论文研究-一种新的基于多特征的图像自动配准技术.pdf

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提出了一种新的基于多特征的图像自动配准技术。该方法使用不变矩对图像中的区域进行匹配,然后利用匹配区域的区域标记寻找大尺度上的特征点作为控制点进行初始配准,进而在此基础上指导改进链码的方法对开放边缘进行二次配准。最后根据所得到的控制点构成的超定方程组利用最小二乘拟合的方法得到配准参数。经过实验证明该算法能够达到亚像素级的配准精度,并且适用于不同传感器图像以及同传感器同波段或不同波段图像之间的精确配准。
2230 计算机应用研究 第25卷 点作为候选显著点。 进行平滑。标准 Freeman链码和改进 Freeman链码的对比如 b)若在一定范围之內如10点之人出现两个或多个显著图2所示。其中:(a)和(b)为两条山线,(c)和(d)分別为对 点;则祧选显莘率最大的一个为显著点。 应的标准链码,(e)和(f)为对应的改进链码 0.9 0.9 0.7 04008012001600 0400800 (a) (b)图a)对应区域标记 (d)图(c)对应区域标记 图1区域俪记 在显著点挑选完毕后,下一步工作就是在丹一区域的区域 100200300400 300 标记屮找到对应的显著点。同样计算这一区域标记各点的显 0 著率;由于这两个区域标记已经进行了匹配,它们匹配的对应 20 点在整个曲线的位置应该是大致相当的。根据上一步已经挑 选出的显著点,分别计算它们在整个曲线的位置比例,然后分 01002003004000 100 別在另一个区域标记由线的对应比例位置附近一个小的范围 内搜东。如果有显著点,则作为匹配点;若找不到显者点,则认 图2政进链码的表示 为无匹配 假设边缘A祓表示为N4点的链码{a,}边缘B被表示 算法进行到这一步,已经得到了各个匹配区域的质心以及为Na点的链的tB》。边象A自k点开始和边缘B由点井 匹配区域轮廓上的显著点作为控制点。根据这些控制点可以始的n点片断的相似性测度D定义如下: 计算岀初始变換模型的参数。为了简化计算,采用」以下变换 =1/n>co/(ak+-b/+) 模型 其中:k+=k+,mdNA4-1/mak+DmdM:0≤r<n (7) cos6sinθ/X sin e Cos0 Y △Y b/+i=b(l+i) mod NB-1/n b+ mod NBi0<i<n 其中:(XY)是某像素变换前的坐标,(XY)是变换后的新 余弦函数用来确保D≤1。当D=1时,表小两边缘完 丛标;S是变换的尺度因子;是变换的旋转因子;ΔⅩΔ丫分别 全匹配 是变换的水平及乖直方向的平移因子。实战证明这种变换模 在算法实际应用中,首先利用区域配准中得到的尺度比例 型的近似还是比较精确的,尤其是在星载遥感即地表变化程度 因子重釆样待匹配边缘。在对待匹配边緣进行匹配时,并不进 对于传感器到地面距离较大的情況下述是比较令人满意的 行全图搜索;而是根据区域配准屮得到的变换模型计算和这一 3区域配准指导下的开放边缘的配准 边缘相匹配的边缘曲线的可能位置,然后在一个小范围内搜 索,这样既人幅度地减少了计算量,同样也很人程度地降低了 3.1利用改进 Freeman链码进行开放边缘曲线匹配 误匹配。两条边缘可能整体完全匹配,也可能其屮一条与另 为了应对!有史复杂局部畸变的图像配准,需要获得更条的部分匹配,还有可能其中一条的部分与另一条的部分匹 多的控制点以提高配冼精度。笔者进一步采用开放边缘配配,因此運常把较长边缘同定,将较短边缘从“点开始,逐点滑 准的方法,由于图像屮提取岀的边缘往往较多且较为复杂,动来与较长边缘进行匹配计算。相似性测度是滑动点k的 传统的边缘配准方法需要进行仝图搜索,计算量很人;而且维函数。由于使用了尺度比例因子,而且由定义公式可见相似 误匹配率较高。因利用上一步区域配准结果指导廾放边缘性侧度D是对均值归一化的,此方法可以达到尺度和旋转不 配准的进行。 变的效果 在算法的预处理步骤已经利用Cany算子提取了图像的3.2寻求匹配边缘上的控制点 边缘,去除小于定长度的边缘和闭合边缘,只保留较长的开 在得到匹配的边缘曲线片断对之后,接下米的工作就是寻 放边缘,然后利用文献[911中的一种改进的 Freema链码找控制点,即边缘上的一些几何显著点。这些几何显著点如角 进行廾放边缭匹配。首先对边缘进行跟踪得到8连接 Freeman其是可以从链码中检测到的。对于一个长度为n的改进链码 链码a1a2…an改进 Freeman链码如下 {a},定义其第点的山率为 c=,m{ma-1-a+;la--a;-1|}} (9) b=q;(i=2,3,…n) 其中:σ是边缘提取当中用到的高斯滤波器的标准差参数。 其中:q为使(q-a;)m8=0的墼数,并且同时使1-b.1边缘上的一个点被选做控制点的条件如下: )c,≥T 改进的链码使原先链码更加光滑,如{和0070…}就会变 b)c;≥ck;k∈[i-p1+p 成{787878…},并且当曲线旋转时,除了链码均值变化外,链其中:丁是成为显著点的最低可接受曲率阂值;P是显著点之 码形状基本不变。为了减小采样间隔的干扰,再进一步对改进间允许的最小间距。然后使用显著点邻域的边缘曲线片断作 后的链码使用五点高斯滤波器{0.10.20.40.20.1}为一维模板去搜索另一图像中的相应匹配.。 第7期 杨猛;等:一种新的基于多特征的图像自动配准技术 2231 为了防止误匹配,最后还要进行一致性检验。利用区域配 表1实验1部分控制点 准屮得到的变換模型参数,分別对迒缭山线匹配屮得到的控制 波陵1 波段2 挖制点 点对进行计算,将控制点对的其中一个点的坐标代入变换模型 X y 中计算出的新坐标应该是与这控制点对的另个点大致相 513.05 664.93 1175.9 当的。如果两者之间偏差人于一个预设阈值,那么认为这一控 552.52 413 567.73 398.45 制点对为误匹配并将其剔除。 178.45 318.1 53.727 368.83 最后根据区域配准和边缘配准所得到的所有控制构成 好料 319.27 315.6 237.D8 329.4 的超定方程組利用最小二乘拟合的方法得到仿射变换模型参 410.99 数。其中仿射变换模型为 593.21 172.04 690.38 46.175 11 (10)4.2不同传感器遥感图像配准实验 其屮:(XY)是某像素变换前的坐标;(X,Y)是变换后的新 图4(a)为光学图像,分辨率为1m尺寸为670×431;(d) 坐标;其佘均是衍射变换模型的模型参数。 为红外图像分辩率为5m尺寸为402×624;(b)(e)为对应 的匹配区域图像;(c(f)为对应的匹配开放边缘图像。实验2 4图像配准实验 部分控制点如表2所示。 4.1不同波段遥感图像配准实验 图像尺寸分别为1253×1226和1260×1227。图3(a (b)是原图,进行区域提取并易除过小区域后如(c)(d)所示 检测到开放边缘并剔除过短边缘后如(g)(i)所示;利用不变 (a)光学原图像 (b)a的匹配区城(c)图〔a)的匹配边缘 矩进行区域匹配并通过一致性检验后得到匹配区或,如(e) (f)所小。利用改进的区域标记分别检测两者匹配区域的大尺 度上的几何显著点,再加上匹配区域的质心构成一系列控制点 焦,并由此得到初始的变换模型;接下来,利用初始变换模型指 导基于改进链码的边缘匹配可得到匹配边缘(图3(h)(j); 然后利用边缘曲率模型寻找匹配边缘上的人曲率点作为控制 点;最后将这些控制点也加入区域配准过程中得到的控制点集 中构成新的控制点集并进行最小二乘拟合求取最终仿射变换 (d红外原图 (e)图(d的四配区域 (f图(d)的匹配边缘 模型的参数 实验1部分控制点如表1所示(由于得到的控点较多, 图4实验2不同传感器图像配准 最后分別对两次实验所用图像进行于工配准,并且对本文 两次实验仅列出区域配准屮得到的部分区域的质心控制 算法和手工配准的RME进行比较,如表3所示。 点)。 表2实验2部分控制点 光学图像 红外图像 控制点 1 392.05 70.558 359.81 168.96 86.16 183.81 234.47 390.45 (a)波段1原图 (b)波段2原图 278.39 207.15 226 237.5 表3配准精度比较 实验 手二配准方泛 提的本文算法 实验1RMSE 0.50473 0.19534 实验2RMSE 1.3888 0.99398 山表3可以看出,本文提出的算法在两组实验中都比手工 a)波段1提取的区()波鬟2中提取的区域(c)四卧的区域 d)四酚的民域 配准的方法显示了更好的精度;在存在较大程度几何变化的不 同波段以炇不同传感器遥感图像配准中均达到∫亚像紊级的 配准精度 5结束语 本文提出了一种利用多层特征,即区垭特征和开放边缭特 (g)波段1中提取的较 h)匹配的边纷(i)段1中提取的较长5j)匹配的边缘 长的开放边绿 的开放边缘 征并以区域特征配准指导开放边缘特征配准的“和图偬配准 图3实验1不同波段图像配准 方法。与传统算法相比,该方法有以下特点:(下转第2240页) 2240 计算机应用研究 第25卷 4结束语 针对AVS在DsP应用中存在的运动搜东计算复杂、存储 量大等不是,本文提出了一种新的基于双线性插值的快速子像 素运动搜索算法,大大降低了算法复杂度。实验结果证明,该 算法在保证编码性能的前提下能有效提高编码速度,降低算法 复杂度,对图像的质量影响很小,适合基于DP硬件平台实时 a)mn52i编码后解码图像 山)加人快速算法猴码后的解码图像 AVS枧频编码。该算汰已成功应用钊基于AVS编他的TI 仲算法编码后的鮮妈图像 TMs30DM64273}硬仵平台实时视频监控系统中。在其他嵌 表2中的快速算法分为A和B两种。其中:A算法是在入式系统平台的实时视频监控中,也具有很强的实用性。 AVS标准提供的m2i编码器屮仅加入双线性插值;B算法是 在mb2i编码器屮加入双线性插值和子像素的快速搜素算法 参考文献 从表2的实验结果可以看出,快速算法相比原算法平均码长增 [1 udio Video coding standard workgroup of China. Information tech- 长了5%^7%,峰值的信噪比下降」0.2~0.5dB,平均搜索 ology - advanced codi ng of audio and video-part 2: video( Draft) [S].200 次数减少了40%-50%。 [2]严眀,胡国荣.AⅤS视频标准中的分像素插值算法设计[〕.中国 表2原算法和快速算法编码性能的比较 传媒大学学报:自然科学版,2006,13(4):44-48. 低率/khps 峰值信噪比(FNR [3]方延龙,周军.H.264的分数像素内插的快速算法[J].计算机工 测试序列⑧P原算法快速算法原算沽快速算法原算法速算 程,2006,32(1):218-223 39.2339.21502430650.55 [4 LIU Long, HAN Chongzhao, BaI Yan. A new adaptive fast motion hall cif30480.54504.550963.7338 c2430404.85 estimation algorithm based on local moti on similarity degee( LMSD) 32327.3313.9319.123.85375137.485702432414.83 J]. Progress in Natural Science, 2005, 15 (12): 1126-1134 28540. 09 572. 40 588.35 38.10 37.73 37. 70 57024 30792.42[5] ZHU Shan, MA K. A new diamond search al garithm for fast block substation30345.04365.737n23.283B237. 430977.81 matching motion estimation [J]. IEEE Trans on Image Proces 22.37245.92249613.433.013.950244318.27 sing,2000,9(2):287-290 283. 14 4076. 16 36.99 36.50 36.43 57024 15 [6] ZHU C, LIN X, CHAU L P. Hexagon-based search pattern for fast Css丈re317.55280.19280383.83.33.30570243078 block motion estimation[ J. IE E Trans on Circuits and Systems 321855.781985921991.6934.7534.2734.22570243057.4 for Video Technology, 2002, 12(5): 349-355 图2给出了两种算法在PP为28时编码后解码的图像。[7]T.TMs320DM642do/ maging fixed point digital signal processor 可以看出,芮者的主观质量相当,而快速算法复杂度较原算 [R].2002 法有大幅下降,降低∫硬件实现难度,冇利于在DSP上的实[8]T. Image processing example using the tms20064 K Image/da 现 processing library IMGLiB)[r]. 2003. (上接第2231页)a)比其他配准方法史充分地利用了图像区域轮 Remote Sensing Symposium. Espoo, Finland: sn], 1991: 1075- 廓上存在的显著特征点;b)巾于加入了一致性检验,并在进彳 1078 边缘配准时,允分利用了前一步区域配准的指导,极大地降低了 [7 FLUSSER SUK T. A moment-based apprcach to regstration of 误匹配率,并且大嘱度缩小了梗索范围,算法效率也人人提升; images with affine geometric distortion[ J]. IEEE Trans on Geos ci C)可以适用于不同波段,甚至不同传感器,即不致特往较多的 Remote Sensing 1994 32(2): 382-387 图像间配准;d可以适用于图像之间存在有较大几何变化的情 [8 HU MK. Visual pattern recognition by moment invariants[J].IEEE Trans on Inform Theory 1962, IT8(2): 179-187 况;通过多源图像的配准实验验证了本文算法的有效性 [9 LI H. A contour-based approach to multisensor image registration 參考文献: [J.IEEE Trans on Image Processing, 1995, 4(3: 320-334 [1 ROWN L G. A survey of image registration techniques[ J]. Com [10] DAI Xiao-ang, KHOR RAM S. A feature-based image registration al put Surv,1992,24(4):325-376. gorithm using improved chain-code representation cambined with in- [2] FONSECA L MG, MANJU NATH B S. Registation techniques fo variant moments [J]. IEEE Trans on Geosci Re mote Sensing multisensor remmel y sensed imagery[J]. Photo gram m Eng Re 1999,37(5):2351-2362. mote sens j,1996,62(9):1049-1056 [11]牛力不,毛士艺;陈炜,一种基于长边缘相关和一致性检测的多传 [3] HEATH M, SARKAR S, SANOCKI T, et a/. Comparison of edge de 感器图像配准方法[].信号处理,2005,21(2):115-119 tenors: a methodd agy and initial study c]//Proc o IEEE Conf on 12] GONZALEZR C. 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