數(shù)字影像特征提取課件

數(shù)字?jǐn)z影測量第四章數(shù)字影像與特征提取主要內(nèi)容§4.1數(shù)字影像采樣和重采樣★§4.2點(diǎn)特征提取算法§4.3線特征提取算法§4.4定位算子§4.1數(shù)字影像采樣和重采樣數(shù)字影像采樣影像重采樣理論核線的重排列（重采樣）主要內(nèi)容§4.1數(shù)字影像采樣和重采樣數(shù)字?jǐn)z影測量處理的原始資料是因此，影像的采樣與重采樣以及獲取所需要的影像特征是數(shù)字?jǐn)z影測量最基礎(chǔ)的工作。數(shù)字影像中，最明顯的就是影像的特征，

是影像分析和影像匹配的基礎(chǔ)。數(shù)字影像特征提取

數(shù)字影像或數(shù)字化影像

數(shù)字影像或數(shù)字化影像灰度值和灰度級影像的灰度值范圍：0.3－1.8mm，人眼的分辨率：0.2mm；為了便于分辨放大倍數(shù)，用0～255級別來表示；數(shù)字影像：為空間的灰度函數(shù)g（i，j），構(gòu)成為矩陣形式的陣列。

數(shù)字影像表達(dá)形式

頻率域傅立葉變化數(shù)字影像表達(dá)形式數(shù)字影像一般表達(dá)為空間的灰度函數(shù)，g（i，j）構(gòu)成的矩陣形式的陣列，此表達(dá)方式跟真實(shí)影像很相似；可通過變換把影像的表達(dá)由“空間域”變換到“頻率域”；空間域表示不同位置的灰度值，頻率域表達(dá)不同頻率中的振幅譜。傅立葉變換灰度函數(shù)表達(dá)影像的空間域，傅立葉函數(shù)表示影像的頻率域；（灰度值，振幅譜）；變化的原因：（1）壓縮了數(shù)據(jù)，利于存儲和傳遞（變換后矩陣數(shù)目不變，但數(shù)值很多為零值和很小的數(shù)值）；（2）影像的分析和處理，用頻率域更利于計算（空域卷積計算轉(zhuǎn)化為頻域乘積計算）。數(shù)字影像采樣采樣的原因：數(shù)字影像或者數(shù)字化影像信息量巨大，但不能對理論上每個點(diǎn)都獲取其灰度值；只能將實(shí)際灰度函數(shù)離散化，對相隔一定間隔的“點(diǎn)”量測其灰度值。數(shù)字影像采樣

采樣

對實(shí)際連續(xù)函數(shù)模型離散化的量測過程樣點(diǎn)

被量測的“點(diǎn)”稱為樣點(diǎn)小的區(qū)域--像素采樣間隔

樣點(diǎn)之間的距離（矩形的長與寬通常稱為像素的大小）

數(shù)字影像采樣影像采樣通常是等（√）或不等（×）間隔進(jìn)行；采樣間隔如何確定？答：采樣定理采樣定理(一維影像）采樣函數(shù)

灰度函數(shù)的特征：g（x）--G（f）灰度函數(shù)和采樣函數(shù)當(dāng)頻率f超出區(qū)間[-f1,f1]之外都等于零，變換對于任何有限的f1值有這種性質(zhì)，稱之為有限帶寬函數(shù)。f：截止頻率采樣函數(shù)采樣：間隔為△X的脈沖串組成的采樣函數(shù)乘以函數(shù)g（x）采樣函數(shù)的傅里葉變換為△f=1/△X脈沖串的函數(shù)采樣過程采樣過程在空域表現(xiàn)為：灰度函數(shù)與采樣的相乘：像元混淆混淆現(xiàn)象：進(jìn)行反傅立葉變換時，導(dǎo)致樣本無法正確分離。截至頻率固定不變，即波形大小不變。消除混淆只能改變采樣間隔大小。采樣定理fl為截止頻率

當(dāng)采樣間隔能使在函數(shù)g(x)中存在的最高頻率中每周期取有兩個樣本時，則根據(jù)采樣數(shù)據(jù)可以完全恢復(fù)原函數(shù)g(x)采樣定理Shannon采樣定理經(jīng)驗(yàn)值：采樣間隔最好是使在原函數(shù)g（x）中存在的最高頻率每周期至少取有三個樣本。影像重采樣理論為什么進(jìn)行影像重采樣？對影像進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，核線重排列與數(shù)字糾正時，需要的點(diǎn)可能并不是采樣點(diǎn)，需要根據(jù)采樣點(diǎn)內(nèi)插出新的點(diǎn)。核線重排列的原因：同名像點(diǎn)均位于同名核線上，進(jìn)行影像相關(guān)計算。影像重采樣理論

當(dāng)欲知不位于矩陣（采樣）點(diǎn)上的原始函數(shù)g(x,y)的數(shù)值時就需進(jìn)行內(nèi)插，此時稱為重采樣（resampling）不在采樣點(diǎn)影像重采樣方法數(shù)字影像采樣函數(shù)雙線性插值法卷積核是一個三角形函數(shù)11122122pYXy1y2aby1-yx1-xx2x1雙線性插值法示意圖雙線性插值法灰度卷積核雙線性插值法加權(quán)平均值雙三次卷積法卷積核可以利用三次樣條函數(shù)

雙三次卷積法雙線性內(nèi)插法，計算時只取了臨近四個像素，認(rèn)為權(quán)的大小跟距離有線性關(guān)系；雙三次卷積法，取周圍16個像素，并分別求其對重采樣點(diǎn)P的影響大小。p11121314213141222324323334424344Yx雙三次卷積法示意圖yx雙三次卷積法雙三次卷積法最鄰近像元法直接取與P(x,y)點(diǎn)位置最近像元N的灰度值為P點(diǎn)的灰度作為采樣值1234三種重采樣方法比較最鄰近像元法最簡單，計算速度快且能不破壞原始影像的灰度信息。但其幾何精度較差，。前兩種方法幾何精度較好，但計算時間較長，特別是雙三次卷積法較費(fèi)時，在一般值況下用雙線性插值法較宜。同名核線的確定與重采樣主要內(nèi)容

確定同名核線的兩種方法?基于影像幾何糾正的核線解折關(guān)系?基于共面條件的同名核線幾何關(guān)系核線的重排列（重采樣）核線的概念通過攝影基線與地面所作的平面稱為核面核面與影像面交線稱為核線同名像點(diǎn)必定在同名核線上。AS1S2l1a1a2l2同名核線基于影像幾何糾正的核線解折關(guān)系傾斜影像水平影像（人為）物面像面SS1S2攝影基線p0水平相片uvP傾斜影像xy焦距f示意圖v=某常數(shù)即表示某一核線

C=v在“水平”影像上獲取核線影像u=k采樣間隔uv核線的重排列（重采樣）

是否是采樣點(diǎn)？水平相片傾斜相片同名核線的v坐標(biāo)值相等同名核線的確定基于共面條件的同名核線幾何關(guān)系

直接在傾斜影像上獲取核線影像AS1S2l1a1a2l2s1s2PP’示意圖xyzuvw左核線的確定左核線的直線方程右核線的確定右核線的直線方程參數(shù)的確定單獨(dú)像對相對定向線性內(nèi)插示意圖????????????????????????????線性內(nèi)插核線y1k線性內(nèi)差最鄰近法n

＝1／tgK

核線的重排列（重采樣）

對每條核線而言K是常數(shù)

特征的提取與定位算法主要內(nèi)容

特征的提取?特征點(diǎn)的提取算法?特征線的檢測方法特征的定位算法點(diǎn)特征提取算法點(diǎn)特征主要指明顯點(diǎn)提取點(diǎn)特征的算子稱為興趣算子或有利算子

點(diǎn)特征的灰度特征圓點(diǎn)獨(dú)立點(diǎn)角點(diǎn)Moravec算子（最大最小法）

Moravec于1977年提出利用灰度方差提取點(diǎn)特征的算子

rc（1）計算各像元的興趣值IV（2）給定一經(jīng)驗(yàn)閾值，將興趣值大于閾值的點(diǎn)作為候選點(diǎn)。確定窗口大小Moravec算子步驟綜上所述，Moravec算子是在四個主要方向上，選擇具有最大――最小灰度方差的點(diǎn)作為特征點(diǎn)。（3）選取候選點(diǎn)中的極值點(diǎn)作為特征點(diǎn)。

Moravec算子Forstner算子

計算各像素的Robert’s梯度和像素（c，r）為中心的一個窗口的灰度協(xié)方差矩陣，在影像中尋找具有盡可能小而接近圓的誤差橢圓的點(diǎn)作為特征點(diǎn)。（l）計算各像素的Robert’s梯度Forstner算子步驟（2）計算ll（如55或更大）窗口中灰度的協(xié)方差矩陣

（3）計算興趣值q與w

DetN代表矩陣N之行列式trN代表矩陣N之跡

(4）確定待選點(diǎn)當(dāng)同時，該像元為待選點(diǎn)（5）選取極值點(diǎn)

即在一個適當(dāng)窗口中選擇最大的待選點(diǎn)線特征提取算子

線特征是指影像的“邊緣”與“線”“邊緣”可定義為影像局部區(qū)域特征不相同的那些區(qū)域間的分界線，而“線”則可以認(rèn)為是具有很小寬度的其中間區(qū)域具有相同的影像特征的邊緣對常用方法有差分算子、拉普拉斯算子、LOG算子等房屋的提取道路的提取線的灰度

特征一、微分算子1．梯度算子差分算子對于一給定的閾值T，當(dāng)時，則認(rèn)為像素（i，j）是邊緣上的點(diǎn)。

近似-11-11Roberts梯度算子-11-11方向差分算子

直線與邊緣的方向

Sobel算子考察它上下、左右鄰點(diǎn)灰度的加權(quán)差。與之接近的鄰點(diǎn)的權(quán)大：i,j-101-101-101-1-1-1000111Prewitt算子與Sobel算子-101-202-101-1-21-101-121加大模扳抑制噪聲Prewitt算子Sobel

算子二階差分算子1．方向二階差分算子i,ji,j方向二階差分算子i,j拉普拉斯算子（Laplace）i,j拉普拉斯算子（Laplace）卷積核掩膜

取其符號變化的點(diǎn)，即通過零的點(diǎn)為邊緣點(diǎn)，因此通常也稱其為零交叉（zero-Crossing）點(diǎn)

高斯一拉普拉斯算子（LOG）

首先用高斯函數(shù)先進(jìn)行低通濾波，然后利用拉普拉斯算子進(jìn)行高通濾波并提取零交叉點(diǎn)，高斯函數(shù)低通濾波邊緣提取高斯一拉普拉斯算子（LOG）

LOG算子以為卷積核，對原灰度函數(shù)進(jìn)行卷積運(yùn)算后提取零交叉點(diǎn)為邊緣

Sobel邊緣檢測算子比較結(jié)果RobertsPrewittCannyLaplacianofGaussianSobelRobertsPrewittCannyLaplacianofGaussian原始圖像Hough變換

用于檢測圖像中直線、圓、拋物線、橢圓等

圖像空間對于影像空間直線上任一點(diǎn)(x，y）變換將其映射到參數(shù)空間(，)的一條正弦曲線上圖像空間參數(shù)空間正弦曲線共線映射正弦曲線Hough變換步驟

對影像進(jìn)行預(yù)處理提取特征并計算其梯度方向.將(，)參數(shù)平面量化，設(shè)置二維累計矩陣H(i，j).邊緣細(xì)化，即在邊緣點(diǎn)的梯度方向上保留極值點(diǎn)而剔除那些非極值點(diǎn).對每一邊緣點(diǎn)，以其梯度方向?yàn)橹行?，設(shè)置一小區(qū)間[-o，+o].（，）取累計矩陣中備選點(diǎn)中的極大值點(diǎn)為所需的峰值點(diǎn)，即所檢測直線的參數(shù)。Hough變換

對累計矩陣進(jìn)行閾值檢測，將大于閾值的點(diǎn)作為備選點(diǎn).定位算子

數(shù)字影像上明顯目標(biāo)主要是指地面上明顯地物在影像上的反映，或者是數(shù)字影像自身的明顯標(biāo)志，例如道路、河流的交叉口、田角、房角、建筑物上的明顯標(biāo)志、影像四角上的框標(biāo)、地面人工標(biāo)志點(diǎn)等等Wong-Trinder園點(diǎn)定位算子

利用二值圖像重心對圓點(diǎn)進(jìn)行定位.利用閾值T＝（最小灰度值十平均灰度值）/2將窗口中的影像二值化.計算目標(biāo)重心坐標(biāo)（x，y）與園度r.內(nèi)定向p＋q階原點(diǎn)矩與中心矩

Wong-Trinder園點(diǎn)定位算子

當(dāng)r小于閾值時，目標(biāo)不是園；否則園心為（x，y）

Trinder

改進(jìn)算子算子受二值化影響，誤差可達(dá)0.5像素。

定位精度可達(dá)0.01像素，這種算法只對圓點(diǎn)定位

原始灰度Forstner定位算子

Forstner定位算子是攝影測量界著名的定位算子最佳窗口由Forstner特征提取算子確定以原點(diǎn)到窗口內(nèi)邊緣直線的距離為觀測值，梯度模之平方為權(quán)，在點(diǎn)(x,y)處可列誤差方程：Forstner定位算子

最佳窗口選擇

最佳窗口內(nèi)加權(quán)重心化

窗口內(nèi)像元的加權(quán)重心高精度角點(diǎn)與直線定位算子

梯度算子的誤差隨機(jī)誤差

Roberts梯度

梯度方向代替直線方向存在不容忽視的模型誤差，Hough變換等使用梯度方向的方法不可能達(dá)到很高的精度。數(shù)學(xué)模型高精度角點(diǎn)與直線定位算子

一維邊緣的成像為刀刃曲線線擴(kuò)散函數(shù)

影像的梯度

線性化誤差方程

其中

該平差模型不采用梯度的方向，而是采用梯度的模為觀測值

高精度角點(diǎn)與直線定位算子

a0,k0,0與0為參數(shù)的近似值Roberts梯度

高精度角點(diǎn)與直線定位算子