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机载图像拼接关键技术研究

董强  
【摘要】:宽视场、高分辨率航空图像有着广泛的应用,是进行遥感解译与分析的基础。无人机搭载光电成像系统在获取航空图像时,由于航空相机传感器尺寸、视场范围、飞行高度等因素的限制,存在着视场与分辨率的矛盾。常用的技术手段是保证一定重叠率对某区域进行连续图像采集,再通过图像拼接技术将其合成一幅全景图像。无人机体积小、质量轻,易受不稳定气流影响,同时外部环境复杂多变,这些都会影响到成像质量,给图像拼接增加难度。目前,针对无人机的航空图像拼接技术仍不成熟,如何实现快速、高精度拼接仍是一项重大挑战。因此,对机载图像拼接技术进行深入的研究具有重要的理论意义和工程价值。本文阐述了机载图像拼接技术的基础理论和发展动态,围绕图像拼接流程,系统地研究了图像拼接涉及到的各个环节。重点围绕如何提高配准精度和运行速度的问题,研究并实现了航空图像配准;针对图像拼接精度的提升问题,研究了新的图像拼接方法,实现了多幅航空图像的拼接;结合机载光电成像系统的工程需求,设计了图像拼接硬件系统,实现了特定场景下的航空图像准实时拼接处理。本文的主要研究内容及贡献归纳如下:1.针对经典SURF算法的不足,提出了基于同心圆环邻域SURF特征的快速图像配准算法(CSURF)。首先通过Hessian矩阵提取关键点,然后采用关键点圆形邻域进行特征描述,采用Haar小波响应为每个特征点分配描述符,同时加入区域内归一化的灰度差分及二阶梯度信息,增强算法稳健性,最后采用RANSAC算法剔除误匹配点?该算法较经典SURF算法具有速度优势,同时充分利用了灰度信息和细节信息,具有更高的精度。该算法对图像的模糊、光照差异、角度旋转、尺度变化、视场变换均有良好的鲁棒性和不变性。2.为实现航空图像的快速配准,同时提高配准精度,提出了全新的基于有向线段BRISK特征的图像配准方法(DLBRISK)。首先利用BRISK算法进行粗匹配,再利用匹配点对构造有向线段并配以BRISK特征描述,最后采用邻近线段匹配法及概率统计模型进行特征点的精确匹配。该算法利用图像的纹理信息有效地剔除了误匹配点对,对于图像拼接中经常出现的光照强度差异、角度旋转、分辨率低及尺度变化等问题都具有较强的鲁棒性。尤其对于低分辨率图像,该算法能够有效地降低误匹配率,为图像拼接提供更为准确的变换模型。3.针对图像拼接过程中出现的“鬼影”效应和几何错位,提出了基于参数核图割算法(PKGC)分割的镶嵌线检测方法。该方法通过二级寻优策略确定镶嵌线位置,首先进行物体级寻优,通过参数核图割算法分割图像以获取显著目标区域和背景区域,然后构建全局能量函数,包含色彩差异、多角度多尺度形态学梯度约束和纹理差异,利用图像分割结果加权能量函数,显著目标赋予较大权值,最后,确定镶嵌线的起止点,在加权能量函数上使用Dijkstra最短路径算法进行像素级寻优,确定最佳镶嵌线的位置。该方法利用图像分割有效地提取出了显著目标位置,避免了镶嵌线穿过该目标区域,能量函数包含信息全面,有利于检测更为合理的镶嵌线。同时,对于多幅图像重叠区域,设计了新的镶嵌线检测策略,实现了多幅图像拼接。4.结合工程实际需求,本文设计了基于FPGA的图像拼接硬件系统,主要包括可见光数码相机,目标定位单元,图像拼接单元,存储器和输入/输出单元,分模块完成了系统原理图设计和PCB电路设计。该系统根据航空图像地理信息直接实现航空图像的拼接,拼接效果良好,处理时间可满足工程上准实时性的要求。同时,针对附带地理信息的航空图像PC机处理,采用分级配准拼接方式,并在每级图像处理前,利用图像地理信息确定大致重合区域,节省时间成本,提高拼接精度。综上所述,论文对航空图像拼接技术的相关理论进行了的讨论与分析,围绕着图像配准、镶嵌线检测、实时处理等关键问题进行了研究,取得了阶段性的成果。论文的相关成果为航空图像拼接的继续深入研究提供了理论基础,对提高拼接图像的精度和速度具有借鉴意义。


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