SIFT 演算法匹配精度與可靠度評估

由於SIFT 演算法是特徵為基礎之匹配(Feature Based Matching)方式，影像匹 配方法中以最小二乘法匹配精度為最佳，而特徵匹配方法具有匹配速度快之優 點。因SIFT 演算法進行匹配後不易確認其精準程度，為正確評估匹配點之精度，

本研究選擇近景攝影專業軟體iWitness，藉空間前方交會所得空間點位精度來進 行評估。

本研究將實驗分成三組，第一組以本校司令台之寬基線立體對影像，第二組 以本校司令台之短基線立體對影像，第三組以高雄市舊火車站之立體對影像。如 圖5.25、圖 5.26、圖 5.27 所示。

圖5.25 驗證精度之立體對影像（基線：7.614m）

圖5.26 驗證精度之立體對影像（基線長：2.3m）

圖5.27 驗證精度之立體對影像（基線長：11.39m）

本實驗使用相機之內方位參數已透過iWitness 軟體進行相關參數率定，其率 訂參數如表 5.4 所示，首先於目標場佈設控制點，並利用全測站經緯儀(Total Station)進行控制點量測，控制點分佈如圖 5.28、圖 5.29 所示。再使用所量測控 制點推求影像之外方位參數，並於 iWitness 中進行 SIFT+RANSAC 演算法匹配 點位量測之動作，以前方交會之計算推求未知點空間坐標及其定位精度。

表5.4 相機率定參數值

內方位參數 輻射畸變參數

f (mm)： 16.8128 K1： 3.8343e-004 x0 (mm)： 0.1489 K2： -6.2269e-007 y0 (mm)： 0.0266 K3： -1.9752e-009

離心畸變參數 仿射畸變參數

P1： -1.4045e-005 B1： -0.0001 P2： 1.6658e-005 B2： -0.0000

圖5.28 控制點分布圖（本校司令台）

圖5.29 控制點分布圖（高雄市舊火車站）

第一組實驗：

本立體對經SIFT 演算法配合 RANSAC 除錯後成功匹配點數為 474 點，其結 果如圖5.30 所示，並利用所有點位進行精度驗證。圖 5.31 為 iWitness 量測所有 匹配點位圖，圖5.32 及表 5.5 為其計算結果與之統計分析。

圖5.30 實驗一 匹配結果(SIFT+RANSAC)，共得 474 點。

圖5.31 實驗一 iWitness 量測匹配點位

表5.5 實驗一 匹配精度統計表 (SIFT+RANSAC)

區間（像素） 數量 百分比

0~0.09 126 26.58%

0.1~0.19 128 27.00%

0.2~0.29 69 14.56%

0.3~0.39 48 10.13%

0.4~0.49 27 5.70%

0.5~0.59 21 4.43%

0.6~0.59 14 2.95%

0.7~0.79 11 2.32%

0.8~0.89 4 0.84%

0.9~0.99 4 0.84%

95.36%

1~1.99 17 3.59%

2~2.99 3 0.63%

3 以上 2 0.42%

4.64%

總點數 474 100％

R.M.S 0.56 Pixels

MAX 6.83 Pixel

基線長 7.61 m

圖5.32 實驗一 匹配點位精度統計圖

將匹配結果共 474 個定位點全數予以統計，其均方根誤差為 0.56 像素。而 定位精度小於1 個像素佔整體 95.36%，大於 1 個像素則為 4.64%，其中僅 0.42%

之點位匹配品質大於3 個像素如圖 5.33 紅框所示。

圖5.33 實驗一 匹配誤差大於 3 個像素之點位

分析點位誤差較大之兩點進行探討，因SIFT 演算法使用尺度金字塔建立尺 度空間，當空間取樣較大時，較容易出現點位偏差的問題，如圖5.34 所示。

（a）點位品質 6.8 像素 （b）點位品質 4.1 像素 圖5.34 誤差點位示意圖

第二組實驗：

本立體對經SIFT 演算法配合 RANSAC 除錯後成功匹配點數為 305 點，其結 果如圖5.35 所示，並利用所有點位進行精度驗證。圖 5.36 及表 5.6 為其計算結 果與之統計分析。

圖5.35 實驗二 匹配結果(SIFT+RANSAC)，共得 305 點。

表5.6 實驗二 匹配精度統計表 (SIFT+RANSAC)

區間（像素） 數量 百分比

0~0.09 54 17.70%

0.1~0.19 57 18.69%

0.2~0.29 48 15.74%

0.3~0.39 38 12.46%

0.4~0.49 23 7.54%

0.5~0.59 15 4.92%

0.6~0.59 14 4.59%

0.7~0.79 12 3.93%

0.8~0.89 9 2.95%

0.9~0.99 6 1.97%

90.49%

1~1.99 22 7.21%

2~2.99 7 2.30%

3 以上 0 0.00%

9.51%

總點數 305 100％

R.M.S 0.63 Pixels

MAX 2.7 Pixel

基線長 2.30 m

圖5.36 實驗二 匹配點位精度統計圖

將匹配結果共 305 個定位點全數予以統計，其均方根誤差為 0.63 像素。而 定位精度小於 1 個像素佔整體 90.47%，大於 1 個像素則為 9.51%，並於本次實 驗中未出現大於3 個像素之點位，但大於 1 個像素之點位增加了，其大於 2 個像 素之點位如圖5.37 紅框所示。

圖5.37 實驗二 匹配誤差大於 2 個像素之點位

於本實驗組中顯示，SIFT+RANSAC 於短基線匹配時整體精度較不佳。

第三組實驗：

本立體對經SIFT 演算法配合 RANSAC 除錯後成功匹配點數為 204 點，其結 果如圖5. 38 所示，並利用所有點位進行精度驗證。圖 5.39 及表 5.7 為其計算結 果與之統計分析。

圖5.38 實驗三 匹配結果(SIFT+RANSAC)，共得 204 點。

表5.7 實驗三 匹配精度統計表 (SIFT+RANSAC)

區間（像素） 數量 百分比

0~0.09 84 41.18%

0.1~0.19 58 28.43%

0.2~0.29 28 13.73%

0.3~0.39 12 5.88%

0.4~0.49 7 3.43%

0.5~0.59 2 0.98%

97.06%

0.6~0.59 1 0.49%

0.7~0.79 3 1.47%

0.8~0.89 1 0.49%

0.9~0.99 2 0.98%

1~1.99 4 1.96%

2~2.99 0 0.00%

3 以上 2 0.98%

2.94%

總點數 204 100％

R.M.S 0.54 Pixels

MAX 5.78

基線長 11.39m

圖5.39 實驗三 匹配點位精度統計圖

將匹配結果共 204 個定位點全數予以統計，其均方根誤差為 0.54 像素。而 定位精度小於 1 個像素佔整體 97.06%，大於 1 個像素則為 2.94%，本次實驗中 大於3 個像素之點位為兩點如圖 5.40 紅框所示。

圖5.40 實驗三 匹配誤差大於 3 個像素之點位

由上述各實驗組得知SIFT＋RANSAC 匹配品質可達 90%以上，寬基線實驗 組基線長分別為7.61m 與 11.39m，其均方根誤差分別為 0.56 像素與 0.54 像素，

短基線為2.3m 均方根誤差為 0.63 像素。故可得知短基線匹配品質略差於寬基線 匹配實驗組。