一種基于地理編碼和多維校準(zhǔn)的三維圖像拼接方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于聲納圖像數(shù)據(jù)后處理技術(shù)的范疇，主要是一種基于地理編碼和多維校 準(zhǔn)的三維圖像拼接方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 圖像拼接技術(shù)指將數(shù)張有重疊部分的圖像拼成一幅大型的無縫高分辨率圖像的 技術(shù)，已廣泛存在于遙感、雷達(dá)、醫(yī)學(xué)、光學(xué)、數(shù)字視頻等圖像處理領(lǐng)域。該技術(shù)主要包括圖 像配準(zhǔn)和圖像融合兩部分，其中圖像配準(zhǔn)是圖像拼接的核心部分，特指采用一定的匹配策 略，找出待拼接圖像中的模板或者特征點在參考圖像中對應(yīng)的位置，進(jìn)而確定兩幅圖像之 間的變換關(guān)系。配準(zhǔn)算法大致可分為基于模型的方法、基于變換域的方法、基于灰度相關(guān)的 方法和基于特征的方法。由于圖像拼接技術(shù)沒有標(biāo)準(zhǔn)的測試圖像，也沒有統(tǒng)一的評價標(biāo)準(zhǔn)， 衡量算法優(yōu)劣主要依靠人的主觀視覺感知。
[0003] 隨著聲納信號處理技術(shù)和圖像處理技術(shù)的快速發(fā)展，圖像聲納產(chǎn)生的圖像數(shù)據(jù)規(guī) 模已由二維發(fā)展到三維:一類是多波束測深設(shè)備，專門用作對海底地形成像，生成偽三維數(shù) 據(jù)(走航位置X、方位位置Y、高度值H)類型，依然可采用傳統(tǒng)二維拼接方式，疊加高度信息后 形成三維地形拼接效果；另外一類為多波束合成孔徑三維成像聲納，它運(yùn)用先進(jìn)的仿醫(yī)用 CT技術(shù)的聲學(xué)方法實現(xiàn)水體、海底、地層三維成像，產(chǎn)生了含有四維信息（走航位置X、方位 位置Y、深度位置Z、反射強(qiáng)度值P)的三維圖像體數(shù)據(jù)類型。在處理此類含四維信息的三維圖 像體數(shù)據(jù)時，面臨以下二類問題：
[0004] (1)目前國內(nèi)外已經(jīng)有較為成熟的偽三維圖像數(shù)據(jù)（即兩個二維數(shù)據(jù)）的拼接方 法，已經(jīng)成功運(yùn)用于多波束測深儀圖像拼接處理，但是鮮有含四維信息的三維圖像體數(shù)據(jù) 拼接的方法研究。鑒于聲學(xué)圖像與光學(xué)、電磁學(xué)的圖像相比，由于形成機(jī)理和使用環(huán)境約束 限制，存在著對比度弱，混響噪聲多、圖像細(xì)節(jié)匱乏，分辨力較低等特點，引入傳統(tǒng)光學(xué)、電 磁學(xué)圖像處理領(lǐng)域的拼接算法直接應(yīng)用在聲學(xué)圖像拼接中的效果并不理想。
[0005] (2)聲納平臺在實際不同航線下，受到海浪、海流、潮汐和拖船走航中的非均勻偏 移等因素的影響，存在上下、縱傾、橫搖姿態(tài)的自由變化。經(jīng)過運(yùn)動補(bǔ)償信號處理和多參數(shù) 修正后能補(bǔ)償大部分的姿態(tài)誤差，但是航線的偏移和平臺運(yùn)動誤差影響等因素會導(dǎo)致不同 測線下同一目標(biāo)的圖像位置有較大偏差。直接采用空間位置鑲嵌疊加，會出現(xiàn)多維圖像空 間位置錯亂，導(dǎo)致拼接結(jié)果錯誤，視覺效果低劣。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，而提供一種基于地理編 碼和多維校準(zhǔn)的三維圖像拼接方法。
[0007] 本發(fā)明的目的是通過如下技術(shù)方案來完成的。這種基于地理編碼和多維校準(zhǔn)的三 維圖像拼接方法，首先通過拖體位置推算、聲納參數(shù)修正進(jìn)行聲納圖像體數(shù)據(jù)的三維空間 位置地理編碼，然后對多測線重疊區(qū)域圖像選取走航-深度維切片，通過圖像特征匹配，獲 取深度維的平移量;選取走航-方位維切片，通過目標(biāo)長軸圖像特征計算平移量和角度旋轉(zhuǎn) 量，最后通過三維空間位置地理編碼的多維校準(zhǔn)，實現(xiàn)多維校準(zhǔn)的三維圖像拼接。
[0008] 本
【發(fā)明內(nèi)容】
分為三維空間位置地理編碼、多維匹配及地理編碼校準(zhǔn)、三維圖像拼 接三部分，各部分具體說明如下：
[0009] (一)三維空間位置地理編碼
[0010] 推算聲納拖體位置，修正拖體的軌跡航向角、固定橫滾角度、聲速誤差，調(diào)整聲納 圖像二維尺度，得到不同測線下三維圖像體數(shù)據(jù)在笛卡爾空間直角坐標(biāo)系下的地理編碼。
[0011] ①推算聲納拖體位置:母船上配置GPS導(dǎo)航設(shè)備，根據(jù)母船、拖體之間位置關(guān)系，推 算出聲納拖體經(jīng)煒度位置數(shù)據(jù)，然后對拖體位置數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理，減小因極少數(shù)聲納拖 體位置畸變引入的空間位置定位誤差。
[0012] ②推算拖體軌跡航向角：參考大地平面坐標(biāo)系下，選用拖體在不同的空間航跡點 位置處的經(jīng)煒度值，求取時間跨度內(nèi)經(jīng)、煒度差的反正切三角變換值，得到拖體軌跡航向角 度，減弱因拖體在行駛過程中艏向擾動引入的空間位置定位誤差。
[0013] ③補(bǔ)償拖體固定橫滾角度:獲取同步記錄的傳感器橫滾輸出值，進(jìn)行統(tǒng)計平均后 得到固定橫滾角度值，補(bǔ)償因拖體固定橫滾角度而引入的空間位置定位誤差。
[0014] ④修正聲速誤差:利用聲速梯度儀測量后獲得作業(yè)海域的聲速變化值，修正相應(yīng) 深度的聲速值，消除因聲場聲速誤差較大而引入的空間位置定位誤差。
[0015] ⑤縮放二維尺度:在三維圖像體數(shù)據(jù)的走航和方位維進(jìn)行二維尺度縮放處理，使 得走航和方位維圖像尺度值一致，祛除因二維尺度不一致引入的空間位置定位誤差。
[0016] ⑥海底平面經(jīng)煒度值:根據(jù)聲納拖體位置、拖體軌跡航向角、拖體固定橫滾角度、 聲速誤差、拖體高度、波束角度、海底回波斜距的幾何模型，得到三維圖像體數(shù)據(jù)中海底平 面的經(jīng)煒度值。
[0017] ⑦笛卡爾空間直角地理編碼：建立空間直角坐標(biāo)系，將三維圖像體數(shù)據(jù)的海底平 面的經(jīng)煒度值配置到對應(yīng)平面坐標(biāo)軸，并將深度信息配置到垂直坐標(biāo)軸中，使得三維圖像 體數(shù)據(jù)具備笛卡爾空間直角地理編碼。
[0018] (二)多維匹配及地理編碼校準(zhǔn)
[0019] 針對多測線重疊區(qū)域圖像選取走航-深度維切片，通過圖像特征匹配，獲取深度維 的平移量;選取走航-方位維切片，通過目標(biāo)長軸圖像特征計算平移量和角度旋轉(zhuǎn)量，得到 走航-方位-深度維的校準(zhǔn)值，完成三維空間位置地理編碼(笛卡爾空間直角地理編碼）的多 維校準(zhǔn)。
[0020] (三)三維圖像拼接
[0021] 根據(jù)三維空間位置地理編碼，完成對不同測線下的三維圖像拼接處理。
[0022] 本發(fā)明的有益效果為:本發(fā)明針對聲納平臺生成的、含四維信息（走航位置、方位 位置、深度位置、反射強(qiáng)度值）的三維圖像體數(shù)據(jù)拼接處理，創(chuàng)新性提出了一種基于地理編 碼和多維校準(zhǔn)的三維圖像拼接方法。
【附圖說明】
[0023]圖1為基于地理編碼和多維校準(zhǔn)的三維圖像拼接方法流程框圖。
[0024]圖2為拖體位置數(shù)據(jù)濾波原理示意圖。
[0025] 圖3不同測線下相同區(qū)域的三維圖像數(shù)據(jù)的俯視結(jié)果(水中、水底目標(biāo)）。
[0026] 圖4雙測線下的水中小球目標(biāo)深度維匹配圖。
[0027]圖5雙測線三維圖像拼接結(jié)果(水中和水底目標(biāo)）。
[0028]圖6未經(jīng)過多維匹配校準(zhǔn)的的三維圖像拼接結(jié)果(地層掩埋目標(biāo)）。
[0029] 圖7雙測線下基于掩埋目標(biāo)的走航/方位的二維匹配校準(zhǔn)后結(jié)果。
[0030] 圖8經(jīng)過地理編碼和多維匹配校準(zhǔn)的三維圖像數(shù)據(jù)拼接結(jié)果(地層掩埋目標(biāo)）。
【具體實施方式】
[0031] 下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明做進(jìn)一步說明：
[0032] 本發(fā)明所述的這種基于地理編碼和多維校準(zhǔn)的三維圖像拼接方法，具體步驟如 下：
[0033] 101)三維空間位置地理編碼
[0034]通過拖體位置推算、聲納參數(shù)修正進(jìn)行聲納圖像體數(shù)據(jù)的三維空間位置地理編 碼。
[0035] 1推算聲納拖體位置
[0036]拖體位置數(shù)據(jù)濾波：依次選取相鄰三個航跡點i、i + 1、i+2構(gòu)成三角形，以i，i+2連 線為底邊，計算過i+Ι點與底邊相交的垂線方程，以1:2的分割比例求得分割點P的坐標(biāo)并賦 給航跡點i+1，可在平滑航跡坐標(biāo)同時較好的保持航跡點之間的距離比例，濾波示意如附圖 2所示。將航跡點i、i+1、i+2的經(jīng)煒度(WD，JD)坐標(biāo)轉(zhuǎn)化平面直角坐標(biāo)值，轉(zhuǎn)化公式為：
[0037] Y=WD · 1852，X = JD · cos(WD/60/180 · Jr) · 1852
[0038] 已知i，i+2點的直角坐標(biāo)值，可以獲得直線LI斜截式y(tǒng) = k · x+b和一般式Al · x+ Bl · y+Cl = 0的表達(dá)式，斜率為
由于過i+l、P點直線L2與直線Ll相 互垂直，其斜率為