（控制理论与控制工程专业论文）纸制军事地形图的拼接技术研究与系统实现.pdf

-，j_ j 独创性声明 r p l l j l l l l i j i j l l ij i l l l l l j j l i j j i l l l i j j j j i j l l 删 y 1716 3 4 4 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得 的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人已经发表或撰写过 的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工 作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢 ： 思0 学位论文作者签名：簪杉 日期：f 后 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论 文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 作者和导师同意网上交流的时间为作者获得学位后： 半年口一年口一年半口两 学位论文作者签名：剥芭涉 签字日期：n 八匕 导师签名： 签字日期： - j l j at h e s i si nc o n t r o lt h e o r ya n dc o n t r o le n g i n e e r i n g o n i m a g es t i t c h i n ga n ds y s t e mi m p l e m e n tf o rp a p e rm a p o fm i l i t a r yt o p o g r a p h y b yb a ny i n g s u p e r v i s o r ：p r o f e s s o rj i n gy u a n w e i n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y j u n e2 0 0 8 吣1 ， j 文毒 东北大学硕士学位论文 摘要 纸制军事地形图的拼接技术研究与系统实现 摘要 图像拼接技术是多元图像信息处理中必不可少的一个重要环节，是数字图像处理和 计算机视觉的基本组成部分；是用于解决数字成像设备自身的限制无法得到全景图像等 问题的一种实用技术。图像拼接技术主要包含对待拼接图像的属性、几何结构的配准和 空间坐标位置的配准，如果配准算法有较好的配准精度和自动化能力，就可以给拼接结 果和后续处理工作提供宝贵的支持和效率保障。 本文应用图像拼接技术解决了，应用扫描仪对整幅纸制军事地形图的数字化采集问 题。针对军事地形图本身的固有特点，提出了根据其网格特征，网格交点特征和经纬度 数字标注对待拼接地图的几何结构进行了控制点配准，校正了地形图的非线性几何畸变 和旋转角度；在待拼接地图的空间坐标位置配准的过程中，提出了一种应用其最大r g b 彩色特征区域匹配的配准技术，有效的实现了对整幅军事地形图的拼接，并对该部分做 了软件系统实现。 本文重点做了三个方面的主要工作： 首先，对待拼接图像进行了黑版图、网格和网格交点的特征提取。针对本设计要求， 提出了一种自动选取阈值的方法，对原始图像进行饱和度增强和分段线性对比度的增 强；在彩色增强后的图像基础之上，采用了r g b 空间的彩色分割技术，提取出了含有 网格线、经纬度标注、房屋、道路等信息的黑版图，并对其进行了单值细化处理；在黑 版图的基础上，应用h o u g h 变换的线检测技术，并针对军用地形图的网格特点，提出一 种适合本设计的线链接的方法，有效的提取出了地图中的网格线；之后对网格线进行拉 伸，计算出网格线的交点特征。 其次，对军事地形图的非线性几何畸变和旋转角度进行了校正。采用了基于栅格控 制点的几何拉伸图像复原方法，该方法应用灵活，对各种不可预测的几何畸变均有良好 复原效果，然后采用了双线性灰度级插补法，处理空间变换后图像中像素灰度级的赋值 问题。对于非线性的畸变复原难点在于配准控制点对的选取，本文针对军事地形图的固 有特点，根据网格交点计算出了配准控制点对；对于旋转角度的校正，创造性的采用了 识别分类经纬度数字标注方法，获得了较好的配准效果。 最后，对军事地形图进行了空间坐标位置配准。本文依据彩色特征的交互相关配准 准则测评待拼接图片间的配准区域的相似程度，其中，选取含有控制点的配准区域是一 个难点，本文应用了一种根据含有彩色特征的频数，自动选取边缘重叠区内最大彩色特 一l i 东北大学硕士学位论文 摘要 征区域作为配准区域的方法，取得了较好的效果，并且应用空间坐标配准技术，使用 v c + + 6 0 作为开发工具，运用m f c 、b o o s t 库和i m a g e s t o n e 图像处理库，开发出了一 个拼接软件系统，成功的实现对军事地图的自动拼接、半自动拼接和手动拼接。 关键词：图像拼接；图像配准；特征提取；非线性畸变校正；几何变换；数字识别；v c + + 一m 一 j i o ni m a g es t i t c h i n ga n ds y s t e mi m p l e m e n t f o rp a p e rm a po f m i l i t a r yt o p o g r a p h y a b s t r a c t i m a g es t i t c h i n gt e c h n o l o g y , af u n c t i o n a lt e c h n o l o g yu s e d t os o l v et h ep r o b l e mt h a tt h e d i g i t a li m a g i n ge q u i p m e n ti t s e l fc a n n o tg e tt h e 向l l - s i g h ti m a g e ，i s n o to n l yas i g n i f i c a n t a s p e c to fm u l t i i m a g e i n f o r m a t i o np r o c e s s i n g , a l s oab a s i cc o m p o n e n to fd i g i t a li m a g e p r o c c s s 强dc o m p u t e rv i s i o n t h ei m a g es t i t c h i n gt e c h n o l o g yi n c l u d e s t h ea d j u s t m e n to f p r e m o s a i ci m a g ea t t r i b u t e ；g e o m e t r i c a r c h i t e c t u r ea n ds p a c ec o o r d i n a t ep o s i t i o n i ft h e r e g i s t r a t i o na l g o r i t h mh a s b e t t e rr e g i s t r a t i o na c c u r a c ya n da u t o m a t i cc a p a b i l i t y , t h e ni t c o u l d p r o v i d ev a l u a b l es u p p o r ta n de f f e c t i v ep r o t e c t i o nf o rd e a l i n g w i t ht h er e s u l t si nt h ef o l l o w i n g w o r k i i lt h i st h e s i s ，t h ei m a g es t i t c h i n gt e c h n o l o g yi su s e dt os o l v et h ep r o b l e mf o rd i g i t a l c o i l e c t i o no fw h o l et h e s i sm i l i t a r ym a pu s i n gs c a n n e li no p i n i o no fi n h e r e n tc h a r a c t e r i s t i c so f m i l i t a r yt o p o g r a p h i cm a p i ti ss u p p o s e dt oa d j u s t t h ec o n t r o lp o i n to ft h em o s a i cm a p s g e o m e t r i cs t r u c t u r e a n dn o n 1 i n e a rg e o m e t r i cd i s t o r t i o na n dp r o s c o n sa n g l eo ft h e t o p o g r a p h i cm a p ，a c c o r d i n gt ot h en o d a lg r i dc h a r a c t e r i s t i c sa n dl a t i t u d e & l o n g i t u d ed i g i t a l m a r k i nt h ec o u r s eo fc o r r e c t i n gt h es p a c ec o o r d i n a t e sp o s i t i o no fm o s a i cm a p ，i tp r o p o s e da r e g i s t r a t i o nt e c h n o l o g yu s i n gm a p sm a t c h i n g a b i l i t ya b o u tt h er g b c o l o r f u lc h a r a c t e r i s t i c so f t h er e g i o n ，a n de f f e c t i v e l ys o l v e dt h ep r o b l e mo fs t i t c h i n gt h es e p a r a t em i l i t a r yt o p o g r a p h i c m a pt o g e t h e r i nt h em e a n t i m e ，c o m p l e m e n tt h e v i s u a l i z a t i o ns o f t w a r es y s t e mo ft h i sp a r t t h e r ea r et h r e em a i na s p e c t so ft h i st h e s i s ： f i r s t l v f o rt h ei m a g es t i t c h i n g ，t h i st h e s i se x t r a c t e dt h e f e a t u r ef o r 鲥dc r o s so fi t sb l a c k t e r r i t o r ya n dt h en o d a l i no r d e rt oa c h i e v et h i s ，i tp r o p o s e da m e t h o dw h i c hc o u l ds e l e c tt h e t h r e s h o l da u t o m a t i c a l l y , t h u st h i sm e t h o de n h a n c e st h es a t u r a t i o n a n dp i e c e w i s el i n e a r c o n t r a s to ft h eo r i g i n a li m a g e b a s e do nt h ec o l o re n h a n c e di m a g e s ，u s i n gt h er g bs p a c e c o l o rs e g m e n t a t i o n ，a n dp r o p o s i n gab l a c kt e r r i t o r yw h i c hi n c l u d e sg r i dl i n e s ，l a t i t u d ea n d l o n g i t u d em a r k ，h o u s i n g ，r o a d s ，a n di n f o r m a t i o n ，t h e np r o c e s s e da l lt h e s ei n f o r m a t i o nw i t h s i n d e v a l u er e f i n e dt e c h n o l o g y o nt h eb a s eo fb l a c kt e r r i t o r y , t r i e dt ou s et h el i n ed e t e c t i o n t e c h n o l o g yw h i c hn a m e dh o u g ht r a n s f o r m ，a n d m a p ，p r o p o s e da ne f f e c t i v em e t h o d t oe x t r a c tt h e t h en o d a lc h a r a c t e r i s t i c sb e t w e e nd i f f e r e n tl i n e s a g a i n s tt h e 鲥df e a t u r e so ft h et o p o g r a p h i c g r i dl i n eo f t h em a p ，t e n s i l ei t ，t h e nc a l c u l a t e s e c o n d l y , c o r r e c t i o no ft h en o n l i n e a rg e o m e t r i cd i s t o r t i o nf o r t h em i l i t a r yt o p o g r a p h y m a p su s i n gt h es p a t i a l t r a n s f o r m a t i o nm e t h o do fc o r r e s p o n d i n gq u a d r i l a t e r a lr e g i o n s t i e 一一 ， ：- 审 t 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t p o i n t s t h eg e o m e t r i cd i s t o r t i o np r o c e s s o v e rt h ee n t i r ei m a g ep l a n eg e n e r a l l yc a n n o td e s c r i b e i ns i n g l ea n a l y t i c a lf u n c t i o n n em e t h o du s e df r e q u e n t l yt oo v e r c o m et h i sd i f f i c u l t y , t h e n ， u s e db i l i n e a rg r a y 1 e v e la s s i g n m e n t ，w h i c hd e a l sw i t ht h ea s s i g n m e n to fg r a yl e v e l st op i x e l s i nt h es p a t i a l l yt r a n s f o r m e di m a g e s p e c i f i e dt h el o c a t i o no ft h ec o r r e s p o n d i n gt i ep o i n t s ， w h i c ha r eas u b s e to fp i x e l sw h o s el o c a t i o ni nt h ed i s t o r t e da n dc o r r e c t e di m a g e si sg e n e r a l l y d i v e r s ea n dc o m p l e x t h i st h e s i se x t r a c t e da n dc a l c u l a t e dt h en o t e so fg r i d ，w h i c hi sau n i q u e f e a t u r ei nt h em i l i t a r yt o p o g r a p h ym a p st os o l v et h i sp r o b l e m i no r d e rt oc o r r e c tt h ed i s t o r t e d r o t a t i o na n g l e ，t h i sp a r tc r e a t i v e l yu s e dt h ei m a g er e c o g n i t i o nf o rt h ed i g i t a lt a g g i n g ，w h i c hi s t h el a t i t u d ea n dl o n g i t u d ei nt h em i l i t a r yt o p o g r a p h ym a p s f i n a l l y , t h et h e s i sa d j u s t st h em a t c h i n gs p a t i a lp i x e l sb e t w e e nt w oi m a g e s t h i st h e s i s t e s t sa n de v a l u a t e st h es i m i l a ra b i l i t yo fs t a n d a r ds c o p eb e t w e e ni m a g e ss t i t c h e da c c o r d i n g t o t h em a t c h i n gp r i n c i p l e s h o wt oc h o o s es c o p ei n c l u d i n gc o n t r o lp o i n ti sad i f f i c u l tp r o b l e m ，i n o r d e rt oo v e r c o m et h ed i f f i c u l t y , t h i st h e s i sp r o p o s e sa ne f f e c t i v em e t h o dt oa u t o m a t i c a l l yf i n d t h es u b r e g l o nw h i c hc o n t a i n st h eg r e a t e s tn u m b e ro fc o l o ri n f o r m a t i o n b yt h ew a y , b a s e do n t h e m a t c h i n gt e c h n o l o g yb yc o r r e l a t i o n ，t h i s d e s i g n u s e ss o m et y p e so ft e c h n o l o g y s y n t h e t i c a l l ys u c ha sl m a g e s t o n e ，b o o s t , m f cp r o g r a m m i n ga n ds oo n o nv i s u a lc + + 6 0 i n t e g r a t e dd e v e l o p m e n te n v i r o n m e n t i nw i n d o w sx po p e r a t i n gs y s t e m ，i m p l e m e n t e da ni m a g e s t i t c h i n g s o f t w a r e s y s t e m o f m i l i t a r yt o p o g r a p h ym a p w h i c hc o n t a i n st h r e em a i n f u n c t i o n s a u t o m a t i cs t i t c h i n g ，s e m i - a u t o m a t i cs t i t c h i n g ，m a n u a ls t i t c h i n g k e y w o r d s -i m a g es t i t c h i n g ；i m a g er e g i s t r a t i o n ；f e a t u r ee x t r a c t i o n ；n o n l i n e a r d i s t o r t i o n c o r r e c t i o n ；g e o m e t r i ct r a n s f o r m a t i o n ；f i g u r er e c o g n i t i o n ；v c + + 一v 一 ， j q 伊 东北大学硕士学位论文 目录 目录 独创性声明i 摘要i i a b s t r a c t i v 第1 章绪论l 1 1 图像拼接技术的主要内容与流程1 1 2 图像配准算法国内外研究现状一3 1 3 图像配准方法分类5 1 4 本文的主要工作及流程安排5 第2 章军事地形图的特征提取7 2 1 彩色地形图的预处理一7 2 1 1h s i 彩色空间7 2 1 2h s i 与r g b 的颜色相互转换9 2 1 3 彩色图像增强11 2 2 黑版图提取与处理1 5 2 2 1 黑版图的提取1 5 2 2 2 黑版图的单值细化1 6 2 3 网格线提取2 0 2 3 1h o u g h 变换线检测原理2 0 2 3 2 使用h o u g h 变换做峰值检测2 3 2 3 3 使用h o u g h 变换做线检测和链接2 3 2 3 4 断线的连接与网格提取2 4 2 4 交点特征的计算2 6 2 5 本章小结2 6 第3 章军事地形图的几何畸变校正2 7 3 1 地图图像的几何校正方法2 7 3 2 基于控制点配准的非线性几何畸变校正2 7 3 2 1 图像复原的几何变换2 8 3 2 2 通过指定控制点进行空间复原2 8 3 2 3 控制栅格空间插值。2 9 3 2 4 灰度级插值。3l 3 3 配准控制点的确定。3 3 一一 东北大学硕士学位论文 目录 3 4 基于经纬度标注的旋转校正3 4 3 4 1 经纬度标注定位3 5 3 4 2 基于最小错误率的贝叶斯分类识别3 8 3 4 3 数字标注分类的具体实现4 0 3 5 本章小结4 1 第4 章军事地形图的拼接点配准4 3 4 1 图像配准的原理和定义4 3 4 2 基于特征的图像配准方法4 4 4 3 基于彩色特征的互相关自动配准4 5 4 3 1 互相关配准方法4 5 4 3 2 彩色特征的互相关配准准则4 6 4 3 3 配准区域的自动选取4 7 4 4 人机交互式选取配准控制点4 8 4 5 本章小结4 8 第5 章图像拼接软件系统设计与实验4 9 5 1 拼接界面设计4 9 5 2 程序结构概要。5 0 5 3 功能简介5 1 5 4 系统测试5 1 第6 章工作总结与展望。5 5 参考文献5 7 致 射6 1 攻读硕士期间发表的论文6 2 一v i i 一 矗 j t 飞j 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 图像拼接技术的主要内容与流程 ( 1 ) 拼接技术的主要内容 视觉是人类获取信息、的最主要手段，图像是人类视觉系统对客观世界的直接反映。 在实际的科研和工作中，经常会用到超过一般图像获得设备视野的图像，比如一些超大 规模的物体无法用一张普通图像显示，而大视野图像获得设备价格昂贵，此时如何利用 已有的设备来获得大幅的、高分辨率图像就成为人们所关心的问题。伴随着计算机处理 技术的发展，数字图像处理的广泛应用，图像拼接技术为获得大幅、高分辨率图像提供 了很好的解决方案。 图像拼接技术就是将一组具有重叠区域的图像或视频，根据重叠区域的相同特征合 成大视角的图像或全景图1 1 , 2 j 。在最早的拼接技术主要应用于摄影过程中，当相机的拍摄 范围小于人类的视野要求时，人们自然是考虑将多个照片拼接在一起形成一幅大的照片 以达到人们的要求，或利用更好的设备来获得大视野，高分辨率的图像，直接获得大视 野图像的设备主要有扫描式相机和广角镜头，但是他们得到的图像在边缘容易产生扭曲 或畸变。数字图像拼接技术的运用，使得图像拼接可以进行待拼接图像间的精确定位、 处理两幅图像之间产生的各种畸变及处理重叠区的灰度，从而使获得的图像定位准确。 总之，数字图像拼接技术的良好特点，使得其被广泛应用于遥感数据处理、医学图像分 析以及计算机视觉、模式识别等方面。 随着科学技术和遥感技术的发展，尤其是近年来，以图像捕捉设备、扫描仪、卫星、 无人机为代表的成像技术的迅猛发展，成为数字地图的主要信息源和数据更新途径。但 是不管是哪种图像数据采集设备和手段，不可能同时获得成像的时间、空间和属性这3 要素。另外，在许多图像处理应用中，需要对获得的同一对象的多种观测数据进行综合 比较和分析，例如，图像的统计模式识别、变化监测、三位重构、地形图的修正及导航 中的影像与地图的匹配等，这就要它们在整体结构上是完整。 在实际情况中，这些数据之间由于分辨率不同或者相互之间存在不可预知的几何畸 变，不可能使其具有相同的内方位参数及相同的成像姿态，所以对带拼接图像之间的属 性和几何结构上的相互配准也是图像拼接技术的一个重要方面，是对待拼接图像进行空 间坐标配准的先决条件。 在实际的拍摄过程中，由于对同一场景使用相同或不同的传感器( 成像设备) ，在不 同条件下( 天气、照度、摄像位置和角度等) 获取的两个或多个图像一般会有所不同。同 一场景的多幅图像的差别可以表现在：不同分辨率、不同灰度属性、不同位置( 平移和 一1 一 东北大学硕士学位论文 第1 章绪论 旋转等) 、不同的比例尺、不同的非线性畸变等。多种成像模式产生的图像会表现出不 同的分辨率、不同的狄度属性等差异，它们通常被称为多模态图像。由于拍摄条件、拍 摄设备的不同，导致拍摄得到的图像存在各种畸变，因此需要对多模态图像进行属性、 几何结构的配准，使其在几何结构和属性上相对一致。 图像拼接源自于多个领域的很多实际问题，如不同传感器获得的信息融合；不同时 间、条件获得图像的差异检测；成像系统和物体场景变化情况下获得的图像的三维信息 获取；图像中的模式或目标识别等。简单的说，图像拼接就是将统一场景的不同图像“对 齐”或进行配准。为了对场景进行深入分析，需要把两个或多个多模态图像数据结合起 来，所以在几何结构和属性上相对一致的图像基础上，对其进行空间坐标位置的配准是 图像拼接的又一主要步骤。 综上，图像拼接技术主要包含三个主要方面【3 】：对于拼接图像的属性、几何结构的 图像畸变复原、空间坐标位置的配准和图像融合技术。 大幅面地图图像往往来源于城市某一区域或整个区域的一组图像，即多幅图像。多 幅图像是由采用了不同的传感器在同一时间，或者是由同一传感器在不同时间对地面不 同目标成像获得的。在这种多幅图像的处理应用中，完成多幅图像重叠区域之间的配准， 并将其拼接成完整的图像，是对地形图进行后续处理的一个先决条件和基础环节，是必 不可少的组成部分，有重要的应用价值。 本设计来源于纸制军事地形图的三维重构。传统的纸制地形图来源广泛，携带方便， 便于现场对细微地形做及时修改，但是基于传统的纸制来构建指挥作战的立体沙盘，需 要人为的搭建实物建模，费时费力，为了解决这一问题，提出了应用计算机数字技术进 行三维重构的方案。 要相对纸制军事地形图进行计算机处理，首先必须将其数字化。目前，图像的捕捉 设备主要有卫星、无人机、扫描仪、数码相机等。对于纸制地图，可以考虑应用扫描仪 和数码相机。常规数码相机的分辨率一般在2 8 1 6 x 2 1 1 2 d p i 4 2 7 2 x 2 8 4 8 d p i ( 6 0 0 万一1 2 0 0 万 像素1 ，常规扫描仪的分辨率1 2 0 0 x 2 4 0 0 d p i 4 8 0 0 x 9 6 0 0 d p i ，如果采用更高水准的采集设 备将带来高昂的经济代价。可见，扫描仪的采集质量会相对较高。再者，相机在实际的 拍摄过程中，极易受到天气、照度、摄像位置和角度等不利条件影像，而且还存在近距 离影像的镜头畸变问题；相比较而言，扫描仪的抗干扰能力和采集的图像质量要高出许 多。基于以上考虑，为了得到质量比较高的数字信息，选择了扫描仪进行图像采集。但 是由于标准纸制军事地形图幅面比较大，而扫描仪的可扫描尺寸有限，为了解决这个问 题，需要对整幅军事地图进行分块采集，再通过图像配准技术把分块子图像拼接成整幅 的纸制军事地形图，以便于对同一对象的多种观测数据进行综合处理和分析。 因此，图像拼接是多元图像信息处理中必不可少的一个重要环节，是计算机视觉的 一2 一 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 基本组成部分。如果配准算法有较好的配准精度和自动化能力，就可以给后续工作提供 宝贵的支持和效率保障。 ( 2 ) 图像拼接技术的一般流程 图像拼接( i m a g es t i t c h i n g ) 是指将两幅或两幅以上相邻图像间具有相同部分景物的 图像进行无缝拼合，得到大视角的、高分辨图像或全景图像。图像拼接是一个多步骤的 过程，图像拼接的一般流程为：单幅图像获取、信息提取、畸变校正、信息配准和图像 融合。图像拼接流程如下图1 1 所示： 图1 1 图像拼接流程 f i g 1 1f l o w c h a r to fi m a g es t i t c h i n g 图像拼接技术主要包括两个方面，即图像配准和图像融合，图像配准是根据两幅图 像间的信息，寻找一种或一系列空间变换，根据找到的变换参数将两幅图像变换到相同 的坐标系中，通过配准使得两幅图像对应点达到几何结构和空间位置上的完全一致。图 像融合主要就是采用一定的函数对重叠区域两幅图像的像素进行融合，使得在重叠区域 狄度过渡自然，没有明显的接缝。由于本设计采用了扫描仪进行图像获取，不存在待拼 接图像问的灰度差异，所以融合步骤可以简化，简单的进行重叠操作即可，所以本设计 的着重点在于应用一个好的拼接方法快速、精确地进行图像配准。 1 2 图像配准算法国内外研究现状 图像配准技术最早在美国2 0 世纪7 0 年代提出，在从事飞行器辅助导航系统、武器 投射系统的末制导及目标搜寻等应用研究中提出，并且得到军方的大力支持和赞助。目 前，图像配准的方法分为三大类：基于灰度统计的匹配方法、基于变换域的匹配方法和 基于特征的匹配方法。 早在7 0 年代，a n u t a 【4 】提出了使用f f r 进行互相关图像检测计算的图像配准技术， 以提高配准的速度性能；1 9 8 0 年p o s e n f e l d 5 】提出的交叉相关是最基本的基于灰度统计的 图像配准方法，它通常被用来进行模板匹配和模式识别；a r c e s e 6 1 等人提出了使用而至 相关方法进行图像检测的技术；b a m e a 【7 】等人提出了使用模板字图像差值相似性测度的 图像检测技术，它比使用f f t 计算互相关相似测度进行图像检测的方法有更高的性能； p r a t t 【8 】对图像配准的互相关技术进行了全面的研究；m a c g i l l e n 9 l 等人在图像配准的质量 和误差方面进行了研究；b a r r o w 【1 0 l 等人提出了距离变换和c h a m f e r 匹配技术，可以用于 图像配准的确定配准控制点的过程；s v e d l o w 1 1 】等人对图像配准的相似度和预处理方法 进行了比较分析。第一篇影响深远的综述性文章由1 9 9 2 年b r o w n 【1 2 】发表。特别针对医 一3 一 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 学图像配准的算法在文献 1 3 1 5 r p 有阐述，而在文献 1 6 1 8 】中概括了遥感图像配准的方 法。 在遥感图像处理方面，人们结合实际问题在这些方法的基础上提出了一些新的图像 配准方法。t a k a g i 1 9 】等人根据n o a a 卫星遥感图像中海岸线较为明显且常年保持不变的 特点，提出了基于遥感图像边缘特征的快速匹配算法。该算法先由遥感图像沿海岸线取 出若干个典型区域进行边缘提取，然后由标准海岸线数据形成与这些边缘区域相对应的 标准海岸线区域，最后将这些区域当作特征点，根据它们之间的配准结果确定实际遥感 图像的空间几何变形参数。h i r a t a l 2 0 1 等人又进一步将这些方法用到不同分辨率遥感图像 间的匹配上。f l u s s e r 2 1 j 针对变形图像间的匹配提出了自适应映射方法，自动的对两幅遥 感图像进行分割，使得分割后两幅图像上相应子块问的相似度最大，通过这些子块间的 空间位置关系来对原来的两幅图像进行匹配。 在国内，图像处理技术发展相对较晚，但今年获得了很大进步。葛永新【冽等人提出 了基于小波变换和形态学的一种边界重叠图像的拼接算法；钟家捌冽等人提出了基于轮 廓相似测度的图像配准方法，它适用于轮廓特征丰富的图像的配准，t d , 睿【冽等提出并 实现了一种自动图像配准方法，用于图像的高精度配准，但实际上它是一种使用互相关 函数作为相似性测度的半自动的图像配准方法；熊兴华等瞵j 提出了将遗传算法和最小二 乘法结合用于图像的子像素级配准。 由此可见，随着图像分割、边缘检测等技术的发展，基于边缘、轮廓和区域的图像 配准方法逐渐成为配准领域的研究热点，分割和边缘计策技术是这类方法的基础。比如， c a n n y 边缘提取算子，拉普拉斯高斯算子( l o g ) 、动态阈值技术、区域增长【2 6 2 8 1 等。尽 管方法很多且各具特色，但由于图像配准的输入数据来源的多样性，以及不同的应用对 图像配准的要求各不相同，同时由于影响图像配准的因素的多样形，配准问题的复杂性， 因此没有任何一种方法能对所有种类的图像都获得最佳效果。大多数的配准技术都依赖 于图像本身( i m a g ed e p e n d e n t ) ，图像配准的技术还有待遇进一步发展，目前国内外都在 积极研究图像的自动配准技术。 2 0 0 2 年网上公布的美国申请专利中，图像配准相关的部分就超过5 0 项，i b m 和 g e 等大型跨国企业甚至有自己的工作组专门研究医学图像配准问题。而在最近的国际 顶级学术会议上( 2 0 0 4 年c v p r 会议和2 0 0 5 年i c i p 会议) 都有关于配准的专题讲座，这 足可见对图像配准问题的关注程度。 近年来对图像配准的研究蕴含了多个应用领域：计算机视觉和模式识别，服务于目 标识别、形状重建、运动检测和特种识别等；医学图像分析，遥感图像分析，农业、地 理、海洋、石油、地矿勘探、污染、城市森林等，目标定位、测量、识别和分析等。图 像配准已成为其中很多研究课题的必备环节。 一4 一 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 1 3 图像配准方法分类 迄今已报道了多种图像配准方法，主要有互相关法、点映射法、弹性模型法、傅立 叶变换法和基于对图像的理解和解释的配准算法。 互相关法是基于图像灰度的配准算法。互相关法是传统的图像相关匹配方法，利用 求取对应像素灰度差的累加和进行图像之间的相似性度量，或者设定阈值计算具有相近 灰度值的像素点的个数进行相似性度量1 2 9 1 ，首先从参考图像中提取目标作为配准的模 板；然后用该模板在待配准图像中滑动，通过相似性度量来寻找最佳匹配点。 点映射法：点映射法就是我们常说的基于图像特征的配准算法l 孙3 列。该算法是以图 像中某些特征( 点、线、区域) 为配准基元，算法过程分为两步：特征提取和特征匹配。 首先从两幅图像中提取灰度变化明显的点、线、区域等特征形成特征集。然后在两幅图 像对应的特征点集中利用特征匹配算法尽可能地将存在对应关系的特征对选择出来。对 于非特征像素点利用插值等方法作处理推算出对应匹配关系，从而实现两幅图像之间的 逐像素的配准。 基于对图像的理解和解释的配准算法。这种配准算法不仅能自动识别相应像点，而 且还可以由计算机自动识别各种目标的性质和相互关系，具有极高的可靠性和精度。这 种基于理解和解释的图像配准涉及到诸如计算机视觉、模式识别、人工智能等许多领域。 不仅依赖于这些领域中理论上的突破，而且有待于高速度并行处理计算机的研制。 傅立叶变换法：基于傅立叶变换的相位匹配是利用傅立叶变换的性质而出现的一种 图像配准方法1 3 3 l 。利用傅立叶变换将空域的图像信息变为频域的信息，然后通过功率谱 来计算两幅图像间的平移、旋转及缩放，从而实现两幅图像拼接。频域匹配法计算量只 与图像的大小有关，对图像中的噪声及辐射水平差异不是很敏感，被广泛应用在图像拼 接。 弹性模型法：弹性模型法是用来解决存在轮廓形变的图像配准问题i 矧。弹性映射有 时称为局部变换，它允许变换参数存在对空间的依赖性。由于局部变换随图像像素位置 变化而变化，变化规则不完全一致，需要进行分段小区域处理。 基于小波变换的配准方法是近年来兴起的配准新方法，并且越来越引起人们的高度 重视，该方法可以极大地减少图像配准时的计算型3 5 1 。为了达到快速高精度配准的目的， 将小波变换与传统的图像配准方法有效的结合起来是一种可行的方法。 1 4 本文的主要工作及流程安排 本文针对标准军事地形图本身的独特特点，提出了一套专门用于军事地形图拼接的 方法，并且使用v c 6 作为开发工具，运用m f c 、b o o s t 库和i m a g e s t o n e 图像处理库， 对地图空间位置配准部分开发出了一个完整的拼接软件系统。 一5 一 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 应用于军事地形图配准的方法，主要包括三个方面： ( 1 ) 提取了一种自动选取阈值的方法进行了预处理，应用彩色分割技术提取军事地 形图中含有主要特征点的黑版图，通过改进的鲁棒性强的h o u g h 变换对黑版图中的近似 直线特征进行提取，然后通过计算拟合军事地形图中的网格线和网格交点特征； ( 2 ) 根据提取出的具体特征，应用基于特征的栅格控制点配准算法和双线性插值技 术对待拼接图片的非线性畸变进行修正；应用地形图的网格交点和图像分