数字影像及特征提取

1、Photogrammetry & Remote Sensing-Surveying & Mapping EngineeringPhotogrammetry,2004Photogrammetry,2004 数字摄影测量是基于数字摄影测量是基于数字影像数字影像与与摄影测量摄影测量的基本原理，应用的基本原理，应用计算机技术、数字影像处理、影像匹配、模式识别等多学科的计算机技术、数字影像处理、影像匹配、模式识别等多学科的理论与方法，提取所摄对象用数字方式表达的理论与方法，提取所摄对象用数字方式表达的几何几何与与物理物理信息信息的摄影测量学的分支学科。的摄影测量学的分支学科。 Softc

2、opy photogrammetry(U.S.A),full digital photogrammetry(China) 利用计算机对数字化影像或数字影像进行处理，由计算机利用计算机对数字化影像或数字影像进行处理，由计算机视觉（视觉（Computer Vision）（其核心是影像匹配与影像识别）（其核心是影像匹配与影像识别）来代替人眼的立体量测与识别，完成影像几何与物理信息的来代替人眼的立体量测与识别，完成影像几何与物理信息的自动提取。自动提取。 此时，不再需要传统的光机仪器与传统的人工此时，不再需要传统的光机仪器与传统的人工操作方式，而是自动化的方式，处理的是数字影像操作方式，而是自动化的方

3、式，处理的是数字影像 数字摄影测量部分数字摄影测量部分Photogrammetry & Remote Sensing-Surveying & Mapping EngineeringPhotogrammetry,2004Photogrammetry,20041S2S1X1Y1Z2X2Y2Z1a2aXBoOXOJIIJ),(),(:),(),(:2222211111yxJIayxJIaPhotogrammetry & Remote Sensing-Surveying & Mapping EngineeringPhotogrammetry,2004Photogramm

4、etry,2004 全数字摄影测量的主要内容包括全数字摄影测量的主要内容包括：方位参数的解算、沿：方位参数的解算、沿核线重采样、影像匹配、解算空间坐标、内插数字表面模核线重采样、影像匹配、解算空间坐标、内插数字表面模型（型（DSM）、自动绘制等值线、通过数字纠正产生正射影）、自动绘制等值线、通过数字纠正产生正射影像及生成带等值线的正射影像图。像及生成带等值线的正射影像图。 混合数字摄影测量混合数字摄影测量：对要进行量测的局部影像进行数字化，：对要进行量测的局部影像进行数字化，由数字相关匹配获得点的空间坐标。由数字相关匹配获得点的空间坐标。 全数字摄影测量全数字摄影测量（软拷贝摄影测量：（软拷贝

5、摄影测量：softcopy photogrammetry）：）：处理的是完整的数字影像，若原始资料是像片，则要对影像处理的是完整的数字影像，若原始资料是像片，则要对影像进行完全数字化。利用传感器直接获取的数字影像可直接进进行完全数字化。利用传感器直接获取的数字影像可直接进入计算机，或记录在磁带上，通过磁带机输入计算机。入计算机，或记录在磁带上，通过磁带机输入计算机。Photogrammetry & Remote Sensing-Surveying & Mapping EngineeringPhotogrammetry,2004Photogrammetry,2004第四章第四章

6、数字影像与特征提取数字影像与特征提取一、一、 数字影像采样与重采样数字影像采样与重采样：二、二、核线与核面的基本概念核线与核面的基本概念三、三、核线重采样核线重采样四、四、点、线特征的提取与定位（点、线特征的提取与定位（简介简介）Photogrammetry & Remote Sensing-Surveying & Mapping EngineeringPhotogrammetry,2004Photogrammetry,20044.1 数字影像及数字影像重采样数字影像及数字影像重采样 一、数字影像采样一、数字影像采样 数字图像是指能够被计算机存储、处理和使用的图像。数字图像是指

7、能够被计算机存储、处理和使用的图像。 影像数据的表示既有光学图像（影像数据的表示既有光学图像（模拟量模拟量）也有数字图像）也有数字图像（数字量数字量），二者可转换。），二者可转换。 数字量与模拟量的本质区别在于模拟量是数字量与模拟量的本质区别在于模拟量是连续变量连续变量而数而数字量是字量是离散变量离散变量。Photogrammetry & Remote Sensing-Surveying & Mapping EngineeringPhotogrammetry,2004Photogrammetry,2004)1,.1 , 0()1.,1 , 0(00 mjyjyynixixx 影

8、像数字化影像数字化1、空间采样、空间采样),(00yxo像元（像元（pixel）x y Photogrammetry & Remote Sensing-Surveying & Mapping EngineeringPhotogrammetry,2004Photogrammetry,2004Photogrammetry & Remote Sensing-Surveying & Mapping EngineeringPhotogrammetry,2004Photogrammetry,20042、量化、量化 影像的灰度又称为光学密度，在摄影底片上，影像的灰度值影像的灰

9、度又称为光学密度，在摄影底片上，影像的灰度值反映了它透明的程度，即透光的能力。设投射在底片上的光通反映了它透明的程度，即透光的能力。设投射在底片上的光通量为量为F0，而透过底片后的光通量为，而透过底片后的光通量为F。则透过率。则透过率T为：为：T=F/F0 透过率说明影像的黑白程度，但人眼对明亮程度的感觉是按透过率说明影像的黑白程度，但人眼对明亮程度的感觉是按对数关系变化的，为了适应人眼的视觉，在分析影像的性能时，对数关系变化的，为了适应人眼的视觉，在分析影像的性能时，不直接用透过率来表示其黑白的程度。而用对数值来表示。不直接用透过率来表示其黑白的程度。而用对数值来表示。 D=log (1/T

10、) 影像灰度的量化就是把采样点上的灰度数值转化成为某一种影像灰度的量化就是把采样点上的灰度数值转化成为某一种等距的灰度级。等距的灰度级。 )8,.2 , 1(2 MiMPhotogrammetry & Remote Sensing-Surveying & Mapping EngineeringPhotogrammetry,2004Photogrammetry,2004数字影像是一个灰度矩阵数字影像是一个灰度矩阵 ： 1, 11 , 10 , 11, 11 , 10 , 11, 01 , 00 , 0nmmmnnggggggggggPhotogrammetry & Rem

11、ote Sensing-Surveying & Mapping EngineeringPhotogrammetry,2004Photogrammetry,2004图图4-1Photogrammetry & Remote Sensing-Surveying & Mapping EngineeringPhotogrammetry,2004Photogrammetry,2004Photogrammetry & Remote Sensing-Surveying & Mapping EngineeringPhotogrammetry,2004Photogramme

12、try,2004二、影像重采样理论二、影像重采样理论 当欲知不位于矩阵（采样）点当欲知不位于矩阵（采样）点 上的原始函数的数值时，上的原始函数的数值时，就需要进行内插，此时称为重采样。意即在原采样的基础上再就需要进行内插，此时称为重采样。意即在原采样的基础上再一次采样。一次采样。),(yxg50um50umPhotogrammetry & Remote Sensing-Surveying & Mapping EngineeringPhotogrammetry,2004Photogrammetry,20041、最临近点法、最临近点法 ( P82 )直接取与直接取与P（x,y）点位

13、置最近的像元点位置最近的像元N的灰度值为采样值。的灰度值为采样值。),(),()5 . 0int()5 . 0int(lkgyxgylxk ),(yx),(lk 5,44,45,34,386810g?18. 4 ,75. 3 gyxPhotogrammetry & Remote Sensing-Surveying & Mapping EngineeringPhotogrammetry,2004Photogrammetry,20042、 双线性内插法双线性内插法),(jif) 1,( jif),(yxf), 1(jif ) 1, 1( jify x xy),(jif)1,( ji

14、f),(yxf), 1(jif )1, 1( jify x Photogrammetry & Remote Sensing-Surveying & Mapping EngineeringPhotogrammetry,2004Photogrammetry,2004),(jif)1,( jif),(yxf), 1(jif )1, 1( jify x ),(yxfzyx),(jif)1,( jifAB),(yif), 1(yif x y Photogrammetry & Remote Sensing-Surveying & Mapping EngineeringPho

15、togrammetry,2004Photogrammetry,2004) 1, 1(), 1()1 () 1,()1 (),()1)(1 (),(),()1 (), 1(),(: ),(), 1(),(,), 1()1 () 1, 1(), 1(),()1 () 1,(),(1) 1,(),(),(),(: ), 1(),(,), 1(),(4,jifyxjifyxjifyxjifyxyxfyifxyifxyxfyxfyifyifxjifyjifyyifjifyjifyyifyjifyifyyifjifyifyifyyiyiyxjyyixx为边组成的梯形来内插和以方向在和亮度计算交点的方向内插

16、先在个临点组成的边交于作直线与过设),(yxfzyx),(jif)1,( jifAB),(yif), 1(yif x y ),(jif)1,( jif),(yify 1y Photogrammetry & Remote Sensing-Surveying & Mapping EngineeringPhotogrammetry,2004Photogrammetry,20041S2S1X1Y1Z2X2Y2Z1a2aXBoOXOJIIJ),(),(:),(),(:2222211111yxJIayxJIa数字影像内定向数字影像内定向Photogrammetry & Remote

17、 Sensing-Surveying & Mapping EngineeringPhotogrammetry,2004Photogrammetry,2004 数字影像是以数字影像是以“扫描坐标扫描坐标系系”IJ为准，即像元素的位置是为准，即像元素的位置是由它所在的列号由它所在的列号I和行号和行号J来确定。来确定。它与像片本身的像坐标系它与像片本身的像坐标系o-xy是是不一致的。一般情况下，数字化不一致的。一般情况下，数字化时影像的扫描方向应大概平行于时影像的扫描方向应大概平行于像片的像片的x轴，因为这将有利于以后轴，因为这将有利于以后的处理（核线排列），因此，扫的处理（核线排列），因此

18、，扫描坐标系的描坐标系的I与与x大致平行。大致平行。 数字影像内定向的目的就是确数字影像内定向的目的就是确定定扫描坐标系扫描坐标系与与像片坐标系像片坐标系之间之间的关系以及数字影像可能存在的的关系以及数字影像可能存在的变形。数字影像的变形主要是在变形。数字影像的变形主要是在数字化时产生的，主要是仿射变数字化时产生的，主要是仿射变形。形。OoxyIJ影像数字化扫描影像数字化扫描.,个参数为确定内定向的本质可以归结因此6210210 JnInnyJmImmxPhotogrammetry & Remote Sensing-Surveying & Mapping Engineering

19、Photogrammetry,2004Photogrammetry,2004 为了解求仿射变形的为了解求仿射变形的6个参数，必须观测个参数，必须观测4个框标的扫描坐个框标的扫描坐标与已知的框标的像片坐标，进行平差计算，求得标与已知的框标的像片坐标，进行平差计算，求得6个参数。个参数。基本步骤如下：基本步骤如下：（1）框标识别与定位）框标识别与定位 框标的识别方法很多，但其中最简单的方法是将框标周围框标的识别方法很多，但其中最简单的方法是将框标周围的影像显示在计算机屏幕上，利用鼠表给定其近似位置，再的影像显示在计算机屏幕上，利用鼠表给定其近似位置，再精确定位。精确定位。（2）变形参数的计算）变形

20、参数的计算 Photogrammetry & Remote Sensing-Surveying & Mapping EngineeringPhotogrammetry,2004Photogrammetry,2004三三 核线几何关系解析与核线排列核线几何关系解析与核线排列 （P28）问题的提出：确定同名点确定同名点是是DP的一项重要任务。由的一项重要任务。由核线的几何定义可知，同核线的几何定义可知，同名像点必然位于同名核线名像点必然位于同名核线上。因此，同名核线的确上。因此，同名核线的确定是确定同名点的前提。定是确定同名点的前提。1S2SPhotogrammetry &

21、 Remote Sensing-Surveying & Mapping EngineeringPhotogrammetry,2004Photogrammetry,2004Photogrammetry & Remote Sensing-Surveying & Mapping EngineeringPhotogrammetry,2004Photogrammetry,2004 水平校正误差大Photogrammetry & Remote Sensing-Surveying & Mapping EngineeringPhotogrammetry,2004Phot

22、ogrammetry,2004 Photogrammetry & Remote Sensing-Surveying & Mapping EngineeringPhotogrammetry,2004Photogrammetry,2004一、核线几何关系解析一、核线几何关系解析确定同名核线的方法很多，但基本上可以分为两类：一是基确定同名核线的方法很多，但基本上可以分为两类：一是基于数字影像的几何纠正；二是基于共面条件。于数字影像的几何纠正；二是基于共面条件。1、基于数字影像几何纠正的核线解析关系、基于数字影像几何纠正的核线解析关系 核线在航空摄影像片上的扫描行核线在航空摄影像片上的

23、扫描行与核线不重合（是与核线不重合（是互相不平行互相不平行的的），它们交于一个点），它们交于一个点 - 核点核点，但，但是如果将像片上的核线投影到一是如果将像片上的核线投影到一对相对水平的像片对上（平行于对相对水平的像片对上（平行于摄影基线的像片对）则核线相互摄影基线的像片对）则核线相互平行。平行。 此方法的实质是将倾斜像片上的此方法的实质是将倾斜像片上的核线投影到核线投影到“水平像片水平像片”对上，对上，求得求得“水平像片水平像片”对上的同名核对上的同名核线。线。P2P1S1S2a1a2J1J2O1O2APhotogrammetry & Remote Sensing-Surveyin

24、g & Mapping EngineeringPhotogrammetry,2004Photogrammetry,2004PP0fcvbuafcvbuafyfcvbuafcvbuafx333222333111Photogrammetry & Remote Sensing-Surveying & Mapping EngineeringPhotogrammetry,2004Photogrammetry,2004Buvuv 11321321ueeueyuddudxfcvbfcvbufcvbafcvbfcvbufcvbafyfcvbfcvbufcvbafcvbfcvbufcvb

25、afxfcvbuafcvbuafyfcvbuafcvbuafx33333333322332333333333113313332223331112S1S核面同名核线A1a2aPhotogrammetry & Remote Sensing-Surveying & Mapping EngineeringPhotogrammetry,2004Photogrammetry,2004xy核线重排列核线重排列vu 11321321ueeueyuddudxfcvbfcvbufcvbafcvbfcvbufcvbafyfcvbfcvbufcvbafcvbfcvbufcvbafxfcvbuafcvb

26、uafyfcvbuafcvbuafx3333333332233233333333311331333222333111Photogrammetry & Remote Sensing-Surveying & Mapping EngineeringPhotogrammetry,2004Photogrammetry,2004Photogrammetry & Remote Sensing-Surveying & Mapping EngineeringPhotogrammetry,2004Photogrammetry,20042、基于共面条件的同名核线几何关系、基于共面条件

27、的同名核线几何关系Photogrammetry & Remote Sensing-Surveying & Mapping EngineeringPhotogrammetry,2004Photogrammetry,2004特征的提取与定位算法特征的提取与定位算法主要内容主要内容 特征的提取特征的提取 特征点的提取算法特征点的提取算法 特征线的检测方法特征线的检测方法 特征的定位算法特征的定位算法Photogrammetry & Remote Sensing-Surveying & Mapping EngineeringPhotogrammetry,2004Phot

28、ogrammetry,20044.2 点特征提取算法点特征提取算法 点特征主要指明显点，提取点特征的算子称为兴趣算子或有利算子 Photogrammetry & Remote Sensing-Surveying & Mapping EngineeringPhotogrammetry,2004Photogrammetry,2004点特征的灰度特征点特征的灰度特征Photogrammetry & Remote Sensing-Surveying & Mapping EngineeringPhotogrammetry,2004Photogrammetry,20041、

29、Moravec算子算子 Moravec于1977年提出利用灰度方差提取点特征的算子 Photogrammetry & Remote Sensing-Surveying & Mapping EngineeringPhotogrammetry,2004Photogrammetry,2004（1）计算各像元的兴趣值 IV,min4321,VVVVIVrc在以像素(c,r)为中心的ww的影像窗口中(如55的窗口),计算图1所示四个方向相邻像素灰度差的平方和:Photogrammetry & Remote Sensing-Surveying & Mapping Engin

30、eeringPhotogrammetry,2004Photogrammetry,2004（2）给定一经验阈值，将兴趣值大于阈值的点作为候选点。 综上所述，Moravec算子是在四个主要方向上，选择具有最大最小灰度方差的点作为特征点。（3）选取候选点中的极值点作为特征点。 Photogrammetry & Remote Sensing-Surveying & Mapping EngineeringPhotogrammetry,2004Photogrammetry,200455555555520(1,1) 550510500015555IV=225 IV=16 IV=0IV=26I

31、V=0IV=50Photogrammetry & Remote Sensing-Surveying & Mapping EngineeringPhotogrammetry,2004Photogrammetry,20042、Harris算子算子 2dettraceRMkM1212dettraceMM (k empirical constant, k = 0.04-0.06)22yyxyxxIIIIIIMPhotogrammetry & Remote Sensing-Surveying & Mapping EngineeringPhotogrammetry,2004Photogrammetry,200402232001238021000011111111110