空间遥感红外与可见光图像快速配准算法研究

doi:174D79936EE2EE1C40B8DB23A03CDD4A

	空间遥感红外与可见光图像快速配准算法研究
	梁怀丹
学位类型	博士
导师	何斌
	2019-06-01
学位授予单位	中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所)
学位授予地点	中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所)
关键词	配准红外遥感图像可见光遥感图像二进制描述符边缘复杂度结构特征
摘要	图像配准是指将从不同传感器或者在不同时间获取的多幅图像,变换到同一坐标系下的过程。遥感图像配准是遥感图像信息利用的重要一步,是后续遥感图像处理的基础。随着传感器制造技术与工艺的日益成熟,传感器的重量、体积都在大幅缩小,在同一系统中集成多个成像传感器具备了可行性,可以同时获得多种数据资源。将获得的数据结合利用,可以有效地提高遥感图像的利用效率,使遥感资源发挥更大的作用,目前空间遥感图像在环境监测、军事侦察、灾害救援等多个领域发挥着重要作用。在遥感成像中,可见光与红外传感器成像机理不同,可见光传感器探测的主要是物体的反射光,现在的可见光图像一般分辨率较高,图像中物体的细节清晰,但是可见光传感器容易受到天气和光照度等自然条件影响;红外传感器利用物体热辐射原理成像,反映物体温度与材料信息,能够昼夜工作。所以将可见光传感器和红外传感器结合使用不仅可以增强场景信息间的互补性还可以满足全天时监测的需求。由于红外波段和可见光波段具有不同的光谱特性,同一场景的成像结果表现出较大的差异。并且因为遥感图像的特殊性,可能存在局部遮挡、光照变化等干扰因素,以及遥感图像数据量的急剧增加都使得红外与可见光遥感图像的配准非常具有挑战性。本文首先介绍了可见光与红外图像配准技术的意义,总结和分析了图像配准算法的研究现状与基本方法。针对可见光与红外遥感图像的成像特征,分析了二者的差异性和相似性,并对二者之间的配准算法展开了深入研究。主要研究工作如下:1.提出了一种基于二进制特征描述的快速图像配准算法。该方法可以提高灰度差异较小的遥感图像之间的配准速度,在设计之初便与硬件实现相结合,充分考虑了描述与匹配过程的具体硬件实现方法,在并行运算的基础上,直接采用二进制进行特征点描述与匹配使算法的处理过程快速高效。本算法采用FAST算法作为特征点提取算法,提出一种新颖的二进制描述与匹配方法,以特征点为中心构建极坐标系,将特征点邻域的圆周划分为若干扇形区域,再将每个扇形区间根据到圆心距离的不同划分为若干小采样区间,对同一扇形内小采样区间的像素亮度进行递归比较,并进行二进制编码,作为特征点的描述符。统计同一个扇形内相邻采样区间的亮度差值的累加和,作为特征点强度,差值的累加和最大的扇形代表的方向记为特征点的主方向,采用循环移位的形式进行关于主方向的归一化,从而解决图像旋转问题。与传统描述符相比,二进制描述符的计算过程更加简便。依据特征点强度筛选待匹配的特征点,也提高了算法的运算效率。采用循环移位的方式进行特征点主方向的归一化,同样降低了算法的复杂度。实验结果表明通过这种方式构建的描述符计算过程便捷,可以极大地提高配准速度,并且对图像旋转具有很高的鲁棒性。2.提出了一种基于边缘复杂度的红外与可见光图像配准算法。为了抑制红外与可见光图像之间因分辨率以及灰度差异造成的特征点描述差异,将图像转换到频域,将获得的边缘一致性响应函数值转换为图像进行配准。因为基于相位一致性的边缘提取算法得到的边缘与人眼的视觉效果基本一致,一定程度上抑制了红外与可见光图像的差异,因此获得的边缘图像只存在分辨率与局部亮度的差异。然而由于分辨率与局部亮度的差异,导致边缘图像中纹理丰富的局部区域存在特征点密集却又无法正确匹配的问题。为了进一步提高配准算法的正确率与效率,提出了一种计算图像复杂度的方法,以屏蔽复杂区域,不进行特征点提取,减少了因红外与可见光图像的分辨率和灰度差异导致的特征描述存在较大差异的特征点对。实验结果表明,提出的基于边缘复杂度的图像配准算法,有效的抑制了红外与可见光图像之间的差异,减少图像中部分无效特征点,极大地降低了特征提取与匹配过程的运算时间,提高了算法的鲁棒性与正确率。3.提出了一种基于全局结构特征的可见光与红外图像配准算法。该算法基于特征点之间的相对分布结构进行特征点描述,并不依赖于特征点邻域灰度,从而可以减小图像之间的灰度差异带来的影响。通过优化的SURF算法对两幅图像进行最大兴趣强度点的提取,保证提取的特征点在两幅图像中的重复度,可以提高算法的正确率。以得到的最大兴趣强度点为原点构建极坐标系,根据其余特征点在极坐标系中的位置,对特征点进行二进制编码描述及匹配。该算法通过特征点的全局结构关系进行描述符的构建,不仅解决了可见光与长波红外之间的灰度差异造成的配准困难,并且继续发挥了二进制描述符运算复杂度低的优势。以及采用循环匹配的方式,使算法的旋转性能具有很高的鲁棒性。实验结果表明通过这种方式构建的描述符提高了配准速度,完成了灰度以及分辨率存在较大差异,同名点重复率低的长波红外与可见光遥感图像的配准。4.设计了能够实现红外与可见光图像配准算法的嵌入式系统。针对工程中红外与可见光图像快速配准的需求,对图像配准算法进行嵌入式系统移植,采用“FPGA+双DSP”的方案,完成了从图像采集-配准-拼接图输出的过程。其中FPGA进行图像的采集,然后将可见光图像与红外图像分发给两片DSP芯片进行特征点的提取与描述,然后将特征点描述符返回给FPGA进行匹配。得益于嵌入式系统强大的并行处理能力,实现了快速图像配准的目的。
页数	138
DOI	174D79936EE2EE1C40B8DB23A03CDD4A
语种	中文
引用统计
文献类型	学位论文
条目标识符	http://ir.ciomp.ac.cn/handle/181722/63848
专题	中科院长春光机所知识产出
推荐引用方式 GB/T 7714	梁怀丹. 空间遥感红外与可见光图像快速配准算法研究[D]. 中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所). 中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所),2019.

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