用于航空相机的图像成像方法及系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及机器视觉和图像处理领域，特别地，涉及一种面阵CXD航空相机的图 像成像方法及系统。
【背景技术】
[0002] 分辨率和视场角是航空相机的关键技术指标，由于视场与分辨率之间存在相互制 约的关系，受材料工艺水平的限制，单片面阵CCD传感器难以同时满足航空侦察任务高分 辨率和大视场的要求，为满足航空侦察任务大视场、高分辨率、高实时性的要求，航空相机 多采用单片面阵CCD传感器扫描成像方式，通过CCD传感器和特殊的机械结构，在不同时 亥IJ、以不同角度对地摄影成像，然后通过图像拼接技术将获取的具有一定重叠区域的航空 图像序列合成一幅等效的宽视场、高分辨率图像。
[0003] 由于航空光学成像系统本身的设计、加工、装调和环控等原因会使图像产生一定 畸变，对原始图像直接进行拼接，可能会出现重叠区域像元错位导致某些目标完全拼接不 上的问题，同时畸变也严重影响目标定位精度，在500m左右的高空时，因镜头畸变所产生 的定位误差为〇~15m，越是靠近图像的边缘，畸变越严重，引起的定位误差越大，必须对图 像畸变进行校正以提高目标定位精度和保证拼接图像的质量。
[0004] 由于面阵CCD航空相机图像具有像幅小、数量多、分辨率高、倾斜角大、旋转角大、 尺度变化大、重叠不规则、背景复杂等特点，现有航空相机序列图像配准拼接方法存在耗时 长，自动化水平低，拼接累积误差大等问题，并且一般航空图像拼接处理系统不涉及目标定 位问题，得到的拼接图像没有目标地理坐标信息，从而限制了其应用范围。
[0005] 且现有的一般航空相机采用单点定位法，通过姿态测量/激光测距定位模型对图 像中心十字丝指向目标进行定位，对多个目标实施定位则需要频繁改变相机光轴指向进 行多次定位，消耗时间长，难以同时对多个目标实施实时或准实时定位，无法适应现代战 场态势实时多变，目标数量多的情况；现有多目标定位方法主要基于多个传感器平台，如 CN201310384965. 0公开了一种提高多相机合成影像摄影测量精度的方法，其采用光学交会 测量定位方法实现多目标定位，硬件设备复杂，实时性较差。
【发明内容】
[0006] 本发明提供了一种用于航空相机的图像成像方法及系统，以解决现有的航空相机 基于多传感器平台的多目标定位方法导致的硬件设备复杂、实时性及可靠性差的技术问 题。
[0007] 本发明采用的技术方案如下：
[0008] 根据本发明的一个方面，提供一种用于航空相机的图像成像方法，航空相机采用 单片面阵CCD传感器扫描成像，图像成像方法包括：
[0009] 对航空相机拍摄的图像进行畸变校正，得到校正后的序列图像；
[0010] 对校正后的序列图像按照图像的拍摄顺序或者拍摄时间确定拼接次序，结合相邻 图像间的单应矩阵得到合成图像；
[0011] 从航空相机拍摄的图像中检测出静止和/或者运动目标的像素坐标，并进行畸变 校正得到多个目标像素坐标；
[0012] 将各目标像素坐标和GPS定位系统输出的定位数据、航空姿态测量系统输出的飞 机姿态数据进行数据融合，得到各目标的地理坐标；
[0013] 将各目标的地理坐标与合成图像进行叠加，得到多目标地理定位的电子地图。
[0014] 进一步地，得到各目标的地理坐标采用基于像元视线向量的多目标自主定位方 法，包括：
[0015] 根据单片面阵C⑶传感器的成像原理，结合各目标像素坐标构造各目标的视线向 量；
[0016] 根据各目标的视线向量计算其与图像中心主目标的像元视线角；
[0017] 根据相机内部的激光测距机测量得到主目标与飞机之间的距离，根据相机内部的 角度编码器测量得到相机光轴相对飞机平台的方位角和高低角，结合各目标和主目标之间 的像元视线角计算出各目标与飞机平台的角度与距离关系；
[0018] 结合GPS定位系统输出的飞机位置数据、航空姿态测量系统输出的飞机姿态数 据，通过齐次坐标变换方法计算出单幅图像中多个目标的地理坐标。
[0019] 进一步地，对校正后的序列图像按照图像的拍摄顺序或者拍摄时间确定拼接次 序，结合相邻图像间的单应矩阵得到合成图像的步骤包括：
[0020] 采用FAST角点检测算法对校正后的序列图像提取特征点，采用BRISK算子作为特 征点描述符，利用汉明距离计算相邻图像间特征点的相似度进行匹配，得到相邻图像之间 的单应矩阵；
[0021] 按照图像的拍摄顺序或者拍摄时间确定拼接次序，按照拼接次序和相邻图像之间 的单应矩阵进行拼接得到一幅宽视场的合成图像。
[0022] 进一步地，从航空相机拍摄的图像中检测出静止和/或者运动目标的像素坐标采 用图像分割法、帧差法或者光流法；其中，
[0023] 图像分割法根据灰度阈值或者边缘信息将图像分为目标区域和背景区域，计算目 标区域的中心坐标作为目标的像素坐标；
[0024] 帧差法通过相邻帧图像的像素差值能快速检测像素特征变化的运动目标；
[0025] 光流法通过连续帧图像对应像素的特征变化估计图像的运动场，将相似的运动矢 量合并为运动目标。
[0026] 根据本发明的另一方面，提供一种用于航空相机的图像成像系统，航空相机采用 单片面阵CCD传感器扫描成像，图像成像系统包括：
[0027] 图像畸变校正单元，用于对航空相机拍摄的图像进行畸变校正，得到校正后的序 列图像；
[0028] 图像拼接单元，用于对校正后的序列图像按照图像的拍摄顺序或者拍摄时间确定 拼接次序，结合相邻图像间的单应矩阵得到合成图像；
[0029] 目标检测单元，用于从航空相机拍摄的图像中检测出静止和/或者运动目标的像 素坐标，并进行畸变校正得到多个目标像素坐标；
[0030] 目标定位单元，用于将各目标像素坐标和GPS定位系统输出的定位数据、航空姿 态测量系统输出的飞机姿态数据进行数据融合，得到各目标的地理坐标；
[0031] 图像生成单元，用于将各目标的地理坐标与合成图像进行叠加，得到多目标地理 定位的电子地图。
[0032] 进一步地，目标定位单元包括：
[0033] 视线向量构建模块，用于根据单片面阵CCD传感器的成像原理，结合各目标像素 坐标构造各目标的视线向量；
[0034] 像元视线角计算模块，用于根据各目标的视线向量计算其与图像中心主目标的像 元视线角；
[0035] 方位计算模块，用于根据相机内部的激光测距机测量得到主目标与飞机之间的距 离，根据相机内部的角度编码器测量得到相机光轴相对飞机平台的方位角和高低角，结合 各目标和主目标之间的像元视线角计算出各目标与飞机平台的角度与距离关系；
[0036] 地理坐标计算模块，用于结合GPS定位系统输出的飞机位置数据、航空姿态测量 系统输出的飞机姿态数据，通过齐次坐标变换方法计算出单幅图像中多个目标的地理坐 标。
[0037] 进一步地，图像拼接单元包括：
[0038]图像配准模块，用于采用FAST角点检测算法对校正后的序列图像提取特征点，采 用BRISK算子作为特征点描述符，利用汉明距离计算相邻图像间特征点的相似度进行匹 配，得到相邻图像之间的单应矩阵；
[0039]图像融合模块，用于按照图像的拍摄顺序或者拍摄时间确定拼接次序，按照拼接 次序和相邻图像之间的单应矩阵进行拼接得到一幅宽视场的合成图像。
[0040] 本发明具有以下有益效果：
[0041] 本发明用于航空相机的图像成像方法及系统，一方面，通过航空相机拍摄的图像 进行畸变校正，得到校正后的序列图像，并对校正后的序列图像的拍摄顺序或者拍摄时间 确定拼接次序，结合相邻图像间的单应矩阵得到合成图像；另一方面，通过检测各图像中 的多个目标，并进行畸变校正得到多个目标像素坐标，将各目标像素坐标和GPS定位系统 输出的定位数据、航空姿态测量系统输出的飞机姿态数据进行数据融合，得到各目标的地 理坐标，其采用流水线方式将相机畸变校正、图像拼接与多目标定位有机结合起来，为用户 提供一幅具有多目标地理坐标信息、较高的几何精度和较宽视角的高分辨率电子地图，无 论在军用领域还是在民用领域均有重要应用价值，且采用流水线方式也减少了数据处理时 间，提高了计算效率，可利用单面阵CCD传感器同时对多个目标进行地理定位，提高了侦察 效率和实时性，从而适应现代战场态势实时多变，目标数量多的情况。
[0042] 除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。 下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。