CN102663716A - 适用于影像有效范围为凸多边形的接缝线网络生成方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及对区域范围内多幅数字正射影像镶嵌时，一种适用于影像有效范围为凸多边形的接缝线网络生成方法，包括步骤：获取各正射影像的有效范围，用凸多边形表示；计算相邻影像间的分割线；计算各影像的有效镶嵌多边形；生成接缝线网络。通过以上步骤生成接缝线网络之后就可以在此基础上进行镶嵌处理，可以方便的得到每幅影像中对镶嵌有贡献的像素，每幅影像涉及到的接缝线，以及与每段接缝线相关的影像，便于直接生成镶嵌结果，并可以保证镶嵌的灵活性与效率，避免误差的累积和中间结果的产生，且处理结果与影像的顺序无关。本发明可以有效的解决区域范围内多幅数字正射影像镶嵌时，影像有效范围为凸多边形的接缝线网络的生成问题。

Description

适用于影像有效范围为凸多边形的接缝线网络生成方法

技术领域

本发明属于摄影测量与遥感图像处理领域，涉及对区域范围内多幅数字正射影像进行镶嵌处理时，一种适用于影像有效范围为凸多边形的接缝线网络生成方法。

背景技术

摄影测量与遥感开辟了人类认知地球的崭新视角，为人类提供了从多维角度和宏观尺度认识世界的新方法、新手段，目前已在国民经济、社会发展以及国防建设中发挥了越来越重要的技术支撑作用。数字正射影像产品作为摄影测量与遥感最重要的基础数据产品，是目前最有价值的数字化产品。而影像镶嵌则是生成数字正射影像产品的关键步骤之一，它是将多幅数字正射影像拼接在一起形成一幅更大范围影像的过程，解决单景影像覆盖区域范围较小，不能满足实际应用中进行大范围可视化、分析、处理等实际应用的需求。

影像镶嵌通常采用基于接缝线的方法进行，接缝线的自动生成是区域范围内多影像镶嵌处理中的一个关键环节。传统两两镶嵌的接缝线生成方法没有考虑如何将单独的接缝线连接形成接缝线网络，这种做法虽然简化了接缝线的生成，但其对于整体考虑不够，不利于镶嵌的数据组织，使镶嵌过程中每幅影像的有效镶嵌区域不明确，不便于直接生成最终的镶嵌结果，影响处理效率，存在误差累积，同时镶嵌结果与处理的顺序有关，不同的影像顺序会导致不同的镶嵌结果，这在进行大区域多影像的镶嵌过程中表现得尤为明显。

发明内容

本发明所要解决的问题是区域范围内多幅数字正射影像镶嵌时，一种适用于影像有效范围为凸多边形的接缝线网络生成方法。

本发明提供的技术方案是一种用于影像有效范围为凸多边形的接缝线网络生成方法，包括如下步骤：

步骤1，获取各影像的有效范围，用凸多边形表示，包括以下子步骤，

步骤1.1，搜索每幅影像的有效范围的边界点集；

步骤1.2，对于每幅影像，将搜索得到的有效范围的边界点集按搜索的顺序连接成一个多边形，然后对多边形进行简化，对于简化后的多边形求取凸包，得到有效范围的凸多边形；

步骤2，计算相邻影像间的分割线，包括以下子步骤，

步骤2.1，计算相邻影像有效范围的重叠区域；

步骤2.2，设相邻影像有效范围的重叠区域凸多边形为

首先计算任意相邻三边的角平分线交点到中间边的距离，将到中间边距离最短的角平分线交点设为M₁；然后延长对应三边中的第一条边和第三条边并交于某一点，如果第一条边和第三条边是平行线，则规定第一条边和第三条边的延长线交于以第二条边为基准的多边形无边一侧的无穷远处；接着构建新的凸多边形，新的凸多边形去掉了M₁对应的三边中的中间边的两个顶点，加入了第一条边和第三条边延长线的交点；最后对新的凸多边形的顶点重新编号，得到新的凸多边形

步骤2.3，对于步骤2.2所得新的凸多边形，重复步骤2.2，依次得到相邻三边的角平分线交点到中间边距离最短的交点M₂，M₃，......，M_n-3，每得到一个交点就产生一个新的凸多边形，直至新的凸多边形为三角形为止，取三角形内心作为最后一个交点M_n-2，将依次得到的交点M₁，M₂，......，M_n-2称为中轴点；

步骤2.4，依据中轴点在相邻影像间的重叠区域凸多边形的顶点所在内角的角平分线上的性质，确定每个中轴点与重叠区域凸多边形各顶点之间的连通关系；同时依据中轴点到任意相邻三边中第一条边和第三条边距离相等的性质，确定各中轴点之间的连通关系；

步骤2.5，确定相邻影像间的分割线的起点和终点，确定方式如下，

如果相邻影像有效范围凸多边形边界的交点为两个，则这两个交点分别为相邻影像间的分割线的起点和终点，如果相邻影像有效范围凸多边形边界的交点多于两个，则起点终点为距离最远的两个交点；

步骤2.6，根据步骤2.4所得重叠区域凸多边形的各顶点和中轴点、中轴点和中轴点的连通情况，以及步骤2.5所得相邻影像间的分割线的起点和终点，计算相邻影像间的分割线；

步骤3，计算各影像的有效镶嵌多边形，计算方式如下，

对某一影像X，设与影像X有重叠的相邻影像为Y1、Y2...YN，依次用影像X与相邻影像Y1、Y2...YN间的分割线去裁剪影像X的有效范围；

每次裁剪时，以相邻影像有效范围的重叠区域为参考，确定相邻影像有效范围凸多边形边界的每个交点是出点还是入点，出点和入点成对出现，由入点开始沿分割线追踪，当遇到出点时跳转至影像有效范围的多边形继续追踪，如果再次遇到入点则跳转至分割线继续追踪；重复以上过程，直至回到起始入点，完成裁剪操作，得到当前裁剪得到的有效范围；每次裁剪得到的有效范围作为下一次裁剪时影像X的有效范围的输入数据，最后一次裁剪得到的有效范围作为各影像的有效镶嵌多边形；

步骤4，生成接缝线网络，计算方式如下，

计算所有相邻的有效镶嵌多边形之间的公共边，每一条公共边作为两个相邻的有效镶嵌多边形所属的影像之间的接缝线，将所有的接缝线彼此连接形成接缝线网络。

通过以上步骤生成接缝线网络之后就可以在此基础上进行镶嵌处理，有效的解决区域范围内多幅正射影像镶嵌时，影像有效范围为凸多边形的接缝线网络的生成问题。本发明生成的接缝线网络可对各影像覆盖范围进行有效的划分，形成每幅影像的有效镶嵌多边形(对镶嵌有贡献的像素范围的多边形)，并可方便的确定每幅影像中对镶嵌有贡献的像素，且由于各影像只是逻辑接边，不产生镶嵌中间结果，因此可提高镶嵌处理的灵活性、效率与质量，并可避免误差累积，从而可达到整体接边，一次成图的目的，方便快速获得任意范围的镶嵌影像。同时，每幅影像的接缝线的生成只与和它具有重叠的影像有关，因此在该方法的基础上进行镶嵌，其镶嵌结果与影像的顺序无关。

附图说明

图1是本发明实施例的影像有效范围的排列示意图；

图2是本发明实施例生成的接缝线网络的示意图；

图3为相邻影像间的分割线的生成示意图，其中图3(a)为两幅影像有效范围的重叠区示意图，图3(b)为中轴点M₁的生成过程示意图，图3(c)为中轴点M₂的生成过程示意图，图3(d)为中轴点M₃的生成过程示意图，图3(e)为中轴点与顶点以及中轴点之间的连通关系示意图；

图4为本发明实施例用影像间的分割线裁剪影像有效范围的示意图；

图5为本发明实施例有效镶嵌多边形的生成示意图，其中图5(a)为三幅影像A、B、C的分割线示意图，图5(b)为影像A的有效镶嵌多边形的生成过程示意图。

具体实施方式

本发明提出的一种适用于影像有效范围为凸多边形的接缝线网络生成方法，接缝线网络就是区域范围内各影像的接缝线相互连接而成的网络。如图1和图2所示，图1为影像有效范围的排列示意图，其中每一个凸多边形表示一幅影像的有效范围；图2为采用本发明技术方案生成的接缝线网络的示意图，其中每一个多边形为一幅影像的有效镶嵌多边形，多边形之间公共边构成的网络为接缝线网络。实施例针对各正射影像，执行步骤如下，可采用计算机软件技术实现自动运行流程：

步骤1，获取各影像的有效范围，用凸多边形表示(矩形是特殊情况，也视为凸多边形)：

步骤1.1，搜索每幅影像有效范围的边界点集。

实施例的搜索在像素的8邻域进行，即一个像素点的左、左上、上、右上、右、右下、下、左下共8个方向进行搜索，相邻的搜索方向夹角为45度。对每幅影像按照从左到右，从下到上的顺序搜索，找到第一个有效的像素点，该点为最左下方的边界点。从最左下方的边界点开始，定义初始的搜索方向为左上方；如果左上方的点为有效像素点，则该点为边界点，否则搜索方向顺时针旋转45度，这样在该点的8邻域内一直找到第一个有效的像素点为止；然后把这个有效像素点作为新的边界点，在当前搜索方向的基础上逆时针旋转90度，继续用同样的方法继续搜索下一个边界点，直到返回最初的边界点为止。这些搜索得到的边界点就是该影像的有效范围的边界点集。搜索边界点为本领域常用技术，不予赘述。

步骤1.2，对于每幅影像，将搜索得到的有效范围的边界点集按搜索的顺序连接成一个多边形，然后对多边形进行简化，对于简化后的多边形求取凸包，得到有效范围的凸多边形。

实施例将搜索得到的影像有效范围的边界点集按搜索的顺序将其连接成一个多边形，这个多边形即为该影像初始的有效范围，然后采用现有的Douglas-Peuker矢量压缩算法对该多边形进行简化，对于简化后的多边形，采用现有的凸包算法，求取简化后的多边形的凸包，即得到该影像有效范围的凸多边形，该凸多边形顶点的顺序规定为顺时针方向。

步骤2，计算相邻影像间的分割线，如图3所示：

步骤2.1，计算相邻影像有效范围的重叠区域：

计算相邻影像有效范围的重叠区域，即求相邻影像有效范围凸多边形的公共部分，比如采用多边形裁减算法；由于影像有效范围采用凸多边形表示，因此相邻影像有效范围重叠区域的多边形仍然为凸多边形。如图3(a)所示，设图3(a)中的一个四边形和一个五边形分别表示两幅影像的有效范围，阴影区域表示两幅影像有效范围的重叠区，则该步骤就是要计算得到阴影区域的多边形，即凸多边形为

步骤2.2，设相邻影像有效范围的重叠区域凸多边形为(n表示边数)，首先计算任意相邻三边的角平分线交点到中间边的距离，将到中间边距离最短的角平分线交点设为M₁；然后延长对应三边中的第一条边和第三条边并交于某一点，如果第一条边和第三条边是平行线，则规定第一条边和第三条边的延长线交于以第二条边为基准的多边形无边一侧的无穷远处；接着构建新的凸多边形，新的凸多边形去掉了M₁对应的三边中的中间边的两个顶点，加入了第一条边和第三条边延长线的交点；最后对新的凸多边形的顶点重新编号，得到新的凸多边形

如图3(b)所示，对于相邻影像有效范围重叠区域的凸多边形

经计算后，相邻三边P₂P₃、P₃P₄、P₄P₅计算得到的角平分线交点到中间边的距离最短，其对应的交点设为M₁，然后延长P₂P₃和P₄P₅交于一点，接着构建新凸多边形，并对新凸多边形的顶点重新编号，得到新凸多边形

如图3(c)所示。

步骤2.3，对于步骤2.2所得新的凸多边形，重复步骤2.2，依次得到相邻三边的角平分线交点到中间边距离最短的交点M₂，M₃，......，M_n-3，每得到一个交点就产生一个新的凸多边形，直至新的凸多边形为三角形为止，取三角形内心作为最后一个交点M_n-2，将依次得到的交点M₁，M₂，......，M_n-2称为中轴点。

如图3(c)所示，对于新凸多边形

相邻三边P₂P₃、P₃P₄、P₄P₅计算得到的角平分线交点到中间边的距离最短，其对应的交点设为M₂，然后延长P₂P₃和P₄P₅交于一点，并得到新的凸多边形

如图3(d)所示，由于

为三角形，因此最后取三角形

的内心作为最后一个交点M₃，这样便得到了图3所示重叠区凸多边形的所有中轴点M₁、M₂、M₃。

步骤2.4，依据中轴点在相邻影像间的重叠区域凸多边形的顶点所在内角的角平分线上的性质，确定每个中轴点与重叠区域凸多边形各顶点之间的连通关系；同时依据中轴点到任意相邻三边中第一条边和第三条边距离相等的性质，确定各中轴点之间的连通关系。

如图3(e)所示，对于中轴点M₁，由于M₁分别在凸多边形

顶点P3、P4所在内角的角平分线上，因此M₁与顶点P₃、P₄可连通，同理可知M₂与顶点P₁、P₂可连通，M₃与顶点P₅可连通；对于中轴点M₁和M₂，由于M₁到边P₂P₃和P₄P₅的距离相等，而M₂到边P₂P₃和P₄P₅的距离不相等，因此M₁、M₂不可连通，同理可知，M₁、M₃可连通，M₂、M₃可连通。

步骤2.5，确定相邻影像间的分割线的起点和终点，确定方式：如果相邻影像有效范围凸多边形边界的交点为两个，则这两个交点分别为相邻影像间的分割线的起点和终点，如果相邻影像有效范围凸多边形边界的交点多于两个，则起点终点为距离最远的两个交点。

如图3(a)所示，相邻影像有效范围凸多边形边界的交点为P₁和P₃，因此相邻影像间的分割线的起点和终点分别为P₁和P₃；

步骤2.6，根据步骤2.4所得重叠区域凸多边形的各顶点和中轴点、中轴点和中轴点的连通情况，以及步骤2.5所得相邻影像间的分割线的起点和终点，计算相邻影像间的分割线。

如图3(e)所示，相邻影像间的分割线的起点和终点分别为P₁和P₃，由于P₁和M₂可连通，M₂和M₃可连通，M₁和M₃可连通，M₁和P₃可连通，因此相邻影像间的分割线为P₁M₂M₃M₁P₃。

步骤3，计算各影像的有效镶嵌多边形。计算方法可参见专利《一种接缝线网络的自动生成方法》(专利号：ZL 200710168639.0)，为便于实施参考起见，提供计算方式如下：

对某一影像X，设与影像X有重叠的相邻影像为Y1、Y2...YN(N为与影像X有重叠的相邻影像的个数)，依次用影像X与相邻影像Y1、Y2...YN间的分割线去裁剪影像X的有效范围。由于裁剪处理结果与顺序无关，依次用影像X与相邻影像Y1、Y2...YN间的分割线去裁剪时，所使用相邻影像的顺序实际上可以任意指定，具体实施时可以随机处理。

每次裁剪时，以相邻影像有效范围的重叠区域为参考，确定相邻影像有效范围凸多边形边界的每个交点是出点还是入点，出点和入点成对出现，由入点开始沿分割线追踪，当遇到出点时跳转至影像有效范围的多边形继续追踪，如果再次遇到入点则跳转至分割线继续追踪；重复以上过程，直至回到起始入点，完成裁剪操作，得到当前裁剪得到的有效范围；每次裁剪得到的有效范围作为下一次裁剪时影像X的有效范围的输入数据，最后一次裁剪得到的有效范围作为各影像的有效镶嵌多边形。

图4给出了用影像间的分割线裁剪影像有效范围的一个实例，图中影像A和影像B的有效范围为矩形，矩形的顶点顺序为顺时针方向，影像A的顶点为A1、A2、A3、A4，影像B的顶点为B1、B2、B3、B4。a和d点是两个影像有效范围的矩形的交点，折线段a、b、c、d是两影像间的分割线；当用分割线去裁剪影像A的有效范围时，对重叠区域a-A2-d-B4而言，a点是入点，d点是出点；从入点a开始追踪，沿分割线a→b→c→d，由于d点是出点，转至影像的有效范围继续追踪，d→A3→A4→A1→a，回到初始的入点，追踪结束，得到裁剪结果多边形a→b→c→d→A3→A4→A1→a；同理，当分割线去裁剪影像B的有效范围时，可得裁剪结果多边形为a→b→c→d→B3→B2→B1→a；

对每幅影像，都进行完以上处理之后，就得到了该影像的有效镶嵌多边形。图5给出了一个有效镶嵌多边形的生成实例，图5(a)左侧为三幅影像A、B、C的有效范围排列示意图，三幅影像之间相互重叠，虚线S_AB、S_AC、S_BC分别为三幅影像间的分割线，图5(a)右侧为生成的有效镶嵌多边形的示意图；图5(b)进一步说明了影像A的有效镶嵌多边形的生成过程，生成影像A的有效镶嵌多边形需要影像AB之间的分割线S_AB和影像AC之间的分割线S_AC，影像A的有效范围首先被S_AB裁剪，得到的结果多边形再被S_AC裁减，就得到了影像A的有效镶嵌多边形。

步骤4，生成接缝线网络。

计算所有相邻的有效镶嵌多边形之间的公共边，每一条公共边作为两个相邻的有效镶嵌多边形所属的影像之间的接缝线。得到所有的有效镶嵌多边形之间的公共边就得到了各段接缝线，所有的接缝线彼此连接就形成了接缝线网络。

通过以上步骤生成接缝线网络之后就可以在此基础上进行镶嵌处理，可以方便的得到每幅影像中对镶嵌有贡献的像素，每幅影像涉及到的接缝线，以及与每段接缝线相关的影像，便于直接生成镶嵌结果，并可以保证镶嵌的灵活性与效率，避免误差的累积和中间结果的产生，且处理结果与影像的顺序无关。其中在步骤3进行裁剪操作时，关于多边形的边的方向与内外区域的关系，入点和出点的定义以及入点和出点的判定可参见现有技术，如参考文献(刘勇奎，高云，黄有群.一个有效的多边形裁剪算法[J].软件学报，2003，14(4)：845-856)。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (1)

1.一种适用于影像有效范围为凸多边形的接缝线网络生成方法，包括如下步骤：

步骤1，获取各影像的有效范围，用凸多边形表示，包括以下子步骤，

步骤1.1，搜索每幅影像的有效范围的边界点集；

步骤1.2，对于每幅影像，将搜索得到的有效范围的边界点集按搜索的顺序连接成一个多边形，然后对多边形进行简化，对于简化后的多边形求取凸包，得到有效范围的凸多边形；

步骤2，计算相邻影像间的分割线，包括以下子步骤，

步骤2.1，计算相邻影像有效范围的重叠区域；

步骤2.2，设相邻影像有效范围的重叠区域凸多边形为

首先计算任意相邻三边的角平分线交点到中间边的距离，将到中间边距离最短的角平分线交点设为M₁；然后延长对应三边中的第一条边和第三条边并交于某一点，如果第一条边和第三条边是平行线，则规定第一条边和第三条边的延长线交于以第二条边为基准的多边形无边一侧的无穷远处；接着构建新的凸多边形，新的凸多边形去掉了M₁对应的三边中的中间边的两个顶点，加入了第一条边和第三条边延长线的交点；最后对新的凸多边形的顶点重新编号，得到新的凸多边形

步骤2.3，对于步骤2.2所得新的凸多边形，重复步骤2.2，依次得到相邻三边的角平分线交点到中间边距离最短的交点M₂，M₃，......，M_n-3，每得到一个交点就产生一个新的凸多边形，直至新的凸多边形为三角形为止，取三角形内心作为最后一个交点M_n-2，将依次得到的交点M₁，M₂，......，M_n-2称为中轴点；

步骤2.4，依据中轴点在相邻影像间的重叠区域凸多边形的顶点所在内角的角平分线上的性质，确定每个中轴点与重叠区域凸多边形各顶点之间的连通关系；同时依据中轴点到任意相邻三边中第一条边和第三条边距离相等的性质，确定各中轴点之间的连通关系；

步骤2.5，确定相邻影像间的分割线的起点和终点，确定方式如下，

如果相邻影像有效范围凸多边形边界的交点为两个，则这两个交点分别为相邻影像间的分割线的起点和终点，如果相邻影像有效范围凸多边形边界的交点多于两个，则起点终点为距离最远的两个交点；

步骤2.6，根据步骤2.4所得重叠区域凸多边形的各顶点和中轴点、中轴点和中轴点的连通情况，以及步骤2.5所得相邻影像间的分割线的起点和终点，计算相邻影像间的分割线；

步骤3，计算各影像的有效镶嵌多边形，计算方式如下，

对某一影像X，设与影像X有重叠的相邻影像为Y1、Y2...YN，依次用影像X与相邻影像Y1、Y2...YN间的分割线去裁剪影像X的有效范围；

每次裁剪时，以相邻影像有效范围的重叠区域为参考，确定相邻影像有效范围凸多边形边界的每个交点是出点还是入点，出点和入点成对出现，由入点开始沿分割线追踪，当遇到出点时跳转至影像有效范围的多边形继续追踪，如果再次遇到入点则跳转至分割线继续追踪；重复以上过程，直至回到起始入点，完成裁剪操作，得到当前裁剪得到的有效范围；每次裁剪得到的有效范围作为下一次裁剪时影像X的有效范围的输入数据，最后一次裁剪得到的有效范围作为各影像的有效镶嵌多边形；

步骤4，生成接缝线网络，计算方式如下，

计算所有相邻的有效镶嵌多边形之间的公共边，每一条公共边作为两个相邻的有效镶嵌多边形所属的影像之间的接缝线，将所有的接缝线彼此连接形成接缝线网络。

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