一種顧及影像間位置關系的拼接路徑規(guī)劃方法

周志誠，張 勇

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

一種顧及影像間位置關系的拼接路徑規(guī)劃方法

周志誠1，張 勇2

(1.湖北省航測遙感院，湖北武漢 430074；2.武漢大學遙感信息工程學院，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程，它是正射影像產(chǎn)品生產(chǎn)過程中的一個主要環(huán)節(jié)。對于傳統(tǒng)大范圍航空影像的拼接問題，潘俊以正射影像為研究對象，提出了在顧及重疊的面Voronoi圖基礎上自動生成初始的接縫線網(wǎng)絡，然后利用重疊區(qū)的影像內(nèi)容對初始的接縫線網(wǎng)絡進行優(yōu)化的方法，較好地解決了正射影像的拼接問題[1]。孫明偉提出了利用蟻群算法精化拼接線[2]，能夠自動繞過建筑物等投影差大的地物，取得了較好的效果。近年來，以輕型機和無人機為代表的低空遙感平臺得到了迅猛的發(fā)展，在各類應急突發(fā)事件的測繪保障中發(fā)揮了重要作用。這類應用的特點是突發(fā)性強，并且通常伴隨惡劣的氣象及地面條件[3]，在這種條件下，低空遙感平臺獲取的影像具有重疊度不穩(wěn)定、拓撲關系復雜的特點[4]。因此，拼接線自動選擇也將面臨復雜的影像拓撲關系。本文以像主點距離最優(yōu)為原則，提出了顧及影像間位置關系的拼接路徑規(guī)劃算法。該算法理論簡單，易于編程實現(xiàn)，具有較好的適應性，能夠解決復雜拓撲條件下的拼接線自動規(guī)劃問題。

二、以像主點距離最優(yōu)為原則的拼接路徑規(guī)劃方法

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

低空遙感影像在經(jīng)過幾何處理后，已經(jīng)將影像糾正到某個坐標系下，對于正射影像圖制作來說，這個坐標系通常為大地坐標系。圖1(a）所示為一個無人機飛行區(qū)的影像分布情況。圖中，A、B、C、D為經(jīng)過幾何糾正的無人機在4個不同位置拍攝的4幅影像，雖然經(jīng)過幾何糾正以后，它們被規(guī)劃到同一個坐標系下，但是由于拍攝位置的不同導致影像中陰影、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出現(xiàn)虛影。目前通常的做法是通過拼接線(也稱為鑲嵌線）將影像的重疊區(qū)進行裁切，每一幅影像對應一個封閉的區(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)所對應的影像數(shù)據(jù)會寫入最終的拼接結(jié)果中，拼接線與影像邊界恰好構(gòu)成了影像所對應的封閉面，面內(nèi)的像素需要寫入到鑲嵌結(jié)果影像中。

1.像主點距離最優(yōu)原則的拼接線網(wǎng)絡生成方法

最近主點法拼接線網(wǎng)絡生成方法的基本思想是利用中心投影影像中像主點附近影像質(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。像主點為物鏡主光軸與像平面的交點，從理論上來說，在幾何糾正之前整張影像內(nèi)部只有像主點對應的像素是沒有變形的，其余像素的變形隨與像主點距離的變大而變大。經(jīng)過正射糾正處理后，中心投影所導致的變形雖然會得到改正，但是高出地面的地物所造成的投影差是不能被改正的?？紤]到無人機在拍攝影像時通常是近似垂直攝影，因此地物的投影差也會隨著與像主點距離的變大而變大，因此無論是從成像方式還是投影差來說，像主點附近的影像是質(zhì)量最好的部分。圖2所示為最近主點法拼接線網(wǎng)絡生成方法的生成過程。

圖1 影像間位置關系與拼接線示意圖

圖2 最近主點法拼接線網(wǎng)絡生成方法示意圖

圖2中，●為影像中心點，分別表示A、B、C、D影像的中心坐標，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前單元格中心距離最近的影像中心點所對應的影像，黑色線為本文方法生成的拼接線。具體計算過程如下：

1）計算影像中心點坐標及影像集合的外包矩形，并將矩形范圍對齊到整像素。

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，并計算單元格中心坐標。

3）逐單元格計算當前單元格中心點離各個影像中心點的距離，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，聚合面對應的范圍就是影像需要寫入目標影像的范圍。

本文提出的拼接線網(wǎng)絡生成方法原理簡單，計算速度快，適應性和穩(wěn)定性高，當m＝1時等價于基于重疊區(qū)骨架線法生成的拼接線。對于無人機影像來說，重疊區(qū)大且重疊關系復雜，這一方法的優(yōu)勢就更加明顯，瞬間即可生成整個區(qū)域的拼接線網(wǎng)絡。

2.拼接線網(wǎng)絡求精

由于無人機的飛行方向與大地坐標系的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存在一定數(shù)量的背景色，當航線是45°斜飛時，背景色面積最大。上節(jié)所描述的拼接線網(wǎng)絡生成方法只考慮了影像之間的位置關系，并沒有顧及影像內(nèi)容本身，如果拼接線落到了背景色區(qū)域內(nèi)，就可能會造成背景色參與到拼接中，導致拼接結(jié)果中存在空洞。為了消除這一問題，需要對拼接線網(wǎng)絡進行求精。

本文用前景和背景來描述影像的有效區(qū)和無效區(qū)。考慮到背景色只會出現(xiàn)在正射影像的四周，故采用多邊形來描述前景的邊界。首先通過背景探測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，最后利用邊界線精化上節(jié)生成的拼接線網(wǎng)絡。

1）背景探測算法是基于背景色位于影像四周這一基本假設條件來設計的。取m×m(本文取m＝5）的探測窗口，讓探測窗口沿影像邊緣繞行一周，當窗口內(nèi)的像素是純色時，記錄此純色的值并累積對應的計數(shù)。繞行一周以后，統(tǒng)計純色窗口的計數(shù)，如果某一純色對應的計數(shù)占總計數(shù)的90%以上，則認為探測到了影像背景色，否則作為無背景色處理。

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行比較，當發(fā)現(xiàn)第1個非背景色像素時認為是前景邊界的開始，以這個點作為起始點，在4鄰域或8鄰域內(nèi)尋找非背景色點?？傮w掃描方向是自下而上，因此第1個點對應于邊界最下面點或是最下面一行的第1個點，如果按照4鄰域搜索，那么第2個非背景色點只可能出現(xiàn)在第1個點的右方或上方。如果第1個點的右方為非背景色點，那么這個點就是第2個點，如果第1個點的右方為背景色而上方為非背景色，則上方點為第2個點，否則發(fā)現(xiàn)的該前景區(qū)域為單像素區(qū)域，將此像素賦值為背景色，重新搜索第1個非背景色點。然后以第2個點為當前點，以第1個點為前一個邊界點，共同確定下一個點，設定當前點和上一個點確定的方向為基準方向，以基準方向的外法線方向為優(yōu)先方向在當前點的4鄰域范圍內(nèi)尋找第3個點，從優(yōu)先方向開始逆時針搜索到的第1個非背景色點就是第3個點。接著以第3個點為當前點，以第2個點為上一個點，重新計算優(yōu)先方向并搜索第4個點。如此反復直至下一個點與第1個點重合。

3）步驟2）得到的前景色邊界是一個由柵格坐標組成的矢量邊界，邊界的頂點數(shù)目眾多，這對后面的多邊形與拼接線網(wǎng)絡求交會帶來不利影響，因此需要利用矢量壓縮算法刪除多余的頂點，本文選用光欄法[6]進行壓縮。光欄法矢量壓縮的基本思想是定義一個扇形區(qū)域，通過判斷曲線上的點在扇形外還是在扇形內(nèi)，確定保留還是舍去。如圖3所示，設曲線上的點列為{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，過p2點作一條垂直于p1p2的直線，在該垂線上取兩點a1和a2，使a1p2＝a2p2＝d/2，此時a1和a2為光欄邊界點，p1與a1、p1與a2的連線為以p1為頂點的扇形的兩條邊，這就定義了一個扇形。

b.若p3點在扇形內(nèi)，則舍去p2點，然后連接p1和p3，過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，使p3b1＝p3b2＝d/2，若b1或b2點落在原扇形外面，則用c1或c2取代之(假定用c2取代b2）。此時用p1b1和p1c2定義一個新的扇形。

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

d.當發(fā)現(xiàn)點pn在扇形外時，保留pn-1點，以pn作為新起點，重復步驟a―步驟c。如此繼續(xù)下去，直到所有頂點檢測完為止。所有被保留的頂點(含首、末點），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)絡套合在一起，逐格網(wǎng)判斷單元格4個頂點是否完全處于其對應影像的有效邊界范圍內(nèi)。若不是，則以次優(yōu)距離重新計算此單元格所對應的影像索引，重復判斷單元格4個頂點與影像有效邊界的位置關系。如此重復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有找到滿足條件的影像索引，則將單元格進行拆分(一分為四），分別用最短距離法計算4個小單元格的影像索引，并進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應影像的有效范圍內(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

本文所提出的拼接線規(guī)劃算法顧及了影像間的重疊關系，在復雜拓撲條件下仍然能夠得到穩(wěn)定的結(jié)果，且算法簡單，易于實現(xiàn)。試驗結(jié)果表明，此方法適合處理無人機等低空遙感平臺獲取的影像的拼接問題。

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

[2]孫明偉.正射影像全自動快速制作關鍵技術研究[D].武漢：武漢大學，2008.

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

[4]何磊.無人機遙感圖像及其三維可視化在汶川地震救災中的應用[J].物探化探計算技術，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].遙感技術與應用，2004，19(3）：209-213.

[6]徐新.增強型矢量數(shù)據(jù)壓縮算法的設計與實現(xiàn)[J].計算機應用研究，2007，24(12）：393-395.

On Mosaicing Path Planning Using Position Relationship between Images

ZHOU Zhicheng，ZHANG Yong

以低空遙感平臺獲取的影像為研究對象，針對快速正射影像圖的制作需求，提出一種顧及影像間位置關系的拼接路徑規(guī)劃算法。以像主點距離最優(yōu)為約束條件，能夠在復雜拓撲關系條件下規(guī)劃出空間關系上最優(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；自動鑲嵌

P237

B

0494-0911(2014）10-0086-03

2013-07-17

周志誠(1974―），男，湖北漢川人，高級工程師，研究方向為攝影測量與地理信息。

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

10.13474/j.cnki.11-2246.2014. 0336