專利名稱：基于相位相關的影像匹配初始視差的全自動獲取方法
技術領域：
本發明涉及一種基于相位相關的影像匹配初始視差的全自動獲取方法，屬于遙感 測繪領域。
背景技術：
影像匹配是數字攝影測量、計算機視覺的一個基本問題，然而這一問題目前并沒 有被很好地解決。特別是影像匹配中初始視差的確定問題，是非常難解決的問題。快速準 確地確定立體影像對的初始視差是影像匹配自動化的一個關鍵技術。準確的初始視差可以 提高影像匹配的計算速度，減少歧義匹配，提高匹配結果的可靠性。目前影像匹配中常用的 確定初始視差方法的自動化程度、精度和可靠性還不是很高，如影像灰度相關法、影像特征 匹配法、POS數據輔助法、人工交互法及影像重疊度確定法等。這些方法通常需要人工干預， 或者其他輔助數據，而有些輔助數據有時難以獲取，如由攝像機標定參數、POS系統觀測值 等，使得影像匹配難以實現完全的自動化，給實用化帶來很大的困難。
發明內容
本發明針對現有技術的不足，提供一種基于相位相關的影像匹配初始視差的全自 動獲取方法，對具有仿射變換或射影變換的影像以及局部變形的影像實現待匹配影像中心 點的高精度初始視差的獲取，并且該方法在獲取初始視差過程中無需先驗知識、輔助數據 以及人工干預，實現初始視差獲取的完全自動化。為實現這樣的目的，本發明將Fourier-Mellin法與金字塔影像技術結合起來，先 對基準影像與待匹配影像構建金字塔影像，再使用Fourier-Mellin法求解基準影像與待 匹配影像間的旋轉參數、縮放參數與平移參數。利用旋轉參數、縮放參數校正待匹配影像的 旋轉與縮放變形后，再利用平移參數計算待匹配影像中心點在基準影像上的同名點坐標。 并在金字塔逐層影像上使用相位相關法對同名點坐標進行誤差校正。最后在金字塔底層影 像上利用校正后的同名點坐標計算初始視差。本發明的具體步驟為(1)將匹配影像對的行列數恢復為偶數在匹配影像對的行數為奇數的情況下，將行數增加一行，新增加的這一行影像數 值與原始影像最后一行相同。若影像的列數為奇數，則將列數增加一列，新增加的這一列影 像的數值與原始影像最后一列相同。(2)構建影像金字塔對基準影像與待匹配影像分別構建影像金字塔，影像金字塔均采用降2采樣的方 法進行構建。在構建影像金字塔的過程中，如果出現行列數為奇數的情況下，同樣需要將行 列數恢復為偶數，恢復的方法與步驟(1)相同。最終構建完成的基準影像金字塔與待匹配 影像金字塔的層數必須相同。假設構建的影像金字塔共有η層，最頂層影像為第1層，最底 層影像(原始影像)為第η層，中間層以此類推。
(3)采用F。urier—Mellin法求解待匹配影像中心點在基準影像上同名點的坐標
選取基準影像與待匹配影像的金字塔頂層影像，使用F。urier—Mellin法對兩幅影像進行匹配并求解旋轉參數、縮放參數、平移參數，選取基準影像與待匹配影像的中心點為兩幅影像的原點，利用旋轉參數、縮放參數校正待匹配影像的旋轉與縮放變形后重新構建待匹配影像的金字塔影像，再利用平移參數計算在金字塔頂層影像中，待匹配影像中心點在基準影像上同名點的坐標。假設求解出的X方向上的平移參數為dX，y方向上的平移參數為dy，則基準影像上對應同名點的坐標(X、，y、)的計算方法如下 (4)在金字塔逐層影像上對同名點坐標進行誤差校正
按照金字塔影像由頂層至底層的順序，從第二層起對同名點坐標進行誤差校正，直至底層金字塔影像為止。
在第二層金字塔影像中，第一層基準影像上同名點在該層金字塔影像上對應的坐標為(X，，y，)，它們與第一層基準影像上同名點坐標(X，，y，)的關系如下式所示 在該層金字塔影像上，對待匹配影像中心點鄰域內影像和基準影像上同名點鄰域內影像使用相位相關法進行匹配，求出平移參數厶X，和厶y，，將該參數作為校正值，即X方向上的平移參數校正值為厶X，，y方向上的平移參數校正值為厶y，，對該層基準影像上同名點坐標進行校正。校正后基準影像上同名點坐標為(X’ ，，y’ ，)，校正公式如下式所示 在之后的各層金字塔影像上，利用上一層校正后的基準影像上同名點坐標(X’ ㈠，y’ ㈠)可以計算出在該層金字塔影像上對應的坐標(X，，y，)，其關系如下式所示
其中i為該層金字塔影像所在層數。
之后再使用相位相關法對待匹配影像中心點鄰域內影像和基準影像上同名點鄰域內影像進行匹配，求出平移參數厶X，和厶y，作為校正值，對同名點坐標(X，，y，)進行校正，校正后的坐標為(X’ 、，y’ 、)，依據的校正公式如下所示
其中i為該層金字塔影像所在層數。
(5)計算初始視差
在底層金字塔影像上，基準影像上校正后的同名點坐標為(X’．，y’．)，則待匹配影像中心點初始視差(X．，y．)的推導公式如下式所示
由于傳感器飛行線路、輻射度、大氣折射等各個因素的影響，原始的遙感影像與航 空影像會產生仿射變換或射影變換以及局部變形，不能滿足量測和定位要求，而采用其它 的精匹配方法如最小二乘法進行匹配時需要有較準確的初始視差，否則將會造成最小二乘 法無法收斂從而導致匹配失敗。本發明將融合了金字塔影像技術的Fourier-Mellin法與相位相關法相結合，對 具有仿射變換或射影變換的影像以及局部變形的影像實現待匹配影像中心點的高精度初 始視差的獲取，獲取的初始視差在x、y方向的誤差一般不超過3個像素，并且在獲取視差的 過程中實現了完全的自動化。本發明的優點是在匹配過程中無需提供其它輔助信息與先驗知識，能夠完全自動 地獲取立體影像匹配的高精度初始視差。
圖1為本發明基于相位相關的影像匹配初始視差的全自動獲取方法的技術框圖。圖2為本發明基于相位相關的影像匹配初始視差的全自動獲取方法的方案詳細 流程圖。圖3為本發明構建影像金字塔的示意圖。圖4為本發明對同名點坐標進行誤差校正的示意圖。
具體實施例方式實施例本發明所要求的輸入數據可以是任意格式的遙感影像或航空影像，若待匹配影像 的行列數與基準影像不同，則對待匹配影像進行插值、重采樣，使其行列數與基準影像完全 相同。匹配后的輸出結果保存為TXT的文本格式。本實施例使用的基準影像與待匹配影像 均是大小為2047X2047的航空影像。采用如圖2所示的基于相位相關的影像匹配初始視差的全自動獲取方法的方案 詳細流程圖，構建影像金字塔及使用Fourier-Mellin法與相位相關法獲取待匹配影像中 心點初始視差的具體實施步驟如下(1)將影像的行列數恢復為偶數將基準影像與待匹配影像行數均增加一行至2048行，新增加的這一行影像的數 值與原始影像最后一行相同。將基準影像與待匹配影像列數增加一列至2048列，新增加的 這一列影像的數值與原始影像最后一列相同。(2)構建影像金字塔對基準影像與待匹配影像分別構建影像金字塔，影像金字塔采用降2采樣的方法 進行構建。本實施例中影像金字塔共有3層，最頂層影像為第1層，大小為512X512，中間 一層影像為第2層，大小為1024X1024，最底層影像為第3層，大小為2048X2048 ；如圖3 所示。(3)采用Fourier-MelIin法求解待匹配影像中心點在基準影像上同名點的坐標選取基準影像與待匹配影像的金字塔頂層影像，使用Fourier-Mellin法對兩幅 影像進行匹配并求解旋轉參數、縮放參數、平移參數，選取基準影像與待匹配影像的中心點為兩幅圖像的原點，利用旋轉參數、縮放參數校正待匹配影像的旋轉與縮放變形后重新構 建待匹配影像的金字塔影像，再利用平移參數計算在金字塔頂層影像中，待匹配影像中心 點在基準影像上同名點的坐標。求解出的χ方向上的平移參數為dx，y方向上的平移參數 為dy，基準影像上對應同名點的坐標(Xl，Yl)如下式所示 (4)在金字塔逐層影像上對同名點坐標進行誤差校正在第2層金字塔影像中，第1層基準影像上同名點在該層金字塔影像上對應的坐 標為(x2，y2)，它們與第1層基準影像上同名點坐標(Xl，Y1)的關系如下式所示
在該層金字塔影像上，選取待匹配影像中心點鄰域內影像和基準影像上同名點鄰 域內影像，影像的大小均為31X31。對待匹配影像中心點鄰域內影像和基準影像上同名點 鄰域內影像使用相位相關法進行匹配，求出平移參數八&和Ay2，將該參數作為校正值，即 X方向上的平移參數校正值為Δ x2，y方向上的平移參數校正值為Ay2，對該層基準影像上 同名點坐標進行校正。校正后基準影像上同名點坐標為(x' 2，y' 2)，校正公式如下式所 示 如圖4所示。在第3層也是底層金字塔影像上，利用第2層校正后的基準影像上同名點坐標 (χ' 2，γ' 2)可以計算出在該層金字塔影像上對應的坐標(X3，y3)，其關系如下式所示 之后選取待匹配影像中心點鄰域內影像和基準影像上同名點鄰域內影像，影像的 大小也均為31X31。再次使用相位相關法對待匹配影像中心點鄰域內影像和基準影像上 同名點鄰域內影像進行匹配，求出平移參數八知和Ay3作為校正值，對同名點坐標(x3，y3) 進行校正，校正后的坐標為(X' 3，y' 3)，依據的校正公式如下所示 (5)計算初始視差在底層金字塔影像上，基準影像上校正后的同名點坐標為(x' 3，y' 3)，則待匹配 影像中心點初始視差(Xd，yd)的推導公式如下式所示 最后將結果輸出為TXT的文本格式。
權利要求
一種基于相位相關的影像匹配初始視差的全自動獲取方法，其特征在于具體步驟為(1)采用降2采樣的方法構建基準影像與待匹配影像的影像金字塔；(2)采用Fourier Mellin法對基準影像與待匹配影像的金字塔頂層影像進行匹配，求解兩幅影像間的旋轉參數、縮放參數、平移參數；(3)利用旋轉參數、縮放參數校正待匹配影像的旋轉與縮放變形；(4)利用平移參數計算待匹配影像中心點在基準影像上的同名點坐標；(5)在下一層金字塔影像中，對中心點鄰域內影像和同名點鄰域內影像使用相位相關法進行匹配，求出平移參數校正值，并對同名點坐標進行校正；(6)在之后的金字塔影像上，逐層用相位相關法求出平移參數校正值，并對同名點坐標進行校正，直至計算到底層金字塔影像上為止；(7)在底層金字塔影像上，利用校正過的基準影像上同名點的坐標計算初始視差。
全文摘要
本發明公開了一種基于相位相關的影像匹配初始視差的全自動獲取方法。將融合了金字塔影像技術的Fourier-Mellin法與相位相關法相結合，對具有仿射變換或射影變換的影像以及局部變形的影像實現待匹配影像中心點的高精度初始視差的獲取，獲取的初始視差在x、y方向的誤差一般不超過3個像素。采用融合了金字塔影像技術的Fourier-Mellin法獲取待匹配影像中心點在基準影像上的同名點坐標；并利用相位相關法對同名點坐標進行校正；最后利用校正后的同名點坐標計算初始視差。本發明實現了影像匹配初始視差獲取過程的完全自動化。
文檔編號G01C11/04GK101915571SQ201010233110
公開日2010年12月15日 申請日期2010年7月20日 優先權日2010年7月20日
發明者吳平, 張劍清, 張祖勛, 程曉宇, 韋春桃 申請人:桂林理工大學