周志誠(chéng)，張 勇

(1.湖北省航測(cè)遙感院，湖北武漢 430074；2.武漢大學(xué)遙感信息工程學(xué)院，湖北武漢 430079）

一種顧及影像間位置關(guān)系的拼接路徑規(guī)劃方法

周志誠(chéng)1，張 勇2

(1.湖北省航測(cè)遙感院，湖北武漢 430074；2.武漢大學(xué)遙感信息工程學(xué)院，湖北武漢 430079）

一、引 言

影像鑲嵌是指將多幅空間上有重疊關(guān)系的影像拼接在一起，裁切掉影像間重疊的部分，生成一幅更大范圍的影像的處理過(guò)程，它是正射影像產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程中的一個(gè)主要環(huán)節(jié)。對(duì)于傳統(tǒng)大范圍航空影像的拼接問(wèn)題，潘俊以正射影像為研究對(duì)象，提出了在顧及重疊的面Voronoi圖基礎(chǔ)上自動(dòng)生成初始的接縫線網(wǎng)絡(luò)，然后利用重疊區(qū)的影像內(nèi)容對(duì)初始的接縫線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行優(yōu)化的方法，較好地解決了正射影像的拼接問(wèn)題[1]。孫明偉提出了利用蟻群算法精化拼接線[2]，能夠自動(dòng)繞過(guò)建筑物等投影差大的地物，取得了較好的效果。近年來(lái)，以輕型機(jī)和無(wú)人機(jī)為代表的低空遙感平臺(tái)得到了迅猛的發(fā)展，在各類應(yīng)急突發(fā)事件的測(cè)繪保障中發(fā)揮了重要作用。這類應(yīng)用的特點(diǎn)是突發(fā)性強(qiáng)，并且通常伴隨惡劣的氣象及地面條件[3]，在這種條件下，低空遙感平臺(tái)獲取的影像具有重疊度不穩(wěn)定、拓?fù)潢P(guān)系復(fù)雜的特點(diǎn)[4]。因此，拼接線自動(dòng)選擇也將面臨復(fù)雜的影像拓?fù)潢P(guān)系。本文以像主點(diǎn)距離最優(yōu)為原則，提出了顧及影像間位置關(guān)系的拼接路徑規(guī)劃算法。該算法理論簡(jiǎn)單，易于編程實(shí)現(xiàn)，具有較好的適應(yīng)性，能夠解決復(fù)雜拓?fù)錀l件下的拼接線自動(dòng)規(guī)劃問(wèn)題。

二、以像主點(diǎn)距離最優(yōu)為原則的拼接路徑規(guī)劃方法

低空遙感平臺(tái)受飛行器搭載能力的限制，通常采用家用數(shù)碼相機(jī)作為成像傳感器。這類傳感器一般存在較大的畸變，且畸變隨著離像主點(diǎn)距離的增大而增大。因此，在影像鑲嵌過(guò)程中，應(yīng)盡量采用像主點(diǎn)附近變形較小的影像，這是本文提出的像主點(diǎn)距離最優(yōu)原則的基本假設(shè)條件。

低空遙感影像在經(jīng)過(guò)幾何處理后，已經(jīng)將影像糾正到某個(gè)坐標(biāo)系下，對(duì)于正射影像圖制作來(lái)說(shuō)，這個(gè)坐標(biāo)系通常為大地坐標(biāo)系。圖1(a）所示為一個(gè)無(wú)人機(jī)飛行區(qū)的影像分布情況。圖中，A、B、C、D為經(jīng)過(guò)幾何糾正的無(wú)人機(jī)在4個(gè)不同位置拍攝的4幅影像，雖然經(jīng)過(guò)幾何糾正以后，它們被規(guī)劃到同一個(gè)坐標(biāo)系下，但是由于拍攝位置的不同導(dǎo)致影像中陰影、反光等存在差別，如果不考慮這些因素直接將它們合并到一起則會(huì)出現(xiàn)虛影。目前通常的做法是通過(guò)拼接線(也稱為鑲嵌線）將影像的重疊區(qū)進(jìn)行裁切，每一幅影像對(duì)應(yīng)一個(gè)封閉的區(qū)域，區(qū)域和區(qū)域之間相互鄰接但不重合。圖1(b）所示為拼接線所構(gòu)成的封閉區(qū)域，區(qū)域內(nèi)所對(duì)應(yīng)的影像數(shù)據(jù)會(huì)寫入最終的拼接結(jié)果中，拼接線與影像邊界恰好構(gòu)成了影像所對(duì)應(yīng)的封閉面，面內(nèi)的像素需要寫入到鑲嵌結(jié)果影像中。

1.像主點(diǎn)距離最優(yōu)原則的拼接線網(wǎng)絡(luò)生成方法

最近主點(diǎn)法拼接線網(wǎng)絡(luò)生成方法的基本思想是利用中心投影影像中像主點(diǎn)附近影像質(zhì)量最高、變形最小這一特性按照距離最優(yōu)原則生成拼接線網(wǎng)絡(luò)。像主點(diǎn)為物鏡主光軸與像平面的交點(diǎn)，從理論上來(lái)說(shuō)，在幾何糾正之前整張影像內(nèi)部只有像主點(diǎn)對(duì)應(yīng)的像素是沒(méi)有變形的，其余像素的變形隨與像主點(diǎn)距離的變大而變大。經(jīng)過(guò)正射糾正處理后，中心投影所導(dǎo)致的變形雖然會(huì)得到改正，但是高出地面的地物所造成的投影差是不能被改正的。考慮到無(wú)人機(jī)在拍攝影像時(shí)通常是近似垂直攝影，因此地物的投影差也會(huì)隨著與像主點(diǎn)距離的變大而變大，因此無(wú)論是從成像方式還是投影差來(lái)說(shuō)，像主點(diǎn)附近的影像是質(zhì)量最好的部分。圖2所示為最近主點(diǎn)法拼接線網(wǎng)絡(luò)生成方法的生成過(guò)程。

圖1 影像間位置關(guān)系與拼接線示意圖

圖2 最近主點(diǎn)法拼接線網(wǎng)絡(luò)生成方法示意圖

圖2中，●為影像中心點(diǎn)，分別表示A、B、C、D影像的中心坐標(biāo)，網(wǎng)格范圍為4張影像最大范圍的矩形外包，按照m×m大小等比例分割，本文取m＝64像素。單元格中的字母表示與當(dāng)前單元格中心距離最近的影像中心點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的影像，黑色線為本文方法生成的拼接線。具體計(jì)算過(guò)程如下：

1）計(jì)算影像中心點(diǎn)坐標(biāo)及影像集合的外包矩形，并將矩形范圍對(duì)齊到整像素。

2）按照m×m格網(wǎng)間距及影像的空間分辨率將外包矩形分割成固定大小的單元格，并計(jì)算單元格中心坐標(biāo)。

3）逐單元格計(jì)算當(dāng)前單元格中心點(diǎn)離各個(gè)影像中心點(diǎn)的距離，并記錄距離最小的影像索引。

4）聚合索引相同的單元格，聚合面的邊界就是拼接線，聚合面對(duì)應(yīng)的范圍就是影像需要寫入目標(biāo)影像的范圍。

本文提出的拼接線網(wǎng)絡(luò)生成方法原理簡(jiǎn)單，計(jì)算速度快，適應(yīng)性和穩(wěn)定性高，當(dāng)m＝1時(shí)等價(jià)于基于重疊區(qū)骨架線法生成的拼接線。對(duì)于無(wú)人機(jī)影像來(lái)說(shuō)，重疊區(qū)大且重疊關(guān)系復(fù)雜，這一方法的優(yōu)勢(shì)就更加明顯，瞬間即可生成整個(gè)區(qū)域的拼接線網(wǎng)絡(luò)。

2.拼接線網(wǎng)絡(luò)求精

由于無(wú)人機(jī)的飛行方向與大地坐標(biāo)系的x軸或y軸存在一定的偏差，因此生成的正射影像四周通常會(huì)存在一定數(shù)量的背景色，當(dāng)航線是45°斜飛時(shí)，背景色面積最大。上節(jié)所描述的拼接線網(wǎng)絡(luò)生成方法只考慮了影像之間的位置關(guān)系，并沒(méi)有顧及影像內(nèi)容本身，如果拼接線落到了背景色區(qū)域內(nèi)，就可能會(huì)造成背景色參與到拼接中，導(dǎo)致拼接結(jié)果中存在空洞。為了消除這一問(wèn)題，需要對(duì)拼接線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行求精。

本文用前景和背景來(lái)描述影像的有效區(qū)和無(wú)效區(qū)?？紤]到背景色只會(huì)出現(xiàn)在正射影像的四周，故采用多邊形來(lái)描述前景的邊界。首先通過(guò)背景探測(cè)算法獲取影像的背景色，其次利用邊緣跟蹤算法獲取影像的前景邊界線，再次利用光欄法矢量壓縮算法剔除邊界線中多余的頂點(diǎn)，最后利用邊界線精化上節(jié)生成的拼接線網(wǎng)絡(luò)。

1）背景探測(cè)算法是基于背景色位于影像四周這一基本假設(shè)條件來(lái)設(shè)計(jì)的。取m×m(本文取m＝5）的探測(cè)窗口，讓探測(cè)窗口沿影像邊緣繞行一周，當(dāng)窗口內(nèi)的像素是純色時(shí)，記錄此純色的值并累積對(duì)應(yīng)的計(jì)數(shù)。繞行一周以后，統(tǒng)計(jì)純色窗口的計(jì)數(shù)，如果某一純色對(duì)應(yīng)的計(jì)數(shù)占總計(jì)數(shù)的90%以上，則認(rèn)為探測(cè)到了影像背景色，否則作為無(wú)背景色處理。

2）利用基于優(yōu)先搜索方向的邊界跟蹤算法[5]及步驟1）檢測(cè)到的背景色跟蹤前景的邊界。從影像左下角開始，自下而上、從左到右逐像素與背景色灰度值進(jìn)行比較，當(dāng)發(fā)現(xiàn)第1個(gè)非背景色像素時(shí)認(rèn)為是前景邊界的開始，以這個(gè)點(diǎn)作為起始點(diǎn)，在4鄰域或8鄰域內(nèi)尋找非背景色點(diǎn)。總體掃描方向是自下而上，因此第1個(gè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)于邊界最下面點(diǎn)或是最下面一行的第1個(gè)點(diǎn)，如果按照4鄰域搜索，那么第2個(gè)非背景色點(diǎn)只可能出現(xiàn)在第1個(gè)點(diǎn)的右方或上方。如果第1個(gè)點(diǎn)的右方為非背景色點(diǎn)，那么這個(gè)點(diǎn)就是第2個(gè)點(diǎn)，如果第1個(gè)點(diǎn)的右方為背景色而上方為非背景色，則上方點(diǎn)為第2個(gè)點(diǎn)，否則發(fā)現(xiàn)的該前景區(qū)域?yàn)閱蜗袼貐^(qū)域，將此像素賦值為背景色，重新搜索第1個(gè)非背景色點(diǎn)。然后以第2個(gè)點(diǎn)為當(dāng)前點(diǎn)，以第1個(gè)點(diǎn)為前一個(gè)邊界點(diǎn)，共同確定下一個(gè)點(diǎn)，設(shè)定當(dāng)前點(diǎn)和上一個(gè)點(diǎn)確定的方向?yàn)榛鶞?zhǔn)方向，以基準(zhǔn)方向的外法線方向?yàn)閮?yōu)先方向在當(dāng)前點(diǎn)的4鄰域范圍內(nèi)尋找第3個(gè)點(diǎn)，從優(yōu)先方向開始逆時(shí)針?biāo)阉鞯降牡?個(gè)非背景色點(diǎn)就是第3個(gè)點(diǎn)。接著以第3個(gè)點(diǎn)為當(dāng)前點(diǎn)，以第2個(gè)點(diǎn)為上一個(gè)點(diǎn)，重新計(jì)算優(yōu)先方向并搜索第4個(gè)點(diǎn)。如此反復(fù)直至下一個(gè)點(diǎn)與第1個(gè)點(diǎn)重合。

3）步驟2）得到的前景色邊界是一個(gè)由柵格坐標(biāo)組成的矢量邊界，邊界的頂點(diǎn)數(shù)目眾多，這對(duì)后面的多邊形與拼接線網(wǎng)絡(luò)求交會(huì)帶來(lái)不利影響，因此需要利用矢量壓縮算法刪除多余的頂點(diǎn)，本文選用光欄法[6]進(jìn)行壓縮。光欄法矢量壓縮的基本思想是定義一個(gè)扇形區(qū)域，通過(guò)判斷曲線上的點(diǎn)在扇形外還是在扇形內(nèi)，確定保留還是舍去。如圖3所示，設(shè)曲線上的點(diǎn)列為{pi，i＝1，2，…，n}，光欄口徑為d，可根據(jù)壓縮量的大小自定義(本文取d＝12像素），則光欄法的實(shí)施步驟可描述為：

圖3 光欄法矢量壓縮示意圖

a.連接p1和p2點(diǎn)，過(guò)p2點(diǎn)作一條垂直于p1p2的直線，在該垂線上取兩點(diǎn)a1和a2，使a1p2＝a2p2＝d/2，此時(shí)a1和a2為光欄邊界點(diǎn)，p1與a1、p1與a2的連線為以p1為頂點(diǎn)的扇形的兩條邊，這就定義了一個(gè)扇形。

b.若p3點(diǎn)在扇形內(nèi)，則舍去p2點(diǎn)，然后連接p1和p3，過(guò)p3作p1p3的垂線，該垂線與前面定義的扇形邊交于c1和c2。在垂線上找到b1和b2點(diǎn)，使p3b1＝p3b2＝d/2，若b1或b2點(diǎn)落在原扇形外面，則用c1或c2取代之(假定用c2取代b2）。此時(shí)用p1b1和p1c2定義一個(gè)新的扇形。

c.檢查下一頂點(diǎn)，若該點(diǎn)在新扇形內(nèi)，則重復(fù)步驟b，直到發(fā)現(xiàn)有一個(gè)頂點(diǎn)在最新定義的扇形外為止。

d.當(dāng)發(fā)現(xiàn)點(diǎn)pn在扇形外時(shí)，保留pn-1點(diǎn)，以pn作為新起點(diǎn)，重復(fù)步驟a―步驟c。如此繼續(xù)下去，直到所有頂點(diǎn)檢測(cè)完為止。所有被保留的頂點(diǎn)(含首、末點(diǎn)），順序地構(gòu)成了新的矢量邊界。

將影像的有效區(qū)域邊界與前一節(jié)生成的拼接線網(wǎng)絡(luò)套合在一起，逐格網(wǎng)判斷單元格4個(gè)頂點(diǎn)是否完全處于其對(duì)應(yīng)影像的有效邊界范圍內(nèi)。若不是，則以次優(yōu)距離重新計(jì)算此單元格所對(duì)應(yīng)的影像索引，重復(fù)判斷單元格4個(gè)頂點(diǎn)與影像有效邊界的位置關(guān)系。如此重復(fù)直至單元格落于某一影像邊界內(nèi)。若遍歷完所有影像仍然沒(méi)有找到滿足條件的影像索引，則將單元格進(jìn)行拆分(一分為四），分別用最短距離法計(jì)算4個(gè)小單元格的影像索引，并進(jìn)行本步驟的判斷處理，直至所有單元格及拆分出的小單元格滿足完全處于對(duì)應(yīng)影像的有效范圍內(nèi)或單元格的尺寸小于4像素×4像素。

三、試驗(yàn)結(jié)果與分析

圖4為丘陵地區(qū)的拼接結(jié)果圖，采用佳能5D Mark II相機(jī)拍攝了513張影像，由植被、城鎮(zhèn)、農(nóng)田、山地、裸露地等地貌組成，利用本文算法提取的拼接路徑，可自動(dòng)完成影像拼接，拼接結(jié)果目視效果良好。

圖4 鑲嵌效果圖

四、結(jié)束語(yǔ)

本文所提出的拼接線規(guī)劃算法顧及了影像間的重疊關(guān)系，在復(fù)雜拓?fù)錀l件下仍然能夠得到穩(wěn)定的結(jié)果，且算法簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，此方法適合處理無(wú)人機(jī)等低空遙感平臺(tái)獲取的影像的拼接問(wèn)題。

[1]潘俊.自動(dòng)化的航空影像色彩一致性處理及接縫線網(wǎng)絡(luò)生成方法研究[D].武漢：武漢大學(xué)，2008.

[2]孫明偉.正射影像全自動(dòng)快速制作關(guān)鍵技術(shù)研究[D].武漢：武漢大學(xué)，2008.

[3]王玉宏.低空遙感影像匹配與拼接技術(shù)研究[J].測(cè)繪信息與工程，2009，34(2）：47-48.

[4]何磊.無(wú)人機(jī)遙感圖像及其三維可視化在汶川地震救災(zāi)中的應(yīng)用[J].物探化探計(jì)算技術(shù)，2010，32(2）：206-210.

[5]柳稼航.一種基于優(yōu)先搜索方向的邊緣跟蹤算法[J].遙感技術(shù)與應(yīng)用，2004，19(3）：209-213.

[6]徐新.增強(qiáng)型矢量數(shù)據(jù)壓縮算法的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究，2007，24(12）：393-395.

On Mosaicing Path Planning Using Position Relationship between Images

ZHOU Zhicheng，ZHANG Yong

以低空遙感平臺(tái)獲取的影像為研究對(duì)象，針對(duì)快速正射影像圖的制作需求，提出一種顧及影像間位置關(guān)系的拼接路徑規(guī)劃算法。以像主點(diǎn)距離最優(yōu)為約束條件，能夠在復(fù)雜拓?fù)潢P(guān)系條件下規(guī)劃出空間關(guān)系上最優(yōu)的拼接路徑，滿足低空遙感影像的快速拼接要求。

影像拼接；拼接路徑規(guī)劃；自動(dòng)鑲嵌

P237

B

0494-0911(2014）10-0086-03

2013-07-17

周志誠(chéng)(1974―），男，湖北漢川人，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)閿z影測(cè)量與地理信息。

周志誠(chéng)，張勇.一種顧及影像間位置關(guān)系的拼接路徑規(guī)劃方法[J].測(cè)繪通報(bào)，2014(10）：86-88.

10.13474/j.cnki.11-2246.2014. 0336