CN103916598B - 航天tdiccd相机成像错位与搭接像元拼接配准方法 - Google Patents

Abstract

航天TDICCD相机成像错位与搭接像元拼接配准方法，涉及光电成像技术领域，解决现有图像拼接技术应用范围窄，且无法实现航天TDICCD大角度机动成像的像元偏差的问题，本发明的方法从卫星灵活机动成像导致的各片CCD之间速度和行转移时间失配大小出发，设计了CCD的幅宽搭接方向和卫星飞行错位方向的像元匹配拼接算法，能够实时解决CCD图像拼接的准确性，确保图像像元匹配进而获得高质量的图片。本发明的成像像元快速拼接配准方法拼接精度高，速度快，方法简单可靠，为卫星大角度机动成像的图像快速拼接提供了决策依据。

Description

航天TDICCD相机成像错位与搭接像元拼接配准方法

技术领域

本发明涉及光电成像技术领域，具体涉及一种航天TDICCD相机成像错位与搭接像元快速拼接配准的方法。

背景技术

遥感卫星上宽视场相机已被广泛应用，大视场相机成像系统由TDI-CCD焦平面模块拼接构成，拼接方式主要采用交错拼接方法。现阶段，由于卫星成像过程中姿态的灵活机动，导致各片TDICCD之间的速度失配，行转移时间不同，多片TDICCD拼接产生的图像在幅宽方向和卫星飞行方向上错开一定的位置。如何选取适当的像元匹配算法实时解决TDICCD拼接像元的准确性，找到配准位置确保图像像元匹配进而获得高质量的图片成为技术难点。

现有技术中的快速图像拼接方法，主要从已知图像特征点出发，进行图像匹配和图像融合，进而进行拼接处理，专利CN200910149346.7“图像拼接方法与设备”，采用确定第一图像和第二图像之间的拼缝，再将第一图像和第二图像的像素划分为前景像素和背景像素，基于所述拼缝对第一图像和第二图像的前景像素进行拼接，以及对背景像素进行变形。专利CN201010154362.8“一种快速图像拼接方法”中采用获取单幅视野图像，提取待拼接图中的特征信息，对待拼接图像进行二维小波变化，获得反映图像水平和垂直方向变化轮廓的高频系数，采用加权平均法来实现图像的融合，实现对多种规格、不同颜色的PCB图像快速、准确的拼接。专利CN201010250868.9“一种图像拼接方法”应用实时获取或已存储的视频图像，利用相邻两帧图像的高度相关性，即配准图和活动图，检测活动图像中关键特征点，估计活动图和配准图之间的活动向量，用于完成相邻图像的特征点之间的运动匹配和全局运动参数估计，进而实现已有的宽景图和配准后的图像之间的融合。上述技术方案只能对某种特定图像进行拼接处理，应用范围较窄，不能解决航天TDICCD大角度机动成像的像元偏差问题。

发明内容

本发明为解决现有图像拼接技术应用范围窄，且无法实现航天TDICCD大角度机动成像的像元偏差的问题，提供一种航天TDICCD相机成像错位与搭接像元拼接配准方法。

航天TDICCD相机成像错位与搭接像元拼接配准方法，该方法由以下步骤实现：

步骤一、根据TDICCD相机的拼接尺寸、各片CCD行转移时间和偏流角大小进行计算，当所述各片CCD行转移时间相同，相机的偏流角大小相同时；获得两片相邻的CCD首尾在横向方向上的搭接像元以及两排CCD在纵向上相差的错位像元数，用公式表示为：

M₀＝L/a，

N₀＝l/a，

式中，a为CCD像元尺寸；L为两片相邻CCD首尾在横向方向上的搭接尺寸；l为两排CCD在纵向上相差的错位尺寸；M₀为两片相邻CCD首尾在横向方向上的搭接像元数目；N₀为两排CCD在纵向上相差的错位像元数目。

步骤二、根据步骤一所述的两排CCD在纵向上相差的错位像元数目N₀，确定纵向错位像元数目；以第一片CCD的图像为准，所述第一片CCD与第二片CCD之间的纵向错位像元数为：

$N_{12}^T=N_{12}^{T-1}+\frac{\frac{1}{T_2}-\frac{1}{T_1}}{\frac{1}{T_1}}{A}_0$

式中，表示第二片CCD与第一片CCD之间的错位像元数，的初始值为N₀，T₁为第一片CCD的行转移时间；T₂为第二片CCD的行转移时间；

所述第一片CCD与第三片CCD之间的纵向错位像元数为：

$N_{13}^T=N_{13}^{T-1}+\frac{\frac{1}{T_3}-\frac{1}{T_1}}{\frac{1}{T_1}}{A}_0$

式中，表示第三片CCD与第一片CCD之间的错位像元数，的初始值为0，T₃为第三片CCD的行转移时间；

所述第一片CCD与第四片CCD之间的纵向错位像元数为：

$N_{14}^T=N_{14}^{T-1}+\frac{\frac{1}{T_4}-\frac{1}{T_1}}{\frac{1}{T_1}}{A}_0$

式中，表示第四片CCD与第一片CCD之间的错位像元数，的初始值为N₀，T₄为第四片CCD的行转移时间；A₀为拼接周期对应的图像行数；

步骤三、根据步骤一所述的两片相邻CCD首尾在横向方向上的搭接像元数目M₀，确定横向搭接像元的数目；

图像搭接数目以初始成像时刻TDICCD相机整体偏流角β₀为基准，其它CCD速度失配通过与偏流角β₀做差获得，具体过程为：

第一片CCD与第二片CCD之间的行数为：

M₁₂＝M₀-L×(tan(2β₂-β₁-β₀))/a

式中，β₁为对应某时刻的第一片CCD实时偏流角的值，β₂为对应某时刻的第二片CCD实时偏流角的值；

第二片CCD与第三片CCD之间的行数为：

M₂₃＝M₀+L×(tan(2β₃-β₂-β₀))/a

式中，β₃为对应某时刻的第三片CCD实时偏流角的值；

第三片CCD与第四片CCD之间的行数为：

M₃₄＝M₀-L×(tan(2β₄-β₃-β₀))/a

式中，β₄为对应某时刻的第四片CCD实时偏流角的值。

本发明的有益效果：本发明综合考虑由卫星灵活机动成像导致的各片TDICCD之间速度和行转移时间失配量，设计了TDICCD的幅宽方向和卫星飞行方向的像元匹配拼接算法，拼接精度高，速度快，方法简单可靠，为卫星大角度机动成像的图像快速拼接提供了决策依据，本发明是国内提出的首个针对卫星灵活机动成像条件下的快速拼接方法，填补了我国在卫星灵活机动成像拼图分析方面的空缺。

附图说明

图1为本发明所述的航天TDICCD相机成像错位与搭接像元拼接配准方法中CCD横向搭接方向上和纵向错位方向上的尺寸示意图；

图2为本发明所述的航天TDICCD相机成像错位与搭接像元拼接配准方法中图像纵向拼接前四个通道图像示意图；

图3为本发明所述的航天TDICCD相机成像错位与搭接像元拼接配准方法中图像横向搭接拼接像元示意图。

具体实施方式

结合图1至图3说明本实施方式，航天TDICCD相机成像错位与搭接像元拼接配准方法，该方法由以下步骤实现：

步骤一、首先依据TDICCD参数、拼接尺寸、各片TDICCD行转移时间和偏流角大小进行匹配计算，如图1所示，当各片TDICCD行转移时间和偏流角大小相同时，得到两片相邻CCD首尾在横向方向上的搭接像元和两排CCD在纵向上相差的错位像元数目：

M₀＝L/a，

N₀＝l/a，

其中，a为TDICCD像元尺寸；L为两片相邻TDICCD首尾在横向方向上的搭接尺寸；l为两排TDICCD在纵向上相差的错位尺寸；M₀为两片相邻TDICCD首尾在横向方向上的搭接像元数目；N₀为两排TDICCD在纵向上相差的错位像元数目。

步骤二、纵向错位像元数目的确定；

A、图像拼接以第一片CCD1的图像为基准，第二片CCD2第四片CCD4向第一片CCD靠拢。拼接过程，结合图2，图2中每一个方格表示一片CCD的一行数据，每一行数据都有一个独立的流水号，图中仅列出了633行数据作为例子。

B、下文里提到的表示第二片CCD2和第一片CCD1之间的错位像元数，表示CCD3和第一片CCD1之间的错位像元数，表示第四片CCD4和第一片CCD1之间的错位像元数。地面处理可以以作为参考值在纵向进行图像平移拼接。

C、图像拼接时有方向问题，正方向定义为流水号小的行的方向，负方向定义为流水号大的行的方向。为正值时，图像拼接时按正方向平移，为负时按照负方向平移。例如，在图2中，=629，表示第二片CCD2的图像需沿正方向平移629行才能与第一片CCD1的图像拼接上。

D、如果任何时段四片CCD的行转移时间都一致，则如果每个时段四片CCD的行转移时间不一致，则且其是与时间有关的变量，需要通过计算得到。

E、第一片CCD1与第二片CCD2之间的纵向错位像元数为

$N_{12}^T=N_{12}^{T-1}+\frac{\frac{1}{T_2}-\frac{1}{T_1}}{\frac{1}{T_1}}{A}_0$

其中，的初始值为N₀，T₁为第一片CCD的行转移时间；T₂为第二片CCD的行转移时间。

F、第一片CCD1与第三片CCD3之间的纵向错位像元数为

$N_{13}^T=N_{13}^{T-1}+\frac{\frac{1}{T_3}-\frac{1}{T_1}}{\frac{1}{T_1}}{A}_0$

其中，的初始值为0，T₃为TDICCD-3的行转移时间。

G、第一片CCD1与第四片CCD4之间的行数为

$N_{14}^T=N_{14}^{T-1}+\frac{\frac{1}{T_4}-\frac{1}{T_1}}{\frac{1}{T_1}}{A}_0$

其中，的初始值为N₀，T₄为第四片CCD4的行转移时间。A₀为拼接周期对应的图像行数，依据对图像的需求选取。

步骤三、横向搭接像元数目的确定；

TDICCD初始拼接存在一定的搭接像元数。图像搭接数目计算以初始成像时刻相机整体偏流角β₀为基准，其它TDICCD速度失配可通过与偏流角β₀做差求得，结合图3，

A、第一片CCD1与第二片CCD2之间的行数为

M₁₂＝M₀-L×(tan(2β₂-β₁-β₀))/a

其中，L为相邻两片CCD的纵向间距，a为像元尺寸，β₁为对应某时刻的第一片CCD实时偏流角大小，β₂为对应某时刻的第二片CCD实时偏流角大小。

B、第二片CCD2与第三片CCD3之间的行数为

M₂₃＝M₀+L×(tan(2β₃-β₂-β₀))/a

其中，β₃为对应某时刻的第三片CCD3实时偏流角大小。

C、第三片CCD3与第四片CCD4之间的行数为

M₃₄＝M₀-L×(tan(2β₄-β₃-β₀))/a

其中，β₄为对应某时刻的第四片CCD4实时偏流角大小。

具体实施方式二、本实施方式为具体实施方式一所述的航天TDICCD相机成像错位与搭接像元拼接配准方法的实施例：

一、设定两片相邻CCD首尾在横向方向上的搭接像元和两排CCD在纵向上相差的错位像元数目为：

M₀＝L/a＝628.5，

N₀＝l/a＝50，

其中，a＝8.75×10^-6m为TDICCD像元尺寸；

L＝5.5×10^-3m为两片相邻TDICCD首尾在横向方向上的搭接尺寸；

l＝4.375×10^-4m为两排TDICCD在纵向上相差的错位尺寸。

二、计算纵向错位像元数：

$N_{14}^T=N_{14}^{T-1}+\frac{\frac{1}{T_4}-\frac{1}{T_1}}{\frac{1}{T_1}}{A}_0$

T₄＝232.2μs，T₁＝219μs，A₀＝100，计算得到

三、横向错位像元数：

M₃₄＝M₀-L×(tan(2β₄-β₃-β₀))/a

初始成像偏流角β₀＝3.4°，对应某时刻的对应TDICCD偏流角β₄＝3.1°，β₃＝3.2°，M₀＝50，L＝5.5mm，a＝0.00875mm，T₄＝232.2μs，T₁＝219μs，计算得到M₃₄＝45。

显然，上述实施例仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (1)

1.航天TDI CCD相机成像错位与搭接像元拼接配准方法，其特征是，该方法由以下步骤实现：

步骤一、根据TDI CCD相机的拼接尺寸、各片CCD行转移时间和偏流角大小进行计算，当所述各片CCD行转移时间相同，相机的偏流角大小相同时；获得两片相邻的CCD首尾在横向方向上的搭接像元以及两排CCD在纵向上相差的错位像元数，用公式表示为：

M₀＝L/a，

N₀＝l/a，

式中，a为CCD像元尺寸；L为两片相邻CCD首尾在横向方向上的搭接尺寸；l为两排CCD在纵向上相差的错位尺寸；M₀为两片相邻CCD首尾在横向方向上的搭接像元数目；N₀为两排CCD在纵向上相差的错位像元数目；

步骤二、根据步骤一所述的两排CCD在纵向上相差的错位像元数目N₀，确定纵向错位像元数目；以第一片CCD(1)的图像为准，所述第一片CCD(1)与第二片CCD(2)之间的纵向错位像元数为：

$N_{12}^T=N_{12}^{T-1}+\frac{\frac{1}{T_2}-\frac{1}{T_1}}{\frac{1}{T_1}}{A}_0$

式中，A₀为两片CCD拼接周期对应的图像行数；表示第二片CCD(2)与第一片CCD(1)之间的错位像元数，的初始值为N₀，T₁为第一片CCD(1)的行转移时间；T₂为第二片CCD(2)的行转移时间；

所述第一片CCD(1)与第三片CCD(3)之间的纵向错位像元数为：

$N_{13}^T=N_{13}^{T-1}+\frac{\frac{1}{T_3}-\frac{1}{T_1}}{\frac{1}{T_1}}{A}_0$

式中，表示第三片CCD(3)与第一片CCD(1)之间的错位像元数，的初始值为0，T₃为第三片CCD(3)的行转移时间；

所述第一片CCD(1)与第四片CCD之间的纵向错位像元数为：

$N_{14}^T=N_{14}^{T-1}+\frac{\frac{1}{T_4}-\frac{1}{T_1}}{\frac{1}{T_1}}{A}_0$

式中，表示第四片CCD(3)与第一片CCD(1)之间的错位像元数，的初始值为N₀，T₄为第四片CCD(4)的行转移时间；

步骤三、根据步骤一所述的两片相邻CCD首尾在横向方向上的搭接像元数目M₀，确定横向搭接像元的数目，实现航天TDI CCD相机成像错位与搭接像元的拼接配准；

图像搭接数目以初始成像时刻TDI CCD相机整体偏流角β₀为基准，其它CCD速度失配通过与偏流角β₀做差获得，具体过程为：

第一片CCD(1)与第二片CCD(2)之间的行数为：

M₁₂＝M₀-L×(tan(2β₂-β₁-β₀))/a

式中，β₁为对应某时刻的第一片CCD(1)实时偏流角的值，β₂为对应某时刻的第二片CCD(2)实时偏流角的值；

第二片CCD(2)与第三片CCD(3)之间的行数为：

M₂₃＝M₀+L×(tan(2β₃-β₂-β₀))/a

式中，β₃为对应某时刻的第三片CCD实时偏流角的值；

第三片CCD(3)与第四片CCD(4)之间的行数为：

M₃₄＝M₀-L×(tan(2β₄-β₃-β₀))/a

式中，β₄为对应某时刻的第四片CCD(4)实时偏流角的值。