一种航空偏振多光谱图像配准方法

1.一种航空偏振多光谱图像配准方法，其特征在于步骤如下：
步骤1：从采集的原始偏振多光谱航空遥感图像Ii(i＝1，…，n)中选择一幅为参考图像Ij，其中j为1，...，n中的任意一个数字，除Ij之外的Ii(i＝1，...，n且i≠j)为测量图像；
步骤2：根据小孔成像几何模型计算测量图像的成像光心在测量图像的成像坐标系中的坐标(XT，YT，ZT)，计算参考图像的成像光心在参考图像的成像坐标系中的坐标(X′T，Y′T，Z′T)；所述成像坐标系为：原点O在相机对地平面的垂直投影点，相机运动方向为Y轴方向，原点与相机所在点连线为Z轴，右手直角坐标系OXYZ；
步骤3：根据相机运动成像几何模型旋转矩阵 和相对位移矩
阵 计算测量图像的成像坐标系到参考图像的成像坐标系的坐标旋
T
转矩阵R和平移向量(p，q，r) ；
所述的
所述的
其中：Xc，Yc，Zc为测量图像对应时刻的相机三维位置坐标，L为测量图像对应时刻的相机经度，B为测量图像对应时刻的相机纬度，α为横滚角，β为偏航角，γ为俯仰角；所述横滚角α取成相机成像光轴与平面XOZ的夹角，偏航角β取成坐标系OXY与OUV之间夹角，俯仰角γ取成相机成像光轴与平面YOZ夹角；φ＝β-β′为两坐标系 旋转角度，β′为参考图像对应的相机姿态角；
步骤4：根据成像对应时刻偏航角β和横滚角α计算测量图像的成像光心在参考图像的成像平面坐标系中的坐标(u′T，v′T)，(u′T′，v′T′)＝(ftanα，ftanβ)；其中：
f为焦距；
定义成像平面为原点在成像平面中点AJ，u轴沿 方向，v轴沿 方向；光轴与成像平面A′Ju′v′交点坐标为：
(u′T′，v′T′)＝(ftanα，ftanβ)
根据透视投影成像原理，光心T在测量图像坐标系u′O′v′中的坐标(u′T，v′T)满足共线方程：
则
其中，
(XS′，YS′，ZS′)是光心T′在OXYZ坐标系下的坐标；
步骤5：将测量图像按照旋转矩阵绕其成像光心进行旋转，使旋转后测量图像成像光心与参考图像成像光心位置重合；
步骤6：将测量图像超出参考图像边界部分裁剪即得配准结果。

一种航空偏振多光谱图像配准方法\n技术领域\n[0001] 本发明涉及一种航空偏振多光谱图像配准方法，涉及航空遥感技术领域，是图像拼接、景象匹配的基础。\n背景技术\n[0002] 多光谱图像在农、林、地质、采矿、环保等领域有着重要应用，而且在军事领域中揭露伪装、增强目标的识别、发现新目标等方面也有广泛的用途。多光谱图像中加入了多个波段间的光谱信息，因而具有单波段图像无可比拟的优势。偏振图像能够提供更多区分目标的特征信息，不同性质的目标之间偏振特性差异较大，能够探测目标本身所具有的较为稳定的特性。\n[0003] 偏振多光谱图像由安装在航空设备上的相机在不同波段与不同偏振状态组合条件下获得，为了实现偏振多光谱条件下的成像，需要在设备上不断切换滤光片与偏振片的组合。从而对于同一拍摄区域，由于相机的运动使得图像产生平移、旋转、尺度和视角变化。\n只有将图像配准到统一的坐标系下，才能用于目标检测、目标跟踪等。\n[0004] 图像配准是多种图像处理及应用的基础，基本任务之一是将不同时间、不同传感器、不同视角及不同拍摄条件下获取的两幅或多幅图像进行几何匹配，目的是使同一坐标下的像素对应同一场景点。在配准过程中，通常以其中的一幅图像作为参考图像，其它图像相对于参考图像进行匹配，称为测量图像。图像配准是许多应用问题的必要预处理步骤，如对不同传感器获得的图像进行融合、全景图像拼接、计算机视觉、医学诊断与辅助治疗等。\n[0005] 从已发表的文献和专利来看，现有的图像配准方法都是基于图像内容的配准方法，需要逐像素点进行计算，存在计算量大的缺点，实时性较差。\n发明内容\n[0006] 要解决的技术问题\n[0007] 为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种航空偏振多光谱图像配准方法，通过研究航空偏振多光谱图像的成像原理实现图像配准，不需要逐像素点进行计算，大大降低计算量。\n[0008] 技术方案\n[0009] 一种航空偏振多光谱图像配准方法，其特征在于步骤如下：\n[0010] 步骤1：从采集的原始偏振多光谱航空遥感图像Ii(i＝1，…，n)中选择一幅为参考图像Ij，其中j为1，...，n中的任意一个数字，除Ij之外的Ii(i＝1，...，n且i≠j)为测量图像；\n[0011] 步骤2：根据小孔成像几何模型计算测量图像的成像光心在测量图像的成像坐标系中的坐标(XT，YT，ZT)，计算参考图像的成像光心在参考图像的成像坐标系中的坐标(X′T，Y′T，Z′T)；所述成像坐标系为：原点O在相机对地平面的垂直投影点，相机运动方向为Y轴方向，原点与相机所在点连线为Z轴，右手直角坐标系OXYZ；\n[0012] 步骤3：根据相机运动成像几何模型旋转矩阵 和相对位\n移矩阵 计算测量图像的成像坐标系到参考图像的成像坐标系的坐\nT\n标旋转矩阵R和平移向量(p，q，r) ；\n[0013] 所述的\n[0014] 所述的\n[0015] 其中：Xc，Yc，Zc为测量图像对应时刻的相机三维位置坐标，L为测量图像对应时刻的相机经度，B为测量图像对应时刻的相机纬度，α为横滚角，β为偏航角，γ为俯仰角；\n所述横滚角α取成相机成像光轴与平面XOZ的夹角，偏航角β取成坐标系OXY与OUV之间夹角，俯仰角γ取成相机成像光轴与平面YOZ夹角；\n[0016] 步骤4：根据成像对应时刻偏航角β和横滚角α计算测量图像的成像光心在参考图像的成像平面坐标系中的坐标(u′T，v′T)，(u′T′，v′T′)＝(ftanα，ftanβ)；其中：f为焦距；\n[0017] 步骤5：将测量图像按照旋转矩阵绕其成像光心进行旋转，使旋转后测量图像成像光心与参考图像成像光心位置重合；\n[0018] 步骤6：将测量图像超出参考图像边界部分裁剪即得配准结果。\n[0019] 有益效果\n[0020] 本发明提出的一种航空偏振多光谱图像配准方法，由于航空偏振多光谱图像间的失配主要是由相机的运动产生的，相机的运动使得图像产生平移、旋转、尺度和视角变化，成像原理很好地描述了图像间的这种差异。因而将航空偏振多光谱图像的成像原理直接应用于图像配准，配准过程不需要考虑图像的内容，实现起来快速、简单；通过将航空平台的姿态角结合到小孔成像几何模型和相机运动成像几何模型，使配准过程便于硬件实验；在采集序列中选择基准图能减小偏振多光谱图像的配准偏差。\n附图说明\n[0021] 图1是本发明的相机成像几何原理图；\n[0022] 图2是本发明的相机运动成像几何原理图；\n[0023] 图3是本发明的图像配准流程图；\n[0024] 图4是本发明的配准测量图像示例(偏振片方向与透光轴成0°时全波段图像)；\n[0025] 图5是本发明的配准参考图像示例(偏振片方向与透光轴成90°时全波段图像)；\n[0026] 图6是本发明的最终配准结果图像。\n具体实施方式\n[0027] 现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：\n[0028] 步骤1、获取原始偏振多光谱航空遥感图像Ii(i＝1，…，n)及图像对应时刻的相机三维位置(Xc，Yc，Zc)、姿态角数据(α，β，γ)、相机经纬度(L，B)、相对地面高度H、成像时刻及对应时刻成像数据。\n[0029] 定义成像坐标系为：原点O在相机对地平面的垂直投影点，相机运动方向为Y轴方向，原点与相机所在点连线为Z轴，右手直角坐标系OXYZ。定义当地水平坐标系为：原点在测量区域某点(成像坐标系原点O)，U轴沿WGS84椭球指向东，V轴沿WGS84椭球指向北，右手直角坐标系OUVW。\n[0030] 三维位置(Xc，Yc，Zc)一般是在WGS84坐标系中的坐标，横滚角α取成相机成像光轴与平面XOZ的夹角，偏航角β取成坐标系OXY与OUV之间夹角，俯仰角γ取成相机成像光轴与平面YOZ夹角。\n[0031] 步骤2、确定测量图像Ii，则其他图像为参考图像Ij(i≠j)，计算Ii相对于所有Ij(i≠j)的配准结果，直至得到每一个测量图像Ii的配准结果。\n[0032] 步骤3、对于确定的参考图像和测量图像，根据相机成像几何模型计算测量图像的成像光心在测量图像的成像坐标系中的坐标。\n[0033] 相机S在坐标系OXYZ中坐标为(0，0，H)，光心与地面交点为T，则 根据直角三角形边角关系可得：\n[0034] (M、N分别为过T的垂线与Y轴、X轴交点)在\n直角三角形OSN中，根据勾股定理可得\n[0035] \n[0036] 将上式中各量分别代入，可计算得到\n[0037] \n[0038] 所以成像光心T在OXYZ中坐标为\n[0039] \n[0040] 步骤4、根据相机运动成像几何模型计算测量图像的成像坐标系到参考图像的成像坐标系的坐标变换关系。\n[0041] 量测图像和参考图像对应的相机姿态角分别为α、β、γ和α′、β′、γ′，根据坐标系OXYZ和O′X′Y′Z′的定义可知，平面XOY和X′O′Y′共面，Z轴和Z′轴分别垂直于平面XOY和X′O′Y′，从而坐标系OXYZ和O′X′Y′Z′之间只相差一个水平旋转和平移，两坐标系旋转角度为φ＝β-β′，则坐标系O′X′Y′Z′到OXYZ的旋转矩阵为：\n[0042] \n[0043] 相机之间的相对位移在WGS84坐标系中为(Xc-X′c，Yc-Y′c，Zc-Z′c)，WGS84坐标系到当地水平坐标系的坐标旋转矩阵 和当地水平坐标系到成像坐标系的坐标旋转矩阵 均为正交矩阵，计算相机之间的相对位移\n[0044] \n[0045] 其中，\n[0046] 从而O′X′Y′Z′中坐标到OXYZ的变换关系为：\n[0047] \n[0048] 步骤5、根据坐标变换关系计算测量图像的成像光心在参考图像的成像坐标系中的坐标。\n[0049] 光心T在坐标系O′X′Y′Z′中坐标为\n[0050] \n[0051] 步骤6、根据透视投影成像原理计算测量图像的成像光心在参考图像的成像平面坐标系中的坐标，并根据成像对应时刻偏航角将参考图像绕此光心进行旋转。\n[0052] 定义成像平面为原点在成像平面中点AJ，u轴沿 方向，v轴沿 方向。光轴与成像平面A′Ju′v′交点坐标为：\n[0053] (u′T′，v′T′)＝(ftanα，ftanβ)\n[0054] 根据透视投影成像原理，光心T在测量图像坐标系u′O′v′中的坐标(u′T，v′T)满足共线方程：\n[0055] \n[0056] 则\n[0057] \n[0058] \n[0059] 其中，\n[0060] 则成像平面A′Ju′v′上任意一点(u′，v′)绕(u′T，v′T)旋转φ角度后坐标为：\n[0061] \n[0062] 参考图像JR′旋转后得到图像J′R′。\n[0063] 步骤7、根据旋转后的参考图像及位置对应关系计算测量图像与旋转后的参考图像的公共区域即为最终配准结果。\n[0064] 对于测量图像I，将位置(uT，vT)与T在图像J′R′中对应位置(u′T，v′T)重合，裁剪图像I中超出JR′边界部分即得测量图像与参考图像公共区域，得到最终配准结果。