動態(tài)海上遙感圖像配準(zhǔn)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及圖像配準(zhǔn)領(lǐng)域，尤其涉及一種動態(tài)海上遙感圖像配準(zhǔn)方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 圖像配準(zhǔn)（image registration)是圖像處理應(yīng)用方面的一個基礎(chǔ)問題，用于將不 同傳感器、不同視角、不同時間或不同拍攝條件下獲取的同一場景的兩幅或者多幅圖像進(jìn) 行對準(zhǔn)、疊加，在很多領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，如遙感影像、醫(yī)學(xué)圖像分析、制圖學(xué)、計算機(jī)視 覺、模式識別等。圖像配準(zhǔn)技術(shù)可用在海上動態(tài)遙感圖像領(lǐng)域，由于海上溢油、滸苔等海上 目標(biāo)對海洋環(huán)境的影響非常大，需要及時的對該目標(biāo)進(jìn)行跟蹤監(jiān)測以方便執(zhí)法部門進(jìn)行實 時處理。在監(jiān)測過程中，需要估算海上目標(biāo)區(qū)域的面積，此時當(dāng)一幅航空遙感圖像不能覆蓋 整個目標(biāo)時，圖像配準(zhǔn)技術(shù)就變的非常重要，而且由于海上目標(biāo)圖像具有動態(tài)變換、目標(biāo)和 背景單一及目標(biāo)沒有固定的形狀等特性，這就要求我們的圖像配準(zhǔn)方法要具備速度要快、 適應(yīng)性要更好和抗干擾能力要強(qiáng)等特點。
[0003] 遙感領(lǐng)域存在很多配準(zhǔn)算法，尤其多時相多傳感器圖像配準(zhǔn)。這些算法大都是對 海岸帶這種目標(biāo)變換不太大的圖像配準(zhǔn)，目前很少對于動態(tài)圖像配準(zhǔn)的算法。動態(tài)圖像是 拼接內(nèi)容或者拼接目標(biāo)自身存在著一定的相似變換、仿射變換、彈性變換及模糊等變化。因 此動態(tài)圖像的拼接也可以叫做包含變化目標(biāo)的圖像拼接。點與點之間的鄰接結(jié)構(gòu)作為結(jié)構(gòu) 特征作為比較可靠的圖像特征在遙感領(lǐng)域也越來越受到重視，基于結(jié)構(gòu)的圖像配準(zhǔn)只是利 用圖像特征點之間的位置關(guān)系，參與運算的數(shù)據(jù)量小，算法的效率高，能滿足海上目標(biāo)實時 配準(zhǔn)的需求。
[0004] 目前，結(jié)合特征的空間關(guān)系和特征的相似性進(jìn)行特征匹配方法受初始條件影響比 較大，不適合干擾點非常多的情況。另一種新的點集匹配算法采用相對距離和角度去除模 糊匹配和誤匹配，用于高分辨率衛(wèi)星圖像的配準(zhǔn)，該算法只適用于圖像平移和圖像旋轉(zhuǎn)變 化的情況，不適合仿射和大尺度縮放。基于擬隨機(jī)尺度空間結(jié)構(gòu)相關(guān)性建立能量函數(shù)的優(yōu) 化配準(zhǔn)算法主要是針對不同傳感器獲取的同一目標(biāo)區(qū)域的圖像配準(zhǔn)，而重疊區(qū)域小的兩幅 圖像的整體輪廓可能會發(fā)生很大變化，該方法沒有考慮此情況的配準(zhǔn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明主要解決現(xiàn)有技術(shù)不能滿足海上動態(tài)變化目標(biāo)圖像的實時配準(zhǔn)和圖像配 準(zhǔn)中配準(zhǔn)誤差較大的技術(shù)問題，提出一種動態(tài)海上遙感圖像配準(zhǔn)方法，與現(xiàn)有技術(shù)相比運 算量減少、運算速度快、適應(yīng)能力強(qiáng)、抗干擾能力強(qiáng)。
[0006 ]本發(fā)明提供了一種動態(tài)海上遙感圖像配準(zhǔn)方法，包括以下步驟：
[0007] 步驟100,采集兩幅海上遙感圖像，分別標(biāo)記為基準(zhǔn)圖像和待配準(zhǔn)圖像；
[0008] 步驟200,利用圖結(jié)構(gòu)構(gòu)建方法，構(gòu)造結(jié)構(gòu)不變量描述符，并獲得圖結(jié)構(gòu)中特征點 的差異度，包括以下子步驟；
[0009] 步驟201，對基準(zhǔn)圖像和待配準(zhǔn)圖像分別進(jìn)行特征提取并且進(jìn)行初始匹配，獲得基 準(zhǔn)圖像的點集P和待配準(zhǔn)圖像的點集Q，其中，點集P和點集Q中的點一一對應(yīng)，Ρ={ρι，Ρ2，···， Pi,··· ,Pn} .Q= {qi,q2,··· ,qi,··· ,Qn};
[0010]步驟202,根據(jù)基準(zhǔn)圖像的點集P和待配準(zhǔn)圖像的點集Q，構(gòu)建基準(zhǔn)圖像的K近鄰圖 Gp;并構(gòu)建和點集p鄰接關(guān)系相同的待配準(zhǔn)圖像的鄰接圖G'q;
[0011]步驟203,根據(jù)基準(zhǔn)圖像的K近鄰圖Gp和待配準(zhǔn)圖像的鄰接圖G'q，得到基準(zhǔn)圖像的 結(jié)構(gòu)不變量描述符D(Pl)和待配準(zhǔn)圖像的結(jié)構(gòu)不變量描述符D'（qi);
[0012] 步驟204,根據(jù)基準(zhǔn)圖像的結(jié)構(gòu)不變量描述符D(Pl)和待配準(zhǔn)圖像的結(jié)構(gòu)不變量描 述符D'（qi)，獲得點集P和Q中對應(yīng)點的差異度；
[0013] 步驟300,建立基準(zhǔn)圖像和待配準(zhǔn)圖像配準(zhǔn)過程的特征匹配模型如下：
[0014] 目標(biāo)函數(shù):min E;
[0015] 約束條件:S0D，C，dE;
[0016] 其中，E表示全局變換誤差 Θ表示全局變換參 數(shù)，(1心1小沖，0)表示口1經(jīng)0變換得到的點1'^，9)和91之間的歐氏距離，(1辦1沖，0)=||丁 (Pi，0)-qi | |，S0D表示特征點鄰接順序差異度；C= {ci}表示點集P和Q的匹配向量，
.，dE表不全局變換誤差的變化量；
[0017] 步驟400,對基準(zhǔn)圖像和待配準(zhǔn)圖像進(jìn)行配準(zhǔn)，得到基準(zhǔn)圖像和待配準(zhǔn)圖像的最優(yōu) 特征匹配結(jié)果，包括以下子步驟：
[0018] 步驟401，確定基準(zhǔn)圖像和待配準(zhǔn)圖像在匹配過程中的收斂條件；
[0019] 步驟402,根據(jù)點集P和Q中對應(yīng)點的差異度，確定候選格外點；
[0020] 步驟403，判斷候選格外點是否為格外點，當(dāng)候選格外點為格外點時，移除格外點， 獲得全局的變換誤差以及全局變換誤差的變化量;并更新點集P和Q，利用步驟200的方法重 構(gòu)圖結(jié)構(gòu)；
[0021 ] 步驟404,更新點集P和Q，利用步驟200的方法重構(gòu)圖結(jié)構(gòu)，依次重復(fù)步驟402至步 驟403,當(dāng)滿足收斂條件時，停止配準(zhǔn)過程，得到基準(zhǔn)圖像和待配準(zhǔn)圖像的最優(yōu)特征匹配結(jié) 果。
[0022] 進(jìn)一步的，采用SURF算法對基準(zhǔn)圖像和待配準(zhǔn)圖像分別進(jìn)行特征提取。
[0023] 進(jìn)一步的，所述基準(zhǔn)圖像的結(jié)構(gòu)不變量描述符D(Pl)為：
[0024] D(pi) = {si,…，si,…，sk}, si￡ [Npi,…，ΝΡκ]，其中，si表示pi的鄰接順時針順序中 第1個鄰接點在點集P中的序號，N pK表示Pi的K近鄰點在點集P中的序號；
[0025] 所述待配準(zhǔn)圖像的結(jié)構(gòu)不變量描述符D'（qi)為：
[0026] D'（qi) = {s'i,…，s'i,…，s'k}，s，ιΕ [Npi,…，ΝΡκ]，其中，s '1 表示點qi的順時針鄰 接順序中第1個鄰接點在點集Q中的序號。
[0027] 進(jìn)一步的，根據(jù)基準(zhǔn)圖像的K近鄰圖GP和待配準(zhǔn)圖像的鄰接圖G'Q，得到基準(zhǔn)圖像的 結(jié)構(gòu)不變量描述符D( Pl)和待配準(zhǔn)圖像的結(jié)構(gòu)不變量描述符D'（qi)，包括以下過程：
[0028] 基準(zhǔn)圖像中任意一點？1的1(近鄰表示為
s 1 e [ Npi，…，Νρκ ]，點pi的結(jié)構(gòu)不變量由其K近鄰的順時針鄰接順序進(jìn)行描述，得到點pi的結(jié) 構(gòu)不變量描述符為:D(Pi) = {si，…，S1,…，Sk} = {Np2，Npl，Np6，Np4，Np5，NP3};
[0029] 點Pi在待配準(zhǔn)圖像中對應(yīng)點qi通過其鄰接點
的鄰 接順序D'（qi) = {s'i，···，s'i，···，s'k}，s'iE [Νρ?，···，Νρκ]進(jìn)行描述，得到點qi的結(jié)構(gòu)不變量 描述符為D'（qi) = {Np2，Np5，Np6，Np4，Npl，Np3}。
[0030] 進(jìn)一步的，根據(jù)基準(zhǔn)圖像的結(jié)構(gòu)不變量描述符D(Pl)和待配準(zhǔn)圖像的結(jié)構(gòu)不變量 描述符D'（qi)，獲得點集P和Q中對應(yīng)點的差異度，包括以下過程：
[0031] 將結(jié)構(gòu)不變量描述符D(pi) = {si,…，si,…，sk}和D'（qi) = {s'i，···，s'i，···，s'k}作 為兩個字符串，并通過循環(huán)串匹配方法得到點集P和Q中對應(yīng)點的鄰接順序的差異度。
[0032] 進(jìn)一步的，所述收斂條件包括:全局變換誤差的變化量小于閾值α，且全局的變換 誤差小于閾值β，其中，α表示設(shè)定的全局變換誤差的變化量閾值，β表示設(shè)定的全局的變換 誤差閾值。
[0033]進(jìn)一步的，采用學(xué)習(xí)的方法確定全局的變換誤差閾值和全局變換誤差的變化量閾 值。
[0034] 進(jìn)一步的，根據(jù)點集Ρ和Q中對應(yīng)點的差異度，確定候選格外點，包括以下過程：
[0035] 如果0丨0(0(?。），0'（9。））或者0丨€2(0(?。），0'（9。））值非零且最大，同時滿足這兩 個值的差01〇(0(?。），0'^。））-01€2(0(?。），0'^。））小于閾值(1冊的點被選為候選格外點； 如果不滿足上述條件，DifKDbc^D'U。））或者DifSObc^D'U。））次大值的點作為候選 格外點；
[0036] 其中，Difl表示以點集P中的點為基準(zhǔn)點得到的K近鄰圖GP和與其鄰接關(guān)系相同的 鄰接圖G'q的差異度向量，Dif2表示以點集Q中的點為基準(zhǔn)點得到的K近鄰Gq和與其鄰接關(guān)系 相同的鄰接圖G' P的差異度向量。
[0037] 進(jìn)一步的，所述全局變換誤差的計算公式為：
[0038]
[0039] 所述全局變換誤差的變化量的計算公式為：
[0040]
[0041] 其中，C_0utlier(i)表示第i個候選格外點，
表 示去除格外點之