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针对常规相对辐射校正方法对未配准的主从图像对校正效果欠佳的问题,在分析了辐射畸变图像的成因与特点以及相对校正的优势之后,提出了一种基于SIFT特征匹配的相对辐射校正算法。从SIFT特征的不变性出发,分别提取主从图像对的SIFT特征并进行匹配,对匹配点的灰度值进行最小二乘回归分析,得到线性变换系数,最后通过线性变换得到校正结果。实验结果表明,此方法能够有效地减小未配准主从图像对之间的辐射差异,并在复杂光照环境下的光流场计算中得到成功的应用。
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第
6
卷第
6
期
2011
年
12
月
智能系统学报
CAAI Transactions on Intelligent 5ystems
doi: 10. 3969/j. issn.
16734785.2011.06.
∞
5
SIFT
特征匹配的辐射畸变图像
相对校正新方法
周可,秦世引
(北京航空航天大学自动化科学与电气工程学院,北京
1
∞
191
)
Vo
1.
6
No
.6
De吧
.2011
摘
要:针对常规相对辐射校正方法对未配准的主从图像对校正效果欠佳的问题,在分析了辐射畸变图像的成因与
特点以及相对校正的优势之后,提出了一种基于
SIFT
特征匹配的相对辐射校正算法.从
SIFT
特征的不变性出发,分
别提取主从图像对的
SIFT
特征并进行匹配,对匹配点的灰皮值进行最小二乘回归分析,得到线性变换系数,最后通
过线性变换得到校正结果.实验结果表明,此方法能够有效地减小未配准主从图像对之间的辐射差异,并在复杂光
照环境下的光流场计算中得到成功的应用.
关键词:未配准主从图像对;尺度不变特征变换;特征匹配;相对辐射校正;光流场
中图分类号:TP7
51
文献标识码
:A
文章编号:
16734785 (2011 )
06
-0
507
-0
8
A novel method for relative correction of
a radiometric distortion image based on SIFT feature matching
ZHOU
Ke
,
QIN
Shiyin
(School
of
Automation
Science and Electrical
Engineeri
吨.
Beihang
University.
Beiji
吨
1
∞
191.
China)
Abstract
:
In
view
of
the
issue
of
traditional relative radiometric correction methods not
being
able
to
handle
the
effects
in
dealing
with unregistered master-slave image couples, systematic analysis
of
formation
causes
and
radio-
metric distortion image characteristics was
Cat
甘
ed
out
and
the
advantages
of
relative corrections were investigated.
Therefore
, a novel relative radiometric correction method was proposed
based
on 51FT feature matching.
Depending
on
their
feature
invariance
,
the
51FT features
of
the
master-slave image
couple
were extracted
and
matched
first ,
and
then
the
le
喝吼叫
U
缸
'e
regression was employed to analyze
the
gray values
of
the
matching points
in
order
to ob-
tain
the
linear
transformation coefficients. Finally
the
correction result was
achieved
through
the
linear
transforma-
tion
of
the
slave image. A series
of
experimental
results show
that
the
radiometric differences between
the
unregis-
tered
master-slave image couples may
be
effectively
reduced
by
using this method.
In
addition, this method
has
been
successfully
applied
in
the
calculation
of
an
optical flow field
under
complex light environments.
Keywords
:unregistered
master-slave image
couple;
scale-invariant
feature transform; feature
matching;
relative
ra-
diometric
correction;
optical flow field
辐射畸变是指传感器在接收来自目标的电磁波
辐射能时,由于电磁波在大气层中传输和传感器测
量中受到传感器本身特性、光照条件等因素的影响,
导致传感器测量值与目标实际的光谱辐射率不一
致[叫的现象.实际成像过程中,普遍存在着由于光
收稿日期
:2011
-0
7
-0
7.
基金项目:国家自然科学基金资助项目(
60875072)
;北京市自然科学
基金资助项目
(4112035)
;中澳国际合作资助项目
(2007DFA11530)
.
通信作者:周可.
E-mail:fr
回
hawkzk@
126.
COffi.
照条件等原因引起的不同时相图像间存在辐射畸变
的现象.辐射畸变的存在导致许多图像不能应用于
图像识别、目标检测与跟踪中,为了更好地利用目标
在不同时相图像上的信息,需要对多时相图像进行
辐射校正.
辐射校正是指消除同一目标在不同时相图像之
间辐射畸变的过程
[3J
目前,辐射校正方法主要分
为绝对辐射校正和相对辐射校正两大类.
绝对辐射校正方法处理时需要利用图像获取时
.508.
智
能
系
的一些参数(例如大气能见度、太阳天顶角和传感
器标定参数等)
,获取这些参数代价昂贵,尤其对于
部分历史存档数据,获取这些参数更是不可能的.由
于绝对辐射校正时需要图像获取时的参数,所以一
部分卫星或航空摄影设备能够在获取图像时通过传
感器记录太阳天顶角等参数,将这些参数一起传回
地面保存,为图像的绝对辐射校正准备数据.
相对辐射校正是将一幅图像作为参考图像(基
准图像或主图像)
,调整待校正图像(从图像)的灰
度值,使得
2
幅图像上同一目标具有相同或相近的
灰度分布.主图像与从图像组成一组主从图像对.相
对辐射校正操作简单,且不需要图像获取时的参数.
如何从不同时相的图像中准确确定同一目标的位置
是相对辐射校正中的一个挑战性问题.针对这一问
题,目前的解决途径是通过将主从图像对进行精确
的几何配准,然后通过图像之间的坐标关系来确定
目标位置.当主从图像对之间的几何配准精度偏低
或未进行几何配准时,常规的相对辐射校正算法在
扩大或缩小从图像的灰度分布范围的同时,会导致
图像的直方图与主图像直方图有较大差异,从而导
致校正效果变差.
由
51FT
特征
[4J
的不变性可知,
2
幅图像上
51FT
特征的匹配点在实际场景中为同一点.因此,可以通
过
51FT
特征提取与匹配来确定不同图像中同一目
标的位置.本文提出了一种基于
51FT
特征匹配的相
对辐射校正算法,首先通过对主从图像对进行
51FT
特征提取与匹配来进行样本点选择,再利用这些样
本点进行线性相对辐射校正.
辐射畸变图像的成因和特点
成像过程中,输出亮度值是传感器对进入传感器
的辐射能量的响应.通常,传感器正常工作在线性区,
即输出亮度值与进入传感器辐射能量成正比关系.
1. - L….-
DN
=正
72;DL
式中
:DN
表示传感器的输出亮度值,
DN
皿表示传感
器最大输出亮度值
,
L
,
表示进入传感器的辐射值,
L
min
表示传感器能够做出响应的最低辐射值
,
Lm
a:x
表
示传感器的饱和辐射值.
在成像过程中,传感器接收到辐射能量主要有
3
种途径:
1)
光源发出的辐射能量经过目标表面反
射之后进入传感器
;2)
部分辐射能量经过多次散射
之后通过目标反射进入传感器
;3
)部分辐射能量不
经过目标反射直接进入传感器如图
1
所示.
统
学 报
第
6
卷
普每
人射辐射能量
E()
大气层
叮叮
iijjjjjjjjjjjjjjjjjjjj
注
:ι
目标表面反射卒
R
图
1
辐射畸变的成国
Fig.
l The
fo
口
wtion
倒JSe
of radiometric
disωdion
由于散射和吸收等原因,光源发出的人射辐射
能量
E
。在照射到目标表面之前的传播过程中会发
生衰减,在目标表面发生漫反射之后,进入传感器之
前也会发生衰减.因此,有由光源发出的经过目标表
面反射之后进入传感器的辐射能量:
L
1
=
RT
",
E
o
T
o
5cos
().
式中
:L1
表示进入传感器的辐射能量
,
R
表示目标
表面的反射率,
5
表示与系统有关的系数,。为人射
角
,
T
o
为与人射角有关的透过率
,
T
",
为与反射角有
关的透过率
,
E
。为人射的辐射能量.
部分辐射能量
E
D
经过散射之后通过目标反射
进入传感器,用
L
2
表示.
L
2
=
RT.
伊
5E
D
•
除了上述
2
部分辐射能量之外,还有部分辐射
能量不通过目标反射而直接进入传感器,这部分能
量通常称为程辐射,用
ι
表示.
因此,进入传感器的总辐射能量:
L, = L
1
+ L
2
+
ι=
RT
",
EoTo5cos
()
+
RT
",
5E
D
+
ι.
在
2
个不同时相上获取图像时,
L'1
=
RT.
抖
E
Ol
T
冽
51
COS
()1
+
RT
",
1 51 E
Dl
+ι1
,
L'2
=
R
T,
ρ
E02
T
1f2
5
2
cos
()2 +
R
T,
伊
ß2
E
m
+
1.
ρ.
(1)
式
(1)
经过变换,可以得到
jι1
与
L'2
的关系如下:
L'2
α
L'1
+
β.
T
oEmT
d)
5ocos
()o
+
T_
o
5
o
Em
式中
:α
---'p1.
山町
L.~~~
"1.
.
-fPL.~L.
川
-TJJ
剧
s;ω80;+TAE;
,
β
=
L
ρ
α
L
p1
'
在不同时相获取图像时,除了目标表面反射率
R
能够保持基本不变之外,其余参数都有可能发生
变化,从而导致目标上同一点在不同时相图像上亮
度不一致,造成辐射畸变.
从辐射畸变图像的成因可以看出,在考虑环境光
照变化引起的辐射畸变时,对于不同时相的辐射畸变
图像,由于相对运动的原因,同一物体上同一点的坐标
关系会比较复杂,但是其灰度值满足线性关系.
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