专利名称：卫星靶标提取方法
技术领域：
本发明属于数字图像处理技术领域，特别涉及卫星影像靶标提取方法。
背景技术：
为了确定和验证卫星的几何精度检校，需要在地面人工布设一定数量的人工标志(即靶标)，实测靶标中心点大地坐标，并在卫星影像上确定靶标中心的影像坐标，与实测大地坐标相对应可以得到控制数据。因此，需要在卫星影像中对靶标中心进行提取。在一定分辨率的影像上，靶标的中心点位置不能人工确定到亚像素级。以往的卫星影像分辨率不是很高，现有技术通过采取灰度质心法、差分法、多项式拟合法等可以达到亚像素级，几乎能满足几何检校工作。但是随着卫星影像的分辨率不断提升，例如我国资源三号卫星的影像分辨率等达到了 3米以内，就要求更高的影像靶标中心坐标提取精度。靶标形状不同采取的提取方案不同，其中十字对顶角黑白靶标在影像上有最大对比反差，有利于从单张影像进行处理计算提取靶标中心位置的影像坐标。传统的对于这种十字对顶角黑白靶标提取的方法，对每行(列)上黑白边界两边灰度值进行多项式拟合，差分求出亚像素级黑白交界的中心位置坐标。然而靶标范围内某些偏离靶标中心的像素灰度值由于受到调制传递函数影像，灰度不一定满足规律的变化。此时用多项式拟合，并不能很好的满足参与拟合计算的所有点，但是太少的点又不能拟合出合适的多项式曲线，曲线微分求极值就并不能很好的表示黑白交界的中心位置。
发明内容
本发明目的在于解决现有技术方案的不足，提出更精确更适用的高分辨率影像高精度祀标中心提取方法，旨在提闻祀标提取精度，为卫星的几何检校工作提供支持。本发明的卫星影像靶标提取方法，是针对十字对顶角靶标的提取，采取特殊的函数进行曲线拟合求黑白交界中心坐标，其主要实施步骤如下步骤1，在影像上找到靶标所在区域并选择靶标中心点位置；步骤2，获取以靶标中心点为中心一定大小的窗口的灰度值，获取灰度矩值阵；步骤3，对窗口内的灰度值进行差分计算，得到行方向上和列方向上的两个灰度差分矩阵；步骤4，从行方向上，计算一列上灰度差分最大的点，作为初始黑白交界像素级中心；以此为中心，两边各取适当的像素点进行Boltzmann函数曲线拟合，计算拟合参数，得到此列的黑白交界亚像素级中心；逐列进行计算，得到的各列中心点位进行最小二乘直线拟合，得到行方向上的黑白边界线；步骤5，从列方向上，计算一行上灰度差分最大的点，作为初始黑白交界像素级中心，以此为中心，两边各取适当的像素点进行Boltzmann函数曲线拟合，计算拟合参数，得到此行的黑白交界亚像素级中心，逐行进行计算，得到的各行中心点位进行最小二乘直线 拟合，得到列方向上的黑白边界线；
步骤6，将得到的行、列方向上的两条所述黑白边界线解求交点，交点坐标再加上所述窗口左上角点的原始影像坐标，得到的坐标即为十字对顶角靶标中心的影像坐标。优选地，步骤I中采用人工选择靶标中心点的位置，其中人工选择靶标中心点位置的偏差在一个像素或以内。优选地，步骤2中如果所述窗口小于10X10个像素，则对窗口内像素进行插值。优选地,所述步骤4具体包括步骤4-1，在一列上进行遍历取得灰度值差分最大的像素点，计为此列的初始黑白交界像素级中心坐标；
步骤4-2，以所述初始黑白交界像素级中心为起点，在此列上两边各取m/2个像素点，把每个像素点所在行号i计为X坐标，原始影像灰度值计为I坐标；步骤4-3,逐列按照步骤4-1、4_2计算得到m个点(x, y),代入Boltzmann函数方程
_9]产為+ 1+ 最小二乘求解出Boltzmann函数的四个拟合参数A1, A2, X0和d,其中X0即为此列黑白交界处亚像素级行坐标i，记下Xtl为y坐标，记下列号j为X坐标；步骤4-4，根据上述步骤4-3的拟合计算得到的η个点，最小二乘直线拟合求解行向上的黑白交界线的直线方程。优选地,所述步骤5具体包括步骤5-1，在一行上进行遍历取得灰度值差分最大的像素点，计为此行的初始黑白交界像素级中心坐标；步骤5-2，以所述初始黑白交界像素级中心为起点，在此行上两边各取m/2个像素点，把每个像素点所在列号j计为X坐标，原始影像灰度值计为I坐标；步骤5-3,逐行按照步骤5-1、5_2计算得到m个点(x, y),代入Boltzmann函数方程
Γ . Ax — A2y=A2+1+^J^>最小二乘求解出Boltzmann函数的四个拟合参数A1, A2, Xc^P d,其中X0即为此列黑白交界处亚像素级列坐标j，记下Xtl为X坐标，记下行号i为y坐标；步骤5-4，根据上述步骤5-3的拟合计算得到的η个点，最小二乘拟合求解列向上黑白界线的直线方程。进一步优选地,其中,所述m = [(size_10)/3+0. 5]+3，其中算符“ [·] ”表示向下取整，size为步骤2中所述窗口的大小；所述n = m+2。可见，本发明采用特殊的方法拟合十字对顶角靶标黑白阶跃变换曲线，更加真实准确的模拟影像上黑白灰度值变化特征，更加准确地求解出黑白交界的中心点位，并以最小二乘拟合直线，行列向直线求交的方式，细致地解求出高精度的靶标中心坐标，从而为卫星的几何校验工作提供了高精度的控制数据。
下面结合附图和具体实施方式
对本发明作进一步详细的说明图1是本发明实施例中卫星全色靶标影像示意图；图2是本发明实施例的靶标影像中参与计算的有效区域示意图；图3是本发明实施例的流程图；图4是本发明实施例中Boltzmann曲线拟合效果图；图5是本发明实施例中直线拟合求交效 果图。
具体实施例方式为了使本技术领域的人员更好地理解本发明的技术方案，并使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合实施例及实施例附图对本发明作进一步详细的说明。本发明的原理在于通过研究传感器成像在影像上的反映，特别是影像中由黑到白、由白到黑的灰度值变化特点，发现黑白灰度变换符合刃边曲线规律，而Boltzmann函数曲线能很好的表现这一规律。我们用最合适的刃边曲线函数进行拟合，计算黑白变化中心点，多行多列计算黑白变化中心点坐标，最后直线拟合求交计算靶标中心点位置。用刃边曲线Boltzmann函数拟合点位，不仅最好的表现黑白边界处灰度值变化趋势，而且不用微分求极值，直接可以通过函数参数直接得到黑白交界中心位置，精度高并且实用。本发明针对卫星影像数据，不管是原始单CXD影像，或是拼接好的一级产品影像，直接以影像的灰度矩阵进行计算。从数字图像处理的角度进行计算分析，考虑调制传递函数在影像上的反映，研究影像上黑白边界灰度值变化特征，用最能表现刃边灰度特征的BoItzmann函数进行曲线拟合计算，得到黑白交界的高精度中心坐标。本发明可以针对不同的分辨率的十字对顶角靶标影像，比如全色影像分辨率高于多光谱影像分辨率，而全色的下视影像分辨率要高于前后视分辨率。而不同分辨率的影像上，同一个靶标所占的像素大小不同。本发明考虑不同分辨率的靶标影像上的最适宜拟合Boltzmann曲线的像素点个数不同，采取按照人眼看到的十字对顶角靶标白色区域所占的像素大小为窗口大小(size),来计算得到窗口内自适应Boltzmann曲线的像素点个数。下面结合附图详细说明本发明的技术实施方式。图3是本发明的方法流程图，本发明的具体步骤包括步骤1，在靶标所在影像上人工选择靶标中心位置，如图1所示。因为在前后视卫星影像上，整个有效的靶标影像范围大致为13X13像素；如果在下视卫星影像则为20X20像素，如果在多光谱卫星影像上为8X8 ;所以人工对靶标中心位置的选择完全可以达到一个像素或以内的精度，并记录坐标(x，y)作为靶标中心坐标初始值。相反，靶标中心位置的偏差达到2个像素左右或以上，是能够通过人工明显看出不是靶标中心的。步骤2，可以观察得到靶标有效区域如图2所示，选择靶标窗口大小为size。对于不同分辨率影像，靶标占到的像素大小不同，参数size不仅用来获取一定范围内的像素灰度值，而且对于自适应计算这块影像窗口内每行(列)中用来拟合Boltzmann曲线的像素个数。根据影像上靶标所占不同大小像素窗口实验分析，经验得到自适应计算公式为每行(列)参与拟合Boltzmann曲线的计算的像素个数为m =[(size-10) /3+0. 5] +3，其中算符“ [·] ”表示向下取整，计算得到η个点用来拟合直线，其中 η = m+2。尽量保存原有的灰度值不变化进行后续的拟合计算，但如果所获得的是小于10 X 10个像素窗口，优选地先进行一次升采样，再进行计算，否则太少的像素个数拟合的Boltzmann曲线效果很差，影响提取精度。例如，如果是多光谱卫星影像，则8X8个像素中真正用于后续的拟合Boltzmann函数的点是不够的,所以进行一次插值,达到16X16窗口大小。以初始点位(x,y)为中心，以size为窗口大小,读取影像中size大小的窗口灰度值；以(X, y)为中心计算以size大小的影像窗口的左上角点影像坐标为x0 =x-[size/2] ,y0 = y_[size/2],其中算符“ [·] ”是向下取整；读取以(x0,y0)起点size为大小的窗口影像灰度值，得到影像块灰度矩阵。步骤3，对于获取的size窗口影像灰度值进行差分计算。在行方向上，按相邻列灰度值进行相减，得到一个行差分影像灰度矩阵；在列方向上，按相邻行灰度值进行相减，得到一个列差分影像灰度矩阵。步骤4，从行方向上，计算一列上灰度差分最大的点，作为初始黑白交界像素级中心，以此为中心，两边各取适当的像素点进行Boltzmann函数曲线拟合，计算拟合参数，得到此列的黑白交界亚像素级中心。逐列进行计算，将得到的各列中心点位进行最小二乘直线拟合，得到行方向上的黑白边界线。具体来说包括以下步骤步骤4-1，在一列上遍历灰度值差分最大的像素点，计为此列的初始黑白交界像素级中心坐标；步骤4-2，以所述初始黑白交界像素级中心为起点，在此列上两边各取m/2个像素点(m为上述适合用来拟合Boltzmann曲线的像素个数，对m/2向下取整数)，把每个像素点所在行号i计为X坐标，原始影像灰度值计为I坐标；步骤4-3, Boltzmann函数方程为
权利要求
1.一种卫星影像靶标提取方法，其特征在于，包括以下步骤 步骤1，在影像上找到靶标所在区域并选择靶标中心点位置； 步骤2，获取以靶标中心点为中心一定大小的窗口的灰度值，获取灰度矩值阵； 步骤3，对窗口内的灰度值进行差分计算，得到行方向上和列方向上的两个灰度差分矩阵； 步骤4，从行方向上，计算一列上灰度差分最大的点，作为初始黑白交界像素级中心；以此为中心，两边各取适当的像素点进行Boltzmann函数曲线拟合，计算拟合参数，得到此列的黑白交界亚像素级中心；逐列进行计算，得到的各列中心点位进行最小二乘直线拟合，得到行方向上的黑白边界线； 步骤5，从列方向上，计算一行上灰度差分最大的点，作为初始黑白交界像素级中心，以此为中心，两边各取适当的像素点进行Boltzmann函数曲线拟合，计算拟合参数，得到此行的黑白交界亚像素级中心，逐行进行计算，得到的各行中心点位进行最小二乘直线拟合，得到列方向上的黑白边界线； 步骤6，将得到的行、列方向上的两条所述黑白边界线解求交点，交点坐标再加上所述窗口左上角点的原始影像坐标，得到的坐标即为十字对顶角靶标中心的影像坐标。
2.根据权利要求1所述的卫星影像靶标提取方法，其特征在于，步骤I中采用人工选择革巴标中心点的位置，其中人工选择祀标中心点位置的偏差在一个像素或以内。
3.根据权利要求1所述的卫星影像靶标提取方法，其特征在于，步骤2中如果所述窗口小于10X 10个像素，则对窗口内像素进行插值。
4.根据权利要求1所述的卫星影像靶标提取方法，其特征在于，所述步骤4具体包括 步骤4-1，在一列上进行遍历取得灰度值差分最大的像素点，计为此列的初始黑白交界像素级中心坐标； 步骤4-2，以所述初始黑白交界像素级中心为起点，在此列上两边各取m/2个像素点，把每个像素点所在行号i计为X坐标，原始影像灰度值计为I坐标； 步骤4-3,逐列按照步骤4-1、4-2计算得到m个点(x, y),代入Boltzmann函数方程
5.根据权利要求1所述的卫星影像靶标提取方法，其特征在于，所述步骤5具体包括 步骤5-1，在一行上进行遍历取得灰度值差分最大的像素点，计为此行的初始黑白交界像素级中心坐标； 步骤5-2，以所述初始黑白交界像素级中心为起点，在此行上两边各取m/2个像素点，把每个像素点所在列号j计为X坐标，原始影像灰度值计为I坐标； 步骤5-3,逐行按照步骤5-1、5-2计算得到m个点(x, y),代入Boltzmann函数方程
6.根据权利要求4-5中任一项所述的卫星影像靶标提取方法，其特征在于，其中，所述 m = [(size-10)/3+0. 5]+3，其中算符“ [·] ”表示向下取整，size为步骤2中所述窗口的大小；所述n = m+2。
全文摘要
本发明提供了一种卫星影像靶标提取方法，其以靶标中心点为中心选取一定大小的窗口，采用Boltzmann函数曲线拟合十字对顶角靶标黑白阶跃变换曲线，更加真实准确的模拟影像上黑白灰度值变化特征，更加准确地求解出黑白交界的中心点位，并以最小二乘拟合直线，行列向直线求交的方式，细致地解求出高精度的靶标中心坐标，从而为卫星的几何校验工作提供了高精度的控制数据。
文档编号G06T7/60GK103020997SQ20121049239
公开日2013年4月3日 申请日期2012年11月28日 优先权日2012年11月28日
发明者张过, 唐新明, 杨柳青, 付兴科, 祝小勇, 方辰 申请人:国家测绘地理信息局卫星测绘应用中心