數字攝影(yǐng)測量與影(yǐng)像匹配

發布日期：2018-05-11 00:00 浏覽量：10156

　　1．前言
　　影(yǐng)像匹配是數字攝影(yǐng)測量的(de)典型問題之一。在航空攝影(yǐng)測量領域，影(yǐng)像匹配是自動獲取數字地面模型(DTM)的(de)關鍵技術，是以影(yǐng)像匹配代替傳統的(de)人(rén)工觀測，來(lái)達到自動确定同名點的(de)目的(de)。一般來(lái)說，由于影(yǐng)像在不同時(shí)間、不同傳感器、不同視角獲得(de)的(de)成像條件不同，因此即使是對(duì)同一物(wù)體，在影(yǐng)像中所表現出來(lái)的(de)幾何特性、光(guāng)學特性、空間位置都會有很大(dà)的(de)不同，如果考慮到噪聲、幹擾等影(yǐng)響會使影(yǐng)像發生很大(dà)差異，影(yǐng)像匹配就是通(tōng)過這(zhè)些不同之處找到它們的(de)相同點。在計算(suàn)機視覺中，通(tōng)常稱爲影(yǐng)像配準，而且很多(duō)領域中影(yǐng)像匹配都是必不可(kě)少的(de)關鍵環節。目前影(yǐng)像匹配己成爲現代信息處理(lǐ)，特别是圖像信息處理(lǐ)領域中的(de)一項非常重要的(de)技術，已有很多(duō)學者進行這(zhè)方面的(de)研究而且已經取得(de)了(le)很好的(de)成就。影(yǐng)像匹配研究涉及到了(le)影(yǐng)像采集、影(yǐng)像預處理(lǐ)、影(yǐng)像分(fēn)割、特征提取等，并且與計算(suàn)機視覺、多(duō)維信号處理(lǐ)和(hé)數值計算(suàn)方法等緊密結合。它也(yě)是其它一些影(yǐng)像分(fēn)析技術，如立體視覺、運動分(fēn)析、數據融合等的(de)基礎。目前，它的(de)應用(yòng)範圍相當廣泛，在計算(suàn)機視覺、虛拟現實場(chǎng)景、航空航天遙感與數字攝影(yǐng)測量、醫學影(yǐng)像分(fēn)析、光(guāng)學和(hé)雷達跟蹤、景物(wù)制導、地形匹配、指紋與肖像檢測等領域都有著(zhe)重要的(de)應用(yòng)價值。在數字攝影(yǐng)測量的(de)研究中，幾何變換和(hé)對(duì)應關系是兩大(dà)關鍵問題。幾何變換問題經過數學和(hé)圖形圖像學的(de)研究已經得(de)到了(le)解決，而對(duì)應問題(特别是同名點的(de)對(duì)應問題)正是影(yǐng)像匹配的(de)研究目的(de)。影(yǐng)像匹配的(de)良好實現，可(kě)以大(dà)大(dà)促進數字攝影(yǐng)測量自動化(huà)量測的(de)發展，并爲立體測圖、建立立體模型、自動生成DEM、正射影(yǐng)像、等高(gāo)線，構建三維立體和(hé)虛拟現實場(chǎng)景提供技術支撐。
　　2．影(yǐng)像匹配國内外研究現狀與内容
　　影(yǐng)像匹配技術一直是數字攝影(yǐng)測量、計算(suàn)機視覺等領域的(de)關鍵技術難題，但它廣闊的(de)應用(yòng)前景吸引了(le)衆多(duō)領域的(de)科研人(rén)員(yuán)孜孜不倦地對(duì)它進行攻關，成爲經久不衰的(de)研究熱(rè)點。最初的(de)影(yǐng)像匹配是利用(yòng)相關技術實現的(de)，因此又稱爲影(yǐng)像相關。從上個(gè)世紀五十年代至今，國内外學者提出了(le)許多(duō)相應的(de)理(lǐ)論，湧現了(le)大(dà)量的(de)匹配算(suàn)法，如相關函數法、相關系數方法、整體法等。Bellman于上個(gè)世紀50年代提出的(de)動态規劃法影(yǐng)像匹配，德國 Ackerlnann 教授提出的(de)最小二乘匹配方法，Rosenhlm提出的(de)多(duō)點最小二乘影(yǐng)像匹配，已及Ton Jez-ehing、JainA K提出的(de)确定兩影(yǐng)像區(qū)域間對(duì)應關系的(de)點匹配方法,Daniel P Huttenlocher等人(rén)提出的(de)Hausdorff距離匹配方法等等；1978年，我國攝影(yǐng)測量學的(de)先驅王之卓院士率先提出了(le)“全數字攝影(yǐng)測量”的(de)概念, 利用(yòng)影(yǐng)像匹配來(lái)代替傳統的(de)人(rén)眼立體觀測；張祖勳院士提出了(le)基于跨接法的(de)影(yǐng)像匹配；呂言提出了(le)特征提取的(de)呂言算(suàn)子和(hé)基于特征的(de)影(yǐng)像匹配方法；張力、沈未名等也(yě)提出了(le)基于空間約束的(de)神經網絡影(yǐng)像匹配算(suàn)法。盡管發展出了(le)多(duō)種多(duō)樣的(de)匹配方法，但這(zhè)些影(yǐng)像匹配算(suàn)法按其匹配基元分(fēn)類，主要可(kě)以分(fēn)爲基于像元灰度的(de)影(yǐng)像匹配算(suàn)法、基于特征的(de)影(yǐng)像匹配算(suàn)法以及基于影(yǐng)像的(de)理(lǐ)解和(hé)解釋的(de)匹配算(suàn)法。
　　3.影(yǐng)像匹配的(de)基本概念
　　匹配是圖像處理(lǐ)的(de)一個(gè)基礎問題。簡單的(de)說，匹配技術就是找到兩幅不同影(yǐng)像之間的(de)空間位置關系實現同一目标的(de)兩幅(或兩幅以上)影(yǐng)像在空間位置上的(de)對(duì)準。 Barbara zitova和(hé) Jan Flusser在其著作中對(duì)影(yǐng)像匹配進行了(le)定義，稱其是針對(duì)來(lái)自于同一場(chǎng)景、不同時(shí)間、不同視角、不同傳感器的(de)兩幅或多(duō)幅圖像進行重疊 (Overlapping)的(de)過程，這(zhè)個(gè)重疊就是幾何對(duì)齊 (Geometrically Align)的(de)過程。可(kě)以從中看出兩點，其一，影(yǐng)像匹配所研究的(de)影(yǐng)像具有成像機理(lǐ)、自然條件、成像時(shí)間等的(de)不同，這(zhè)些都造成參與匹配的(de)影(yǐng)像對(duì)具有很大(dà)的(de)差異;其二，影(yǐng)像重疊的(de)目的(de)爲了(le)對(duì)兩幅影(yǐng)像在空間上進行對(duì)準，以确定兩幅影(yǐng)像之間的(de)平移以及旋轉關系。也(yě)可(kě)以說影(yǐng)像匹配時(shí)利用(yòng)兩個(gè)信号的(de)相似性評價函數，評價它們的(de)相似性以确定同名點。即首先取出以待定點爲中心的(de)小區(qū)域中的(de)影(yǐng)像信号，然後取出其在另一影(yǐng)像中相應區(qū)域的(de)影(yǐng)像信号，計算(suàn)兩者的(de)相似性評價函數，以相似性評價函數值的(de)大(dà)小來(lái)确定相應區(qū)域中心點位同名點，即以影(yǐng)像信号分(fēn)布最相似的(de)區(qū)域爲同名區(qū)域，同名區(qū)域的(de)中心點爲同名點。
　　4.影(yǐng)像匹配的(de)困難與解決問題思路
　　影(yǐng)像匹配的(de)方法有很多(duō)，但都有不同程度的(de)局限性。對(duì)于一些共性的(de)問題，如匹配模糊度問題，匹配組合問題等，目前仍是影(yǐng)像匹配中的(de)難點問題。在實際應用(yòng)中主要表現在以下(xià)幾種情況的(de)影(yǐng)像匹配中存在的(de)問題：
　　1.信息貧乏區(qū)域（非重疊覆蓋範圍）和(hé)紋理(lǐ)重複區(qū)域（遮蔽區(qū)域）的(de)匹配
　　2.陰影(yǐng)區(qū)域的(de)匹配
　　3.陡坡表面和(hé)斷裂線地區(qū)的(de)匹配
　　4.影(yǐng)像之間存在大(dà)的(de)旋轉角度的(de)匹配
　　5.非漫反射地區(qū)的(de)匹配
　　6.對(duì)運動的(de)目标和(hé)陰影(yǐng)的(de)匹配
　　7.存在較大(dà)比例尺差異的(de)影(yǐng)像間的(de)匹配
　　8.不同傳感器影(yǐng)像之間的(de)匹配
　　針對(duì)這(zhè)些問題，一般的(de)對(duì)于紋理(lǐ)貧乏和(hé)周期性紋理(lǐ)重複區(qū)域，自适應的(de)調整窗(chuāng)口大(dà)小；對(duì)于遮蔽和(hé)斷裂線區(qū)域采用(yòng)雙向匹配的(de)方法；對(duì)于陡坡區(qū)域采用(yòng)跨接法影(yǐng)像匹配；對(duì)于存在較大(dà)旋轉角度的(de)影(yǐng)像匹配則采用(yòng)SIFT算(suàn)子進行處理(lǐ)。
　　5.小結
　　發展至今，影(yǐng)響匹配技術已經取得(de)了(le)很大(dà)的(de)成就，多(duō)種多(duō)樣的(de)影(yǐng)像匹配算(suàn)法基本能夠滿足實際應用(yòng)的(de)需求。但影(yǐng)像匹配中仍存在著(zhe)諸多(duō)問題和(hé)挑戰，這(zhè)也(yě)是數字攝影(yǐng)測量面臨的(de)典型問題之一，也(yě)是我們今後科研的(de)主攻方向和(hé)著(zhe)力點。另外，目前的(de)影(yǐng)像匹配算(suàn)法大(dà)多(duō)是針對(duì)特定情況的(de)應用(yòng)，适應性方面不是太強。因此，尋找一種普适性的(de)影(yǐng)像匹配算(suàn)法或适應性較強的(de)影(yǐng)響匹配處理(lǐ)系統從而實現數字攝影(yǐng)測量發展的(de)一次飛(fēi)躍是我們不得(de)不思考的(de)問題。