基于MATLAB圖像處理工具箱IPT函數(shù)的遙感圖像配準(zhǔn)_梁洪有

1、第 31卷 第 5期 2008年 10月測(cè)繪與空間地理信息GEOMA TICS &SPA T I AL I N FORMA TI ON TECHNOLOGYVol . 31, No . 5Oct . , 2008收稿日期 :2007-12-05基金項(xiàng)目 :國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目 (40571113 ; 國(guó)家教育部留學(xué)回國(guó)人員科研啟動(dòng)基金重點(diǎn)項(xiàng)目 (HX040013 資助 作者簡(jiǎn)介 :梁洪有 (1972- , 男 , 河南延津人 , 博士研究生 , 主要從事遙感圖像處理和遙感定量化應(yīng)用研究?；?M AT LAB 圖像處理工具箱 I PT函數(shù)的遙感圖像配準(zhǔn)梁洪有1, 2, 3, 余 濤 1

2、, 顧行發(fā)1(1. 遙感科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 , 中國(guó)科學(xué)院 遙感應(yīng)用研究所 , 北京 100101; 2. 中國(guó)科學(xué)院 研究生院 , 北京 100049; 3. 河南理工大學(xué) , 河南 焦作 454000摘 要 :遙感圖像配準(zhǔn)是遙感圖像拼接、 信息融合的基礎(chǔ) , 是對(duì)遙感圖像定量應(yīng)用和研究的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。 MAT LAB的圖像處理工具箱 I PT (I m age Pr ocessing Toolbox 提供有基于點(diǎn)特征進(jìn)行圖像配準(zhǔn)的函數(shù) , 利用這些函數(shù)可以方 便快捷地完成圖像之間的配準(zhǔn) 。論文首先對(duì)圖像配準(zhǔn)及基于點(diǎn)特征的遙感圖像配準(zhǔn)作了詳細(xì)的介紹 , 然后對(duì) I PT 中配準(zhǔn)函數(shù)的語法格式作了

3、詳盡的分析 , 并對(duì)兩幅遙感圖像進(jìn)行了配準(zhǔn)操作 , 最后對(duì)該方法進(jìn)行了結(jié)論性分 析 , 闡明該方法的應(yīng)用價(jià)值與可改進(jìn)之處。關(guān)鍵詞 :MAT LAB; IPT 函數(shù) ; 遙感圖像 ; 點(diǎn)特征 ; 配準(zhǔn) 中圖分類號(hào) :TP75 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 :B 文章編號(hào) :1672-5867(2008 05-0008-04Re mote Sensi n g I mage on on the I PT L -1, 2, 3, Y U Tao 1, G U Hang -fa1(1. Re Sen si n g Sc i ence, I n stitute of Re m ote Sen si n g Appli ca

4、 ti on s, Ch i n eseAcade m y of Sc iji n g Ch i n a; 2. School of Gradua te, Ch i n ese Acade m y of Sc i ences, Be iji n g 100049, Ch i n a;3. Henan Polytechn i c Un i versity, 454000, Ch i n aAbstract:Re mote sensing i m age registrati on is the base of re mote sensing i m age mosaicing and inf o

5、r mati on fusi on, and the key part f or quantitive research and app licati on of re mote sensing i m age . The I PT (I m age Pr ocessing Toolbox ofMAT LAB p r ovides the functi ons f or i m age registrati on based on the character of points . It is si m p le t o i m p le ment the registrati on bet

6、w een i m ages using the functi ons . This paper firstly intr oduced the i m age registrati on and re mote sensing i m age registrati on based on the character of points in detail . Then it analyzed the syntax and for mat of the registrati on functi on in LPT and i m p le mented the registrati on be

7、t w een 2re mote sensing i m ages . Finally, it analyzed the method and put f or ward the app licati on value and the i m p r oving points of the method . Key words:MAT LAB; I PT functi ons; re mote sensing i m age; character of point; registrati on0 引 言圖像配準(zhǔn)是對(duì)取自不同時(shí)間、 不同傳感器或不同視角的同一地域或物體的兩幅圖像或多幅圖像進(jìn)行匹配

8、的 過程 , 通過圖像配準(zhǔn)可以將關(guān)聯(lián)圖像統(tǒng)一到同一坐標(biāo)系 下 , 將兩幅或多幅圖像中對(duì)應(yīng)于空間同一位置的點(diǎn)聯(lián)系起來 , 實(shí)現(xiàn)圖像的幾何差異校正 14。由于在電磁波段、 觀測(cè)時(shí)間、 成像幾何、 成像機(jī)理、 空間分辨率等方面存在 差異 , 多源遙感衛(wèi)星圖像上盡管是同一區(qū)域地物 , 其在輻 射信息和幾何信息方面也存在一定的差異 , 因此多源遙感圖像之間的配準(zhǔn)則是遙感圖像處理和應(yīng)用不可缺少的 步驟。 結(jié)合圖像配準(zhǔn)的概念 , 遙感影像配準(zhǔn)可表述為將 兩幅或多幅遙感圖像與基準(zhǔn)圖像或地圖進(jìn)行空間對(duì)準(zhǔn) , 確定不同圖像上對(duì)應(yīng)的同名點(diǎn)的坐標(biāo) , 消除或減少待校 正圖像和基準(zhǔn)圖像之間由于成像條件不同所引起的幾何

9、形變 , 從而獲得具有幾何一致性的多幅圖像?？梢?, 遙感 圖像配準(zhǔn)是遙感圖像拼接、 信息融合的基礎(chǔ)。張永生等將圖像配準(zhǔn)劃分為相對(duì)配準(zhǔn)和絕對(duì)配準(zhǔn) 5。相對(duì)配準(zhǔn)是 從多個(gè)圖像中選擇某一圖像作為參考圖像 , 然后將其他 幅圖像與參考圖像進(jìn)行配準(zhǔn) ; 絕對(duì)配準(zhǔn)是在同一地理坐 標(biāo)系下對(duì)多幅圖像進(jìn)行幾何糾正 , 絕對(duì)配準(zhǔn)的方法常用 于遙感圖像的幾何校正。 通常意義上的遙感圖像配準(zhǔn)即 是指相對(duì)配準(zhǔn)算法的應(yīng)用和研究 6。在相對(duì)配準(zhǔn)方法中 , 基于點(diǎn)映射的幾何配準(zhǔn)方法更 為常用 , 該方法在待配準(zhǔn)和基準(zhǔn)兩幅圖像中選擇控制點(diǎn) 來確認(rèn)圖像中的相同特征和標(biāo)志 , 然后根據(jù)這些控制點(diǎn) 的位置來推算某種空間映射的關(guān)系

10、, 再用這種空間映射 的關(guān)系對(duì)待配準(zhǔn)圖像進(jìn)行幾何變換 , 獲得配準(zhǔn)結(jié)果 3。 MAT LAB 以其強(qiáng)大的矩陣運(yùn)算功能及豐富的圖像處理函 數(shù)等在圖像處理方面占有明顯的優(yōu)勢(shì) , 在圖像的幾何運(yùn) 算方面 , MAT LAB 的 圖 像 處理 工 具 箱 (I m agePr ocessing 2 Toolbox, 簡(jiǎn)稱 I PT 提供了一些支持點(diǎn)映射的工具 , 其中的 圖像配準(zhǔn)函數(shù)可以幫助研究人員把精力集中在算法研究 上 , 而不是繁瑣的程序的編寫上 , 從而大大提高工作效 率 7, 8。 文章主要闡述了 MAT LAB 中基于點(diǎn)特征的圖像 配準(zhǔn)方法的分析和應(yīng)用研究。1 基于點(diǎn)特征的圖像配準(zhǔn)方法基于

11、點(diǎn)特征的圖像配準(zhǔn)方法屬于在圖像的空間域進(jìn) 行操作 , 空間域配準(zhǔn)方法僅從圖像的幾何變形與灰度差 的角度入手 , 簡(jiǎn)單直觀易實(shí)現(xiàn) , 對(duì)一般的可見光影像及部 分近紅外影像、 雷達(dá)影像均可以處理 ,速度 快 等 優(yōu) 點(diǎn)?？?間 域 配 準(zhǔn) 主 要 包 括 以 下 幾 驟 1, 9-10:1 即從參考 , 用來 與參考圖像匹配的圖像稱為輸入圖像 ;2 對(duì)兩幅圖像中的對(duì)控制結(jié)構(gòu) (如控制點(diǎn) 進(jìn)行匹 配 ;3 選擇幾何變換模型并對(duì)其參數(shù)進(jìn)行估計(jì) ;4 對(duì)輸入圖像實(shí)行坐標(biāo)變換和灰度插值 ;5 對(duì)配準(zhǔn)的效果進(jìn)行評(píng)估。基于控制點(diǎn)的配準(zhǔn)方法 , 即控制結(jié)構(gòu)為圖像中的特 征點(diǎn) (稱為控制點(diǎn) , 對(duì)控制點(diǎn)進(jìn)行匹配

12、, 估計(jì)幾何變換參 數(shù)并進(jìn)行配準(zhǔn)。概括起來講 , 這一過程主要包括兩個(gè)步 驟 :1 在圖像中選擇和匹配控制點(diǎn) ;2 從已經(jīng)匹配的控制點(diǎn)中獲取信息 , 并找出可以對(duì) 圖像中其余點(diǎn)進(jìn)行匹配的匹配函數(shù)。 點(diǎn)特征是最基本的 一種特征 , 其計(jì)算與描述都很簡(jiǎn)單 , 而且適用的范圍最 廣。 控制點(diǎn)可以由用戶提供 , 也可以由算法估計(jì)。 在遙感 圖像配準(zhǔn)過程中 , 首先在兩幅圖像上選取一些同名點(diǎn) ; 然 后利用同名像點(diǎn)的坐標(biāo)值來估算表征兩圖像之間幾何變 換函數(shù) ; 最后按照變換函數(shù)進(jìn)行幾何變換并完成對(duì)待校 正圖像的重采樣。 整個(gè)方法的難點(diǎn)在于如何可靠地獲取 同名像點(diǎn) 4。2 I PT 中圖像配準(zhǔn)相關(guān)函數(shù) 1

13、1-12在 MAT LAB 工具箱中 , 可以用 cp select 函數(shù)選取圖像 之間的控制點(diǎn)對(duì) , 由 cp2tfor m 函數(shù)修正重疊部分的幾何差 異 , 由 i m transfor m 函數(shù)進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換 , 即 cp2tf or m 函數(shù)和 i m transf or m 函數(shù)結(jié)合使用完成圖像的配準(zhǔn)。2. 1 cpselect 函數(shù)如果沒給定輸入圖像與參考圖像之間的控制點(diǎn)對(duì) , 就用 cp select 函數(shù)顯示圖像界面 , 采取手動(dòng)在兩幅圖像的 重疊部分選取配準(zhǔn)控制點(diǎn) , MAT LAB 自動(dòng)進(jìn)行亞像素分 析 8。 如果給定控制點(diǎn)對(duì) , 則不作本步驟。 cp select 函數(shù) 的

14、基本調(diào)用語法為 :cp select (g, f, input_points,base_points其中的 g 代表待配準(zhǔn)圖像 , f 代表基準(zhǔn)圖像 , input_ points 和 base_points分別為待配準(zhǔn)圖像與基準(zhǔn)圖像上的 初始控制點(diǎn)集和最終控制點(diǎn)集的保存變量 , 退出時(shí) input_ points 和 base _points的值保存在系統(tǒng)的工作區(qū) (Work 2 s pace 中 , 便于后續(xù)程序調(diào)用。值得注意的是 , 控制點(diǎn)選 擇工具同時(shí)僅支持一個(gè)顏色通道 , 即控制點(diǎn)選擇工具只 能接受灰度圖像 , 僅能將 RG B分量傳遞給 cp select,2. 2m , 可以根據(jù)

15、控制點(diǎn) , 該函數(shù)將變換參數(shù)返回到 TF ORM 的幾何變換結(jié)構(gòu)變量 tf or m 中。 cp select 函 數(shù)的基本調(diào)用語法為 :tf or m =cp2tf or m (input_points,base_points, transf or m 2 ty pe 格 式 中 , transf or m type 為 變 換 類 型?？?見 , 調(diào) 用 cp2tfor m 函數(shù)時(shí)除了給定控制點(diǎn)信息外 , 還必須選擇一種 能夠正確消除輸入圖像失真的變換類型。 cp2tf or m 函數(shù) 支持六種空間變換類型 , 其中線性變換、 仿射變換、 投影 變換和多項(xiàng)式變換是全局變換 , 這些變換對(duì)整

16、幅圖像應(yīng) 用同一個(gè)數(shù)學(xué)表達(dá)式 ; 分段線性變換和局部權(quán)平均變換 是局部變換 , 這兩種變換將對(duì)圖像的不同部分使用不同 的數(shù)學(xué)表達(dá)式。 在應(yīng)用時(shí)根據(jù)圖像之間的變形關(guān)系選擇 使用。2. 3 i m tran sform 函數(shù)在 MAT LAB 中用 I PT 函數(shù) i m transfor m 來完成一般的 二維空間變換。 該函數(shù)的基本調(diào)用語法為 :f -g =i m transfor m (g, tfor m, inter p 其中 , f -g 代表變換后輸出圖像 , g 代表待變換的圖 像 , tfor m 為一個(gè)指定變換類型的空間變換結(jié)構(gòu) TF OR M 變 量 , inter p 是一個(gè)

17、字符串 , 用來指明輸入像素怎樣插值來 獲得輸出像素 , 可以是 nearest (最鄰近像素法 , biline 2 ar (雙線性插值法 或 bicubic (雙三次插值法 , 默認(rèn) 為 bilinear 。 該函數(shù)將變換應(yīng)用于輸入圖像的每一個(gè)顏 色分量。3 基于 I PT 函數(shù)的遙感圖像配準(zhǔn)本例中所選定的圖像選自遙感圖像處理軟件 ER 2 9第 5期 梁洪有等 :基于 MAT LAB 圖像處理工具箱 I PT 函數(shù)的遙感圖像配準(zhǔn) DAS8. 7內(nèi) exa mp les 中美國(guó)亞特蘭大地區(qū)的兩幅圖像。一幅圖像是 s pot 衛(wèi)星傳感器的 10m 分辨率 1401×1301像素的全

18、色圖像 , 具有當(dāng)?shù)氐乩碜鴺?biāo)系統(tǒng) , 作為基準(zhǔn)圖 像 ; 另一幅是 landsat 衛(wèi)星傳感器的 30m 分辨率 512×512像素的多光譜圖像 , 無地圖坐標(biāo) , 作為待配準(zhǔn)圖像。為了 方便運(yùn)算 , 將兩幅圖像轉(zhuǎn)換為了 tif 格式 , 并且分別裁剪成 671×560像素和 256×256像素大小。具體圖像分別如 圖 1和圖 2所示。3. 1 將圖像讀入 M ATLAB 工作平臺(tái)中f =i m read ( p anatlanta_sub . tif ; subp l ot (1, 2, 1 , i m s 2 how (f ; %讀入并顯示基準(zhǔn)圖像g =i m

19、 read (t m atlanta_sub . tif ; subp l ot (1, 2, 2 , i m s 2how (g (:, :, 1:3 ; %讀入并顯示待配準(zhǔn)圖像雖然在顯示圖像時(shí)并不一定要將圖像讀入 MAT LAB 中 , 但是如果希望使用互相關(guān)性調(diào)節(jié)控制點(diǎn)的位置 , 那么 圖像必須位于 MAT LAB 工作平臺(tái)中。3. 2 在兩圖像中采集控制點(diǎn)對(duì)并保存控制點(diǎn)選擇工具同時(shí)僅支持一個(gè)顏色通道 , 即控制 點(diǎn)選擇工具只能接受灰度圖像 , 所以僅將待配準(zhǔn)圖像的 一個(gè)顏色分量傳遞給 cp select, 在提示符后鍵入以下語句 : cp select (g (:, :, 1 , f

20、;執(zhí)行該函數(shù) , 啟動(dòng)控制點(diǎn)選擇工具 , 觀察圖像 , ,MAT 2 LAB 的 工 作 平 集 制 時(shí) 應(yīng) 遵 循 以 下 原 則 1, 9, 10, 13:(1 , 既是兩幅圖 像中都能找到的標(biāo)記同名點(diǎn) , 比如線性地物的交叉點(diǎn)或 者拐點(diǎn)等 ; (2 選擇的控制點(diǎn)相對(duì)分散均勻 ; (3 控制點(diǎn)的 數(shù)量需適中 , 控制點(diǎn)太少會(huì)影響估計(jì)精度 , 太多則影響估 計(jì)速度。3. 3 指定所需變換類型和求解變換參數(shù)所選定的兩幅圖來自不同的傳感器 , 成像過程中傳 感器的透鏡組的透視畸變、 大氣折光、 地球曲率等是引起 圖像畸變的主要影響因素 , 且給定的基準(zhǔn)圖像具有當(dāng)?shù)?的地圖坐標(biāo)系。 所以 , 變換

21、類型選用 p r ojective (投影變 換 , 糾正待配準(zhǔn)圖像的幾何畸變的同時(shí) , 將其配準(zhǔn)到基 準(zhǔn)圖像的地圖坐標(biāo)系。tf or m =cp2tfor m (g, f, p r ojective ;執(zhí)行該函數(shù)后 , cp2tf or m 將變換類型和變換參數(shù)等信 息返回給變量 tf or m, 以備 i m transfor m 函數(shù)調(diào)用。3. 4 變換未匹配的圖像完成幾何變換和重采樣 調(diào)用 i m transf or m 函數(shù)時(shí) , 重采樣類型選用雙線性插 值方法。 定義 f -g 代表配準(zhǔn)后輸出圖像 , 則執(zhí)行函數(shù) i m transfor m 后 , 完成圖像的幾何變換和圖像重采樣

22、。 f -g =i m transfor m (g, tfor m, bilinear ;在該過程中 , 變換將應(yīng)用于輸入圖像的每一個(gè)顏色 分量。 圖 3是待配準(zhǔn)圖像配準(zhǔn)后的六個(gè)波段的合成的圖 像 , 從三幅圖像對(duì)比可見 , 配準(zhǔn)后的圖像與基準(zhǔn)圖像的方 向取得了一致。圖 1 待配準(zhǔn)圖像F i g . 1 unreg istered i m age圖 2 基準(zhǔn)圖象F i g . 2 ba se i m age圖 3 配準(zhǔn)圖像F i g . 3 reg istered i m age4 結(jié)束語作為遙感圖像處理和應(yīng)用的關(guān)鍵環(huán)節(jié) , 根據(jù)圖像的 特點(diǎn)和對(duì)圖像的不同應(yīng)用目的 , 可由多種實(shí)現(xiàn)方法實(shí)現(xiàn) 遙

23、感圖像的配準(zhǔn) , 例如 E NV I 和 ERDAS 等遙感圖像處理 軟件都可完成 , 但是根據(jù)具體操作實(shí)踐 , 比較起來 , 基于 MAT LAB 圖像處理工具箱 I PT 函數(shù)的圖像配準(zhǔn)則具有方 法簡(jiǎn)單靈活、 易于實(shí)現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn) , 在任務(wù)量小且對(duì)配準(zhǔn)精度 要求不高的情況下是一個(gè)很好的選擇。但是 , 基于點(diǎn)特 征的圖像配準(zhǔn)對(duì)控制點(diǎn)的選擇有較高的精度要求 , 本方 法中采用人機(jī)交互選擇控制點(diǎn) , 精度不夠穩(wěn)定 , 選點(diǎn)時(shí)應(yīng)01 測(cè)繪與空間地理信息 2008年 格外細(xì)心 ; 另外 , 雖然在選擇控制點(diǎn)過程中 MAT LAB 自動(dòng) 進(jìn)行亞像素分析 , 但是在配準(zhǔn)過程中對(duì)控制點(diǎn)的選擇和 最終的配準(zhǔn)精度

24、沒有定量的精度評(píng)價(jià) , 只能靠目視判讀 , 給遙感圖像定量應(yīng)用帶來不同程度的不確定性。所以 , 如果該方法實(shí)現(xiàn)能與 VC 的強(qiáng)大功能相結(jié)合 , 混合編程 , 并完成定量的精度評(píng)價(jià) , 將會(huì)充分發(fā)揮二者的優(yōu)點(diǎn) , 提高 圖像配準(zhǔn)的效率和精度。參考文獻(xiàn) :1 L. G . B r o wn . A survey of i m age registrati on techniquesJ . AC M Co mputer Surveys, 1992, 24, (4 :325-376.2 金星 , 馬艷華 , 舒嶸 . 遙感圖像的圖像配準(zhǔn)方法 J .紅 外 , 2004(2 :23-30.3 常學(xué)義 ,

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27、5.13 Bent out ou, Y . ; Taleb, N. ; Kpal m a, K . ; Ronsin, J . . An Au 2 t omatic I m age Registrati on f or App licati ons in Re mote SensingJ .I EEE Transacti ons on Geoscience and Re 2 mote Sensing, 2005, 43, (9 :2137.編輯 :李思宓 (上接第 7頁 4. 4 校園漫游動(dòng)畫制作,驗(yàn)才能等到理想的結(jié)果。,3DS MAX 環(huán)境下創(chuàng)建虛擬物體 , , 將攝影機(jī)的目標(biāo)及導(dǎo)入的小汽車同樣鏈接到虛擬物體上 , 跟隨其一起運(yùn)動(dòng) , 并在運(yùn)動(dòng)過程中調(diào)整鏡頭 , 使其符合人的視覺觀。 添加完成后 , 便可以進(jìn)行渲染動(dòng)畫 , 渲染動(dòng)畫需要很長(zhǎng)時(shí)間 , 因此在制作過程中盡量避免重復(fù)渲染。 具體過程如圖 6所示。圖 6 動(dòng)畫渲