數(shù)字影像及特征提取

1、Photogrammetry & Remote Sensing-Surveying & Mapping EngineeringPhotogrammetry,2004Photogrammetry,2004 數(shù)字?jǐn)z影測量是基于數(shù)字?jǐn)z影測量是基于數(shù)字影像數(shù)字影像與與攝影測量攝影測量的基本原理，應(yīng)用的基本原理，應(yīng)用計(jì)算機(jī)技術(shù)、數(shù)字影像處理、影像匹配、模式識(shí)別等多學(xué)科的計(jì)算機(jī)技術(shù)、數(shù)字影像處理、影像匹配、模式識(shí)別等多學(xué)科的理論與方法，提取所攝對(duì)象用數(shù)字方式表達(dá)的理論與方法，提取所攝對(duì)象用數(shù)字方式表達(dá)的幾何幾何與與物理物理信息信息的攝影測量學(xué)的分支學(xué)科。的攝影測量學(xué)的分支學(xué)科。 Softc

2、opy photogrammetry(U.S.A),full digital photogrammetry(China) 利用計(jì)算機(jī)對(duì)數(shù)字化影像或數(shù)字影像進(jìn)行處理，由計(jì)算機(jī)利用計(jì)算機(jī)對(duì)數(shù)字化影像或數(shù)字影像進(jìn)行處理，由計(jì)算機(jī)視覺（視覺（Computer Vision）（其核心是影像匹配與影像識(shí)別）（其核心是影像匹配與影像識(shí)別）來代替人眼的立體量測與識(shí)別，完成影像幾何與物理信息的來代替人眼的立體量測與識(shí)別，完成影像幾何與物理信息的自動(dòng)提取。自動(dòng)提取。 此時(shí)，不再需要傳統(tǒng)的光機(jī)儀器與傳統(tǒng)的人工此時(shí)，不再需要傳統(tǒng)的光機(jī)儀器與傳統(tǒng)的人工操作方式，而是自動(dòng)化的方式，處理的是數(shù)字影像操作方式，而是自動(dòng)化的方

3、式，處理的是數(shù)字影像 數(shù)字?jǐn)z影測量部分?jǐn)?shù)字?jǐn)z影測量部分Photogrammetry & Remote Sensing-Surveying & Mapping EngineeringPhotogrammetry,2004Photogrammetry,20041S2S1X1Y1Z2X2Y2Z1a2aXBoOXOJIIJ),(),(:),(),(:2222211111yxJIayxJIaPhotogrammetry & Remote Sensing-Surveying & Mapping EngineeringPhotogrammetry,2004Photogramm

4、etry,2004 全數(shù)字?jǐn)z影測量的主要內(nèi)容包括全數(shù)字?jǐn)z影測量的主要內(nèi)容包括：方位參數(shù)的解算、沿：方位參數(shù)的解算、沿核線重采樣、影像匹配、解算空間坐標(biāo)、內(nèi)插數(shù)字表面模核線重采樣、影像匹配、解算空間坐標(biāo)、內(nèi)插數(shù)字表面模型（型（DSM）、自動(dòng)繪制等值線、通過數(shù)字糾正產(chǎn)生正射影）、自動(dòng)繪制等值線、通過數(shù)字糾正產(chǎn)生正射影像及生成帶等值線的正射影像圖。像及生成帶等值線的正射影像圖。 混合數(shù)字?jǐn)z影測量混合數(shù)字?jǐn)z影測量：對(duì)要進(jìn)行量測的局部影像進(jìn)行數(shù)字化，：對(duì)要進(jìn)行量測的局部影像進(jìn)行數(shù)字化，由數(shù)字相關(guān)匹配獲得點(diǎn)的空間坐標(biāo)。由數(shù)字相關(guān)匹配獲得點(diǎn)的空間坐標(biāo)。 全數(shù)字?jǐn)z影測量全數(shù)字?jǐn)z影測量（軟拷貝攝影測量：（軟拷貝

5、攝影測量：softcopy photogrammetry）：）：處理的是完整的數(shù)字影像，若原始資料是像片，則要對(duì)影像處理的是完整的數(shù)字影像，若原始資料是像片，則要對(duì)影像進(jìn)行完全數(shù)字化。利用傳感器直接獲取的數(shù)字影像可直接進(jìn)進(jìn)行完全數(shù)字化。利用傳感器直接獲取的數(shù)字影像可直接進(jìn)入計(jì)算機(jī)，或記錄在磁帶上，通過磁帶機(jī)輸入計(jì)算機(jī)。入計(jì)算機(jī)，或記錄在磁帶上，通過磁帶機(jī)輸入計(jì)算機(jī)。Photogrammetry & Remote Sensing-Surveying & Mapping EngineeringPhotogrammetry,2004Photogrammetry,2004第四章第四章

6、數(shù)字影像與特征提取數(shù)字影像與特征提取一、一、 數(shù)字影像采樣與重采樣數(shù)字影像采樣與重采樣：二、二、核線與核面的基本概念核線與核面的基本概念三、三、核線重采樣核線重采樣四、四、點(diǎn)、線特征的提取與定位（點(diǎn)、線特征的提取與定位（簡介簡介）Photogrammetry & Remote Sensing-Surveying & Mapping EngineeringPhotogrammetry,2004Photogrammetry,20044.1 數(shù)字影像及數(shù)字影像重采樣數(shù)字影像及數(shù)字影像重采樣 一、數(shù)字影像采樣一、數(shù)字影像采樣 數(shù)字圖像是指能夠被計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)、處理和使用的圖像。數(shù)字圖像是指

7、能夠被計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)、處理和使用的圖像。 影像數(shù)據(jù)的表示既有光學(xué)圖像（影像數(shù)據(jù)的表示既有光學(xué)圖像（模擬量模擬量）也有數(shù)字圖像）也有數(shù)字圖像（數(shù)字量數(shù)字量），二者可轉(zhuǎn)換。），二者可轉(zhuǎn)換。 數(shù)字量與模擬量的本質(zhì)區(qū)別在于模擬量是數(shù)字量與模擬量的本質(zhì)區(qū)別在于模擬量是連續(xù)變量連續(xù)變量而數(shù)而數(shù)字量是字量是離散變量離散變量。Photogrammetry & Remote Sensing-Surveying & Mapping EngineeringPhotogrammetry,2004Photogrammetry,2004)1,.1 , 0()1.,1 , 0(00 mjyjyynixixx 影

8、像數(shù)字化影像數(shù)字化1、空間采樣、空間采樣),(00yxo像元（像元（pixel）x y Photogrammetry & Remote Sensing-Surveying & Mapping EngineeringPhotogrammetry,2004Photogrammetry,2004Photogrammetry & Remote Sensing-Surveying & Mapping EngineeringPhotogrammetry,2004Photogrammetry,20042、量化、量化 影像的灰度又稱為光學(xué)密度，在攝影底片上，影像的灰度值影像的灰

9、度又稱為光學(xué)密度，在攝影底片上，影像的灰度值反映了它透明的程度，即透光的能力。設(shè)投射在底片上的光通反映了它透明的程度，即透光的能力。設(shè)投射在底片上的光通量為量為F0，而透過底片后的光通量為，而透過底片后的光通量為F。則透過率。則透過率T為：為：T=F/F0 透過率說明影像的黑白程度，但人眼對(duì)明亮程度的感覺是按透過率說明影像的黑白程度，但人眼對(duì)明亮程度的感覺是按對(duì)數(shù)關(guān)系變化的，為了適應(yīng)人眼的視覺，在分析影像的性能時(shí)，對(duì)數(shù)關(guān)系變化的，為了適應(yīng)人眼的視覺，在分析影像的性能時(shí)，不直接用透過率來表示其黑白的程度。而用對(duì)數(shù)值來表示。不直接用透過率來表示其黑白的程度。而用對(duì)數(shù)值來表示。 D=log (1/T

10、) 影像灰度的量化就是把采樣點(diǎn)上的灰度數(shù)值轉(zhuǎn)化成為某一種影像灰度的量化就是把采樣點(diǎn)上的灰度數(shù)值轉(zhuǎn)化成為某一種等距的灰度級(jí)。等距的灰度級(jí)。 )8,.2 , 1(2 MiMPhotogrammetry & Remote Sensing-Surveying & Mapping EngineeringPhotogrammetry,2004Photogrammetry,2004數(shù)字影像是一個(gè)灰度矩陣數(shù)字影像是一個(gè)灰度矩陣 ： 1, 11 , 10 , 11, 11 , 10 , 11, 01 , 00 , 0nmmmnnggggggggggPhotogrammetry & Rem

11、ote Sensing-Surveying & Mapping EngineeringPhotogrammetry,2004Photogrammetry,2004圖圖4-1Photogrammetry & Remote Sensing-Surveying & Mapping EngineeringPhotogrammetry,2004Photogrammetry,2004Photogrammetry & Remote Sensing-Surveying & Mapping EngineeringPhotogrammetry,2004Photogramme

12、try,2004二、影像重采樣理論二、影像重采樣理論 當(dāng)欲知不位于矩陣（采樣）點(diǎn)當(dāng)欲知不位于矩陣（采樣）點(diǎn) 上的原始函數(shù)的數(shù)值時(shí)，上的原始函數(shù)的數(shù)值時(shí)，就需要進(jìn)行內(nèi)插，此時(shí)稱為重采樣。意即在原采樣的基礎(chǔ)上再就需要進(jìn)行內(nèi)插，此時(shí)稱為重采樣。意即在原采樣的基礎(chǔ)上再一次采樣。一次采樣。),(yxg50um50umPhotogrammetry & Remote Sensing-Surveying & Mapping EngineeringPhotogrammetry,2004Photogrammetry,20041、最臨近點(diǎn)法、最臨近點(diǎn)法 ( P82 )直接取與直接取與P（x,y）點(diǎn)位

13、置最近的像元點(diǎn)位置最近的像元N的灰度值為采樣值。的灰度值為采樣值。),(),()5 . 0int()5 . 0int(lkgyxgylxk ),(yx),(lk 5,44,45,34,386810g?18. 4 ,75. 3 gyxPhotogrammetry & Remote Sensing-Surveying & Mapping EngineeringPhotogrammetry,2004Photogrammetry,20042、 雙線性內(nèi)插法雙線性內(nèi)插法),(jif) 1,( jif),(yxf), 1(jif ) 1, 1( jify x xy),(jif)1,( ji

14、f),(yxf), 1(jif )1, 1( jify x Photogrammetry & Remote Sensing-Surveying & Mapping EngineeringPhotogrammetry,2004Photogrammetry,2004),(jif)1,( jif),(yxf), 1(jif )1, 1( jify x ),(yxfzyx),(jif)1,( jifAB),(yif), 1(yif x y Photogrammetry & Remote Sensing-Surveying & Mapping EngineeringPho

15、togrammetry,2004Photogrammetry,2004) 1, 1(), 1()1 () 1,()1 (),()1)(1 (),(),()1 (), 1(),(: ),(), 1(),(,), 1()1 () 1, 1(), 1(),()1 () 1,(),(1) 1,(),(),(),(: ), 1(),(,), 1(),(4,jifyxjifyxjifyxjifyxyxfyifxyifxyxfyxfyifyifxjifyjifyyifjifyjifyyifyjifyifyyifjifyifyifyyiyiyxjyyixx為邊組成的梯形來內(nèi)插和以方向在和亮度計(jì)算交點(diǎn)的方向內(nèi)插

16、先在個(gè)臨點(diǎn)組成的邊交于作直線與過設(shè)),(yxfzyx),(jif)1,( jifAB),(yif), 1(yif x y ),(jif)1,( jif),(yify 1y Photogrammetry & Remote Sensing-Surveying & Mapping EngineeringPhotogrammetry,2004Photogrammetry,20041S2S1X1Y1Z2X2Y2Z1a2aXBoOXOJIIJ),(),(:),(),(:2222211111yxJIayxJIa數(shù)字影像內(nèi)定向數(shù)字影像內(nèi)定向Photogrammetry & Remote

17、 Sensing-Surveying & Mapping EngineeringPhotogrammetry,2004Photogrammetry,2004 數(shù)字影像是以數(shù)字影像是以“掃描坐標(biāo)掃描坐標(biāo)系系”IJ為準(zhǔn)，即像元素的位置是為準(zhǔn)，即像元素的位置是由它所在的列號(hào)由它所在的列號(hào)I和行號(hào)和行號(hào)J來確定。來確定。它與像片本身的像坐標(biāo)系它與像片本身的像坐標(biāo)系o-xy是是不一致的。一般情況下，數(shù)字化不一致的。一般情況下，數(shù)字化時(shí)影像的掃描方向應(yīng)大概平行于時(shí)影像的掃描方向應(yīng)大概平行于像片的像片的x軸，因?yàn)檫@將有利于以后軸，因?yàn)檫@將有利于以后的處理（核線排列），因此，掃的處理（核線排列），因此

18、，掃描坐標(biāo)系的描坐標(biāo)系的I與與x大致平行。大致平行。 數(shù)字影像內(nèi)定向的目的就是確數(shù)字影像內(nèi)定向的目的就是確定定掃描坐標(biāo)系掃描坐標(biāo)系與與像片坐標(biāo)系像片坐標(biāo)系之間之間的關(guān)系以及數(shù)字影像可能存在的的關(guān)系以及數(shù)字影像可能存在的變形。數(shù)字影像的變形主要是在變形。數(shù)字影像的變形主要是在數(shù)字化時(shí)產(chǎn)生的，主要是仿射變數(shù)字化時(shí)產(chǎn)生的，主要是仿射變形。形。OoxyIJ影像數(shù)字化掃描影像數(shù)字化掃描.,個(gè)參數(shù)為確定內(nèi)定向的本質(zhì)可以歸結(jié)因此6210210 JnInnyJmImmxPhotogrammetry & Remote Sensing-Surveying & Mapping Engineering

19、Photogrammetry,2004Photogrammetry,2004 為了解求仿射變形的為了解求仿射變形的6個(gè)參數(shù)，必須觀測個(gè)參數(shù)，必須觀測4個(gè)框標(biāo)的掃描坐個(gè)框標(biāo)的掃描坐標(biāo)與已知的框標(biāo)的像片坐標(biāo)，進(jìn)行平差計(jì)算，求得標(biāo)與已知的框標(biāo)的像片坐標(biāo)，進(jìn)行平差計(jì)算，求得6個(gè)參數(shù)。個(gè)參數(shù)?；静襟E如下：基本步驟如下：（1）框標(biāo)識(shí)別與定位）框標(biāo)識(shí)別與定位 框標(biāo)的識(shí)別方法很多，但其中最簡單的方法是將框標(biāo)周圍框標(biāo)的識(shí)別方法很多，但其中最簡單的方法是將框標(biāo)周圍的影像顯示在計(jì)算機(jī)屏幕上，利用鼠表給定其近似位置，再的影像顯示在計(jì)算機(jī)屏幕上，利用鼠表給定其近似位置，再精確定位。精確定位。（2）變形參數(shù)的計(jì)算）變形

20、參數(shù)的計(jì)算 Photogrammetry & Remote Sensing-Surveying & Mapping EngineeringPhotogrammetry,2004Photogrammetry,2004三三 核線幾何關(guān)系解析與核線排列核線幾何關(guān)系解析與核線排列 （P28）問題的提出：確定同名點(diǎn)確定同名點(diǎn)是是DP的一項(xiàng)重要任務(wù)。由的一項(xiàng)重要任務(wù)。由核線的幾何定義可知，同核線的幾何定義可知，同名像點(diǎn)必然位于同名核線名像點(diǎn)必然位于同名核線上。因此，同名核線的確上。因此，同名核線的確定是確定同名點(diǎn)的前提。定是確定同名點(diǎn)的前提。1S2SPhotogrammetry &

21、 Remote Sensing-Surveying & Mapping EngineeringPhotogrammetry,2004Photogrammetry,2004Photogrammetry & Remote Sensing-Surveying & Mapping EngineeringPhotogrammetry,2004Photogrammetry,2004 水平校正誤差大Photogrammetry & Remote Sensing-Surveying & Mapping EngineeringPhotogrammetry,2004Phot

22、ogrammetry,2004 Photogrammetry & Remote Sensing-Surveying & Mapping EngineeringPhotogrammetry,2004Photogrammetry,2004一、核線幾何關(guān)系解析一、核線幾何關(guān)系解析確定同名核線的方法很多，但基本上可以分為兩類：一是基確定同名核線的方法很多，但基本上可以分為兩類：一是基于數(shù)字影像的幾何糾正；二是基于共面條件。于數(shù)字影像的幾何糾正；二是基于共面條件。1、基于數(shù)字影像幾何糾正的核線解析關(guān)系、基于數(shù)字影像幾何糾正的核線解析關(guān)系 核線在航空攝影像片上的掃描行核線在航空攝影像片上的

23、掃描行與核線不重合（是與核線不重合（是互相不平行互相不平行的的），它們交于一個(gè)點(diǎn)），它們交于一個(gè)點(diǎn) - 核點(diǎn)核點(diǎn)，但，但是如果將像片上的核線投影到一是如果將像片上的核線投影到一對(duì)相對(duì)水平的像片對(duì)上（平行于對(duì)相對(duì)水平的像片對(duì)上（平行于攝影基線的像片對(duì)）則核線相互攝影基線的像片對(duì)）則核線相互平行。平行。 此方法的實(shí)質(zhì)是將傾斜像片上的此方法的實(shí)質(zhì)是將傾斜像片上的核線投影到核線投影到“水平像片水平像片”對(duì)上，對(duì)上，求得求得“水平像片水平像片”對(duì)上的同名核對(duì)上的同名核線。線。P2P1S1S2a1a2J1J2O1O2APhotogrammetry & Remote Sensing-Surveyin

24、g & Mapping EngineeringPhotogrammetry,2004Photogrammetry,2004PP0fcvbuafcvbuafyfcvbuafcvbuafx333222333111Photogrammetry & Remote Sensing-Surveying & Mapping EngineeringPhotogrammetry,2004Photogrammetry,2004Buvuv 11321321ueeueyuddudxfcvbfcvbufcvbafcvbfcvbufcvbafyfcvbfcvbufcvbafcvbfcvbufcvb

25、afxfcvbuafcvbuafyfcvbuafcvbuafx33333333322332333333333113313332223331112S1S核面同名核線A1a2aPhotogrammetry & Remote Sensing-Surveying & Mapping EngineeringPhotogrammetry,2004Photogrammetry,2004xy核線重排列核線重排列vu 11321321ueeueyuddudxfcvbfcvbufcvbafcvbfcvbufcvbafyfcvbfcvbufcvbafcvbfcvbufcvbafxfcvbuafcvb

26、uafyfcvbuafcvbuafx3333333332233233333333311331333222333111Photogrammetry & Remote Sensing-Surveying & Mapping EngineeringPhotogrammetry,2004Photogrammetry,2004Photogrammetry & Remote Sensing-Surveying & Mapping EngineeringPhotogrammetry,2004Photogrammetry,20042、基于共面條件的同名核線幾何關(guān)系、基于共面條件

27、的同名核線幾何關(guān)系Photogrammetry & Remote Sensing-Surveying & Mapping EngineeringPhotogrammetry,2004Photogrammetry,2004特征的提取與定位算法特征的提取與定位算法主要內(nèi)容主要內(nèi)容 特征的提取特征的提取 特征點(diǎn)的提取算法特征點(diǎn)的提取算法 特征線的檢測方法特征線的檢測方法 特征的定位算法特征的定位算法Photogrammetry & Remote Sensing-Surveying & Mapping EngineeringPhotogrammetry,2004Phot

28、ogrammetry,20044.2 點(diǎn)特征提取算法點(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 Photogrammetry & Remote Sensing-Surveying & Mapping EngineeringPhotogrammetry,2004Photogrammetry,2004點(diǎn)特征的灰度特征點(diǎn)特征的灰度特征Photogrammetry & Remote Sensing-Surveying & Mapping EngineeringPhotogrammetry,2004Photogrammetry,20041、

29、Moravec算子算子 Moravec于1977年提出利用灰度方差提取點(diǎn)特征的算子 Photogrammetry & Remote Sensing-Surveying & Mapping EngineeringPhotogrammetry,2004Photogrammetry,2004（1）計(jì)算各像元的興趣值 IV,min4321,VVVVIVrc在以像素(c,r)為中心的ww的影像窗口中(如55的窗口),計(jì)算圖1所示四個(gè)方向相鄰像素灰度差的平方和:Photogrammetry & Remote Sensing-Surveying & Mapping Engin

30、eeringPhotogrammetry,2004Photogrammetry,2004（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)。 綜上所述，Moravec算子是在四個(gè)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)。 Photogrammetry & Remote Sensing-Surveying & Mapping EngineeringPhotogrammetry,2004Photogrammetry,200455555555520(1,1) 550510500015555IV=225 IV=16 IV=0IV=26I

31、V=0IV=50Photogrammetry & Remote Sensing-Surveying & Mapping EngineeringPhotogrammetry,2004Photogrammetry,20042、Harris算子算子 2dettraceRMkM1212dettraceMM (k empirical constant, k = 0.04-0.06)22yyxyxxIIIIIIMPhotogrammetry & Remote Sensing-Surveying & Mapping EngineeringPhotogrammetry,2004Photogrammetry,200402232001238021000011111111110