专利名称:提取主分量图象的光学方法
本发明属于图象的光学处理。
航天和航空遥感的多谱传感器以多波段图象的形式提供了信息数据，对多波段图象进行K-L变换，提取主分量图象是图象处理中行之有效的特征抽取和信息压缩方法。由于这种变换关系到图象的二级统计量，因此提取主分量图象涉及极大的计算量和存储量。在本发明作出之前，这一工作必须使用大型计算机图象处理系统才能完成，例如采用价值超过一百万美元的101图象处理系统或类似系统，从而限制了这种方法的广泛使用。本发明便是针对这一问题，提出了实现K-L变换，提取主分量图象的简易的光学方法。
附图1是测量图象的均值和积均值的光学系统示意图。
附图2是用强度加权方法提取主分量图象的光学系统示意图。
附图3是用时间加权方法提取主分量图象的光学系统示意图。
本发明的要点在于利用了光学方法具有的二维、实时和并行处理能力，在简单的光学系统上测量单个波段图象的均值和两个波段图象的积均值，从而得到协方差矩阵，然后用光学系统实现集中多波段图象主要特征的第一主分量图象。
设波段数为K，每张图象包含MN个象素，各波段图象对应象素的透过率构成一个由K个元素组成的波段向量X，X＝(X1，X2，……，XK)T。X向量的协方差矩阵为CX＝E｛(X-MX)(X-MX)T｝ (1)式中MX是均值向量，E是期望值算子。令ei和λi(i＝1，2，……，K)是CX的特征向量和对应的特征值，并假定特征值已经按减序排列，特征向量构成K-L变换矩阵A，由变换式Y＝AX (2)完成K-L变换产生新的波段向量Y，由MN个向量Y构成K个新的波段图象，即主分量图象。K-L变换的性质使得Y向量的协方差矩阵对角化。对角线元素代表主分量图象的方差，并且等于CX的特征值。这个性质的重要性在于各主分量图象之间已经消除了相关性，而且较大的特征值所对应的主分量图象有较大的方差，因而包含了更多的信息，于是抽取主分量图象，尤其是第一主分量图象，就成为遥感图象处理的一项重要工作。
由于(1)式可以表示为下列矩阵形式
其中σ2ij＝E ｛ (Xi- mXi) (Xj- mXj) ｝]]>=1MNΣL = 1MNXi L· Xj L-1MNΣL = 1MNXi L·1MNΣL = 1MNXj L]]>简记为σ2ij＝T(ij)-T(i)T(j) (4)这里i，j＝1，2，…，K，表示波段序号，式中T(i)和T(j)表示单波段图象的均值，T(ij)表示两个波段图象的积均值。
在附图1所示的光学系统中，将K个波段图象中的第i波段图象和第j波段图象分别放置在输入平面O上，用均匀光束S照明，图象的透射光通过透镜L会聚在后焦平面上，位于后焦平面上的光电检测器D的测值，用无图象时的测值归一化后得到的这两个单波段图象各自的均值T(i)和T(j)。然后将第i波段和第j波段图象叠合放置在输入平面O上，光电检测器D的测值经归一化后得到这两个波段图象的积均值T(ij)。由积均值T(ij)减去两均值的乘积T(i)T(j)，得到矩阵元σ2ij。对于三个波段图象，只需9次测量就能确定CX。由CX求解特征值和特征向量可以通过简单的计算得到。
式(2)表示的K-L变换的运算过程，需要对MN个向量X逐一进行运算，但从得到主分量图象的整体观念上看，其实质是用特征向量的诸元素对各波段图象加权求和，第一主分量图象是以第一个特征向量的诸元素e11，e12，…，e1k为权重的原各波段图象加权和，这一过程可以采用强度加权方法或时间加权方法实现。强度加权方法如附图2所示，当K等于3时，将三个波段图象A、B、C分别用三束光源强度与第一个特征向量的三个元素e11，e12，e13成正比的平行光S1、S2、S3照明，图象A、B、C分别经透镜L1、L2、L3成象在输出平面I上，使三个所成象对位重叠，则在输出平面I上得到第一主分量图象;当K大于3时，相应增加成象光路通道，各通道的光源强度与第一个特征向量的各元素值成正比。时间加权方法如附图3所示，当K等于3时，将三个波段图象A、B、C依次送入输入平面O上，用平行光束S照明，经透镜L成象在输出平面I上，图象A、B、C的曝光时间分别与第一个特征向量的三个元素e11，e12，e13成正比，则位于输出平面I处的胶片记录下第一主分量图象;当K大于3时，仍按上述方法将各波段图象依次顺序送入输入平面O，各个图象的曝光时间分别与第一个特征向量的各个元素值成正比。
按本发明提出的光学方法，对我国某地区卫星图片MSS4，5，6三波段图象提取第一主分量图象，采用附图1所示的光学系统测得均值和积均值为T(4) T(5) T(6) T(44) T(45) T(46) T(55) T(66)X10-27.45 6.70 9.36 0.809 0.830 0.755 1.020 0.713 0.979由此得到的协方差矩阵CX，特征值λ和第一个特征向量e分别是
λ1＝0.00795 λ2＝0.000876 λ3＝0.000453e1＝(0.527 0.837 0.148)T然后在附图3所示的光学系统中，将4，5，6三个波段图象依次送入输入平面O上，用平行光束S照明，经透镜L成象在输出平面I上，三个图象的曝光时间分别与第一个特征向量的三个元素0.527，0.837，0.148成正比，位于输出平面I处的胶片记录下第一主分量图象，该图象集中了原来4，5，6三个波段图象信息总量的86%。专业人员对第一主分量图象的目视解释表明，该图象集中了原三个波段图象的主要信息。
本发明容易实现，便于广泛使用，使过去必须由大型计算机图象处理系统才能完成的提取主分量图象，可以由简单的光学系统实现。
权利要求
1.一种提取多波段遥感图象主分量图象的方法，其特征在于将K个波段图象中的第i波段图象和第j波段图象分别放置在光学系统的输入平面上，用均匀光束照明，图象的透射光通过透镜会聚在后焦平面上，位于后焦平面上的光电检测器的测值用无图象时的测值归一化，得到这两个波段图象各自的均值，然后将第i波段和第j波段图象叠合放置在输入平面上，光电检测器的测值经归一化后得到这两个波段图象的积均值，由积均值减去两均值的乘积，得到协方差矩阵元，i和j的取值从l到K，再通过协方差矩阵求解特征值和特征向量，用第一个特征向量的诸元素为权重，对K个波段图象中各波段图象采用加权合成实现第一主分量图象。
2.按照权利要求
1所述的方法，其特征在于所说的加权合成是采用强度加权实现第一主分量图象，当K等于3时，将三个波段图象分别用三束光源强度与第一个特征向量的三个元素成正比的平行光照明，这三个图象分别经三个透镜成象在输出平面上，使三个所成象对位重叠，在输出平面上得到第一主分量图象，当K大于3时，相应增加成象光路通道，各通道的光源强度分别与第一个特征向量的各元素值成正比。
3.按照权利要求
1所述的方法，其特征在于所说的加权合成是采用时间加权实现第一主分量图象，当K等于3时，将三个波段图象依次送入光学系统的输入平面上，用平行光束照明，经透镜成象在输出平面上，三个图象的曝光时间分别与第一个特征向量的三个元素成正比，位于输出平面的胶片记录下第一主分量图象，当K大于3时，相应将各波段图象依次顺序送入输入平面，各个图象的曝光时间分别与第一个特征向量的各元素值成正比。
专利摘要
实现K-L变换，提取主分量图象的光学方法，采用简单的光学系统测量多波段遥感图象的均值和积均值，从而得出协方差矩阵。然后用强度加权或时间加权方法，在光学系统上获得集中多波段遥感图象特征的第一主分量图象。本发明代替了过去必须由大型计算机图象处理系统才能完成的提取主分量图象的方法，使得提取主分量图象的方法便于广泛使用。
文档编号G06K9/58GK85102834SQ85102834
公开日1986年9月10日 申请日期1985年4月1日
发明者苏显渝, 郭履容, 张冠申, 陈泽先, 张少颖 申请人:四川大学导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan