基于SURF算子的遥感图像配准方法研究_李维.pdf

敬请登录网站在线投稿（）年第期 基于 算子的遥感图像配准方法研究李维，王瑞，邓传斌（西安交通工程学院 中兴通信学院，西安 ；西安现代控制技术研究所；中兴通讯）基金项目：国家自然科学基金（）；西安交通工程学院中青年基金项目（）。摘要：为了解决遥感图像配准的可靠性和实时性问题，提出了一种基于 算子的图像自动配准方法。算法提取图像中适应旋转尺度变化的局部不变特征角点时使用积分图像的计算，可有效提高检测速度，用于对实时性要求高的场合，选择基于欧氏距离的最近邻与次近邻的距离之比作为相似度测量方法。多种不同场景图像对比实验结果表明，该方法可实现多种复杂图像的精确配准，自动化配准程度高。关键词：多传感器；遥感图像；算子；图像配准；积分图像；中图分类号：文献标识码：，（，；）：，：；引言图像配准在图像处理问题中是一个最基本的过程，它涉及到许多领域的实际情况，是数字图像处理和计算机视觉领域备受关注的前沿方向和研究热点。在图像配准过程中，涉及的相关知识领域有图像预处理、图像分割、特征提取、模式匹配、图像采样等，并且与机器视觉、模式识别、多维信号处理和数值计算方法等紧密结合在一起。配准方法大致可分为多观察点配准、时间序列配准、多模态配准、模板匹配类。图像配准的主要目的在于寻求图像之间最佳的空间与灰度变换关系，使得两幅图像在考虑畸变的前提下实现最佳匹配。图像配准方法针对不同类型的图像和数据均有相应的配准方法，比较成熟的有基于图像灰度配准算法和基于图像特征配准算法两类。目前，局部不变特征在解决宽基线条件下的匹配、特殊目标识别、机器人定位等方面得到了广泛应用，并获得了成功，经典的有 角点检测算法、算法等。等人 提出了 算法，此算法的实时性和鲁棒性都比 算法更胜一筹。在实际中，采用的图像很可能受到内部噪声、外部干扰等影响，也可能发生光照、视角、平移、尺度、仿射和旋转等参数的变化，本文将新颖且性能优秀的 算法应用到多类遥感图像配准中，可实现具有较大变形的遥感图像和多路传感器遥感图像的配准。特征的提取描述 尺度空间的建立 算法首先需要建立尺度空间，尺度空间的建立是使用不断增加高斯核的尺度，然后对卷积图像 进行采样得到的，使用 减小了计算量。等使用不断增加方框滤波模板大小的方法（如图所示），并与原图像卷积形成图像尺度空间表示，在计算过程中，使用积分图像，计算时间为常数。在金字塔的每一阶中，选择层的尺度图像，阶的 年第期 图尺度空间的建立构建 参 数 示 意 图 如 图 所示。其 中 的 数 字 表 示方框滤波模板的大小，如果图像尺寸远 大 于 模 板大小，还可继续增加阶数（即 数）。因 为 前面已经使用积 分 图 像 和方框滤波，所以并不需要通过迭代同样的滤波来重复计算。以上述的滤波为初始层，对应的尺度因子 ，后续层通过依次放大滤波方框的大小来计算，滤波大小依次为、等，当尺度较大时，滤波大小的步长也应相应增加。以个滤波为一组，每组之间的步长依次按、增长，若滤波模板大小为，则对应的尺度 。图尺度空间金字塔方框滤波的大小 特征点的定位用 矩阵 求出极值后，接下来在的立体邻域内进行非极大值拟制，只有比上一尺度、下一尺度及本尺度周围的 个邻域值都大或者都小的极值点才能作为候选特征点，然后在尺度空间和图像空间中进行插值运算，得到稳定的特征点位置及所在的尺度值。特征点的描述在 特征点描述中，使用 小波确定和方向的图像梯度。小波如图所示，左图为方向的滤波响应，右图为方向的滤波响应。黑色部分的权值为，白色部分的权值为。特征点的描述可以分为两个步骤：首先，确定特征点的主方向；其次，特征区域方向对准，构造描述向量。主方向确定为保证旋转不变性，首先，以特征点为中心，计算半径为（为特征点所在的尺度值）的邻域内的点在、方向的 小波（小波边长取）响应，并给这些响应图 小波值赋高斯权重系数，使得靠近特征点的响应贡献大，而远离特征点的响应贡献小，更符合客观实际，这样得到一系列的向量；其次，将 范围内的响应加起来以形成新的矢量，遍历整个圆形区域，选择最长矢量的方向为该特征点的主方向。这样，通过对 节中的特征点逐个进行计算，得到每一个特征点的主方向，如图所示。图主方向分配 构造描述符选定特征点主方向后，以特征点为中心，首先，将坐标轴旋转到主方向，按照主方向选取边长为 的正方形区域，将该窗口区域划分成的子区域，在每一个子区域内，计算 （采样步长取）范围内的小波响应，相对于主方向的水平、垂直方向的 小波响应分别记做、，同样也赋予响应值以权值系数以增加对几何变换的鲁棒性，减小局部误差；接下来，将每个子区域的响应以及响 应 的 绝 对 值 相 加，形 成、和。这样，在每个子区域形成四维分量的矢量 ，（）。因此，对于每一个特征点，形成 维的描述向量，再进行向量的归一化，从而对光照具有一定的鲁棒性，如图所示。这样，基于快速 检测子和 描述子对每一特征点可保存如下信息量：特征所在尺度、特征点坐标、维邻域向量。通过所记录的特征点信息分别进行后续计算。遥感图像的配准 具有较大变形的遥感图像选取两幅莫哈韦沙漠的同源传感器图像，具备较大的旋转角度和平移量，大小均为 像素。按照以上敬请登录网站在线投稿（）年第期 图描述向量的生成步骤进行实验。（）特征点的提取使用 算法对两幅具有较大平移和旋转的遥感图像提取特征点，如图所示。图获取的 特征点在参考图像中提取 个点（用“”标记描述符区域中心），提取时间为 ；在待配准图像中提取 个点（用“”标记描述符区域中心），提取时间为 。从图中可以看出，虽然两幅图像具有较大的平移和旋转，但 算法提取的特征点数非常相近，算子对图像的旋转和平移具有较强的适应能力。（）两次匹配结果匹配结果如图所示。图（）为在原始特征描述符数据下使用距离相似性度量方法得到的匹配结果，得到 个匹配 点 对，匹 配 时 间 为 ；图（）是 在图（）匹配的基础上使用互对应约束方法进行匹配的结果，得到 个匹配点对，匹配时间为 。互对应约束方法删除了一对错误匹配。从第二次匹配结果中可以看出，匹配的点对已经完全正确。在此匹配过程中不需要使用 算法，而是采用最小二乘迭代求解变换参数来控制误差范围。图匹配结果（）镶嵌结果图为两幅图像镶嵌的结果，最小二乘迭代求解变换参数耗时 ，图像镶嵌耗时 。仿射变换参数为：多传感器图像选取 （年月日）、（年月日）成像的两幅遥感图像，大小均为 像素。（）特征点的提取使用 算法对两幅具有平移和旋转的遥感图像提取特征点，如图所示。在参考图像中提取 个点（用“”标记描述符区域中心），提取时间为 ；在待配准图像中提取 个点（用“”标记描述符区域中心），提取时间为 。算子对这两幅多传感器图像提取的特征点数相近。实验结果表明，算法对于亮度相近的多传感器图像提取的特征点比较稳定。（）两次匹配结果最近邻欧氏距离与次近邻欧氏距离的比值选为 ，年第期 图镶嵌结果图获取的 特征点匹配结果如图 所示。图（）为在原始特征描述符数据下使用距离相似性度量方法得到的匹配结果，得到 个匹配点对，匹配时间为 ；图（）为在图（）匹配的基础上使用互对应约束方法进行匹配的结果，得到 个匹配点对，匹配时间为 。从第二次匹配结果中可以看出，仍然存在错误匹配的点对，但错误的匹配点对已经很少，可以满足 算法对正确匹配点对的要求。（）镶嵌结果使用 算法后，获得个内点（匹配点对），此过程需要 ，设置 最大循环次数为 ，距离阈值设置为 。仿射变换参数 为：镶嵌结果如图 所示，图像镶嵌耗时 。图 匹配结果图 镶嵌结果 结语通过理论分析与多种遥感图像配准实验分析可知，采用 算子对较大变形和多路传感器遥感图像配准能够提取丰富的 检测点，保证了基于点特征配准的可行性，具有较快的配准速度。从实验结果中可以看出，各类图像的配准速度均在以内，能够满足实时性要求，同时保证了配准的准确度，适合于存在较大平移、旋转量的图像配准。参考文献何文峰，查红彬 基于平面特征的深度图像配准 北京：北京大学，（）：，：，（）：敬请登录网站在线投稿（）年第期 结语本文提出了一种基于 模型融合的多传感器甲烷检测系统，该系统利用多个传感器对模拟实验环境下的甲烷、氧气、温度、湿度、二氧化碳浓度进行在线检测，同时通过调用生成的 集成学习模型对甲烷浓度进行预测，并将 集成学习模型的最终结果分别与 、三种机器学习模型的最终结果进行比较。可以看出，集成学习模型能够有效结合种单一模型的优点，相比单个模型的预测结果，准确率更高，并且在 、三种模型评价指标上有更好的表现，为甲烷浓度的预测和处理提供更可靠的理论依据。本文提出的甲烷浓度预测模型在防止可燃气体燃爆、提高钻井安全性方面具有潜在应用前景。参考文献姜志环 气体钻井工程实时监测及安全分析系统研究 青岛：中国石油大学（华东），张林伟气体钻井井下燃爆分析西南石油大学学报（自然科学版），（）：邓霖空气钻井岩屑返出量实时监测技术的研究青岛：中国石油大学（华东），付华，刘汀，张胜强，等 基于改进 模型的煤矿瓦斯浓度预测研究 控制工程，（）：，（）朱晓晨，尹奇志，赵福芹，等基于 的船舶航速预测模型研究 大连海事大学学报，（）：刘文鹏，陈向东，吴宇尘 基于脉冲供电的催化燃烧式气体传感系统信息技术，（）：，王飞，黄涛，杨晔 基于 多模型融合的 器件寿命的机器学习预测算法研究计算机科学，（）：崔逊航基于改进 的风力发电机组叶片故障预测算法研究重庆：重庆邮电大学，：，王晓晖，张亮，李俊清，等 基于遗传算法与随机森林的 改进方法研究计算机科学，（）：，郑胜洁，徐余明，胡祖翰，等基于随机森林的城市轨道交通桥梁故障预测模型北京交通大学学报，（）：韩 金 鹏，李 冬 梅，王 嵩基 于 双 向 特 征 选 择 和 设备故障检测计算机系统应用，（）：韩金鹏 基于随机森林和 设备故障检测方法的设计与实现 沈阳：中国科学院大学（中国科学院沈阳计算技术研究所），史业照，郭斌，郑永军基于 网络的 寿命预测研究 中国测试，（）：吴宇尘，陈向东，丁星，等基于长短时记忆神经网络硬件加速的燃爆状态监测应用 物联网技术，（）：，刘小飞（硕士研究生），主要研究方向为信息感知、获取与处理技术；陈向东（教授），主要研究方向为新型传感器与智能信息获取。通信作者：陈向东，。（责任编辑：薛士然收稿日期：），：，（）：刘军，杨晶东一种基于图像插值的 算法研究信息技术，（）：，郑明玲，刘衡竹 基于特征提取和机器学习的医学图像分析 计算机学报，（）：，邓传斌，郭雷，李维基于 的遥感图像配准方法传感技术学报，（）：，：，：，（）：，：，：，（）：李维（讲师），主要研究方向为计算机控制、软件工程、图像处理、嵌入式系统；王瑞（高级工程师），主要研究方向为计算机控制、软件自动测试；邓传斌（高级工程师），主要研究方向为软件工程、软件缺陷预防。通信作者：李维，。（责任编辑：薛士然收稿日期：）