Parallel Algorithms for Effective Correspondence Problem Solution in Computer Vision

Abstract

We propose new parallel algorithms for correspondence problem solution in computer vision. We develop an industrial photogrammetric system that uses artificial retroreflective targets that are photometrically identical. Therefore, we cannot use traditional descriptor-based point matching methods, such as SIFT, SURF etc. Instead, we use epipolar geometry constraints for finding potential point correspondences between images. In this paper, we propose new effective graph-based algorithms for finding point correspondences across the whole set of images (in contrast to traditional methods that use 2-4 images for point matching). We give an exact problem solution via superclique and show that this approach cannot be used for real tasks due to computational complexity. We propose a new effective parallel algorithm that builds the graph from epipolar constraints, as well as a new fast parallel heuristic clique finding algorithm. We use an iterative scheme (with backprojection of the points, filtering of outliers and bundle adjustment of point coordinates and cameras’ positions) to obtain an exact correspondence problem solution. This scheme allows using heuristic clique finding algorithm at each iteration. The proposed architecture of the system offers a significant advantage in time. Newly proposed algorithms have been implemented in code; their performance has been estimated. We also investigate their impact on the effectiveness of the photogrammetric system that is currently under development and experimentally prove algorithms’ efficiency. В настоящей статье предложены параллельные алгоритмы для поиска соответствующих точек в задачах компьютерного зрения. Разрабатываемая коллективом авторов фотограмметрическая система основана на использовании искусственных световозвращающих мишеней, идентичных по фотометрическим параметрам. В связи с этим традиционные методы поиска соответствий на основе вычисления дескрипторов (SIFT, SURF, и др.) неприменимы; фотограмметрическая система использует методы, основанные на эпиполярной геометрии. В настоящей статье предложены эффективные алгоритмы поиска соответствий между точками по всей совокупности снимков (в отличие от классических методов, использующих 2-4 снимка), основанные на графах. Приведено точное двухшаговое решение задачи через суперклику графа потенциальных соответствий; показана невозможность практического нахождения суперклики в реальных задачах в связи с вычислительной сложностью. Предложена эффективная параллельная реализация алгоритма формирования графа на основе эпиполярных ограничений, а также быстродействующий параллельный эвристический алгоритм поиска клик в данном графе. Применение итерационной схемы с обратным проецированием точек, отсевом выбросов и уравниванием координат точек и положений камер через метод связок позволяет в итоге получать точное решение задачи с использованием эвристического алгоритма поиска клик на каждой итерации. Предложенная архитектура системы дает значительный выигрыш во времени. Разработаны программные реализации описанных алгоритмов. Выполнена сравнительная оценка эффективности и производительности предложенных алгоритмов применительно к разрабатываемой фотограмметрической системе, экспериментально подтверждена эффективность предлагаемых решений.