opencv2.4.9源码分析——SIFT
详细介绍SIFT算法，opencv的SIFT源码分析，以及应用实例SIFT算法进行了改进,通过对两个相邻高斯尺度空间的图像相减,得到个DoG(高斯差分,Difference of gaussians)的响应值图像Dx,y,σ)来近似LoGD(x,y, o)=(G(x,y, ko)-G(x,y,o)O1(x,y)=L(x,y, ko)-L(x,y,a(5)其中,k为两个相邻尺度空间倍数的常数。可以证明DoG是对LoG的近似表示,并且用DoG代替LoG并不影响对图像斑点位賀的检测。而且用DoG近似LoG可以实现下列好处:第一是LoG需要使用两个方向的高斯二阶微分卷积核,而DoG直接使用晑斯卷积核,省去了卷积核生成的运算量;第二是DoG保留了个高斯尺度空间的图像,因此在生成某一空间尺度的特征时,可以直接使用公式1(或公式3)产生的尺度空间图像,而无需重新再次生成该尺度的图像:第三是DoG具有与LoG相同的性质,即稳定性好、抗干扰能力强。为了在连续的尺度下检测图像的特征点,需要建立DoG金宇塔,而DoG金宁塔的建立又离不开髙斯金字塔的建立,如下图所小,左侧为高斯金字塔,右侧为DoG金字塔:(nextoctave)Scale(firstoctave)Difference ofaussianGaussian(DOG)图1高斯金字塔和DoG金字塔高斯金字塔共分O组( Octave),每组又分S层( Layer)。组内各层图像的分辨率是相同的,即长和宽相同,但尺度逐渐增加,即越往塔顶图像越模糊。而下·组的图像是由上组图像按照隔点降采样得到的,即图像的长和宽分别减半。高斯金字塔的组数O是由输入图像的分辨牽得到的,因为要进行隔点降采样,所以在执行降釆样生成高斯金字塔时,一直到不能降采样为止,但图像太小又亳无意义,因此具体的公式为:0=| log2 min(x,y)-2」(6)其中,X和Y分别为输入图像的长和宽,L」衣示向下取整。金字塔的层数S为:(7)LoWe建议s为3。需要注意的是,除了公式7中的第一个字母是大写的S外,后面出现的都是小写的s髙斯金字塔的创建是这样的:设输入图像的尺度为0.5,由该图像得到高斯金字塔的第0组的第0层图像,它的尺度为m,我们称m为基准层尺度,再由第0层得到第1层,它的尺度为ko,第2层的尺度为k2o,以此类推。这里的k为:(8)我们以s=3为例,第0组的6(s+3=6)幅图像的尺度分别为:0,ko0,k2∞,k3o0,k∞o,k5o(9)写成更一般的公式为:d=or∈[0,,s+2](10)第0组构建完成后,再构建第1组。第1组的第0层图像是由第0组的倒数第3层图像经过隔点采样得到的。由公式10可以得到,第0组的倒数第3层图像的尺度为k∞o,k的值代入公式8,得到了该层图像的尺度正好为2∞,因此第1组的第0层图像的尺度仍然是2∞。但由于第1组图像是由第0组图像经隔点降采样得到的,因此相对于第1组图像的分辨率来说,第θ层图像的尺度为ω,即尺度为2σ是相对于输入图像的分辨率来说的,而尺度为∞是相对丁该组图像的分辨率来说的。这也就是为什么我们称0为基准层尺度的原因(它是每组图像的基准层尺度)。第1组其他层图像的生成与第0组的相同。因此可以看出,第1组各层图像的尺度相对于该组分辨率来说仍然满足公式10。这样做的好处就是编程的效率会提高,并且也保证∫高斯金字塔尺度空间的连续性。而之所以会出现这样的结果,是因为在参数选择上同吋满足公式7、公式8以及对上·组倒数第3层图像降釆样这三个条件的原因。那么第1组各层图像相对」输入图像来说,它们的尺度为:=2k00r∈[0,,S-2该公式与公式10相比较可以看出,第1组各层图像的尺度比第0组相对应层图像的尺度人了一倍。高斯金字塔的其他组的构建以此类推,不再赘述。下面给出相对于输入图像的各层图像的尺度公式:o,)=2k∞O∈[0,O-1l,r∈[0,,+2(12)其中,O表示组的坐标,r表示层的坐标,a为基准层尺度。k用公式8代入,得:2O∈[0,…0-1],r∈[0,…,s+2](13)在高斯金字塔中,第0组第∂层的图像是输入图像经髙斯模糊后的结果,模糊后的图像的高频部分必然会减少,因比为了最大程度的保留原图的信息量,LoWe建议在创建尺度空间前首先对输入图像的长宽扩展一倍,这样就形成了高斯金字塔的第-1组。设输入图像的尺度为0.5,那么相对于输入图像,分辨率护人一倍后的尺度应为1,由该图像依次进行高斯平滑处理得到第-1组的各个层的尺度图像,方法与其他组的一样。由于增加」第-1组,因此公式13重新写为(0∈[-1,0,…,0-1],r∈[0,…,s+2](14)DoG金字塔是由高斯金字塔得到的,即高斯金宁塔组内相邻两层图像相减得到DoG金字塔。如髙斯金字塔的第0组的筼0层和第1层相减得到DoG金字塔的第0组的箅0层图像,高斯金字塔的第0组的第1层和第2层相减得到υσG金字塔的第θ组的第1层图像以此类推。需要注意的是,高斯金字塔的组内相邻两层相减,而两组间的各层是不能相减的因此高斯金字塔每组有s+3层图像,而DoG金宁塔每组则有s+2层图像。极值点的搜索是在DoG金字塔内进行的,这些极值点就是候选的特征点。在搜索之前,我们需要在DoG金字塔内剔除那些像素值过小的点,因为这些像素具有较低的对比度,它们肯定不是稳定的特征点。极值点的搜索不仅需要在它所在尺度空间图像的邻域内进行,还需要在它的相邻尺度空间图像内进行,如图2所示。每个像素在它的尺度图像中一共有8个相邻点,而在它的下一个相邻尺度图像和上个相邻尺度图像还各有9个相鸰点(图2中绿色标注的像素),也就是说,该点是在3×3×3的立方体内被包围着,因此该点在DoG金字塔内一共有26个相邻点需要比较,来判断其是否为极大值或极小值。这里所说的相邻尺度图像指的是在同个组内,因此在DoG金字塔内,每一个组的第0层和最后一层各只有一个相邻尺度图像,所以在搜索极值点时无需在这两层尺度图像内进行,从而使极值点的搜索就只在每组的中间s层尺度图像内进行。搜索的过程是这样的:从每组的第1层开始,以第1层为当前层,对第1层的DoG图像中的每个点取·个3×3×3的立方体,立方体上下层分别为第0层和第2层。这样,搜索得到的极值点既有位置坐标(该点所在图像的空间坐标),又有尺度空间坐标(该点所在层的尺度)。当第1层搜索完成后,再以第2层为当前层,其过程与第1层的搜索类似,以此类推。Scale图2DoG中极值点的搜索2、特征点的定位通过上一步,我们得到了极值点,但这些极值点还仅仅是候选的特征点,因为它们还存在一些不确定的因素。首先是极值点的搜索是在离散空间内进行的,并且这些离散空间还是经过不断的降采样得到的。如果把采样点拟合成由面后我们会发现,原先的极值点并不是真正的极值点,也就是离散空间的极值点并不是连续空间的极值点。在这里,我们是需要精确定位特征点的位置和尺度的,也就是要达到亚像素精度,因此必须进行拟合处。我们使用泰勒级数展开式作为拟合函数。如上所述,极值点是·个三维矢量,即它包括极值点所在的尺度,以及它的尺度图像坐标,即=(x,y,o),因此我们需要三维函数的泰勒级数展开式,设我们在=(x0,y,)处进行泰勒级数展开,则它的矩阵形式为:602f02f02fdxax day dao02f02f02faxdy ayay ayaallly-yol2f02f02fOrdo aydo dodo(15)公式15为舍去高阶项的形式,而它的矢量表示形式为f(X)=f(X0)+o￥(X-x0)+7(x-x0)a F(X-Xo(16)在这里表示离散空间卜的插值中心(在离散空问内也就是采样点)坐标,表示拟合后连续空间下的插值点坐标,设ⅹ=Ⅹ-Xn,则X表示相对于插值中心,插值后的偏移量。因此公式16绎过变量变换后,又可写成:f(x)=f(X0)+yX+XTⅩX20X2(17)对上式求导,得af (x a02f0ox ox+2 ax2+axa80f.02fXaxaX2(18)让公式17的导数为0,即公式18为0,就可得到极值点下的相对于插值中心的偏移量:aX2 ax(19)把公式19得到的极值点带入公式17中,就得到了该极值点下的极值Tf(X)=f(X0)+af02f10f)a2f/02f-1of2 8X2 0X/0X28X2dXf(X0)+H打×1ora2Ta2f-ra2fa2f-1 af2 dx dx2dx2dx2 dXa f02f-10f∫(X0)+dF×f7a22 ax ax2 axaflf(Xo)+xx+2 0X(-X)18Ff(X0)+2 aX(20)对于公式19所求得的偏移量如果大」0.5(只要x、y和σ任意一个量大于0.5),则表明插值点已偏移到了它的临近的插值中心,所以必须改变当前的位置,使其为它所偏移到的插值中心处,然后在新的位置上重新进行泰勒级数插值拟合,直到偏移量小于0.5为止(x、y和σ都小于0.5),这是一个迭代的工程。当然,为了避免无限次的迭代,我们还需要设置个最人迭代次数,在达到了迭代次数但仍然没有满足偏移量小于0.5的情况下,该极值点就要被剔除掉。另外,如果由公式20所得到的极值f(X过小,即f(X1,则Tr(H)2(a+β)2(+β)2(y+1)2Det(h)2(25)上式的结果只与两个特征值的比例有关,而与具体的特征值无关。我们知道,当某个像系的矩阵的两个特征值相差越大,即γ很大,则该像素越有可能是边缘。对于公式25,当两个特征值相等时,等式的值最小,随着γ的增加,等式的值也增加。所以,要想检查主曲率的比值是否小于某一阈值y,只要检査下式是否成立即可:Tr(H)(y+1)Det(h)(26)对于不满足上式的极值点就不是特征点,因此应该把它们剔除掉。Lowe给出γ为10在上面的运算中,需要用到有限差分法求偏导,在这里我们给出具体的公式。为方便起见我们以图像为例只给出二元函数的实例。与二元函数类似,三元函数的偏导可以很容易的得到设f(i,是ν轴为i、x轴为j的图像像素值,则在(j点处的一阶、二阶及二阶混合偏导af f(i, j+1)-f(i, j0ff(i+1,j)-f(-1,ax2h2h(27)ff(+1)+f(-1)-2f(,j)a2ff(+1,j+f(-1,j)-2f(i,j)hh(28)2ff(-1,j-1)+f(i+1,j+1)-f(i-1,+1)-f(i+1,-1)dx d(29)由丁在图像中,相邻像素之问的间隔都是1,所以这里的h3、方向角度的确定经过上面两个步骤,一幅图像的特征点就可以完全找到,而且这些特征点是具有尺度不变性。但为了实现旋转不变性,还需要为特征点分配一个方向角度,也就是需要根据检测到的特征点所在的高斯尺度图像的局部结构求得一个方向基准。该高斯尺度图像的尺度a是已知的,并且该尺度是相对于高斯金字塔所在组的基准层的尺度,也就是公式10所表示的尺度。而所谓局部结构指的是在高斯尺度图像中以特征点为中心,以r为半径的区域内计算所有像素梯度的幅角和幅值,半径r为(30)其中a就是上面提到的相对于所在组的基准层的高斯尺度图像的尺度。像素梯度的幅值和幅角的计算公式为:m(xy)=√(x+1,y)-L(x-1,y)2+(L(x,y+1),L(x,y-1)2(31)L(x,y+1)-L(x,y-1)o(x, y)=arctanL(x+1,y)-L(x-1,y)(32)因为在以〃为半径的区域内的像素梯度幅值对圆心处的特征点的贡献是不同的,因此还需要对幅值进行加权处理,这里采用的是高斯加权,该高斯函数的方差Cm为:Om=1.50(33)其中,公式中的σ也就是公式30中的σ在完成特征点邻域范围内的梯度计算后,还要应用梯度方向直方图来统计邻域內内像素的梯度方向所对应的幅值大小。具体的做法是,把360°分为36个柱,则每10°为一个柱,即0°~9为第1柱,10°~19为第2柱,以此类推。在以r为半径的区域内,把那些梯度方向在0~9°范围内的像索找出来,把它们的加权后的梯度嘔值相加在一起,作为第1柱的柱高;求第2柱以及其他柱的高度的方法相同,不再赘述。为了防止某个梯度方向角度因受到噪声的干扰而突变,我们还需要对梯度方向直方图进行平滑处理。 Opencv2.4.9所使用的平滑公式为:H()~h(-2)+h(+2)4×(h(-1)+h(+1)),6×h()i=0...15161616(34)其中h和H分别表示平滑前和平滑后的直方图。由于角度是循环的,即0°=360°,如果出现h(),j超出了(0,…,15)的范围,那么可以通过圆周循环的方法找到它所对应的、在0°~360°之间的值,如h(-1)-h(15)这样,直方图的主峰值,即最高的那个柱体所代表的方向就是该特征点处邻域范围内图像棁度的主方向,也就是该特征点的上方向。由于柱体所代表的角度只是一个范围,如第1柱的角度为0~9°,因此还需要对离散的梯度方向直方图进行插值拟合处理,以得到更精确的方向角度值。例如我们凵经得到了第i柱所代表的方向为特征点的主方向,则拟合公式为:H(i-1)-H(i+1)B=i+=0,…152×(H(-1)+H(i+1)-2×H()(35)O=360-10xB(36)其中,H为由公式34得到的直方图,角度6的单位是度。同样的,公式35和公式36也存在着公式34所遇到的角度问题,处理的方法同样还是利用角度的圆周循环。每个特征点除了必须分配一个主方向外,还可能有一个或更多个辅方冋同,增加辅方向的目的是为了增强图像匹配的鲁棒性。辅方向的定义是,当存在另个柱体高度大于主方向柱体高度的80%时,则该柱体所代表的方向角度就是该特征点的辅方向。在第2步中,我们实现∫用两个信息量来表小一个特征点,即位置和尺度。那么经过上面的计算,我们对特征点的表示形式又增加了个信息量一一方向,即(x,y,o,6)。如果某个特征点还有一个辅方向,则这个特征点就要用两个值来表示——(x,y,,B1)和(x,y,,02),其中O1表示主方向,O2表示辅方向,而其他的变量x,y,不变。4、特征点描述符生成
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微电网三相并网逆变器硬件研究与设计
对于并网逆变器的设计，关于DSP的控制算法，还有对硬件电路的设计，摘要摘要微电网系统的电能通常是由多种分布式发电装置或储能装置经过电力变换组网形成,其供电单元具有分散性,间断性的特点。不论是何种分布式发电装置或者储能装置,最终都要并入可供用户直接使用的交流电网,因此必须经过一系列电能变换,才能保证安全、高效的将电能馈送至电网。微电网三相并网逆变器就是其并网的关键器件之一,其在微电网运行管理系统的统一调度控制下运行。论文首先介绍了微电网以及各类分布式电能的概念及特点,之后系统的介绍了三相并网逆变器的功能,结构,并按照三部分进行介绍:主功率电路部分,基于的控制电路部分以及三相全桥逆变器控制策略。主功率电路部分按照能量变换过程,将系统分为两级:前级变换部分和后级的二相逆变部分。并根据设计功率详细介绍主开关器件的选型,驱动电路以及保护电路的确定和该部分其他电路器件参数的选择依据基于控制电路主要分为了两部分来具体介绍:通用的最小工作系统和用于该三相全桥逆变器控制芯片的接口电路。最小工作系统包括系统电源,晶振,串口等;接口电路包括控制信号放大电路,以及电能质量采样电路。以交流电能的采样部分为主,介绍了采用六通道同步采样芯片的信号调理电路的设计。文章还对常用的逆变器控制方案进行比较,给出本系统使用控制策略。并结合系统采用的心片的结构特点介绍了软件设计思路最后,文章还进行该论文相关的仿真和测试实验。通过仿真和实验结果验证了设计的正确性关键词:分布式电源、微电网、并网逆变器目录目录第一章绪论1.1课题背景与意义1.2微电网系统综述1.2.1微电网的概念及优点1.2.2微电网电源22232.3微电网中微电源的供电模式1.2.4分布式并网系统的并网标准1.2.5微电网逆变器的特点3本文主要研究内容第二章并网逆变器的拓扑结构及工作原理2.1并网逆变器的分类及设计原则2.2并网逆变器主电路结构的设计.6788992.2.1输入方式与控制方式的确定2.2.2能量转换结构的确定..102.3直流变换电路的设计2.3.1 Boost斩波升压电路图及基本原理2.3.2电感电流连续的条件.......122.4三相逆变电路的设计2.4.1组合式三相逆变器132.1.2半桥式三相逆变器2.1.3全桥式三相逆变器2.4.4三相逆变器的工作原理2.5谐波扣制电路的设计182.5.1谐波的定义,,,,,,,,,,,,,,192.5.2滤波器的选择2.6本章小结.....19目录第三章并网逆变器功率电路的设计.3.1设计技术指标看1垂春203.2电力电子器件的选型●·垂垂203.2. L IGBT的结构和工作原理垂·春看垂垂213.2.2IGBT的特性·垂非,,,,,223.2.3IGBT驱动电路的设计3.2.4IGBT过流保护电路243.2.5工作波形253.3整体设计3.4前级DC-DCB00s电路273.1.1组成及参数设计,,,,,,,,273.4.2主要参数设计273.4.3 MATLAB仿真.●·春293.5后级DC-AC三相仝桥逆变电路.5.1主要参数设计·◆·D313.5.2滤波电感D垂鲁323.6控制检测系统总体设计343.6.1直流电能传感器的选择和使用343.6.2交流电能传感器的选择和使用.353.7本章小结.第四章基于TMS32OF2812的控制电路设计..374.1TMS320LF2812简介374.2系统工作过程及功能设计.1.3TMS320LF2812通用部分电路的设计13.1电源电路4.3.2晶振电路,.4.3.3外部存储器的扩展414.3.4串凵电路的设计4.4TMS320LF2812接口电路的设计424.4.1交流信号的同步采集..434.4.2直流信号的采集....51目录4.4.3SPWM驱动信号输出电路,D·垂4.4.4eCAN总线驱动器的选择鲁D垂垂4.5木章小结.第五章三相并网逆变器的控制策略及软件设计..545.lPWM理论简介.545.2常见控制方式.垂···看垂·垂5.2.1滞环瞬时比较方式555.2.2 SVPWM控制方式565.2.3SPWM控制方式....565.3SPWM波的产生575.4基于TMS320LF2812控制芯片的软件设计595.4.1程序总体设计595.4.2SPWM控制波中断程序605.4.3其他中断子程序,615.5本章小结垂·垂·垂61第六章结论与展望..626.1设计制作实物6.2系统逆变输出646.3展望.6致谢67参考文献攻硕期间取得的研究成果第一章绪论第一章绪论木章介绍了微电网系统的概念以及发展情况,闸明了论文选题的背景和意义,明确了木文研究目标。1.1课题背景与意义能源是人类社会赖以生存和发展的物质基础,伴随着现代社会的发展,人类对于能源的需求愈来愈多,但是传统的化石能源如煤炭、石油与天然气等,在转化为其他各种形式的能量时,会不同程度的产生废气、废物等,严重污染了自然环境,对人类的健康和地球的生态平衡等都造成了不可忽视的影响;更严峻的是化石能源不可再生,终会有消耗殆尽的时候。因此为了保护人类的生态环境,避免能源危机,人类必须减少化石能源的份额,增加新型能源和可再生能源的比重,向建立可持续发展的能源体系过渡。我国又是世界上最大的煤炭生产国和消费国,以及世界上少数几个以煤炭为主要能源的国家之一,能源短缺以及对环境造成的污染更是不容我们迟疑,新型能源以及可再生能源的开发与应川势在必行。可再生能源中的太阳能,风能等新型能源都是当前的研究热点。此类能源具有资源卡富,洁浄环保,分布分散,位置灵活的特点,极好的适应了资源分布和分散电力的需求,因此多作为分布式电源用于局部或偏远地区的发电,有效减少了配电网的巨额投资和长距离传输中所产生的电能浪费;此外,分布式电源还可与大电网互为各用,提高供电可靠性等。虽然分布式电源有着自身的优点,但是也存在诸多问题:分布式电源单机接入成本高,控制困难;为了减小分布式电源对大电网的冲击,大系统通常对其采取限制、隔离的方式来处理;当大电网系统发生故障时,分布式能源必须退出运行等,这些都大大限制了分布式电源充分发挥其自身的优势。为了充分发挥分布式电源的优势,降低其对公共电网的不利影响,于是提出了把分布式电源、储能设备以及负荷一起作为配电子系统一一微电网(微电网及用户对所使川电能的电压值、功率、功率因数和谐波畸变因数等都有严格的要求,如何使各分布式电能单元与微电网实现安全、高效的并网是其应用的重要环节。本文就是研究微电网中,各分布式发电系统与电网之闫的电力电电子科技大学硕上学位论文子学界面一一三相并网逆变器,并基于的设计,实现一种在微电网运行管理系统下根据指令协调运行,安全可靠,相位可调的三相并网逆变器1.2微电网系统综述1.2.1微电网的概念及优点国际上对微型电网的定义各不相同,美国、欧盟、日本等都各有特点年,美国电力可靠性技术解决方案协公()首次对微电网展开」研究。年,从系统结构、控制方法、经济效益等方面系统全面地介绍了微电网的概念。微电网是一种由微型电源、负载、监控保护装置共同组成的为一定区域供电的小型发配电系统。它通过一个公共连接点(,)与大电网连接,即可以独立运行确保区域内部供需平衡,也可以与大电网并联运行,形成一个大型电网与分布式电源微电网联合运行的系统。微电网相对于外部大电网表现为单一的受控单元,并可同时满足用户对电能质量和供电安全的要求,与传统的大电网相比较,具有下列显著优点。()投资小、见效快。发展微电网可以减少延缓对大型常规发电厂与输配电系统的投资,降低投资风险。()满足特殊场合的川电需求。如是大电网不易达到的偏远地区的供电,避免输电网长距离送电的电能传输损耗;以及临时大型活动的供电系统等()提高供电可靠性。采用分布式电源的微电网可以弥补大电网安全稳定性上的不足,在大电网停电时维护全部或部分重要拥护的供电,避免大面积停电造成的严重后果)釆用分布式电源组网,启停方便,调峰性能好,冇利于平衡负荷)将太阳能、风能等可再生能源组网使用,可就地补偿可再生能源发电装置功率输出的问歇性问题()储能系统组网后,可在负荷低估从电网获取宦于电能,而在负荷高峰时向电网送电,提高电网运行效率1.2.2微电网电源电源是微网中重要的组成部分,相对于传统电力系统的电源都是同步发电机,
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