资源与能耗开销；而如果预先计算好旋转至各个方向后的采样位置，则需要将它们全部在片上固化，也需要消耗大量片上资源。这不利于硬件加速单元的设计实现。
技术实现思路
针对上述问题，本专利技术的目的在于提供一种旋转对称描述子的计算方法，具体为一种旋转对称的基于BRIFE算法的二进制描述子的计算方法，利用采样位置旋转对称的特性，以对描述子的移位操作代替了对采样位置的旋转。进一步的，本专利技术的另一个目的在于提供一种硬件加速器，具体为一种采用上述旋转对称描述子的计算方法的硬件加速器。根据本专利技术的一方面，提供了一种旋转对称描述子的计算方法，该描述子为基于BRIEF算法的二进制描述子，其采样位置关于采样区域中心旋转对称。所述采样区域为半径为R个像素的圆形区域，所述采样位置为K对采样点的集合，采样位置旋转对称，最小旋转角为其中m为特征方向经线性量化后所有可能取值的个数，特征方向定义为特征位置到采样区域C内灰度质心位置的连线的方向。所述采用位置的构造方式如下：步骤一：在采样区域内按高斯分布随机选取n对采样点T1{(S1,D2),(S2,D3),…,(Sn,Dn)}，其中n＝K/m,(Si,Di)(i＝1,2,…,n)表示一对采样点；步骤二：将T1沿顺时针分别旋转得到T2,T3,…,Tm-1；步骤三：求T1,T2,…,Tm-1的并集T1∪T2∪T3∪…∪Tm-1，所得结果即为最终的采样位置：T{(S1,D1),(S2,D2),…,(Sm*n,Dm*n)}。进一步的，在图像上计算该描述子的步骤如下：步骤一：在图像上提取特征并确定每个特征的采样区域；步骤二：计算特征方向A：采样区域C内的灰度质心位置(u,v)定义为：其中，I(x,y)表示坐标为(x,y)处像素的灰度值；步骤三：计算描述子采样方向As：其中FLOOR代表向下取整，特征方向A的取值范围为步骤四：在采样区域C内比较所述采样位置处的像素灰度值，计算出K位二进制描述子D[0:K-1]计算方式如下：对于描述子D的任意一位D[j](j＝0,1,…,K-1)，如果I(Sj)>I(Dj)，则D[j]＝1，否则D[j]＝0，其中，I(Sj)和I(Dj)分别表示位置Sj和Dj像素的灰度值；步骤五：根据描述子采样方向As对描述子D进行移位操作，将D的前As*m位移到最后。优选的，所述描述子使用汉明距离表示描述子之间的差别。根据本专利技术的另一方面，提供了一种采用上述计算方法的硬件加速器，尤其是一种提取上述旋转对称描述子的硬件加速器，其特征在于，包含缓存、采样模块、方向计算模块以及移位模块。所述缓存包含图像缓存和结果缓存，分别用于存储特征点所在采样区域内的像素，以及计算得出的描述子。所述采样模块用于比较所述采样位置上像素的灰度值。旋转对称的采样位置固化在采样模块中，与一组比较器相连。每个比较器的结果为描述子的一位，所有比较结果按采样位置的顺序排列即为描述子。所述方向计算模块用于计算特征的采样方向，其流程为：首先，计算采样区域内像素的灰度质心；然后，计算灰度质心横纵坐标比值；最后通过查找表得出采样方向。所述移位模块根据方向计算模块的结果对描述子进行移位，从而使描述子具备旋转不变性。优选的，所述的方向计算模块包含一组乘法器，一组加法器，一个除法器和一个固化了正切值到采样方向映射关系的查找表。本专利技术的有益效果：一种旋转对称的基于BRIEF描述子的二进制描述子的计算方法，利用采样位置旋转对称的特性，以对描述子的移位操作代替了对采样位置的旋转。一方面大幅减少了计算复杂度，另一方面简化了专用硬件加速器的设计，减少硬件资源开销。旋转对称描述子的硬件加速器，能够加快在图像上提取该描述子的速度，与传统计算平台(如CPU、GPU)相比具有功耗低、运算速度快的优势。附图说明图1是本专利技术一个实施例的一种旋转对称描述子的采样区域的示意图。图2是本专利技术一个实施例的一种旋转对称描述子的采样位置的示意图。图3是本专利技术一个实施例的一种采用旋转对称描述子的计算方法的硬件加速器的结构示意图。具体实施方式为了使本专利技术的目的、技术方案和优势更加清楚明白，接下来通过结合具体实施例与附图对本专利技术进行进一步详细说明。图1是本专利技术一个实施例的一种旋转对称描述子的采样区域的示意图，其中的每个正方形代表一个像素，共有31*31个像素。假设图一的中心位置为一个特征点，那么灰色像素组成的半径为15个像素的圆形区域即为该特征点的采样区域。图2是本专利技术一个实施例的一种旋转对称描述子的采样位置的示意图，其中每条线段的两个端点代表一对点，共有256对采样点{(S1,D1),(S2,D2),…,(S256,D256)}。构造如图2所示的采样位置的步骤如下：首先，在采样区域内根据高斯分布随机选取8对采样点(S1,D1),(S2,D2),…,(S8,D8)。接下来，将(S1,D1),(S2,D2),…,(S8,D8)以采样区域的中心为旋转中心，顺时针旋转11.25度，得到(S9,D9),(S10,D10),…,(S16,D16)；旋转22.5度，得到(S17,D17),(S18,D18),…,(S24,D24)；……；以此类推，最终得到{(S1,D1),(S2,D2),…,(S256,D256)}。这256对采样点关于采样区域中心旋转对称，最小旋转角为11.25度。在图像上计算该描述子，即在图片上提取旋转对称描述子的流程包含以下步骤：首先，在图片上提取关键点(包括但不限于FAST角点、Harris角点、ShiandTomasi角点等)。接着，计算关键点的特征方向，关键点的方向定义为关键点位置到关键点所处采样区域内所有像素的灰度质心的方向。灰度质心的坐标为像素坐标与灰度值乘积的和与像素灰度值的和的比值。如果用C表示采样区域，用I(x,y)表示坐标为(x,y)处像素的灰度值，那么采样区域内所有像素本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种旋转对称描述子的计算方法，其特征在于，所述描述子为基于BRIEF算法的二进制描述子，其采样位置关于采样区域中心旋转对称，最小旋转角为

【技术特征摘要】
1.一种旋转对称描述子的计算方法，其特征在于，所述描述子为基于BRIEF算法的二进制描述子，其采样位置关于采样区域中心旋转对称，最小旋转角为其中，m为特征方向经线性量化后所有可能取值的个数，特征方向定义为特征位置到采样区域C内灰度质心位置的连线的方向，所述采样区域为半径为R个像素的圆形区域，所述采样位置为K对采样点的集合，所述采样位置的构造方式如下：步骤一：在采样区域C内按高斯分布随机选取n对采样点T1{(S1,D2),(S2,D3),…,(Sn,Dn)}，其中，(Si,Di)(i＝1,2,…,n)表示一对采样点；步骤二：将n对采样点T1沿顺时针分别旋转得到T2,T3,…,Tm-1；步骤三：求T1,T2,…,Tm-1的并集T1∪T2∪T3∪…∪Tm-1，所得结果即为最终的采样位置：T{(S1,D1),(S2,D2),…,(Sm*n,Dm*n)}。2.根据权利要求1所述的计算方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤一：在图像上提取特征并确定每个特征的采样区域；步骤二：计算特征方向A：采样区域C的灰度质心位置(u,v)定义为：其中，I(x,y)表示坐标为(x,y)处像素的灰度值；步骤三：计算描述子采样方向As：其中FLOOR代表向下取整，特征方向A的取值范围为步骤四：在采样区域C内比较所述采样位置处的像素灰度值，计算出K位二进制描述子D[0:K-1]；步骤五：根据描述子采样方向As对描述子D进行移位操作，将描述子D的前As*m位移到最后。3.根据权利要求1或2所...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨建磊，赵巍胜，刘润泽，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：北京,11