盧征

（河南省有色測(cè)繪有限公司，河南安陽 455000）

遙感圖像應(yīng)用十分廣泛，目前針對(duì)遙感圖像研究的熱點(diǎn)主要集中在多角度航空影像的三維建模、目標(biāo)檢測(cè)和跟蹤等方面[1-2]。有學(xué)者提出利用AKAZE算法來解決無人機(jī)遙感影像的匹配拼接問題，AKAZE 算法能夠保存遙感影像的紋理結(jié)構(gòu)和局部信息，具有很好的拼接效果，因此傳統(tǒng)系統(tǒng)提出利用AKAZE 算法進(jìn)行無人機(jī)遙感圖像快速拼接。雖然該系統(tǒng)能夠快速有效地提取特征，并能顯著減少特征點(diǎn)，提高效率，但耗時(shí)較長，算法有待改進(jìn)?；诠饩€特性，相關(guān)學(xué)者提出了一種改進(jìn)的快速圖像拼接系統(tǒng)，該系統(tǒng)能在保持配準(zhǔn)速度的前提下，達(dá)到亞像素級(jí)配準(zhǔn)精度，并具有良好的場(chǎng)景適應(yīng)性，但是拼接速度較慢[3]。

目前，提出的拼接系統(tǒng)在拼接速度上都難以達(dá)到人們的要求。因此該文利用特征點(diǎn)匹配提出了一種新的無人機(jī)遙感圖像快速拼接系統(tǒng)，利用AKAZE 算法提取圖像的特征點(diǎn)，對(duì)特征向量進(jìn)行描述，得到圖像的主方向，實(shí)現(xiàn)圖像的精確匹配。采用特征點(diǎn)提取時(shí)間、匹配精度等指標(biāo)對(duì)該方法進(jìn)行分析驗(yàn)證，并與其他系統(tǒng)進(jìn)行了對(duì)比，從而驗(yàn)證文中系統(tǒng)的可行性。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的無人機(jī)遙感圖像快速拼接系統(tǒng)硬件主要由采集器、處理器、拼接控制器3 部分組成，系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 無人機(jī)遙感圖像拼接系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

1.1 采集器設(shè)計(jì)

采集器是提出的遙感圖像快速拼接系統(tǒng)的基本設(shè)備[4]，其作用是執(zhí)行各項(xiàng)操作指令，采集器主要包括數(shù)據(jù)采集單元、中央處理單元和載波調(diào)制解調(diào)單元，采集器結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 采集器結(jié)構(gòu)

采集器內(nèi)部引入PL3200 芯片，該芯片同時(shí)具備采集、計(jì)算能力，利用RS485 串行通信口實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)初始化。PL3200 芯片能夠提高系統(tǒng)的開發(fā)速度，內(nèi)部的8/16 位雙模式能夠很好地提高運(yùn)行速度，增強(qiáng)數(shù)據(jù)處理能力[5-6]。同時(shí)，PL3200 芯片外部設(shè)計(jì)了兩個(gè)全雙工結(jié)構(gòu)，通信模式分別采用了紅外通信模式和RS485 通信模式，可為不同的數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)信息傳輸。采集器電路圖如圖3 所示。引入的PL3200 芯片采用雙通道電流實(shí)現(xiàn)采樣，能夠很好地防止竊電。

圖3 采集器電路圖

1.2 處理器設(shè)計(jì)

文中選用的處理器為Power7處理器，該款處理器經(jīng)過多年的研發(fā)，相比于Power1 處理器，Power7 處理器取得了巨大的進(jìn)步[7-8]。處理器示意圖如圖4所示。

圖4 Power7處理器示意圖

圖4 中的Power7 處理器具有很好的運(yùn)算速度，工作性能更加優(yōu)異，Power7 處理器的內(nèi)部節(jié)點(diǎn)能夠支持兩個(gè)以上3.8 GHz 的8 核模塊運(yùn)作[9]，系統(tǒng)工作能力強(qiáng)，Power7 處理器的邏輯結(jié)構(gòu)內(nèi)部的核心為Power PC 核心，核心機(jī)構(gòu)的執(zhí)行條令位數(shù)為64 位，每個(gè)處理器都能執(zhí)行多個(gè)指令，最高可達(dá)到200 條指令，處理器工作頻率為1.5 GHz，引入緩存可以更好地完成信息交互，使采集器采集到的數(shù)據(jù)流更加順利地流通和傳遞。

1.3 拼接控制器設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)的遙感圖像快速拼接系統(tǒng)中，拼接控制器為核心設(shè)備，該控制器有利于圖像在大屏幕上顯示，從而帶來更好的視覺體驗(yàn)[10]。設(shè)計(jì)的拼接控制器內(nèi)部采用分布式處理器，通過數(shù)字網(wǎng)絡(luò)將采集的數(shù)據(jù)和傳輸?shù)臄?shù)據(jù)連接起來，更好地在大屏幕上展示。拼接控制器分散結(jié)構(gòu)能夠使輸入節(jié)點(diǎn)和輸出節(jié)點(diǎn)更好地分開，提高了系統(tǒng)的靈活性，使系統(tǒng)能夠進(jìn)行圖像信號(hào)多點(diǎn)共享，使網(wǎng)絡(luò)圖像具備輸入功能和移動(dòng)終端控制功能[11-12]。拼接控制器的工作原理如圖5 所示。

圖5 拼接控制器的工作原理

設(shè)計(jì)的拼接控制器引入了WT-20 邊緣控制器，該控制器采用嵌入式結(jié)構(gòu)，使用了目前國內(nèi)比較先進(jìn)的邊緣融合技術(shù)，控制器內(nèi)部設(shè)置了一個(gè)超高分辨率的單一邏輯屏幕，屏幕之間不存在拼接縫隙，這樣在大屏幕上顯示的數(shù)據(jù)就是所有顯示單元的拼接總和。設(shè)計(jì)的拼接控制器能夠同時(shí)顯示視頻信號(hào)、RGB 信號(hào)以及圖文信號(hào)，具備窗口漫游功能，能夠?qū)崟r(shí)顯示各種信息。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

利用AKAZE 算法提取特征點(diǎn)，利用可變傳導(dǎo)函數(shù)建立尺度空間，從而檢測(cè)非線性擴(kuò)散濾波，設(shè)定得到的無人機(jī)遙感圖像亮度為L，得到的流動(dòng)函數(shù)散度的計(jì)算公式如下：

式中，t表示尺度參數(shù)；c(x,y,t)為模糊識(shí)別參數(shù)，ΔL表示傳導(dǎo)函數(shù)。如果傳導(dǎo)函數(shù)為正常值，則得到的擴(kuò)散自適應(yīng)圖像局部結(jié)構(gòu)也為正常值[13]。根據(jù)式（1）可知，隨著t值的增加，圖像表達(dá)復(fù)雜程度越來越小。

構(gòu)造非線性尺度空間，分析尺度級(jí)別的改變，利用尺度參數(shù)判斷每一層的圖像分辨率是否和最初分辨率相同。尺度參數(shù)的計(jì)算公式如下：

式中，σ0表示在圖像拼接過程得到的初始值；M表示拼接圖像尺度空間的影像總數(shù)；σi(m,s)表示尺度參數(shù)的匹配關(guān)系。

進(jìn)化的時(shí)間ti為：

在處理無人機(jī)遙感圖像的過程中，引入高斯濾波函數(shù)，得到數(shù)據(jù)特征，在大屏幕上顯示梯度直方圖，從而確定對(duì)比度參數(shù)[14]。構(gòu)建非線性尺度空間，利用歸一化處理，得到無人機(jī)遙感局部的極大值點(diǎn)，設(shè)定采集矩陣為：

式中，σ為尺度參數(shù)σi的平均值。通過獲取極值點(diǎn)，得到更加確切的像素點(diǎn)，將得到的像素點(diǎn)與無人機(jī)遙感周圍其他的像素點(diǎn)對(duì)比，從而得到特征點(diǎn)的位置，利用亞像素實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定位，得到特征點(diǎn)的準(zhǔn)確位置。

在確定特征點(diǎn)位置后，確定特征點(diǎn)所在的范圍，從而獲得鄰域，將鄰域以均分的方式分成36 個(gè)方向直方圖，在直方圖中確定最大值特征點(diǎn)的主方向[15]。尋找計(jì)算結(jié)果直方圖的峰值，將得到的直方圖峰值與最大直方圖峰值進(jìn)行比較，如果得到的峰值結(jié)果超過80%，則該方向的峰值方向?yàn)檩o助方向，在輔助方向中可以尋找1/5 特征點(diǎn)的數(shù)據(jù)。在無人機(jī)遙感圖像拼接中，特征點(diǎn)發(fā)揮著非常重要的作用，輔助方向的特征點(diǎn)能夠很好地提高數(shù)據(jù)匹配拼接過程的穩(wěn)定性[16]。

在拼接過程中，需要對(duì)主方向的特征點(diǎn)進(jìn)行校正，校正后的特征點(diǎn)可以生成描述點(diǎn)，從而進(jìn)化成特征向量，該特征向量維度為128 維，確定特征向量后，進(jìn)行歸一化處理，改善由于光照而導(dǎo)致的匹配率降低的情況。

3 實(shí)驗(yàn)研究

為了驗(yàn)證提出的基于特征點(diǎn)匹配的無人機(jī)遙感圖像快速拼接系統(tǒng)的有效性，與傳統(tǒng)的拼接系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)對(duì)比，選用的傳統(tǒng)系統(tǒng)分別是基于AKAZE 算法的無人機(jī)遙感圖像快速拼接系統(tǒng)、基于光纖特性的無人機(jī)遙感圖像快速拼接系統(tǒng)，分析系統(tǒng)拼接過程的耗時(shí)情況和拼接結(jié)果精準(zhǔn)度。

設(shè)定運(yùn)行過程的實(shí)驗(yàn)參數(shù)如表1 所示。

表1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)

根據(jù)表1 中參數(shù)對(duì)圖6 中的不同無人機(jī)遙感圖像進(jìn)行拼接。

圖6 實(shí)驗(yàn)影像

選用文中系統(tǒng)和傳統(tǒng)系統(tǒng)對(duì)圖6 中的實(shí)驗(yàn)影像進(jìn)行拼接，得到的拼接過程耗時(shí)實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

根據(jù)表2 可知，在對(duì)圖6（a）的圖像進(jìn)行拼接時(shí)，基于AKAZE 算法的無人機(jī)遙感圖像快速拼接系統(tǒng)與提出的基于特征點(diǎn)匹配的無人機(jī)遙感圖像拼接耗時(shí)相差較小，提取的特征點(diǎn)數(shù)也相對(duì)較少；而基于光纖特性的無人機(jī)遙感圖像快速拼接系統(tǒng)耗時(shí)最長，性能最差。在對(duì)圖6（b）的圖像進(jìn)行拼接時(shí)，提出的基于特征點(diǎn)匹配的無人機(jī)遙感圖像快速拼接系統(tǒng)的耗時(shí)要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)系統(tǒng)，主要是因?yàn)樘岢龅奶卣鼽c(diǎn)匹配算法能夠很好地縮減非線性尺度空間的構(gòu)造時(shí)間。匹配精準(zhǔn)度實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7 所示[17]。

表2 拼接耗時(shí)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖7 匹配精準(zhǔn)度實(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)圖7 可知，提出的拼接系統(tǒng)拼接精度高，在拼接過程中，提出的系統(tǒng)能夠更好地確定特征組合的正確匹配點(diǎn)，因此拼接速度快，精準(zhǔn)度高。

綜上所述，文中提出的基于特征點(diǎn)匹配的無人機(jī)遙感圖像快速拼接系統(tǒng)具有很好的拼接效果，能夠有效縮短拼接時(shí)間，更加適合無人機(jī)遙感影像匹配工作。

4 結(jié)束語

文中設(shè)計(jì)的基于特征點(diǎn)匹配的無人機(jī)遙感圖像快速拼接系統(tǒng)將拼接技術(shù)和三維重建技術(shù)有效結(jié)合在一起。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，特征組合算法能夠很好地提高匹配速度，減少冗余計(jì)算量。與傳統(tǒng)系統(tǒng)相比，文中提出的拼接系統(tǒng)拼接速度更快，更適合應(yīng)用到無人機(jī)遙感影像匹配工作中。

無人機(jī)遙感圖像拼接還在不斷發(fā)展中，未來對(duì)于圖像拼接的清晰度要求更加嚴(yán)格，可以對(duì)此進(jìn)行更加深入的研究。