无人机影像水体高光去除方法研究

发布时间：2020-09-16 15:51

　　无人机(Unmanned Aerial Vehicle,UAV)技术最早被应用于军事领域中,从最初的靶机到无人战斗机。随着该技术的日臻成熟,成本低且易操控的民用无人机开始走进人们的视野,并被广泛应用于国土、电力、林业等多个领域中。随着与不同领域的深度融合,一定条件下的不适应性问题开始显现。本文内容以武汉市国土资源调查为背景,对去除无人机航测真正射影像成果(True Digital Orthophoto Map,TDOM)中存在的水体高光进行研究。如何对镜面反射导致的高光进行消除,已有的研究工作主要集中在计算机视觉领域中,主要根据高光在色彩空间中的分布特性进行检测与补偿。但已有工作对研究对象与光照环境的限制较为苛刻,同时对影像数量也有一定的要求,而无人机获取影像时往往成像条件复杂,不符合“实验室”的条件要求,因此需要设计出适合无人机影像水体高光的处理方法。本文的研究内容与创新点如下:1.首先,本文的研究内容包含在真正射影像生成过程中,故先对与真正射影像生成的相关内容进行阐述,分析真正射影像成果中出现水体反射异常高光的原因;然后,阐述高光的相关物理原理和相关研究,并从中获得灵感;针对已有方法在处理无人机影像水体高光中难度大的问题,本文提出一种利于检测高光的高光分量,直接利用阈值对高光进行初步定位,再使用地物分割算法提取出高光部分;2.根据影像特点,仅针对水体高光进行处理,因而初步确定的高光中含有较多的错误检测。因此,本文结合决策树算法和“高光”的几何特性与光谱特性设置合适的筛选规则,并结合机器学习算法对已知的高光与非高光样本进行训练。最终,获得了较好的筛选效果;3.因无法获得高光水体的内部信息,本文引入了计算机视觉领域中的地物去除算法——Criminisi算法,利用周围的非高光水体补偿高光区域。同时结合研究对象特点加以改进来获得更好的处理结果。实验结果表明:本文方法能够较好的补偿无人机影像中的水体高光;使用PhotoScan对高光处理前后的影像生成真正射影像,本文方法可以明显提高真正射影像的质量。
【学位单位】：武汉大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：P231
【部分图文】：

获取过程,影像,高光

逑ｍ逡逑图１．５ＲａｓｋａｒＲ等人（２００４）对曝光装置进行改装逡逑Ｆｉｇ．邋１．５邋Ｒａｓｋａｒ邋Ｒ邋ｅｔ邋ａｌ．邋Ｒｅｍｏｖｅ邋ｔｈｅ邋Ｈｉｇｈｌｉｇｈｔ邋ｂｙ邋Ｍｏｄｉｆｉｅｄ邋ｔｈｅ邋Ｅｘｐｏｓｕｒｅ邋Ｄｅｖｉｃｅ逡逑１．２．２基于实验室标定的序列影像高光补偿方法逡逑改装导致的不便使得许多研宄人员开始研究如何能够在没有额外硬件支持逡逑的情况下、仅使用影像进行高光补偿。较为成熟的方法是使用序列影像、在实验逡逑室中对高光进行标定的高光补偿方法。核心思想是改变高光的位置、使得至少有逡逑一张影像包含物体局部区域的可用信息，最后对这些照片进行分析、合成为一张逡逑没有高光的影像。根据影像拍摄过程中摄像机与光源相对位置的改变方式可将多逡逑影像高光补偿方法再分为两类：即仅单独改变光源位置的变换光源法和只改变相逡逑机姿态的多视法。逡逑１）变换光源法逡逑在限定相机姿态不变的情况下，采用改变光源的方式来获取同一物体的多张逡逑影像。Ｓａｔｏ邋Ｙ等人（１９９４）选择将光源围绕被摄物体做圆周运动，并以２．５°左右逡逑的移动间隔进行拍照（如图１．６）。随后利用获得的影像在颜色空间中进行逐像素逡逑分析，从每个像素的亮度曲线中拟合出漫反射分量曲线、并最终可以获得任意光逡逑照角度下整个模型的漫反射影像，但缺点是所需影像的数目过多。逡逑ｃｏｌｏｒ邋ｃａｍｅｒａ逡逑＾逦ｌｉｇｈｔ邋ｓｏｕｒｃｅ逡逑，今＼逡逑，神ｃｅ逦ｉ邋／逡逑／邋ｎｏｒｍａｌ＾＾＾Ａ邋／逦ｆｌｉｇｈｔ－ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ逡逑Ｉ逦＼邋ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ逡逑名８，逡

数据源,相机,实验结果,位置

Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ逡逑ｉｍａｇｅ逡逑图１．９邋Ｌｉｎ邋Ｓ等人（２００２）方法中的相机位置逡逑Ｆｉｇ．邋１．９邋Ｔｈｅ邋Ｃａｍｅｒａ邋Ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ邋ｏｆ邋Ｌｉｎ邋Ｓ邋ｅｔ邋ａｌ．逡逑８逡逑

影像,相机,高光,位置

逡逑图１．８ＡｇｒａｗａｌＡ等人（２００５）采用的数据源及实验结果逡逑Ｆｉｇ．邋１．８邋Ｄａｔａ邋Ｓｏｕｒｃｅｓ邋ａｎｄ邋Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ邋Ｒｅｓｕｌｔｓ邋ｏｆ邋Ａｇｒａｗａｌ邋Ａ邋ｅｔ邋ａｌ．逡逑２）多视法逡逑在限定相机姿态保持不变的情况下，通过改变光源位置可以较好的去除高光。逡逑但是固定的相机姿态与改变的光源位置意味着拍摄环境存在极少的环境光或是逡逑需要在暗室中进行，进而导致这些方法不能在一般的室内条件或有其他光源的条逡逑件下应用。为了减少高光去除算法对外部光照环境的依赖性，一些研究人员开始逡逑研究并提出了基于多视角的高光补偿算法。这一类方法在不需要人为改变光照环逡逑境的前提下，仅需要变换相机的拍摄位置与姿态来获取多幅影像便可以去除高光。逡逑１９９２年，ＬｅｅＳＷ等人（１９９２）最早提出了基于序列影像的多视高光补偿方逡逑法，除了一张正常拍摄的正视影像外再额外侧面拍摄一张斜视影像，视角的变化逡逑使得高光的位置发生变化，而在颜色空间中发生变化的色彩坐标即对应高光，通逡逑过对不变的颜色坐标集进行分析来恢复高光位置的色彩。逡逑Ｌｉｎ邋Ｓ等人（２００２）针对大视角变化带来的匹配对应位置分析难的问题

【参考文献】