画幅式热红外图像实时拼接技术研究

发布时间：2020-10-17 05:16

　　 红外航空遥感能够对陆地、海洋和大气目标进行全天候、准实时和立体化的观测,对获取地面资源信息和保障国家安全具有重要意义。红外航空遥感技术经历了五十多年的发展,随着红外探测材料和工艺的进步,红外探测器也经历了从单元探测器、线阵探测器到面阵探测器的发展阶段,红外航空遥感的成像方式也经历了从单元摆扫、线阵推扫、多元并扫到面阵画幅式扫描的过程。目前机载红外遥感成像向着高空间分辨率和高光谱分辨率的方向发展,随着红外面阵探测器的逐渐成熟,利用面阵探测器进行扫描成像能够获取宽视场和高空间分辨率的红外遥感图像,因此成为技术发展的热点。实时获取大视场的热红外图像,对地物目标进行实时跟踪和观测,在战场侦察、应急救援中具有很高的应用价值。本论文以画幅扫描成像方式获取的遥感图像为数据源,对图像的实时拼接技术进行了深入研究,研究内容及研究取得的成果主要包括:在深入分析画幅扫描成像方式的运动模型基础上,针对画幅扫描图像实时拼接系统的需求,设计了基于图像点特征算子来进行图像快速配准及拼接的方案;通过对图像点特征算子性能的测试和验证,选取了快速稳定的点特征算子;利用扫描行间的图像配准关系,对图像的位置姿态参数进行了恢复和优化,通过扫描行图像到拼接图像的配准和融合,完成了画幅扫描拼接图像的实时更新;为了提高拼接系统的实时性,利用GPGPU对算法进行了并行加速,实现了较高速率下的图像实时拼接。本文的创新点主要有:1.分析了画幅扫描成像方式的运动模型,根据运动特点对图像的外方位参数数量进行了简化,设计和实现了基于图像配准关系的外方位参数恢复方案2.为画幅扫描图像的拼接选取了快速稳定的图像点特征算子,然后利用位置敏感哈希算法对图像特征匹配进行了加速,在保证一定匹配精度的前提下提高了图像配准速度。3.提出了一种简化的光束法平差策略,降低了扫描行间的图像配准累积误差对拼接精度的影响,提高了图像位置姿态参数的精度。通过扫描行图像的快速稳定配准和融合,完成了拼接图像的快速更新。4.针对拼接系统中各算法模块的特点,利用CPU+GPGPU异构模式对算法进行了实现。通过CPU和GPGPU的分工合作,并利用GPGPU硬件平台对适宜于并行实现的算法进行加速,优化了程序流程,提高了拼接的实时性。论文最后对画幅扫描红外图像实时拼接系统的下一步研究工作和工程应用提出了建议。
【学位单位】：中国科学院研究生院(上海技术物理研究所)
【学位级别】：博士
【学位年份】：2015
【中图分类】：TP391.41
【文章目录】：
致谢
摘要
ABSTRACT
第1章 绪论
    1.1 研究背景与意义
        1.1.1 红外航空遥感简介
        1.1.2 红外航空遥感成像方式
        1.1.3 课题来源及背景
    1.2 图像拼接的技术概况
        1.2.1 图像拼接的国内外研究现状
        1.2.2 图像拼接的主要方法
    1.3 论文结构安排
第2章 画幅扫描图像拼接系统的设计与分析
    2.1 画幅扫描图像拼接系统的总体设计
        2.1.1 拼接系统设计需求
        2.1.2 画幅扫描的运动分析
        2.1.3 画幅扫描图像拼接的方案设计
        2.1.4 GPGPU平台的介绍
    2.2 红外图像的预处理
    2.3 相机模型和射影几何
        2.3.1 齐次空间变换基础
        2.3.2 射影几何和变换
        2.3.3 相机内方位模型
        2.3.4 相机内方位校正
    2.4 画幅扫描图像的双视图几何
        2.4.1 二维空间坐标变换
        2.4.2 相邻图像间的空间变换
        2.4.3 外极线约束
    2.5 本章小结
第3章 图像点特征算子
    3.1 点特征算子介绍
        3.1.1 点特征提取算子
        3.1.2 点特征描述算子
    3.2 点特征算子性能评价
        3.2.1 点特征提取算子性能
        3.2.2 点特征描述算子性能
    3.3 点特征算子实现及验证
        3.3.1 点特征提取算子实现
        3.3.2 点特征描述算子实现
        3.3.3 点特征算子性能验证
    3.4 本章小结
第4章 图像配准
    4.1 图像配准介绍
    4.2 基于位置敏感哈希的特征匹配
        4.2.1 位置敏感哈希算法介绍
        4.2.2 基于LSH的图像配准
        4.2.3 LSH算法比较
        4.2.4 LSH算法改进
    4.3 误匹配消除
    4.4 运动参数恢复
        4.4.1 三维角度的参数化
        4.4.2 平移和旋转恢复
    4.5 图像配准实现及验证
    4.6 本章小结
第5章 拼接图像合成
    5.1 图像拼接中的误差分析
        5.1.1 图像运动参数的累积误差
        5.1.2 景物的高度误差
    5.2 光束法平差
        5.2.1 光束法平差介绍
        5.2.2 光束法平差策略
        5.2.3 光束法平差的实现
        5.2.4 光束法平差加速
        5.2.5 光束法平差验证
    5.3 图像融合
        5.3.1 图像融合介绍
        5.3.2 图像重投影
        5.3.3 重叠区域融合
    5.4 图像融合实现
    5.5 本章小结
第6章 系统实现及性能验证
    6.1 图像实时拼接的实现
    6.2 画幅扫描拼接性能验证
        6.2.1 原理样机验证实验
        6.2.2 画幅式拼接姿态验证
    6.3 画幅式热红外图像拼接验证
        6.3.1 热红外图像拼接验证
        6.3.2 热红外图像温度校正
    6.4 本章小结
第7章 总结与展望
    7.1 总结及创新点
    7.2 展望和不足
参考文献
作者简介及在学期间发表的学术论文与研究成果

【参考文献】

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3 李德仁;童庆禧;李荣兴;龚健雅;张良培;;高分辨率对地观测的若干前沿科学问题[J];中国科学:地球科学;2012年06期

4 刘春;李巍岳;雷伟刚;孙伟伟;;基于光束法自由网平差的无人机影像严格拼接[J];同济大学学报(自然科学版);2012年05期

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本文编号：2844332