專利名稱：衛(wèi)星靶標(biāo)提取方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于數(shù)字圖像處理技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及衛(wèi)星影像靶標(biāo)提取方法。
背景技術(shù)：
為了確定和驗證衛(wèi)星的幾何精度檢校，需要在地面人工布設(shè)一定數(shù)量的人工標(biāo)志(即靶標(biāo))，實測靶標(biāo)中心點大地坐標(biāo)，并在衛(wèi)星影像上確定靶標(biāo)中心的影像坐標(biāo)，與實測大地坐標(biāo)相對應(yīng)可以得到控制數(shù)據(jù)。因此，需要在衛(wèi)星影像中對靶標(biāo)中心進行提取。在一定分辨率的影像上，靶標(biāo)的中心點位置不能人工確定到亞像素級。以往的衛(wèi)星影像分辨率不是很高，現(xiàn)有技術(shù)通過采取灰度質(zhì)心法、差分法、多項式擬合法等可以達到亞像素級，幾乎能滿足幾何檢校工作。但是隨著衛(wèi)星影像的分辨率不斷提升，例如我國資源三號衛(wèi)星的影像分辨率等達到了 3米以內(nèi)，就要求更高的影像靶標(biāo)中心坐標(biāo)提取精度。靶標(biāo)形狀不同采取的提取方案不同，其中十字對頂角黑白靶標(biāo)在影像上有最大對比反差，有利于從單張影像進行處理計算提取靶標(biāo)中心位置的影像坐標(biāo)。傳統(tǒng)的對于這種十字對頂角黑白靶標(biāo)提取的方法，對每行(列)上黑白邊界兩邊灰度值進行多項式擬合，差分求出亞像素級黑白交界的中心位置坐標(biāo)。然而靶標(biāo)范圍內(nèi)某些偏離靶標(biāo)中心的像素灰度值由于受到調(diào)制傳遞函數(shù)影像，灰度不一定滿足規(guī)律的變化。此時用多項式擬合，并不能很好的滿足參與擬合計算的所有點，但是太少的點又不能擬合出合適的多項式曲線，曲線微分求極值就并不能很好的表示黑白交界的中心位置。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的在于解決現(xiàn)有技術(shù)方案的不足，提出更精確更適用的高分辨率影像高精度祀標(biāo)中心提取方法，旨在提聞祀標(biāo)提取精度，為衛(wèi)星的幾何檢校工作提供支持。本發(fā)明的衛(wèi)星影像靶標(biāo)提取方法，是針對十字對頂角靶標(biāo)的提取，采取特殊的函數(shù)進行曲線擬合求黑白交界中心坐標(biāo)，其主要實施步驟如下步驟1，在影像上找到靶標(biāo)所在區(qū)域并選擇靶標(biāo)中心點位置；步驟2，獲取以靶標(biāo)中心點為中心一定大小的窗口的灰度值，獲取灰度矩值陣；步驟3，對窗口內(nèi)的灰度值進行差分計算，得到行方向上和列方向上的兩個灰度差分矩陣；步驟4，從行方向上，計算一列上灰度差分最大的點，作為初始黑白交界像素級中心；以此為中心，兩邊各取適當(dāng)?shù)南袼攸c進行Boltzmann函數(shù)曲線擬合，計算擬合參數(shù)，得到此列的黑白交界亞像素級中心；逐列進行計算，得到的各列中心點位進行最小二乘直線擬合，得到行方向上的黑白邊界線；步驟5，從列方向上，計算一行上灰度差分最大的點，作為初始黑白交界像素級中心，以此為中心，兩邊各取適當(dāng)?shù)南袼攸c進行Boltzmann函數(shù)曲線擬合，計算擬合參數(shù)，得到此行的黑白交界亞像素級中心，逐行進行計算，得到的各行中心點位進行最小二乘直線 擬合，得到列方向上的黑白邊界線；
步驟6，將得到的行、列方向上的兩條所述黑白邊界線解求交點，交點坐標(biāo)再加上所述窗口左上角點的原始影像坐標(biāo)，得到的坐標(biāo)即為十字對頂角靶標(biāo)中心的影像坐標(biāo)。優(yōu)選地，步驟I中采用人工選擇靶標(biāo)中心點的位置，其中人工選擇靶標(biāo)中心點位置的偏差在一個像素或以內(nèi)。優(yōu)選地，步驟2中如果所述窗口小于10X10個像素，則對窗口內(nèi)像素進行插值。優(yōu)選地,所述步驟4具體包括步驟4-1，在一列上進行遍歷取得灰度值差分最大的像素點，計為此列的初始黑白交界像素級中心坐標(biāo)；
步驟4-2，以所述初始黑白交界像素級中心為起點，在此列上兩邊各取m/2個像素點，把每個像素點所在行號i計為X坐標(biāo)，原始影像灰度值計為I坐標(biāo)；步驟4-3,逐列按照步驟4-1、4_2計算得到m個點(x, y),代入Boltzmann函數(shù)方程
_9]產(chǎn)為+ 1+ 最小二乘求解出Boltzmann函數(shù)的四個擬合參數(shù)A1, A2, X0和d,其中X0即為此列黑白交界處亞像素級行坐標(biāo)i，記下Xtl為y坐標(biāo)，記下列號j為X坐標(biāo)；步驟4-4，根據(jù)上述步驟4-3的擬合計算得到的η個點，最小二乘直線擬合求解行向上的黑白交界線的直線方程。優(yōu)選地,所述步驟5具體包括步驟5-1，在一行上進行遍歷取得灰度值差分最大的像素點，計為此行的初始黑白交界像素級中心坐標(biāo)；步驟5-2，以所述初始黑白交界像素級中心為起點，在此行上兩邊各取m/2個像素點，把每個像素點所在列號j計為X坐標(biāo)，原始影像灰度值計為I坐標(biāo)；步驟5-3,逐行按照步驟5-1、5_2計算得到m個點(x, y),代入Boltzmann函數(shù)方程
Γ . Ax — A2y=A2+1+^J^>最小二乘求解出Boltzmann函數(shù)的四個擬合參數(shù)A1, A2, Xc^P d,其中X0即為此列黑白交界處亞像素級列坐標(biāo)j，記下Xtl為X坐標(biāo)，記下行號i為y坐標(biāo)；步驟5-4，根據(jù)上述步驟5-3的擬合計算得到的η個點，最小二乘擬合求解列向上黑白界線的直線方程。進一步優(yōu)選地,其中,所述m = [(size_10)/3+0. 5]+3，其中算符“ [·] ”表示向下取整，size為步驟2中所述窗口的大?。凰鰊 = m+2?？梢?，本發(fā)明采用特殊的方法擬合十字對頂角靶標(biāo)黑白階躍變換曲線，更加真實準確的模擬影像上黑白灰度值變化特征，更加準確地求解出黑白交界的中心點位，并以最小二乘擬合直線，行列向直線求交的方式，細致地解求出高精度的靶標(biāo)中心坐標(biāo)，從而為衛(wèi)星的幾何校驗工作提供了高精度的控制數(shù)據(jù)。
下面結(jié)合附圖和具體實施方式
對本發(fā)明作進一步詳細的說明圖1是本發(fā)明實施例中衛(wèi)星全色靶標(biāo)影像示意圖；圖2是本發(fā)明實施例的靶標(biāo)影像中參與計算的有效區(qū)域示意圖；圖3是本發(fā)明實施例的流程圖；圖4是本發(fā)明實施例中Boltzmann曲線擬合效果圖；圖5是本發(fā)明實施例中直線擬合求交效 果圖。
具體實施例方式為了使本技術(shù)領(lǐng)域的人員更好地理解本發(fā)明的技術(shù)方案，并使本發(fā)明的上述目的、特征和優(yōu)點能夠更加明顯易懂，下面結(jié)合實施例及實施例附圖對本發(fā)明作進一步詳細的說明。本發(fā)明的原理在于通過研究傳感器成像在影像上的反映，特別是影像中由黑到白、由白到黑的灰度值變化特點，發(fā)現(xiàn)黑白灰度變換符合刃邊曲線規(guī)律，而Boltzmann函數(shù)曲線能很好的表現(xiàn)這一規(guī)律。我們用最合適的刃邊曲線函數(shù)進行擬合，計算黑白變化中心點，多行多列計算黑白變化中心點坐標(biāo)，最后直線擬合求交計算靶標(biāo)中心點位置。用刃邊曲線Boltzmann函數(shù)擬合點位，不僅最好的表現(xiàn)黑白邊界處灰度值變化趨勢，而且不用微分求極值，直接可以通過函數(shù)參數(shù)直接得到黑白交界中心位置，精度高并且實用。本發(fā)明針對衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)，不管是原始單CXD影像，或是拼接好的一級產(chǎn)品影像，直接以影像的灰度矩陣進行計算。從數(shù)字圖像處理的角度進行計算分析，考慮調(diào)制傳遞函數(shù)在影像上的反映，研究影像上黑白邊界灰度值變化特征，用最能表現(xiàn)刃邊灰度特征的BoItzmann函數(shù)進行曲線擬合計算，得到黑白交界的高精度中心坐標(biāo)。本發(fā)明可以針對不同的分辨率的十字對頂角靶標(biāo)影像，比如全色影像分辨率高于多光譜影像分辨率，而全色的下視影像分辨率要高于前后視分辨率。而不同分辨率的影像上，同一個靶標(biāo)所占的像素大小不同。本發(fā)明考慮不同分辨率的靶標(biāo)影像上的最適宜擬合Boltzmann曲線的像素點個數(shù)不同，采取按照人眼看到的十字對頂角靶標(biāo)白色區(qū)域所占的像素大小為窗口大小(size),來計算得到窗口內(nèi)自適應(yīng)Boltzmann曲線的像素點個數(shù)。下面結(jié)合附圖詳細說明本發(fā)明的技術(shù)實施方式。圖3是本發(fā)明的方法流程圖，本發(fā)明的具體步驟包括步驟1，在靶標(biāo)所在影像上人工選擇靶標(biāo)中心位置，如圖1所示。因為在前后視衛(wèi)星影像上，整個有效的靶標(biāo)影像范圍大致為13X13像素；如果在下視衛(wèi)星影像則為20X20像素，如果在多光譜衛(wèi)星影像上為8X8 ;所以人工對靶標(biāo)中心位置的選擇完全可以達到一個像素或以內(nèi)的精度，并記錄坐標(biāo)(x，y)作為靶標(biāo)中心坐標(biāo)初始值。相反，靶標(biāo)中心位置的偏差達到2個像素左右或以上，是能夠通過人工明顯看出不是靶標(biāo)中心的。步驟2，可以觀察得到靶標(biāo)有效區(qū)域如圖2所示，選擇靶標(biāo)窗口大小為size。對于不同分辨率影像，靶標(biāo)占到的像素大小不同，參數(shù)size不僅用來獲取一定范圍內(nèi)的像素灰度值，而且對于自適應(yīng)計算這塊影像窗口內(nèi)每行(列)中用來擬合Boltzmann曲線的像素個數(shù)。根據(jù)影像上靶標(biāo)所占不同大小像素窗口實驗分析，經(jīng)驗得到自適應(yīng)計算公式為每行(列)參與擬合Boltzmann曲線的計算的像素個數(shù)為m =[(size-10) /3+0. 5] +3，其中算符“ [·] ”表示向下取整，計算得到η個點用來擬合直線，其中 η = m+2。盡量保存原有的灰度值不變化進行后續(xù)的擬合計算，但如果所獲得的是小于10 X 10個像素窗口，優(yōu)選地先進行一次升采樣，再進行計算，否則太少的像素個數(shù)擬合的Boltzmann曲線效果很差，影響提取精度。例如，如果是多光譜衛(wèi)星影像，則8X8個像素中真正用于后續(xù)的擬合Boltzmann函數(shù)的點是不夠的,所以進行一次插值,達到16X16窗口大小。以初始點位(x,y)為中心，以size為窗口大小,讀取影像中size大小的窗口灰度值；以(X, y)為中心計算以size大小的影像窗口的左上角點影像坐標(biāo)為x0 =x-[size/2] ,y0 = y_[size/2],其中算符“ [·] ”是向下取整；讀取以(x0,y0)起點size為大小的窗口影像灰度值，得到影像塊灰度矩陣。步驟3，對于獲取的size窗口影像灰度值進行差分計算。在行方向上，按相鄰列灰度值進行相減，得到一個行差分影像灰度矩陣；在列方向上，按相鄰行灰度值進行相減，得到一個列差分影像灰度矩陣。步驟4，從行方向上，計算一列上灰度差分最大的點，作為初始黑白交界像素級中心，以此為中心，兩邊各取適當(dāng)?shù)南袼攸c進行Boltzmann函數(shù)曲線擬合，計算擬合參數(shù)，得到此列的黑白交界亞像素級中心。逐列進行計算，將得到的各列中心點位進行最小二乘直線擬合，得到行方向上的黑白邊界線。具體來說包括以下步驟步驟4-1，在一列上遍歷灰度值差分最大的像素點，計為此列的初始黑白交界像素級中心坐標(biāo)；步驟4-2，以所述初始黑白交界像素級中心為起點，在此列上兩邊各取m/2個像素點(m為上述適合用來擬合Boltzmann曲線的像素個數(shù)，對m/2向下取整數(shù))，把每個像素點所在行號i計為X坐標(biāo)，原始影像灰度值計為I坐標(biāo)；步驟4-3, Boltzmann函數(shù)方程為
權(quán)利要求
1.一種衛(wèi)星影像靶標(biāo)提取方法，其特征在于，包括以下步驟 步驟1，在影像上找到靶標(biāo)所在區(qū)域并選擇靶標(biāo)中心點位置； 步驟2，獲取以靶標(biāo)中心點為中心一定大小的窗口的灰度值，獲取灰度矩值陣； 步驟3，對窗口內(nèi)的灰度值進行差分計算，得到行方向上和列方向上的兩個灰度差分矩陣； 步驟4，從行方向上，計算一列上灰度差分最大的點，作為初始黑白交界像素級中心；以此為中心，兩邊各取適當(dāng)?shù)南袼攸c進行Boltzmann函數(shù)曲線擬合，計算擬合參數(shù)，得到此列的黑白交界亞像素級中心；逐列進行計算，得到的各列中心點位進行最小二乘直線擬合，得到行方向上的黑白邊界線； 步驟5，從列方向上，計算一行上灰度差分最大的點，作為初始黑白交界像素級中心，以此為中心，兩邊各取適當(dāng)?shù)南袼攸c進行Boltzmann函數(shù)曲線擬合，計算擬合參數(shù)，得到此行的黑白交界亞像素級中心，逐行進行計算，得到的各行中心點位進行最小二乘直線擬合，得到列方向上的黑白邊界線； 步驟6，將得到的行、列方向上的兩條所述黑白邊界線解求交點，交點坐標(biāo)再加上所述窗口左上角點的原始影像坐標(biāo)，得到的坐標(biāo)即為十字對頂角靶標(biāo)中心的影像坐標(biāo)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的衛(wèi)星影像靶標(biāo)提取方法，其特征在于，步驟I中采用人工選擇革巴標(biāo)中心點的位置，其中人工選擇祀標(biāo)中心點位置的偏差在一個像素或以內(nèi)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的衛(wèi)星影像靶標(biāo)提取方法，其特征在于，步驟2中如果所述窗口小于10X 10個像素，則對窗口內(nèi)像素進行插值。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的衛(wèi)星影像靶標(biāo)提取方法，其特征在于，所述步驟4具體包括 步驟4-1，在一列上進行遍歷取得灰度值差分最大的像素點，計為此列的初始黑白交界像素級中心坐標(biāo)； 步驟4-2，以所述初始黑白交界像素級中心為起點，在此列上兩邊各取m/2個像素點，把每個像素點所在行號i計為X坐標(biāo)，原始影像灰度值計為I坐標(biāo)； 步驟4-3,逐列按照步驟4-1、4-2計算得到m個點(x, y),代入Boltzmann函數(shù)方程
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的衛(wèi)星影像靶標(biāo)提取方法，其特征在于，所述步驟5具體包括 步驟5-1，在一行上進行遍歷取得灰度值差分最大的像素點，計為此行的初始黑白交界像素級中心坐標(biāo)； 步驟5-2，以所述初始黑白交界像素級中心為起點，在此行上兩邊各取m/2個像素點，把每個像素點所在列號j計為X坐標(biāo)，原始影像灰度值計為I坐標(biāo)； 步驟5-3,逐行按照步驟5-1、5-2計算得到m個點(x, y),代入Boltzmann函數(shù)方程
6.根據(jù)權(quán)利要求4-5中任一項所述的衛(wèi)星影像靶標(biāo)提取方法，其特征在于，其中，所述 m = [(size-10)/3+0. 5]+3，其中算符“ [·] ”表示向下取整，size為步驟2中所述窗口的大??；所述n = m+2。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種衛(wèi)星影像靶標(biāo)提取方法，其以靶標(biāo)中心點為中心選取一定大小的窗口，采用Boltzmann函數(shù)曲線擬合十字對頂角靶標(biāo)黑白階躍變換曲線，更加真實準確的模擬影像上黑白灰度值變化特征，更加準確地求解出黑白交界的中心點位，并以最小二乘擬合直線，行列向直線求交的方式，細致地解求出高精度的靶標(biāo)中心坐標(biāo)，從而為衛(wèi)星的幾何校驗工作提供了高精度的控制數(shù)據(jù)。
文檔編號G06T7/60GK103020997SQ20121049239
公開日2013年4月3日 申請日期2012年11月28日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月28日
發(fā)明者張過, 唐新明, 楊柳青, 付興科, 祝小勇, 方辰 申請人:國家測繪地理信息局衛(wèi)星測繪應(yīng)用中心