基于数字纠正的核线影像生成方法研究

2023-02-18

核线影像是生成视差图的基础, 在立体观察中有更好的立体视觉效果。同时, 核线影像是数字摄影测量中影像匹配的基础。有了核线影像, 根据同名像点一定位于同名核线上的理论, 可以将二维影像相关转化成一维影像相关, 能显著提高计算效率和可靠性, 从而使影像信息提取的许多问题变得简单。

1 核线的原理

(1) 核线的概述。核线是立体摄影测量中的一个基本概念。摄影基线与任一地面点构成的平面称为核面, 核面与像面的交线称为核线。在立体像对上, 同名像点一定位于同名核线上, 而且同名核线对上的像点是一一对应的, 因而如果能在立体像对上确定同名核线对, 那么利用同名核线的上述性质, 就可将二维的影像匹配转变为沿核线的一维匹配。因此, 核线几何条件在影像匹配中有着十分重要的作用, 对核线几何进行深人的分析与研究, 不仅具有一定的理论意义, 而且具有一定的实用价值。

(2) 核线的性质。 (1) 在倾斜像片上所有的核线互相不平行, 且交于一点——核点。 (2) 左 (右) 像片上的某一点, 其同名点 (共轭点) 必定在其右 (左) 像片的同名核线 (共轭核线) 上, 这一性质是实现核线相关的基本依据。 (3) 在理想影像平面上, 所有的核线相互平行, 不仅同一影像面上的核线平行, 而且影像对上的相应的核线也平行, 其同名像点对的上下视差为零, 这种影像对被称为核线影像对, 它对立体观测非常有用。

2 不同核线影像生成方式的区别

生成核线影像总共有三种方法。第一种是基于数字纠正生成核线影像, 即基于平行于摄影基线水平的核线影像, 第二种是倾斜影像直接获取的核线影像, 第三种是平行地面水平面的核线影像。直接在倾斜影像上获得的核线影像与在平行于摄影基线的水平相片上获得的核线影像不同。直接在倾斜影像上获得的核线影像是直接确定核线以及对应的同名核线在各自的倾斜相片上解析关系, 然后通过这种解析关系进行重采样。而在平行于摄影基线的“水平”相片上获得的核线影像是将倾斜影像做旋转后, 使之与摄影基线平行, 然后再在旋转后的影像上截取到核线影像。在与地面平行的影像上获得核线影像, 和在“水平”相片上获得核线影像过程相似, 只是使旋转后的影像与地面平行。所得的结果只是将在“水平”相片上获得的核线影像做了一个旋转。

3 基于数字基于数字纠正的核线影像生成方法的详细步骤

假设已知左右影像的内方位元素 (x0, y0, f) 和 (x′0, y′0, f′) , 以及左右影像的外方位元素 (Xs, Ys, Zs, ϕ, ω, κ) 和 (X s′, Y′s, Zs′, ϕ′, ω′, κ′) , 则基于数字影像纠正的核线影像生成步骤如下。

3.1 求解内定向参数

这个过程主要是建立倾斜影像的像平面坐标系与其扫描坐标系之间的关系。原始倾斜影像的扫描坐标系与其像平面坐标系之间的变换关系可采用仿射变换。设影像的扫描坐标系为 (c, r) , 影像像平面坐标系为 (x, y) , 则根据仿射变换公式, 有如下关系:

其中a0, a1, a2, b0, b1, b2为影像内定向的6个内定向参数。一般利用影像四个框标点坐标 (x, y) 组成误差方程, 根据最小二乘平差求解这6个内定向参数。

3.2 确定核线影像的范围

将原始倾斜影像的4个角点投影到“水平”核线影像平面上, 得到相应的4个角点在核线影像上的像平面坐标, 从而确定该核线影像的范围。

3.3 建立“水平”核线影像的像素坐标系与像平面坐标系之间的变换关系

由于“水平”核线影像的像素坐标系与其像平面坐标系之间一般是平移关系, 所以只要计算出坐标偏移量即可。设“水平”影像的像素坐标为 (i, j) , 像平面坐标为 (u, v) , 倾斜影像的像平面坐标为 (x, y) , 则具体计算过下。

(1) 在核线影像上, 取像素坐标系的初始点坐标i0=0, j0=0。在原始倾斜影像上, 得到对应同名点的像平面坐标 (x0, y0) 。根据倾斜影像坐标 (x, y) 与“水平”影像坐标 (u, v) 的关系:

反算求出该初始点在“水平”影像上的像平面坐标 (u0, v0) 。

(2) 求出核线影像坐标系与“水平”影像像平面坐标系之间的偏移量 (∆u, ∆v) , 即:

uv所以得到核线影像坐标系 (i, j) 与“水平”影像像平面坐标系 (u, v) 之间的关系:

3.4 生成核线影像

以左核线影像为例, 在左核线影像上, 取像素坐标系的初始点坐标i0=0, j0=0。由像素坐标系与其像平面坐标系之间的转换关系, 把像素坐标 (i0, j0) 换算成“水平”影像的像平面坐标 (u, v) 。再根据倾斜影像坐标 (x, y) 与“水平”影像坐标 (u, v) 的关系:

把 (u, v) 换算成原始倾斜像片的像平面坐标 (x, y) 。最后根据建立的原始倾斜影像的像平面坐标系与其扫描坐标系之间的关系, 将 (x, y) 转换成扫描坐标 (c, r) 。此时, 若c, r不是整数, 可采用重采样的方法获取其所对应的灰度值。灰度重采样的方法一般有三种, 分别是双线性插值法, 双三次卷积法以及最邻近像元法。重采样完成后, 将所获得的灰度赋值给核线影像上的点 (i0, j0) 。

坐标变换过程为: (i0, j0) → (u, v) → (x, y) → (c, r) 。重复以上过程, 直到得到整幅核线影像上的所有像素都获取到灰度为止。

摘要：本文围绕着利用航空立体影像对自动生成核线影像的问题, 介绍了基于数字影像几何纠正的核线解析方法的实现过程。包括影像内定向参数确定、核线影像的像素坐标系与其像平面坐标系之间的变换关系、核线影像的生成等问题的研究。

关键词：核线,内定向,坐标变换,核线影像