（中国海洋大学信息科学与工程学院，山东 青岛 266100）
摘要：针对传统的图像拼接算法直接应用于水下图像拼接因水下图像存在颜色失真、对比度较低等问题效果较差的情况，文中选用按通道先验去雾算法来对水下图像进行增强，再运用白平衡算法来矫正水下图像的颜色，并通过主观和客观两方面来评价预处理的质量。然后，考虑到现实需求，需要实时处理图像或者视频，使用ORB(Oriented FAST and Rotated BRIEF)算法进行拼接更迅速。鉴于ORB算法在特征匹配时尺度不变性较差，所以文中结合多尺度空间思想提出改进ORB算法。先生成图像的多尺度空间，并在其中找到稳定的极值点，从而使提取的特征点具备尺度不变性。
关键词：特征点；尺度不变性；ORB算法
引言
图像拼接技术日渐完善而水下图像拼接技术仍有很大的发展空间，随着海洋强国战略的提出，我国越来越重视对海洋的开发和研究。运用图像拼接技术解决水下图像视角有限的问题，从而获取大幅度、高分辨率、宽视角的海洋图像可以更好的探索、开发海洋。
本文预处理主要是对水下图像进行颜色校正和增强[1]，用ORB算法[2]进行特征提取。由于ORB算法尺度不变性差，借鉴多尺度空间思想对ORB算法进行了改进。实验结果表明，改进ORB算法有效解决了ORB尺度不变性差的缺陷。当图像尺度发生变化时，改进算法的准确度得到极大提高，同时改进算法保留了原算法快速的优点，使该算法有了巨大的应用空间。
1.图像拼接
1.1图像预处理
由于严重的吸收和散射干扰，获得的水下图像通常存在颜色失真、模糊等问题。因此预处理重点应放在图像去雾和颜色恢复。本文用暗原色先验去雾算法来对水下图像去雾，再通过白平衡算法来恢复水下图像的颜色[3]，这样就能够获得更多特征点。
1.2 ORB特征提取与匹配
ORB算法选取的特征点定义为，灰度图像中，该像素点周围邻域中有足够的点与该像素点的灰度值的差超过设定的阈值。只进行加运算速度很快，但选取的特征点不具备尺度不变性。其描述子定义为，某特征点与其邻域内的像素点灰度值的大小，大记为1，小记为0，组成的二进制字符串。通常在取点时，以特征点为原点，以特征点邻域内的灰度重心为横轴上的点，建立坐标系，这样不管图像如何旋转，生成的描述子都是固定的，具备了旋转不变性。
2.改进ORB算法
ORB算法不具备尺度不变性的根本原因是检测出的特征点不具备尺度不变性,借鉴多尺度空间思想，先构建高斯差分空间，然后在多尺度空间上提取特征点，选取在多个尺度空间上表现良好的点作为特征点，这些特征点就具备了一定尺度不变性。然后生成描述子，再利用hamming距离进行特征点匹配。这样不仅解决了ORB不具备尺度不变性的缺陷，同时又保留了ORB描述子运算速度快的优点。
3.实验及结果分析
本文在VS 2012+opencv环境下对目标图像进行拼接。
将改进的ORB算法应用到水下图像拼接中，如下图所示取得了不错的效果，得到的拼接图像能够完整的显示出海底景物以及环境的信息。同时实验中可以发现改进ORB算法速度与ORB相差不大。
图1待拼接图像
图2改进ORB算法拼接图像
4.总结
结合sift算法改进ORB算法，极大的提高了ORB算法的尺度不变性，同时保留了ORB算法的快速性优点。通过实验分析得出以下结论：
1）图像发生尺度变化时，改进ORB算法可以有效的、准确的进行特征匹配，其误差率较原算法大大降低。
2）BRIEF算法描述子存在一定误差，这也是改进ORB算法仍需进一步研究的方向。
3）将改进的ORB算法应用到水下图像拼接中，取得了不错的效果。这说明了改进ORB算法的实用性和可靠性。
参考文献
[1]C. Funk , S. Bryant, and P. Heckman,” Handbook of underwater imaging system design” Tech. Rep. TP303, Naval Undersea Center, San Diego, Caliph, USA, 1972.
[2]Rublee E, Rabaud V, Konolige K, et al. ORB: an efficient alternative to SIFT or SURF. Proceedings of the IEEE InternationalConference on Computer Vision, Barcelona, Spain, 2011:2564—2571
[3]K. Iqbal, R. Abdul Salam, A. Osman, and A. Zawawi Talib,”Underwater image enhancement using an integrated color model,” International Journal of Computer Science, vol. 34, p. 2, 2007.
作者简介：
徐岳磊（1990-），男，硕士研究生学历，主要研究方向：水下图像拼接。
论文作者:徐岳磊
论文发表刊物:《信息技术时代》2018年3期
论文发表时间:2019/1/2
标签：算法论文; 图像论文; 尺度论文; 水下论文; 特征论文; 不变性论文; 邻域论文; 《信息技术时代》2018年3期论文;