用于航空相機的圖像成像方法及系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及機器視覺和圖像處理領(lǐng)域，特別地，涉及一種面陣CXD航空相機的圖 像成像方法及系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 分辨率和視場角是航空相機的關(guān)鍵技術(shù)指標，由于視場與分辨率之間存在相互制 約的關(guān)系，受材料工藝水平的限制，單片面陣CCD傳感器難以同時滿足航空偵察任務(wù)高分 辨率和大視場的要求，為滿足航空偵察任務(wù)大視場、高分辨率、高實時性的要求，航空相機 多采用單片面陣CCD傳感器掃描成像方式，通過CCD傳感器和特殊的機械結(jié)構(gòu)，在不同時 亥IJ、以不同角度對地攝影成像，然后通過圖像拼接技術(shù)將獲取的具有一定重疊區(qū)域的航空 圖像序列合成一幅等效的寬視場、高分辨率圖像。
[0003] 由于航空光學(xué)成像系統(tǒng)本身的設(shè)計、加工、裝調(diào)和環(huán)控等原因會使圖像產(chǎn)生一定 畸變，對原始圖像直接進行拼接，可能會出現(xiàn)重疊區(qū)域像元錯位導(dǎo)致某些目標完全拼接不 上的問題，同時畸變也嚴重影響目標定位精度，在500m左右的高空時，因鏡頭畸變所產(chǎn)生 的定位誤差為〇~15m，越是靠近圖像的邊緣，畸變越嚴重，引起的定位誤差越大，必須對圖 像畸變進行校正以提高目標定位精度和保證拼接圖像的質(zhì)量。
[0004] 由于面陣CCD航空相機圖像具有像幅小、數(shù)量多、分辨率高、傾斜角大、旋轉(zhuǎn)角大、 尺度變化大、重疊不規(guī)則、背景復(fù)雜等特點，現(xiàn)有航空相機序列圖像配準拼接方法存在耗時 長，自動化水平低，拼接累積誤差大等問題，并且一般航空圖像拼接處理系統(tǒng)不涉及目標定 位問題，得到的拼接圖像沒有目標地理坐標信息，從而限制了其應(yīng)用范圍。
[0005] 且現(xiàn)有的一般航空相機采用單點定位法，通過姿態(tài)測量/激光測距定位模型對圖 像中心十字絲指向目標進行定位，對多個目標實施定位則需要頻繁改變相機光軸指向進 行多次定位，消耗時間長，難以同時對多個目標實施實時或準實時定位，無法適應(yīng)現(xiàn)代戰(zhàn) 場態(tài)勢實時多變，目標數(shù)量多的情況；現(xiàn)有多目標定位方法主要基于多個傳感器平臺，如 CN201310384965. 0公開了一種提高多相機合成影像攝影測量精度的方法，其采用光學(xué)交會 測量定位方法實現(xiàn)多目標定位，硬件設(shè)備復(fù)雜，實時性較差。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明提供了一種用于航空相機的圖像成像方法及系統(tǒng)，以解決現(xiàn)有的航空相機 基于多傳感器平臺的多目標定位方法導(dǎo)致的硬件設(shè)備復(fù)雜、實時性及可靠性差的技術(shù)問 題。
[0007] 本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：
[0008] 根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供一種用于航空相機的圖像成像方法，航空相機采用 單片面陣CCD傳感器掃描成像，圖像成像方法包括：
[0009] 對航空相機拍攝的圖像進行畸變校正，得到校正后的序列圖像；
[0010] 對校正后的序列圖像按照圖像的拍攝順序或者拍攝時間確定拼接次序，結(jié)合相鄰 圖像間的單應(yīng)矩陣得到合成圖像；
[0011] 從航空相機拍攝的圖像中檢測出靜止和/或者運動目標的像素坐標，并進行畸變 校正得到多個目標像素坐標；
[0012] 將各目標像素坐標和GPS定位系統(tǒng)輸出的定位數(shù)據(jù)、航空姿態(tài)測量系統(tǒng)輸出的飛 機姿態(tài)數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)融合，得到各目標的地理坐標；
[0013] 將各目標的地理坐標與合成圖像進行疊加，得到多目標地理定位的電子地圖。
[0014] 進一步地，得到各目標的地理坐標采用基于像元視線向量的多目標自主定位方 法，包括：
[0015] 根據(jù)單片面陣C⑶傳感器的成像原理，結(jié)合各目標像素坐標構(gòu)造各目標的視線向 量；
[0016] 根據(jù)各目標的視線向量計算其與圖像中心主目標的像元視線角；
[0017] 根據(jù)相機內(nèi)部的激光測距機測量得到主目標與飛機之間的距離，根據(jù)相機內(nèi)部的 角度編碼器測量得到相機光軸相對飛機平臺的方位角和高低角，結(jié)合各目標和主目標之間 的像元視線角計算出各目標與飛機平臺的角度與距離關(guān)系；
[0018] 結(jié)合GPS定位系統(tǒng)輸出的飛機位置數(shù)據(jù)、航空姿態(tài)測量系統(tǒng)輸出的飛機姿態(tài)數(shù) 據(jù)，通過齊次坐標變換方法計算出單幅圖像中多個目標的地理坐標。
[0019] 進一步地，對校正后的序列圖像按照圖像的拍攝順序或者拍攝時間確定拼接次 序，結(jié)合相鄰圖像間的單應(yīng)矩陣得到合成圖像的步驟包括：
[0020] 采用FAST角點檢測算法對校正后的序列圖像提取特征點，采用BRISK算子作為特 征點描述符，利用漢明距離計算相鄰圖像間特征點的相似度進行匹配，得到相鄰圖像之間 的單應(yīng)矩陣；
[0021] 按照圖像的拍攝順序或者拍攝時間確定拼接次序，按照拼接次序和相鄰圖像之間 的單應(yīng)矩陣進行拼接得到一幅寬視場的合成圖像。
[0022] 進一步地，從航空相機拍攝的圖像中檢測出靜止和/或者運動目標的像素坐標采 用圖像分割法、幀差法或者光流法；其中，
[0023] 圖像分割法根據(jù)灰度閾值或者邊緣信息將圖像分為目標區(qū)域和背景區(qū)域，計算目 標區(qū)域的中心坐標作為目標的像素坐標；
[0024] 幀差法通過相鄰幀圖像的像素差值能快速檢測像素特征變化的運動目標；
[0025] 光流法通過連續(xù)幀圖像對應(yīng)像素的特征變化估計圖像的運動場，將相似的運動矢 量合并為運動目標。
[0026] 根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供一種用于航空相機的圖像成像系統(tǒng)，航空相機采用 單片面陣CCD傳感器掃描成像，圖像成像系統(tǒng)包括：
[0027] 圖像畸變校正單元，用于對航空相機拍攝的圖像進行畸變校正，得到校正后的序 列圖像；
[0028] 圖像拼接單元，用于對校正后的序列圖像按照圖像的拍攝順序或者拍攝時間確定 拼接次序，結(jié)合相鄰圖像間的單應(yīng)矩陣得到合成圖像；
[0029] 目標檢測單元，用于從航空相機拍攝的圖像中檢測出靜止和/或者運動目標的像 素坐標，并進行畸變校正得到多個目標像素坐標；
[0030] 目標定位單元，用于將各目標像素坐標和GPS定位系統(tǒng)輸出的定位數(shù)據(jù)、航空姿 態(tài)測量系統(tǒng)輸出的飛機姿態(tài)數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)融合，得到各目標的地理坐標；
[0031] 圖像生成單元，用于將各目標的地理坐標與合成圖像進行疊加，得到多目標地理 定位的電子地圖。
[0032] 進一步地，目標定位單元包括：
[0033] 視線向量構(gòu)建模塊，用于根據(jù)單片面陣CCD傳感器的成像原理，結(jié)合各目標像素 坐標構(gòu)造各目標的視線向量；
[0034] 像元視線角計算模塊，用于根據(jù)各目標的視線向量計算其與圖像中心主目標的像 元視線角；
[0035] 方位計算模塊，用于根據(jù)相機內(nèi)部的激光測距機測量得到主目標與飛機之間的距 離，根據(jù)相機內(nèi)部的角度編碼器測量得到相機光軸相對飛機平臺的方位角和高低角，結(jié)合 各目標和主目標之間的像元視線角計算出各目標與飛機平臺的角度與距離關(guān)系；
[0036] 地理坐標計算模塊，用于結(jié)合GPS定位系統(tǒng)輸出的飛機位置數(shù)據(jù)、航空姿態(tài)測量 系統(tǒng)輸出的飛機姿態(tài)數(shù)據(jù)，通過齊次坐標變換方法計算出單幅圖像中多個目標的地理坐 標。
[0037] 進一步地，圖像拼接單元包括：
[0038]圖像配準模塊，用于采用FAST角點檢測算法對校正后的序列圖像提取特征點，采 用BRISK算子作為特征點描述符，利用漢明距離計算相鄰圖像間特征點的相似度進行匹 配，得到相鄰圖像之間的單應(yīng)矩陣；
[0039]圖像融合模塊，用于按照圖像的拍攝順序或者拍攝時間確定拼接次序，按照拼接 次序和相鄰圖像之間的單應(yīng)矩陣進行拼接得到一幅寬視場的合成圖像。
[0040] 本發(fā)明具有以下有益效果：
[0041] 本發(fā)明用于航空相機的圖像成像方法及系統(tǒng)，一方面，通過航空相機拍攝的圖像 進行畸變校正，得到校正后的序列圖像，并對校正后的序列圖像的拍攝順序或者拍攝時間 確定拼接次序，結(jié)合相鄰圖像間的單應(yīng)矩陣得到合成圖像；另一方面，通過檢測各圖像中 的多個目標，并進行畸變校正得到多個目標像素坐標，將各目標像素坐標和GPS定位系統(tǒng) 輸出的定位數(shù)據(jù)、航空姿態(tài)測量系統(tǒng)輸出的飛機姿態(tài)數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)融合，得到各目標的地 理坐標，其采用流水線方式將相機畸變校正、圖像拼接與多目標定位有機結(jié)合起來，為用戶 提供一幅具有多目標地理坐標信息、較高的幾何精度和較寬視角的高分辨率電子地圖，無 論在軍用領(lǐng)域還是在民用領(lǐng)域均有重要應(yīng)用價值，且采用流水線方式也減少了數(shù)據(jù)處理時 間，提高了計算效率，可利用單面陣CCD傳感器同時對多個目標進行地理定位，提高了偵察 效率和實時性，從而適應(yīng)現(xiàn)代戰(zhàn)場態(tài)勢實時多變，目標數(shù)量多的情況。
[0042] 除了上面所描述的目的、特征和優(yōu)點之外，本發(fā)明還有其它的目的、特征和優(yōu)點。 下面將參照圖，對本發(fā)明作進一步詳細的說明。