一种双波段红外图像空域配准方法技术

本发明专利技术公开了一种双波段红外图像空域配准方法，本发明专利技术方法首先构建双波段红外图像空域配准系统，所构建的系统包括：模型构建模块、区域选取及特征点对标定模块、模型参数确定模块、模型验证模块和双波段红外图像配准模块，通过模型构建模块构建空域配准仿射变换模型，区域选取及特征点对标定模块进行目标区域选择和特征点对标定，模型参数确定模块确定RST仿射变换模型中的参数，模型验证模块对配准模型进行验证，双波段红外图像配准模块对双波段红外图像进行配准。本发明专利技术方法能够实现静态的双波段红外图像的空域配准，使两个波段图像空域特征相符合，解决了图像数据融合时关注目标位置不一致的问题。该方法参数少，运算过程简洁。

A Spatial Registration Method for Dual-Band Infrared Images

The invention discloses a dual-band infrared image spatial registration method. Firstly, the dual-band infrared image spatial registration system is constructed. The system includes: model building module, region selection and feature pair calibration module, model parameter determination module, model verification module and dual-band infrared image registration module. Spatial registration is constructed by model building module. Quasi-affine transformation model, region selection and feature points are used to select target region and calibrate feature points. Model parameter determination module determines parameters in RST affine transformation model. Model verification module validates registration model. Dual-band infrared image registration module registers dual-band infrared image. The method of the invention can realize the spatial registration of static dual-band infrared images, make the spatial characteristics of the two-band images coincide, and solve the problem of paying attention to the inconsistency of the target position in image data fusion. The method has fewer parameters and simple operation process.

【技术实现步骤摘要】
一种双波段红外图像空域配准方法
本专利技术涉及一种图像空域配准方法，特别是一种双波段红外图像空域配准方法。
技术介绍
国内双波段红外相机或热像仪大都采用两个独立的单波段红外传感器，在光学镜头上采用共孔径分光的形式。通过卡塞格林镜组和场景进行一次成像，然后采用分色镜将光路分光，并有后续校正镜组进行二次成像。这样在两个波段上可以看到同一场景。然而这种光学镜头加工精度要求高，装调工艺难，光学镜头实现的结果和设计值往往在视场大小、观测角度、轴心基准位置上存在偏差，使得对同一场景成像结果在空域上大小、角度、相位关系等特征不完全一致，给图像分析和数据融合处理带来困扰。图像配准是多个传感器或单个传感器在不同条件下对同一场景获得的图像对准、叠加的过程。包括几何空间全局或局部对准、对应点像素灰度对准等。空间变换数学模型有仿射变换、多项式变换、透射变化模型等多种形式。对双波段红外相机的图像而言，由于获取的图像光谱都在红外波段，采用的同一套光学镜头，观测场景、时间一致，配准的目的是为了修正光学镜头在两个波段上空域上带来的偏差。
技术实现思路
本专利技术目的在于提供一种双波段红外图像空域配准方法，解决双波段红外相机光学镜头在两个波段上视场大小差异、光轴偏差、观测基准不同带来的双波段图像空域特征不一致的问题。一种双波段红外图像空域配准方法的具体步骤为：第一步构建双波段红外图像空域配准系统双波段红外图像空域配准系统，包括：模型构建模块、区域选取及特征点对标定模块、模型参数确定模块、模型验证模块和双波段红外图像配准模块。所述：模型构建模块的功能为：构建空域配准仿射变换模型；区域选取及特征点对标定模块的功能为：进行目标区域选择和特征点对标定；模型参数确定模块的功能为：确定RST仿射变换模型中的参数；模型验证模块的功能为：对配准模型进行验证；双波段红外图像配准模块的功能为：对双波段红外图像进行配准。第二步模型构建模块构建空域配准仿射变换模型双波段红外光学镜头一次成像后，后续镜组对红外图像进行球差和色差校正，图像具有较好的线性度，因此空域配准仿射变换模型构建适用于该线性度的RST仿射变换模型，即旋转-缩放-平移仿射变换模型，对红外图像进行RST仿射变换，RST仿射变换模型的表达式为：式中：为配准后的图像像素坐标；S为图像缩放比例，S＝[SX,SY]T，SX为方位缩放比，SY为俯仰缩放比；为图像旋转矩阵；θ为旋转角度；为待配准图像像素坐标；为像素坐标偏移量。第三步区域选取及特征点对标定模块进行目标区域选择和特征点对标定区域选取及特征点对标定模块对两个波段的红外图像，以图像中心为原点建立直角坐标系，判断目标区域落入坐标系中的象限位置，从而确定该区域图像在光学镜头视场中的角度位置，完成区域选择。区域选取及特征点对标定模块获取特征点对：P与P'、Q与Q'。第四步模型参数确定模块确定RST仿射变换模型中的参数模型参数确定模块确定RST仿射变换模型中的参数：缩放比例S、旋转角度θ和平移量[ΔX,ΔY]T。缩放比例S由光学镜头两个波段视场比值决定，设基准图像波段光学镜头视场为方位εX1，俯仰εY1；待配准图像波段视场为方位εX2，俯仰εY2；则在方位和俯仰上的缩放比例分别为SX＝εX1/εX2,SY＝εY1/εY2。旋转角度θ通过特征点对(P,P')和(Q,Q')在图像中的坐标来确定，坐标为像素点在图像中的行列值。模型参数确定模块分别获取直线PQ和P'Q'的斜率：式中：X1、Y1为特征点P像素坐标；X1'、Y1'为特征点P'像素坐标；X2、Y2为特征点Q像素坐标；X2'、Y2'为特征点Q'像素坐标。旋转角度θ＝θ2-θ1，其中逆时针方向为正。在双波段光学镜头中，入射光路经过一次成像后，由折返分光镜分成两个光路，分别进行二次成像，装调时分光镜45°安装角存在一定的误差，后续反射镜与基准面的垂直度或平行度也存在一定误差范围，这些误差带来两个光路不同轴，使得两个波段的图像存在相对位移，即模型中的平移量[ΔX,ΔY]T。平移量通过特征点对的坐标差值均值来确定：式中：ΔX'为特征点对方位平移量均值；ΔY'为特征点对俯仰平移量均值。受旋转角和缩放比的影响，RST仿射变换模型平移量为：ΔX＝ΔX'cosθ·SX，ΔY＝ΔY'sinθ·SY(4)第五步模型验证模块对配准模型进行验证模型验证模块采用两个特征点对所对应的双波段红外图像对配准模型参数进行验证：选择第一个特征点对双波段红外图像两个波段中的其中一幅图像为基准图像，另一个波段图像为待配准图像。将已经确定的三个模型参数代入模型中，以图像中心点为坐标原点，建立直角坐标系，图像中每个像素的行列号即为该像素在图像中的坐标(X，Y)，将图像中每个像素坐标代入RST仿射变换模型中进行计算，并对计算结果进行四舍五入，得到每个像素在新图像中的坐标(X'，Y')，根据新坐标形成的图像即为配准后的图像。判定配准后的图像中第一个特征点是否与其基准图像中的相应的特征点的坐标重合。采用相同的方式对第二个特征点对的双波段红外图像进行相同的判定。当两次判定的坐标都重合时，判定模型参数正确。当任一次判定的坐标不重合时，则重新标定特征点对。第六步双波段红外图像配准模块对双波段红外图像进行配准对于需要配准图像，双波段红外图像配准模块首先确定基准图像和待配准图像，然后将待配准图像关注区域或整幅图像的像素坐标代入RST仿射变换模型中进行计算，得到每个像素在新图像中的坐标，从而获得配准后的图像。至此，完成了双波段红外图像的空域配准。更优的，其中第三步中区域选取及特征点对标定模块采用光学成像标定的方式获取特征点对：用同一套双波段红外相机在试验台上对点源靶标进行成像，并使点源靶标图像落入目标区域，记录该双波段红外图像，得到第一个特征点对P与P'，然后调整光学镜头角度，使点源靶标在该区域另一个角度位置成像，记录对应的双波段红外图像，获取第二个特征点对Q与Q'。一种双波段红外图像空域配准系统，包括：模型构建模块、区域选取及特征点对标定模块、模型参数确定模块、模型验证模块和双波段红外图像配准模块；其中模型构建模块构建空域配准仿射变换模型；区域选取及特征点对标定模块进行目标区域选择和特征点对标定；模型参数确定模块确定RST仿射变换模型中的三个参数：缩放比例S、旋转角度θ和平移量[ΔX,ΔY]T；模型验证模块对配准模型进行验证；双波段红外图像配准模块对双波段红外图像进行配准。本专利技术方法能够实现静态的双波段红外图像的空域配准，使两个波段图像空域特征相符合，解决了图像数据融合时关注目标位置不一致的问题。该方法参数少，运算过程简洁。具体实施方式一种双波段红外图像空域配准方法的具体步骤为：第一步构建双波段红外图像空域配准系统双波段红外图像空域配准系统，包括：模型构建模块、区域选取及特征点对标定模块、模型参数确定模块、模型验证模块和双波段红外图像配准模块。所述：模型构建模块的功能为：构建空域配准仿射变换模型；区域选取及特征点对标定模块的功能为：进行目标区域选择和特征点对标定；模型参数确定模块的功能为：确定RST仿射变换模型中的参数；模型验证模块的功能为：对配准模型进行验证；双波段红外图像配准模块的功能为：对双波段红外图像进行配准。第二步模型构建模块构建空域配准仿射变换模型双本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种双波段红外图像空域配准方法，其特征在于具体步骤为：第一步 构建双波段红外图像空域配准系统双波段红外图像空域配准系统，包括：模型构建模块、区域选取及特征点对标定模块、模型参数确定模块、模型验证模块和双波段红外图像配准模块；所述：模型构建模块的功能为：构建空域配准仿射变换模型；区域选取及特征点对标定模块的功能为：进行目标区域选择和特征点对标定；模型参数确定模块的功能为：确定RST仿射变换模型中的参数；模型验证模块的功能为：对配准模型进行验证；双波段红外图像配准模块的功能为：对双波段红外图像进行配准；第二步 模型构建模块构建空域配准仿射变换模型双波段红外光学镜头一次成像后，后续镜组对红外图像进行球差和色差校正，图像具有较好的线性度，因此空域配准仿射变换模型构建适用于该线性度的RST仿射变换模型，即旋转‑缩放‑平移仿射变换模型，对红外图像进行RST仿射变换，RST仿射变换模型的表达式为：

【技术特征摘要】
1.一种双波段红外图像空域配准方法，其特征在于具体步骤为：第一步构建双波段红外图像空域配准系统双波段红外图像空域配准系统，包括：模型构建模块、区域选取及特征点对标定模块、模型参数确定模块、模型验证模块和双波段红外图像配准模块；所述：模型构建模块的功能为：构建空域配准仿射变换模型；区域选取及特征点对标定模块的功能为：进行目标区域选择和特征点对标定；模型参数确定模块的功能为：确定RST仿射变换模型中的参数；模型验证模块的功能为：对配准模型进行验证；双波段红外图像配准模块的功能为：对双波段红外图像进行配准；第二步模型构建模块构建空域配准仿射变换模型双波段红外光学镜头一次成像后，后续镜组对红外图像进行球差和色差校正，图像具有较好的线性度，因此空域配准仿射变换模型构建适用于该线性度的RST仿射变换模型，即旋转-缩放-平移仿射变换模型，对红外图像进行RST仿射变换，RST仿射变换模型的表达式为：式中：为配准后的图像像素坐标；S为图像缩放比例，S＝[SX,SY]T，SX为方位缩放比，SY为俯仰缩放比；为图像旋转矩阵；θ为旋转角度；为待配准图像像素坐标；为像素坐标偏移量；第三步区域选取及特征点对标定模块进行目标区域选择和特征点对标定区域选取及特征点对标定模块对两个波段的红外图像，以图像中心为原点建立直角坐标系，判断目标区域落入坐标系中的象限位置，从而确定该区域图像在光学镜头视场中的角度位置，完成区域选择；区域选取及特征点对标定模块获取特征点对：P与P'、Q与Q'；第四步模型参数确定模块确定RST仿射变换模型中的参数模型参数确定模块确定RST仿射变换模型中的参数：缩放比例S、旋转角度θ和平移量[ΔX,ΔY]T；缩放比例S由光学镜头两个波段视场比值决定，设基准图像波段光学镜头视场为方位εX1，俯仰εY1；待配准图像波段视场为方位εX2，俯仰εY2；则在方位和俯仰上的缩放比例分别为SX＝εX1/εX2,SY＝εY1/εY2；旋转角度θ通过特征点对(P,P')和(Q,Q')在图像中的坐标来确定，坐标为像素点在图像中的行列值；模型参数确定模块分别获取直线PQ和P'Q'的斜率：式中：X1、Y1为特征点P像素坐标；X1'、Y1'为特征点P'像素坐标；X2、Y2为特征点Q像素坐标；X2'、Y2'为特征点Q'像素坐标；旋转角度θ＝θ2-θ1，其中逆时针方向为正；在双波段光学镜头中，入射光路经过一次成像后，由折返分光镜分成两个光路，分别进行二次成像，装调时分光镜45°安装角存在一定的误差，后续反射镜与基准面的垂直度或平行度也存在一定误差范围，这...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈祺，许敏达，
申请(专利权)人：北京遥感设备研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11