一種多傳感器遙感影像匹配方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本發(fā)明屬于衛(wèi)星影像處理技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及遙感影像的匹配技術(shù)。
【背景技術(shù)】
[0002] 影像匹配實(shí)質(zhì)是在兩幅或多幅影像之間識(shí)別同名點(diǎn)的過(guò)程，廣泛應(yīng)用于遙感影像 配準(zhǔn)、影像拼接和變化檢測(cè)等方面。由于成像機(jī)理和光譜特性的不同，多傳感遙感影像間往 往存在顯著幾何和輻射差異，從而導(dǎo)致在影像間進(jìn)行同名點(diǎn)自動(dòng)識(shí)別的難度較大。
[0003] 最近在計(jì)算機(jī)視覺(jué)領(lǐng)域，局部特征描述符得到了快速的發(fā)展，并廣泛地應(yīng)用于影 像匹配。其中最著名的局部特征描述是Scale Invariant Feature Transform(SIFT)算 子，由于具有旋轉(zhuǎn)和尺度不變性，SIFT已經(jīng)在遙感影像匹配中得到了廣泛的應(yīng)用。盡管如 此，SIFT描述符對(duì)影像間的輻射差異較為敏感，因此SIFT難以較好地應(yīng)用于多傳感器遙感 影像的匹配。在SIFT的基礎(chǔ)上，有學(xué)者相繼提出了 Speeded Up Robust Features(SURF)、 Oriented FAST and Rotated BRIEF(ORB)等描述符。它們?cè)谟?jì)算效率方面得到了較大的 提升，但是這些描述對(duì)于影像間的輻射差異依然很敏感。考慮到多傳感器遙感影像間不僅 具有幾何形變，而且還存在較大的福射差異，這里將利用相位一致性（phase congruency) 對(duì)遙感影像進(jìn)行匹配。相位一致性是一種特征提取算法，具有光照和對(duì)比度不變性，在遙 感影像匹配領(lǐng)域得到了較為廣泛的應(yīng)用，但是目前基于相位一致性的方法對(duì)于影像間尺 度和旋轉(zhuǎn)差異的適用性較弱，而且只使用了相位一致性的特征值，而沒(méi)有利用相位一致性 的方向信息，未能充分地挖掘出相位一致性在特征提取和描述方面的潛力，性能還不夠 穩(wěn)健，因此本發(fā)明將對(duì)相位一致性計(jì)算模型進(jìn)行擴(kuò)展，利用其奇對(duì)稱濾波器構(gòu)建相位一 致性特征方向，然后采用其特征值和特征方向，借助于SIFT描述符的思想，構(gòu)建一種局 部特征描述符一局部相位一致性方向直方圖（local histogram of orientated phase congruency, LH0PC)，使其能夠較好地抵抗影像間的尺度、旋轉(zhuǎn)和福射差異，從而實(shí)現(xiàn)多傳 感器遙感影像的精確匹配。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的是提供一種多傳感器遙感影像匹配方法，它能有效地解決多傳感器 影像間的幾何形變和輻射差異問(wèn)題，能夠自動(dòng)地在影像間獲取大量分布均勻、穩(wěn)定的同名 點(diǎn)對(duì)，實(shí)現(xiàn)影像的精度匹配。
[0005] 本發(fā)明的目的是通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)的：一種多傳感器遙感影像匹配方法。 包括下列步驟：
[0006] 步驟一、利用不同尺度的高斯核函數(shù)對(duì)參考影像I1和待匹配影像I 2，分別進(jìn)行卷 積運(yùn)算，建立影像的高斯尺度空間，并通過(guò)高斯尺度空間的相鄰兩層影像做差生成高斯差 分尺度空間，然后，在此空間中進(jìn)行極值檢測(cè)，提取出具有尺度不變性的特征點(diǎn)PointI 1Q =1，2,3,…·，N);
[0007] 步驟二、對(duì)相位一致性計(jì)算模型進(jìn)行擴(kuò)展，構(gòu)建相位一致性特征方向，然后計(jì)算高 斯尺度空間中每一層影像上的每個(gè)像素點(diǎn)的相位一致性特征值和特征方向。
[0008] 步驟三、利用相位一致性特征值和特征方向構(gòu)建局部特征描述，記為L(zhǎng)H0PC，具體 包括主方向和特征描述向量?jī)蓚€(gè)部分：
[0009] (1)提取特征點(diǎn)PointI1 (i = 1，2, 3,…·，N)中的一個(gè)點(diǎn)PointI1，以它為中心取大 小為5 X 5個(gè)像素的鄰域，計(jì)算鄰域內(nèi)的相位一致性特征值和特征方向，形成相位一致性方 向直方圖，并選擇直方圖的峰值方向作為特征點(diǎn)的主方向，使描述符具有旋轉(zhuǎn)不變性。
[0010] (2)根據(jù)主方向建立坐標(biāo)系，并以特征點(diǎn)PointI1S中心取大小為20X20個(gè)像素 的鄰域。然后把該鄰域劃分為4 X 4個(gè)子區(qū)域，將每個(gè)子區(qū)域內(nèi)劃分為8個(gè)方向，并統(tǒng)計(jì)每個(gè) 方向的相位一致性特征值，構(gòu)成相位一致性方向直方圖，最后將每個(gè)子區(qū)域內(nèi)的相位一致 性方向直方圖鏈接在一起，形成最終的特征描述向量一局部相位一致性方向直方圖（local histogram of orientated phase congruency, LH0PC)〇
[0011] 步驟四、分別計(jì)算參考影像I1I特征點(diǎn)PointI11Q = 1，2,3,….，N)和待匹配影 像12上特征點(diǎn)PointI 2l(i = 1，2, 3,….，N)的LHOPC特征向量，并通過(guò)歐氏距離作為相似 性測(cè)度，采用特征向量間的最近鄰和次近鄰距離之比C^atlci來(lái)進(jìn)行匹配，當(dāng)d Mtlc/J、于或等于 給定的閾值時(shí)，該點(diǎn)則被視為匹配點(diǎn)；
[0012] 步驟五、為了使匹配更加穩(wěn)健，這里采用雙向的匹配策略，即對(duì)于參考影像I1上的 某一個(gè)特征點(diǎn)PointI 11，利用LHOPC進(jìn)行匹配，獲得它在待匹配影像I2上的同名點(diǎn)PointI 21， 然后以同樣的匹配方式，獲得PointI2l在參考影像I1I對(duì)應(yīng)的同名點(diǎn)PointI' H。若 PointI1JP PointI' Η是同一個(gè)點(diǎn)，則認(rèn)為PointI ^和PointI 2;是一對(duì)同名點(diǎn)；
[0013] 步驟六、根據(jù)步驟四，遍歷PointIli (i = 1，2, 3,….，Ν)的每一個(gè)點(diǎn)，得到對(duì)應(yīng) 的同名點(diǎn) PointI2i (i = 1，2, 3,…·，N)，即獲得同名點(diǎn)對(duì)記為（PointIli, PointI2J (i = 1，2, 3,…·，N) 〇
[0014] 步驟七、采用隨機(jī)采樣一致性算法，以投影變換作為幾何約束提出錯(cuò)誤匹配點(diǎn)，獲 得最終的正確同名點(diǎn)對(duì){P〇intIDn，PointID 2J (i = 1，2, 3,….，N)，實(shí)現(xiàn)影像的精確匹配。
[0015] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的有益效果在于：
[0016] 1、針對(duì)多傳感器遙感影像間幾何形變和輻射差異造成的匹配困難問(wèn)題，本發(fā)明提 出了一種基于局部相位特征的匹配方法，通過(guò)利用相位一致性構(gòu)建一種具有尺度、旋轉(zhuǎn)和 輻射不變性的局部特征描述符進(jìn)行同名點(diǎn)匹配，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)匹配方法（如SIFT、SURF)主要 針對(duì)影像間幾何形變進(jìn)行設(shè)計(jì)，而對(duì)輻射差異較為敏感的不足，提高了影像匹配的效率。
[0017] 2、在整個(gè)匹配過(guò)程中，無(wú)需手工干預(yù)，能全自動(dòng)地識(shí)別多傳感器遙感影像間的同 名點(diǎn)，提高了匹配的實(shí)際生產(chǎn)效率。大量的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，影像匹配的正確率達(dá)到90%以 上，精度可達(dá)到1個(gè)像素以內(nèi)。
【附圖說(shuō)明】
[0018] 圖1為本發(fā)明的整體流程圖
[0019] 圖2為本發(fā)明log Gabor函數(shù)的奇對(duì)稱濾波器形狀
[0020] 圖3為本發(fā)明相位一致性特征方向的示意圖
[0021] 圖4為本發(fā)明局部相位一致性特征描述向量的示意圖
[0022] 圖5為本發(fā)明局部相位一致性特征描述向量插值示意圖
[0023] 圖6為本發(fā)明雙向匹配示意圖
【具體實(shí)施方式】
[0024] 下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步描述：
[0025] 一種多傳感器遙感影像匹配方法，其實(shí)現(xiàn)的具體步驟為：
[0026] 步驟一、利用不同尺度σ的高斯核函數(shù)對(duì)參考影像I1和待匹配影像I 2進(jìn)行濾波 形成高斯尺度空間，通過(guò)高斯尺度空間的相鄰兩層影像做差生成DoG尺度空間。
[0027] 在DoG空間中，將中間層（最底層和最頂層除外）的每個(gè)像素點(diǎn)與同一層的相鄰 8個(gè)像素以及上下兩層的18個(gè)相鄰像素，總共26個(gè)像素點(diǎn)進(jìn)行比較，若該點(diǎn)的DoG值最大 或最小，則被認(rèn)為是候選的特征點(diǎn)，然后去除對(duì)比度較低，并且位于邊緣上的點(diǎn)，得到最終 的特征點(diǎn) PointIi (i = 1，2, 3,…·，N)。
[0028] 步驟二、對(duì)相位一致性計(jì)算模型進(jìn)行擴(kuò)展，構(gòu)建相位一致性的特征方向，同時(shí)計(jì)算 高斯尺度空間中每一層影像上每個(gè)像素點(diǎn)的相位一致性特征值和特征方向，具體分為兩 步：
[0029] (1)利用log Gabor小波計(jì)算影像的相位一致性特征值。
[0031] 其中，PC(x, y)為相位一致性的特征值，（X，y)為圖像的坐標(biāo)，WciU, y)為頻率擴(kuò) 展的權(quán)重因子，Anci (X，y)為像點(diǎn)（X，y)在log Gabor濾波器尺度η和方向〇上的振幅，L」 符號(hào)表示值為正時(shí)取本身，否則取〇, T為噪聲閾值，ε是一個(gè)避免除零的常數(shù)，Anc](x，y) Δ φη(：1(Χ，y)是通過(guò)log Gabor小波的偶對(duì)稱濾波器eM(x, y)和奇對(duì)稱濾波器oM(x, y)來(lái) 計(jì)算：
量函數(shù)，為各尺度各方向偶對(duì)稱濾波器eM(x，y)和奇對(duì)稱濾波器％^^。響應(yīng)結(jié)果的矢量 之和，定義為：
[0035] (2)利用log Gabor奇對(duì)稱濾波器計(jì)算影像的相位一致性特征方向。
[0036] 在傳統(tǒng)的相位一致性計(jì)算過(guò)程中，只能獲得相位一致性特征值，而特征值的描述 性能不夠穩(wěn)健。鑒于此，這里對(duì)相位一致性的計(jì)算模型進(jìn)行擴(kuò)展，利用Log Gabor函數(shù)的奇 對(duì)稱濾波器〇n。(X，y)構(gòu)建相位一致性的特征方向，特征方向表示影像特征變化最劇烈的