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1 200 3 A Graduation Thesis of College of Engineering, Chubu University Keypoint Matching of Range Data from Features of Shape and Appearance Yohsuke Murai

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3 D : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : D : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : SIFT : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : SIFT : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : Shape Index : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 2 iii

4 : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : iv

5 2.1 : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : Vivid 9i : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : SIFT : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : Difference-of-Gaussian : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : DoG : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 1 3. : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : D : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : SIFT : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : Shape Index : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : Shape Index : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 31 v

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7 3.1 (12.1) : : : : : : : Shape Index : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 31 vii

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9 [2]

10

11 2 2.5D 3 2.5D 2.1 ( 2.1(a)) ( 2.1(b)) 2.1: 3

12 2 2.5D (a) Vivid 9i(Konica Minolta[1]) ( 2.2) 2.2: Vivid 9i Vivid 1m ( 2.3) D (z) ( 2.4)

13 D 2.3: 2.4:

14

15 3 2.5D ( ) 3.1 () 2 SIFT[3] SIFT SIFT(Scale Invariant Feature Transform) SIFT

16 3 (detection) (description) 2 ffl ffl ffl ffl 3.1 SIFT 3.1: SIFT SIFT

17 3.1. Difference-of-Gaussian (ff) G(x; y; ff) I(x; y) L(x; y; ff) Difference-of-Gaussian(DoG) L(x; y; ff) =G(x; y; ff) Λ I(x; y) (3.1) G(x; y; ff) = 1 2 +y 2 )=2ff 2 2ßff 2 e (x DoG D(x; y; ff) DoG (3.2) D(x; y; ff) =L(x; y; kff) L(x; y; ff) (3.3) k DoG DoG : Difference-of-Gaussian DoG 3.3 DoG 3 ( ) ( fl ) 9

18 3 3.3: DoG (a) DoG ff 1 3.4(b) DoG ff 2 ff 2 =2ff 1 10

19 : DoG x =(x; y; ff) T DOG D(x) D(x) =D T x + 2 x (3.4) 2 (3.4) 2 D ^x =0 (3.5) 11

20 3 ^x 2 D ^x 2 (3.) ff y x 3 5 = (3.) (3.) ^x 2 4 ff y x 3 5 = (3.8) (3.8) ^x (3.8) ^x (3.9) (3.4) D(^x) =D + 1 ^x (3.10) ^x 2 H 12

21 3.1. H = 2 4 D xx D xy D xy D yy 3 5 (3.11) 1 ff 2 fi Tr(H) Det(H) Tr(H) = D xx + D yy = ff + fi (3.12) Det(H) = D xx D yy (D xy ) 2 = fffi (3.13) fl 1 2 ff = flfi Tr(H) 2 Det(H) = (ff + fi)2 fffi = (flfi + fi)2 (fl +1)2 = flfi 2 fl (3.14) Tr(H) 2 Det(H) < (fl +1)2 fl (3.15) [3] fl = 10 12: SIFT 2 2.5D 13

22 3 3.1: (12.1) (x; y; z) 3 3.5(a) OAB O OA A OB B A(x 1 ;y 1 ;z 1 )B(x 2 ;y 2 ;z 2 ) A B A B =(y 1 z 2 z 1 y 2 ; z 1 x 2 x 1 z 2 ; x 1 y 2 y 1 x 2 ) (3.1) 14

23 3.2. ( 3.5(b)) 1 N(n 1 ;n 2 ;n 3 ) N ^N = knk = ψ! 1 knk N = n1 n 2 n 3 knk knk knk q (3.1) n n n 2 3 (3.18) ^N 3.5: z ( 3.) 3 15

24 3 3.: 2 4 X 0 Y 0 Z = Tx Ty Tz X Y Z (3.19) Tx;Ty;Tzx y z 2 4 X 0 Y 0 Z = cos sin 0 0 sin cos X Y Z (3.20) 2 4 X 0 Y 0 Z = 2 4 cos 0 sin sin 0 cos X Y Z (3.21) 1

25 X 0 Y 0 Z = 2 4 cos sin 0 0 sin cos X Y Z (3.22) z y x y x 3. ff; fi 3. 3.: N(nx; ny; nz) ff; fi ff = arccos fi = arccos ψ! nz p nx2 + nz 2 ψ p! nx2 + nz p 2 nx2 + ny 2 + nz 2 (3.23) (3.24) 1

26 D ( 3.8) z : 2.5D 18

27 SIFT 3.9: SIFT DoG D 19

28 3 SIFT L(x; y) m(x; y) (x; y) m(x; y) = q (L(x +1;y) L(x 1;y)) 2 +(L(x; y +1) L(x; y 1)) 2 (3.25) (x; y) = tan 1 ((L(x; y +1) L(x; y 1))=(L(x +1;y) L(x 1;y))) (3.2) 3.10 h w(x; y) = G(x; y; ff) m(x; y) (3.2) h = X x X y w(x; y) ffi [ ; (x; y)] (3.28) ffi Kronecker 1.5 h % % 1 2 ( 3.11) ( 3.12) 20

29 3.2. w(x, y) G(x, y,) m(x, y) 3.10: 3.11: 2 21

30 3 3.12: : SIFT

31 Shape Index[4] Shape Index Shape Index 0:0 ο 1: Shape Index 3.14: Shape Index 2.5D p Shape Index S(p) k 1 (p);k 2 (p) (k 1 (p) >k 2 (p)) S(p) = ß tan 1 k 1(p)+k 2 (p) k 1 (p) k 2 (p) (3.29) Shape Index p k 1 = k 2 =0 (3.29) 0 0 0:0 ο 1:0 23

32 Shape Index 2.5D p p H = (3.30) x; y; z 2.5D 2 p z (2 ) 2 p z z z Z p (x; y) Z i d i z Z p = P n i=1 P n i=1 Z i d i (3.31) 1 d i z 3.15 Shape Index Shape Index 0 cup 24

33 3.3. Shape Index 1 cap 3.15 Shape Index Shape Index 3.15: Shape Index Shape Index Shape Index 3.2: Shape Index Shape Index ο 0.85 Cap ο Dome ο0.5 Dome ο Ridge ο 0.25 Ridge ο Saddle ridge ο 0.5 Saddle ridge ο Saddle ο 0.35 Saddle ο Saddle rut 0.35 ο 0.25 Saddle rut ο Rut 0.25 ο Rut ο Trough ο 0.0 Trough ο Cup 25

34 3 2

35 D R 1 S R 1 =(s R 1 1 ;sr 1 2 ; ;sr )T R 2 S R 2 =(s R 2 1 ;sr 2 2 ; ;sr )T d(s R 1 ; S R 2 )= X128 i=1 q (s R 1 i s R 2 i ) 2 (4.1) ( 4.1) 2.5D 2

36 4 4.1: 28

37 5 5.1 Vivid D 2 SIFT 29

38 % 5.1: [%] SIFT % SIFT 5.1 SIFT : 1 30

39 : [%] SIFT SIFT : SIFT SIFT 31

40

41 2.5D SIFT 33

42

43 35

44

45 [1] Konica Minolta VIVID 9i non-contact 3D laser scanner", [2] Xiaoguang Lu, Dirk Colbry, and Anil K. Jain, Three-Dimensional Model Based Face Recognition," International Conference on Pattern Recognition, (2004), pp [3] D. G. Lowe, Distinctive Image Features from Scale-Invariant Keypoints", International Journal of Computer Vision, 0(2), pp (2004). [4] Chitra Dorai, Anil K. Jain, COSMOS - A Representatin Scheme for 3D Free-Form Objects," IEEE Trans. on PAMI, vol. 19, no. 10, pp ,

46

47 () 200 3

2.2 6).,.,.,. Yang, 7).,,.,,. 2.3 SIFT SIFT (Scale-Invariant Feature Transform) 8).,. SIFT,,. SIFT, Mean-Shift 9)., SIFT,., SIFT,. 3.,.,,,,,.,,,., 1,

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