滤光片阵列多光谱图像拼接与灰度调整方法技术

一种滤光片阵列多光谱图像拼接与灰度调整方法，属于航空图像处理技术领域。本发明专利技术的目的是利用SURF算法对投影后图像进行配准，单波段图像重叠区域灰度平均值比的均值作为图像灰度调整系数，并以参考图像灰度为基准，依次对配准后图像灰度进行调整的滤光片阵列多光谱图像拼接与灰度调整方法。本发明专利技术包括图像几何关系确定、图像灰度调整和图像拼接三个步骤。本发明专利技术解决单波段多光谱拼接图像中的灰度差异问题，且最大限度减少地物光谱信息的损失。不仅可以有效解决图像地物灰度不一致的问题，而且能够最大限度保持地物在不同波段下的光谱信息特征。光谱信息特征。

【技术实现步骤摘要】
滤光片阵列多光谱图像拼接与灰度调整方法


[0001]本专利技术属于航空图像处理


技术介绍

[0002]航空滤光片阵列多光谱相机同一时刻获取的数据为包含多个波段的窄带图像，需要对不同时刻获取的图像数据进行裁剪、拼接处理，才能得到单波段大区域图像。受机械快门影响，相机在不同时刻成像时的曝光量存在一定差异，导致单波段拼接图像容易出现具有一定宽度的明暗条纹，破坏了地物灰度一致性，影响了光谱图像后期处理及应用。因此，为满足滤光片阵列多光谱图像应用需求，必须解决滤光片阵列多光谱图像条带间存在的地物灰度差异。
[0003]目前，图像灰度校正算法大致可分为两种类型：一是在预处理阶段对图像进行校正，如：Retinex算法、Wallis算法、直方图匹配算法等；二是在图像拼接为全景图时，对重叠区域像素灰度进行融合，如：渐入渐出融合、加权平均融合、弧函数权重模型等。上述算法主要从视觉效果上消除图像灰度差异，而光谱图像灰度校正需要考虑校正前后地物光谱的保真度，尽可能避免光谱信息的损失。此外，Tian等提出一种改进Wallis滤波方法，通过逐行/列计算图像行/列重叠区域像素灰度均值比，进一步将图像灰度调整为一致，但灰度校正过程属于强制改正图像灰度，并不适用于包含地物光谱信息的多光谱图像。为解决分视场多光谱图像的灰度差异，方秀秀等提出灰度线性变换算法，通过同名点灰度计算图像灰度变换关系。但该方法的灰度处理效果依赖于同名点数量及分布，同名点数量少且分布不均时，灰度变换关系不一定能够准确反映条带图像间灰度变换关系。
专利技术内容
[0004]本专利技术的目的是利用SURF算法对投影后图像进行配准，单波段图像重叠区域灰度平均值比的均值作为图像灰度调整系数，并以参考图像灰度为基准，依次对配准后图像灰度进行调整的滤光片阵列多光谱图像拼接与灰度调整方法。
[0005]本专利技术的步骤包括图像几何关系确定、图像灰度调整和图像拼接三个步骤；S1、图像几何关系确定：S1.1、条带图像有效区域模板确定条带图像间存在过渡区域，计算各波段条带图像有效区域的四个顶点坐标，以构建多条带图像有效区域模板；S1.2、图像投影变换选择t1、t2、...、t
n
时刻的n幅序列多条带图像，并根据式(1)和式(2)对各时刻图像和对应的图像模板分别进行投影
其中，X、Y为投影后像点坐标；H为航高；D为投影后图像地面空间分辨率；x、y为条带图像上像点坐标；f为相机焦距；a1、a2、a3、b1、b2、b3、c1、c2、c3由式(2)获得，ω、κ分别为平台的俯仰角、翻滚角和航向角；S1.3、图像配准通过提取投影后图像间的匹配点，并且通过匹配点坐标计算单应性转换矩阵H，对图像进行配准处理，主要包括以下几个步骤：(1)匹配点提取采用SURF算法完成特征提取和匹配，通过RANSAC算法筛选出高精度匹配点；(2)转换矩阵计算设图像I0匹配点坐标为(X1,Y1)、(X2,Y2)、...、(X
n
,Y
n
)，图像I1的匹配点坐标为(x1,y1)、(x2,y2)、...、(x
n
,y
n
)，则图像I1向图像I0的坐标转换为：令则式(3)写成：P0＝H1P1ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)故图像I1向图像I0坐标转换矩阵H1为：H1＝(P0P
1T
)(P1P
1T
)
‑1ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)同理得，图像I0向图像I1坐标转换为：(3)空间位置确定首先确定基准图像I0，利用图像I1匹配点坐标P1和图像I0匹配点坐标P0，通过式(5)计算图像I1向图像I0的单应性转换矩阵H1，再通过式(4)计算图像I1在图像I0坐标系下的坐标，确定二者之间的位置关系；运用式(7)计算图像I2在图像I1坐标系中坐标P1＝H2P2ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(7)再将式(7)代入式(4)中计算得到待拼接图像I2在基准图像I0坐标系中坐标，如式(8)所示，确定图像I2与图像I0间的位置关系P0＝H1H2P2ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(8)若有n张待拼接图像，则第n张待拼接图像I
n
与基准图像I0间的位置关系为：
设基准图像I0右侧有n张待拼接图像I1,I2,...,I
n
，第n张待拼接图像I
n
与基准图像I0间的位置关系如式(9)所示；设基准图像左侧有m张待拼接图像I
′1,I
′2,...,I
′
m
，左侧图像坐标矩阵设为P
′
i
，坐标转换矩阵为T
i
，与右侧转换矩阵计算式(4)，得到左侧待拼接图像I
′1向基准图像I0坐标转换为：P0＝T1P1′ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(10)则左侧第m张待拼接图像I
′
m
与基准图像I0间的位置关系为：S2、图像灰度调整：包括条带图像重叠区域确定、灰度调整系数计算、调整图像灰度三个方面；S2.1、条带图像重叠区域确定首先利用成像时平台姿态信息对多光谱图像和对应的模板均进行投影变换；然后，利用计算得到的坐标转换矩阵H
i
(或T
i
)对投影后多光谱图像和模板与基准图像的进行配准，提取单波段图像重叠区域时，只保留模板图像中对应波段区域，将相邻的转换后的模板图像相乘，得到相应波段重叠区域模板，最后，将重叠区域模板分别与两幅配准后多光谱图像相乘得到单波段的重叠区域图像；S2.2、灰度调整系数计算采用重叠区域灰度均值比的均值作为各波段统一的调整系数，设相邻第i和第j两幅图像中第1个波段的重叠区域图像，分别计算该重叠区域图像的灰度均值k
i1
、k
j1
；同样，计算得到其它7个波段的灰度均值，每幅图像分别得到8个均值，即k
i1
、k
i2
、k
i3
、k
i4
、k
i5
、k
i6
、k
i7
、k
i8
和k
j1
、k
j2
、k
j3
、k
j4
、k
j5
、k
j6
、k
j7
、k
j8
；则通过式(12)计算得到第j幅图像的灰度调整为第i幅图像灰度的调整系数g
ij
，即式中，m为波段数；S2.3、调整图像灰度选择中间的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种滤光片阵列多光谱图像拼接与灰度调整方法，其特征在于：其步骤包括图像几何关系确定、图像灰度调整和图像拼接三个步骤；S1、图像几何关系确定：S1.1、条带图像有效区域模板确定条带图像间存在过渡区域，计算各波段条带图像有效区域的四个顶点坐标，以构建多条带图像有效区域模板；S1.2、图像投影变换选择t1、t2、...、t
n
时刻的n幅序列多条带图像，并根据式(1)和式(2)对各时刻图像和对应的图像模板分别进行投影应的图像模板分别进行投影其中，X、Y为投影后像点坐标；H为航高；D为投影后图像地面空间分辨率；x、y为条带图像上像点坐标；f为相机焦距；a1、a2、a3、b1、b2、b3、c1、c2、c3由式(2)获得，ω、κ分别为平台的俯仰角、翻滚角和航向角；S1.3、图像配准通过提取投影后图像间的匹配点，并且通过匹配点坐标计算单应性转换矩阵H，对图像进行配准处理，主要包括以下几个步骤：(1)匹配点提取采用SURF算法完成特征提取和匹配，通过RANSAC算法筛选出高精度匹配点；(2)转换矩阵计算设图像I0匹配点坐标为(X1,Y1)、(X2,Y2)、...、(X
n
,Y
n
)，图像I1的匹配点坐标为(x1,y1)、(x2,y2)、...、(x
n
,y
n
)，则图像I1向图像I0的坐标转换为：令则式(3)写成：P0＝H1P1ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)
故图像I1向图像I0坐标转换矩阵H1为：同理得，图像I0向图像I1坐标转换为：(3)空间位置确定首先确定基准图像I0，利用图像I1匹配点坐标P1和图像I0匹配点坐标P0，通过式(5)计算图像I1向图像I0的单应性转换矩阵H1，再通过式(4)计算图像I1在图像I0坐标系下的坐标，确定二者之间的位置关系；运用式(7)计算图像I2在图像I1坐标系中坐标P1＝H2P2ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(7)再将式(7)代入式(4)中计算得到待拼接图像I2在基准图像I0坐标系中坐标，如式(8)所示，确定图像I2与图像I0间的位置关系P0＝H1H2P2ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(8)若有n张待拼接图像，则第n张待拼接图像I
n
与基准图像I0间的位置关系为：设基准图像I0右侧有n张待拼接图像I1,I2,...,I
n
，第n张待拼接图像I
n
与基准图像I0间的位置关系如式(9)所示；设基准图像左侧有m张待拼接图像I
′1,...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙文邦，吴迪，李铜哨，于光，武赫男，孙晓锐，汤云锋，
申请(专利权)人：中国人民解放军空军航空大学，
类型：发明
国别省市：