CN106683084B

CN106683084B - 一种基于行间像偏移估计的tdi图像形变程度客观评价方法

Info

Publication number: CN106683084B
Application number: CN201611206632.9A
Authority: CN
Inventors: 冯华君; 黄加紫; 徐之海; 李奇; 陈跃庭
Original assignee: Zhejiang University ZJU
Current assignee: Zhejiang University ZJU
Priority date: 2016-12-23
Filing date: 2016-12-23
Publication date: 2018-09-07
Anticipated expiration: 2036-12-23
Also published as: CN106683084A

Abstract

本发明公开了一种基于行间像偏移估计的TDI图像形变程度客观评价方法。针对平台振动引起的TDICCD成像过程中相机推扫速度和电荷行转移速度不一致而导致的图像形变情况，引入TDI图像形变程度评价方法。该方法利用TDI推扫成像过程中的振动路径分别计算图像单行PSF，通过PSF能量分布中心的相对位置确定像素偏移程度，综合考虑各行PSF中心位置偏移信息可获得对图像行间错位扭曲、拉伸变形不同程度的描述。本发明方法对图像行间错位或拉伸变形做出定量描述，为TDI图像形变程度的评估提供了有效的客观评价方式，且不受图像模糊程度的影响，鲁棒性强。

Description

一种基于行间像偏移估计的TDI图像形变程度客观评价方法

技术领域

本发明属于数字图像处理领域，涉及一种基于行间像偏移估计的TDI图像形变程度客观评价方法。

背景技术

遥感成像过程中，由于成像平台和成像目标之间存在相对运动等原因，获取的图像经常存在降质问题。对于TDICCD相机，由于图像不同行是在不同的曝光积分时间内推扫形成的，当成像平台存在振动时，TDI推扫速度和CCD电荷行转移速度不一致，导致图像存在模糊和几何变形。当振动方向垂直于TDI推扫方向时，图像各行由于振动影响存在不同程度的像移，容易导致图像存在行间错位扭曲变形；当振动方向平行于TDI推扫方向时，图像变形常常体现为该方向上目标点产生不同程度的拉伸。图像形变示例如图1所示。传统的退化图像评价方法如SSIM等对TDI退化图像作出统一的像质评价，对于图像几何变形，以往一般采用人眼定性评价，而很少有客观的评价方式对图像几何形变做出定量描述。且由于TDI成像机理的特殊性，TDI图像几何形变和一般的图像光学畸变有本质的区别，难以用常规评价方法进行客观描述。

TDI图像产生几何变形的根本原因在于成像过程中振动的影响导致图像各行间产生的像素偏移量不一致，该像移量和振动点扩散函数(PSF)的能量中心偏移量是一致的。行间PSF能量中心偏移量的差别反映了TDI图像的形变大小，对该物理量进行求取即可获得形变量的定量描述。

发明内容

本发明的目的是利用TDI推扫成像过程中的振动路径分别计算图像单行PSF，通过PSF能量分布中心的相对位置确定像素偏移程度，综合统计各行PSF中心位置偏移信息，从而获得对图像行间错位扭曲、拉伸变形不同程度的描述，为TDI图像形变程度的评估提供客观有效的评价方式。

为达到以上目的，本发明采用以下技术方案：一种基于行间像偏移估计的TDI图像形变程度客观评价方法，该方法包括以下步骤：

1.基于振动路径和TDI相机参数的图像行PSF估计，包括以下步骤：

1-1选择TDI形变图像，输入该图像对应的TDI积分级数k、行扫描时间t等相机参数和曝光期间平台振动路径位移曲线P；

1-2结合TDI图像高度、积分级数k和行扫描时间t,计算获得对应第i行TDI图像成像过程中对应的振动路径P_i；

1-3利用振动路径，由概率密度分布模型计算图像行PSF。利用概率密度分布模型计算PSF的公式为：

其中，V_i(x，y)为第i次经过点(x，y)时的振动速度，T为在该点的停留时间，n为曝光时间内经过该点的次数。

2.利用灰度质心计算方法估计行PSF能量分布中心偏移量，包括以下步骤：

2-1对PSF数值作归一化处理，并计算第n行图像的行PSF能量分布中心计算公式为：

其中，M′_psf(i，j)表示PSF第i行第j列的归一化数值，R_x、R_y分别为横向和纵向的PSF半径。

2-2计算第n行的行PSF能量分布中心偏移量，即计算和PSF尺寸中心的距离(像偏移)，横向差和纵向差分开计算；

3.行间像偏移偏差综合计算，包括以下步骤：

3-1计算第n行的PSF和n+1行PSF的像偏移绝对偏差

3-2计算图像所有行横向和纵向的像偏移绝对偏差，并统计两个方向的平均像偏移偏差量。结合人眼对横纵方向的形变敏感程度不同，对两个方向的偏移偏差设置不同的权重因子。最后对偏差计算结果进行数值上的统一放大。行间像偏移偏差综合计算方法为：

其中，N、M分别为图像的高度和宽度，α、β为分别为横向形变和纵向形变的人眼敏感权重因子，λ为综合放大系数。

本发明的有益效果：针对平台振动引起的TDICCD成像过程中相机推扫速度和电荷行转移速度不一致而导致的图像形变情况，本发明利用成像过程中的振动路径分别计算图像单行PSF，通过PSF能量分布中心的相对位置确定像素偏移程度，综合考虑各行PSF中心位置偏移信息获得对图像行间错位扭曲、拉伸变形不同程度的描述。本发明为无参考评价方法，为TDI图像形变程度的评估提供了客观有效的评价方式，对人眼不易察觉的拉伸压缩形变也能准确识别，鲁棒性强，且评价结果独立于图像模糊效应，不受模糊量大小影响。

附图说明

图1为平台振动下TDI成像形变示例。

图2为本发明方法主要框架流程示意图。

图3为本发明方法细节流程示意图。

图4为TDI运动路径说明图。其中，T_all代表图像积分总时间，T_i、P_i代表第i行图像对应的积分时间和运动路径，T_i+1、P_i+1代表第i+1行图像对应的积分时间和运动路径。

图5为基于振动路径的行PSF估计示意图。其中，(a)为振动平台两个方向上的运动情况，(b)为对应的二维PSF。

图6为行PSF能量分布中心偏移量示意图。其中，点A为行PSF能量分布中心，点B为该PSF对应的尺寸中心，D_x为横向能量分布中心偏移量，D_y为纵向能量分布中心偏移量。

图7为不同形变程度的TDI模拟图像。其中，(a)为无形变参考图像，(b)-(f)为TDI形变(行间错位扭曲和拉伸变形)程度逐渐增大的图像。

图8-图12为振动平台的二维振动路径信息。图8-图12的路径信息分别对应图7中的(b)-(f)。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

本发明针对平台振动引起的TDICCD成像过程中相机推扫速度和电荷行转移速度不一致而导致的图像形变情况，利用成像过程中的振动路径分别计算图像单行PSF，通过PSF能量分布中心的相对位置确定像素偏移程度，综合考虑各行PSF中心位置偏移信息获得对图像行间错位扭曲、拉伸变形不同程度的描述。本发明的流程如附图2和图3所示，主要包括基于振动路径和TDI相机参数的图像行PSF估计、利用质心计算方法估计行PSF能量分布中心偏移量和行间像偏移偏差综合计算等几个步骤。

步骤1.基于振动路径和TDI相机参数的图像行PSF估计

1-1选择输入待评价的TDI形变图像，同时输入该图像对应的TDI积分级数k、行扫描时间t等相机参数和曝光期间平台振动路径位移曲线P，该路径包含横向和纵向两个维度的位移数据，位移最小单位统一为1个像素。

1-2由输入图像获取图像高度h，结合积分级数k、行扫描时间t，可计算得到第i行图像的积分时间T_i和图像总积分时间T_all：

T_i＝t·k

T_all＝t·(k+h-1) (5)

则单行积分时间内的位移数据长度为总位移长度P的T_i/T_all倍，结合第i行的起始振动位置可确定该行对应的振动路径P_i。运动路径说明可参考图4。

1-3利用振动路径P_i，由概率密度分布模型计算图像行PSF。在获得振动路径的情况下，通过概率密度分布模型计算点扩散函数是一种常见的图像PSF计算方法，该方法利用的计算公式为：

将独立的两个维度的振动路径P_i转化为二维平面振动路径P_i(x，y)。结合振动路径P_i最大值的绝对值确定该行横纵方向的PSF半径R_x、R_y，即：

R_x＝max(abs(P_i(x)))

R_y＝max(abs(P_i(y))) (6)

则该行PSF可表示为尺寸为(2R_x+1)·(2R_y+1)的矩阵。为减少计算误差，对该矩阵进行插值扩大，同时由振动路径P_i(x，y)结合式(1)统计不同积分时刻PSF矩阵的数值变化，最终将该矩阵等比例压缩为原来PSF矩阵大小，由此获得该行PSF，记为M_psf。由振动路径估计PSF示例如图5所示。

步骤2.利用质心计算方法估计行PSF能量分布中心偏移量

2-1对M_psf作归一化处理得到M′_psf，并计算行PSF能量分布中心。由于图像PSF以灰度的形式被记录，采用质心计算方法计算所得质心即为第n行的行PSF能量分布中心图像灰度质心计算方法所采用的公式为：

2-2计算行PSF能量分布中心偏移量。行PSF能量分布中心偏移量直接反映了该行图像上的像偏移。偏移量计算方式为计算和PSF尺寸中心(SF_xcenter，SF_ycenter)的物理距离包括横向距离和纵向距离，即：

其中，SF_xcenter＝R_x+1，SF_ycenter＝R_y+1。行PSF能量分布中心偏移量示意图可参考图6。

步骤3.行间像偏移偏差综合计算

3-1计算图像第n行PSF和第n+1行PSF的像偏移绝对偏差即：

3-2对图像所有行进行步骤3-1所示操作，统计图像整体的像偏移绝对偏差，并结合图像的高度N和宽度M计算平均像偏移偏差量。结合人眼对横纵方向的形变敏感程度不同，为使得评价结果和人眼的直观判断相符合，即图像行间错位扭曲形变相比拉伸压缩形变要更为明显，本方法对两个方向的像偏移偏差设置不同的权重因子，即横向形变人眼敏感权重因子α和纵向形变人眼敏感权重因子β，人眼敏感权重因子满足：

α+β＝1，α＞β (4)

最后对偏差计算结果进行数值上的统一放大，该效果由综合放大系数λ决定。行间像偏移偏差综合计算方法为：

本实施例中采用的参数取值为：α＝0.7，β＝0.3，λ＝100。对于不同的TDI形变图像，本方法综合评价结果的数值Er均不小于0，且Er越大代表图像形变越严重，具体可参考如下：当Er≤0.1时，图像几乎不存在形变；当0.1＜Er≤1时，图像存在微小形变；当1＜Er≤10时，图像存在不同程度的明显形变；当Er＞10时，图像形变极其严重。

为说明本发明方法对TDI形变图像的评价效果，通过本发明方法对不同形变的TDI图像做出评价。利用图像仿真手段模拟不同振动条件下的TDI成像结果，图7为仿真TDI图像，图8-图12表示各类不同的振动路径，其中图7中(a)为原图，7(b)-7(f)分别对应图8-图12中不同振动路径下的TDI仿真成像结果。TDI形变仿真图像积分级数皆为48级，行扫描时间为0.419ms,施加的振动路径其振动周期远大于图像48级积分级数时的行曝光时间，则可知随着振幅和振动频率的增大，图像形变量越大，即对应的图7(b)-7(f)的形变程度依次增大。通过本发明方法对以上TDI形变图像做出评价，评价结果如表1所示。对于TDI图像不同程度的行间错位和拉伸形变的情况，本方法给出了恰当的数值评价。

表1 本方法对不同形变程度的TDI图像评价结果

	图7(b)	图7(c)	图7(d)	图7(e)	图7(f)
						评价结果	0.0779	0.8745	3.6903	6.4478	14.9542

Claims

1.一种基于行间像偏移估计的TDI图像形变程度客观评价方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

(1)基于振动路径和TDI相机参数的图像行PSF估计，具体是：

(1.1)选择TDI形变图像，输入该图像对应的TDI积分级数k、行扫描时间t和曝光期间平台振动路径位移曲线；

(1.2)结合TDI图像高度、积分级数和行扫描时间,计算获得对应任意行TDI图像成像过程中对应的振动路径；

(1.3)利用振动路径，由概率密度分布模型计算图像行PSF；

(2)利用灰度质心计算方法估计行PSF能量分布中心偏移量，具体是：

(2.1)对PSF数值作归一化处理，并计算行PSF能量分布中心；

(2.2)计算行PSF能量分布中心偏移量，即计算行PSF能量分布中心和PSF尺寸中心的距离，横向差和纵向差分开计算；

(3)行间像偏移偏差综合计算，具体是：

(3.1)计算当前行PSF和下一行PSF的像偏移绝对偏差；

(3.2)计算图像所有行横向和纵向的像偏移绝对偏差，并统计两个方向的平均像偏移偏差量；结合人眼对横纵方向的形变敏感程度不同，对两个方向的偏移偏差设置不同的权重因子；最后对偏差统计计算结果进行数值上的统一放大处理。

2.根据权利要求1所述的基于行间像偏移估计的TDI图像形变程度客观评价方法，其特征在于，所述步骤(1.3)中，利用概率密度分布模型计算PSF的公式为：

3.根据权利要求1所述的基于行间像偏移估计的TDI图像形变程度客观评价方法，其特征在于，行PSF能量分布中心表示为PSF数值质心位置。

4.根据权利要求1所述的基于行间像偏移估计的TDI图像形变程度客观评价方法，其特征在于，所述步骤(2.1)中，第n行的行PSF能量分布中心的计算公式为：

5.根据权利要求1所述的基于行间像偏移估计的TDI图像形变程度客观评价方法，其特征在于，行间像偏移绝对偏差为当前行图像和下一行图像的PSF能量分布中心偏移量差值的绝对值。

6.根据权利要求1所述的基于行间像偏移估计的TDI图像形变程度客观评价方法，其特征在于，所述步骤(3.2)中，行间像偏移偏差综合计算方法为：

其中，Er表示行间像偏移偏差综合数值，

N、M分别为图像的高度和宽度，α、β为分别为横向形变和纵向形变的人眼敏感权重因子，λ为综合放大系数。

7.根据权利要求1所述的基于行间像偏移估计的TDI图像形变程度客观评价方法，其特征在于，人眼对横向和纵向的形变敏感权重因子满足：

α+β＝1，α＞β(4)。