CN108898565B - Tdi ccd相机摆扫成像影像几何畸变还原的反变换方法 - Google Patents

Abstract

TDI CCD相机摆扫成像影像几何畸变还原的反变换方法，涉及TDI CCD相机摆扫成像及图像处理领域，解决现有TDI CCD相机摆扫成像的长条带影像纺锤形还原过程中，导致图像出现严重的几何畸变，严重影响了图像的识别的问题，该方法从TDI CCD相机摆扫成像导致边缘图像出现了几何畸变的问题出发，设计了一种影像几何曲率还原的反变换方法。原始图像经本方法处理后可使像面上各像素点与实际景物的比例保持一致，可实现对成像几何畸变的矫正。本发明方法简单可靠、易行，矫正了TDI CCD相机摆扫成像的几何畸变，实现了对TDI CCD相机实际成像区域纺锤形图像的准确还原。该方法简单易行，使像面影像分辨率与实际景物严格保持一致。

Description

TDI CCD相机摆扫成像影像几何畸变还原的反变换方法

技术领域

本发明涉及TDI CCD相机摆扫成像及图像处理领域，具体涉及一种TDI CCD相机摆扫成像影像几何畸变还原的反变换方法。

背景技术

遥感卫星TDI CCD相机的推扫成像模式主要包括星下点成像、侧摆成像和摆扫成像三种。其中，摆扫成像是卫星在沿轨飞行过程中，相机沿某方向按一定角速度对地面景物同步进行摆动扫描的动态成像方式。较之于传统光学相机摆扫成像的方式，摆扫成像观测区域灵活可控，在短时间内可实现不同方向的区域成像。

随着TDI CCD相机摆扫成像过程中物距的时时变化，对应的地面成像分辨率也在不断变化，地面成像区域呈中间窄、两侧宽的纺锤形，虽然在一定程度上扩大了成像范围，却导致图像出现严重的几何畸变，严重影响了图像的识别。本文在TDI CCD相机摆扫成像物像映射关系的基础上，提出了影像几何曲率还原的反变换方法，不改变TDI CCD相机的成像模式，通过后期图像处理，使像面上各像素点与实际景物的比例保持一致，实现对成像几何畸变的矫正。

发明内容

本发明为了解决TDI CCD相机摆扫成像的长条带影像纺锤形还原过程中，导致图像出现严重的几何畸变，严重影响了图像的识别的问题，提供一种TDI CCD相机摆扫成像影像几何畸变还原的反变换方法。

TDI CCD相机摆扫成像影像几何畸变还原的反变换方法，该方法由以下步骤实现：

步骤一、设定图像长度方向为x方向，宽度方向为y方向，读取图像确定图像长与宽的像素点的数量为I(m，n)，即图像长度方向有m列像素，宽度方向有n行像素；

步骤二、计算TDI CCD相机摆扫所得纺锤形区域长度方向的像素点个数，具体为：

已知TDI CCD相机与星下点之间的物距为h，图像像素尺寸为a、TDI CCD相机最大半摆扫角为θ，获得TDI CCD相机单个像元对应的视场角α；

再将星下点所在行的图像像素点按照从左至右的顺序编号，第j个像素点对应的半摆扫角为θ_j，迭代计算TDI CCD相机每一个像元对应的实际成像长度为Δx_j，在图像像素尺寸a一定的条件下，由图像长度与像素数目成正比推导出TDI CCD相机实际摆扫的纺锤形区域内星下点所在行像素点数目N_x，推导公式如下：

θ_j＝j·α-θ

Δx_j＝|h·tgθ_j+1-h·tgθ_j|

步骤三、图像长度方向的插值处理，具体为：

对图像长度方向每行的m个像素依次做相应的插值处理为0：m/N_x：m，即将图像长度拓展成TDI CCD相机实际摆扫所得的纺锤形区域内星下点所在行像素点数目N_x，按照就近原则和相邻像素点间RGB的比例关系对像素点的RGB同时进行插值，即可矫正原始图像长度方向存在的几何畸变并还原图像RGB值；

步骤四、计算TDI CCD相机摆扫所得纺锤形区域宽度方向的像素点个数，具体为：

根据TDI CCD相机与星下点之间的物距h、图像像素尺寸a、图像宽度方向像素数目n，计算图像的宽度L_max和TDI CCD相机的半视场角η；

对所求得TDI CCD相机实际摆扫的纺锤形区域内星下点所在行像素点数目N_x按照从左至右的顺序重新编号后，第i个像素点对应的半摆扫角为γ_i,其对应的TDI CCD相机实际摆扫纺锤形区域的半宽度为y_i，可推导出TDI CCD相机实际摆扫的纺锤形区域内星下点所在行的第i个像元所在列的像素点数目N_yi，推导公式如下：

L_max＝n·a

步骤五、图像宽度方向的插值处理，具体为：

对图像宽度方向每列的n个像素依次做相应的插值处理为0：n/N_yi：n，即将图像像素各列的宽度拓展成TDI CCD相机实际摆扫所得的纺锤形区域所对应各列的宽度为N_yi个像素，按照就近原则和相邻像素点间RGB的比例关系对像素点的RGB同时进行插值，即可矫正原始图像宽度方向存在的几何畸变并还原图像RGB值，实现摆扫成像影像几何畸变的还原。

本发明的有益效果：

随着TDI CCD相机摆扫成像时物距的时时变化，对应的地面成像分辨率也在不断变化，地面成像区域呈中间窄、两侧宽的纺锤形，在大范围扩大成像区域和成像灵活度的情况下，导致边缘图像出现了几何畸变，严重影响了图像的识别。本发明提出一种TDI CCD相机摆扫成像影像几何畸变还原的反变换方法，综合考虑TDI CCD相机摆扫成像过程中的视场角恒定原理及物像映射关系，提出了影像几何畸变还原的反变换方法。

本方法不改变TDI CCD相机摆扫成像的模式，通过后期图像处理，使像面上各像素点与实际景物的比例保持一致，从而实现对成像几何畸变的矫正。本文在卫星摆扫成像的图像处理领域中，提供了一种TDI CCD相机摆扫成像影像几何畸变还原的反变换方法，该方法简单易行，在很大程度上实现了对TDI CCD相机摆扫纺锤形区域像素点的还原，使像面影像分辨率与实际景物严格保持一致。

附图说明

图1为本发明所述的TDICCD相机摆扫成像影像几何畸变还原的反变换方法中TDICCD相机摆扫成像物像对应关系图；

图2为本发明所述的TDICCD相机摆扫成像影像几何畸变还原的反变换方法中纺锤图像长度方向素数目计算示意图；

图3为本发明所述的TDICCD相机摆扫成像影像几何畸变还原的反变换方法中纺锤图像宽度方向素数目计算示意图。

具体实施方式

具体实施方式一、结合图1至图3说明本实施方式，TDICCD相机摆扫成像影像几何畸变还原的反变换方法，该方法主要是根据摆扫成像的物像映射关系，确定纺锤形图像的扩大范围，矫正TDI CCD相机摆扫成像的几何畸变，实现对TDI CCD相机实际成像区域纺锤形图像的准确还原。

具体方法如下：TDI CCD相机摆扫成像物像对应关系如图1所示，o为星下点。

一、规定图像长度方向为x方向，宽度方向为y方向。读取图像来确定图像长与宽的像素点的数量为I(m，n)，即长度方向有m列像素，宽度方向有n行像素。

二、计算TDI CCD相机摆扫所得纺锤形区域长度方向的像素点个数。

根据单一CCD像元对应的成像视场角不变的原理可知，CCD像元与星下点的图像像素一一对应。当存在摆扫角时，一个像元的视场角可以对应多个图像的像素。由以上原理可推算出TDI CCD相机摆扫纺锤形区域长度方向的像素点个数。

已知TDI CCD相机与星下点之间的物距h、图像单一像素尺寸a、TDI CCD相机最大半摆扫角θ，可求出TDI CCD单个像元对应的视场角为α。再将星下点所在行的图像像素点按照从左至右的顺序编号，第j个像素点对应的半摆扫角为θ_j，迭代计算TDI CCD相机每一个像元对应的实际成像长度为Δx_j。在图像像素尺寸a一定的条件下，由图像长度与像素数目成正比可推算出TDI CCD相机实际摆扫的纺锤形区域内长度方向的像素点数目N_x，对应的示意图如图2所示，o为星下点。推导公式如下：

θ_j＝j·α-θ

Δx_j＝|h·tgθ_j+1-h·tgθ_j|

三、图像长度方向的插值处理；

对图像长度方向每行的m个像素依次做相应的插值处理为0：m/N_x：m，即将图像长度拓展成TDI CCD相机实际摆扫所得的纺锤形区域长度为N_x个像素。与此同时，按照就近原则和相邻像素点间RGB的比例关系对像素点的RGB同时进行插值，即可矫正原始图像长度方向存在的几何畸变并还原图像RGB值。

四、计算TDI CCD相机摆扫所得纺锤形区域宽度方向的像素点个数。

根据TDI CCD单一像元对应的成像视场角不变原理，星下点所在列的图像像素数目一定，随着摆扫角变化，物距变大，侧视成像时对应的图像宽度范围变大、像素数目增加，因此需要根据不同的摆扫角依次计算相应的各列图像像素的数目。

在已知TDI CCD相机与星下点之间的物距h、图像单一像素尺寸a、图像宽度方向像素数目n的条件下，可计算出图像的宽度L_max、TDI CCD相机的半视场角η。对所求得的星下点所在行的N_x个像素按照从左至右的顺序重新编号后，第i个像素点对应的半摆扫角为γ_i,其对应的TDI CCD相机实际摆扫纺锤形区域的半宽度为y_i，可推算出TDI CCD相机实际摆扫的纺锤形区域内星下点所在行的第i个像元所在列的像素点数目N_yi，对应的示意图如图3所示，o为星下点。推导公式如下：

L_max＝n·a

五、图像宽度方向的插值处理，

对图像宽度方向每列的n个像素依次做相应的插值处理为0：n/N_yi：n，即将图像像素各列的宽度拓展成TDI CCD相机实际摆扫所得的纺锤形区域所对应各列的宽度为N_yi个像素。与此同时，按照就近原则和相邻像素点间RGB的比例关系对像素点的RGB同时进行插值，即可矫正原始图像宽度方向存在的几何畸变并还原图像RGB值。

具体实施方式二、本实施方式为具体实施方式一所述的TDICCD相机摆扫成像影像几何畸变还原的反变换方法的实施例：

1.规定图像长度方向为x方向，宽度方向为y方向。读取图像确定图像的长与宽的像素点的数量为I(244978，50000)，即长度方向有250000列像素，宽度方向有50000行像素。

2.计算TDI CCD相机摆扫所得纺锤形区域长度方向的像素点个数。

假设TDI CCD相机与星下点之间的物距h＝500km，地面景物星下点分辨率a＝1m，TDI CCD相机最大半摆扫角θ＝0.244978rad，图像长度方向像素数目m＝244978，j＝244978。示意图如图2所示，o为星下点。

将已知条件代入以下公式：

θ_j＝j·α-θ

Δx_j＝|h×tgθ_j+1-h×tgθ_j|

可以计算出α＝0.000002rad，对N_xj迭代计算并求和后可得N_x＝250000。

3.图像长度方向的插值处理

对图像长度方向每行的244978个像素依次做相应的插值处理为0：244978/250000：244978，即将图像长度拓展成TDI CCD相机实际摆扫所得的纺锤形区域长度为250000个像素。与此同时按照就近原则和相邻像素点间RGB的比例关系对像素点的RGB同时进行插值，即可矫正原始图像长度方向存在的几何畸变并还原图像RGB值。

4.计算TDI CCD相机摆扫所得纺锤形区域宽度方向的像素点个数。

假设TDI CCD相机与星下点之间的物距h＝500km，地面景物星下点分辨率a＝1m，，图像宽度方向像素数目n＝50000，i＝250000。示意图如图3所示，o为星下点。

将已知条件代入以下公式：

L_max＝n·a

可以计算出L_max＝515.3km，η＝0.04995839rad，x_max＝125km，γ_max＝0.244978rad，y_max＝25.76526km，N_max＝51530。按照以上算法对250000列像素依次进行计算，可得每列的像素数目。

5.图像宽度方向的插值处理；

对图像宽度方向每列的50000个像素依次做相应的插值处理为0：50000/51530：50000，即将图像像素各列的宽度拓展成TDI CCD相机实际摆扫所得的纺锤形区域所对应各列的宽度为51530个像素。与此同时按照就近原则和相邻像素点间RGB的比例关系对像素点的RGB同时进行插值，即可矫正原始图像宽度方向存在的几何畸变并还原图像RGB值。

本实施方式所述的方法从TDI CCD相机摆扫成像导致边缘图像出现了几何畸变的问题出发，设计了一种影像几何曲率还原的反变换方法。原始图像经本方法处理后可使像面上各像素点与实际景物的比例保持一致，可实现对成像几何畸变的矫正。本发明方法简单可靠、易行，矫正了TDI CCD相机摆扫成像的几何畸变，实现了对TDI CCD相机实际成像区域纺锤形图像的准确还原。本发明是国内首个针对TDI CCD相机摆扫成像影像几何曲率还原提出的反变换方法。

上述实施例仅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)

1.一种TDI CCD相机摆扫成像影像几何畸变还原的反变换方法，其特征是，该方法由以下步骤实现：

步骤一、设定图像长度方向为x方向，宽度方向为y方向，读取图像确定图像长与宽的像素点的数量为I(m，n)，即图像长度方向有m列像素，宽度方向有n行像素；

步骤二、计算TDI CCD相机摆扫所得纺锤形区域长度方向的像素点个数，具体为：

已知TDI CCD相机与星下点之间的物距为h，图像像素尺寸为a、TDI CCD相机最大半摆扫角为θ，获得TDI CCD相机单个像元对应的视场角α；

再将星下点所在行的图像像素点按照从左至右的顺序编号，第j个像素点对应的半摆扫角为θ_j，迭代计算TDI CCD相机每一个像元对应的实际成像长度为Δx_j，在图像像素尺寸a一定的条件下，由图像长度与像素数目成正比推导出TDI CCD相机实际摆扫的纺锤形区域内星下点所在行像素点数目N_x，推导公式如下：

θ_j＝j·α-θ

Δx_j＝|h·tgθ_j+1-h·tgθ_j|

步骤三、图像长度方向的插值处理，具体为：

对图像长度方向每行的m个像素依次做相应的插值处理为0：m/N_x：m，即将图像长度拓展成TDI CCD相机实际摆扫所得的纺锤形区域内星下点所在行像素点数目N_x，按照就近原则和相邻像素点间RGB的比例关系对像素点的RGB同时进行插值，即可矫正原始图像长度方向存在的几何畸变并还原图像RGB值；

步骤四、计算TDI CCD相机摆扫所得纺锤形区域宽度方向的像素点个数，具体为：

根据TDI CCD相机与星下点之间的物距h、图像像素尺寸a、图像宽度方向像素数目n，计算图像的宽度L_max和TDI CCD相机的半视场角η；

对所求得TDI CCD相机实际摆扫的纺锤形区域内星下点所在行像素点数目N_x按照从左至右的顺序重新编号后，第i个像素点对应的半摆扫角为γ_i,其对应的TDI CCD相机实际摆扫纺锤形区域的半宽度为y_i，可推导出TDI CCD相机实际摆扫的纺锤形区域内星下点所在行的第i个像元所在列的像素点数目N_yi，推导公式如下：

L_max＝n·a

步骤五、图像宽度方向的插值处理，具体为：

对图像宽度方向每列的n个像素依次做相应的插值处理为0：n/N_yi：n，即将图像像素各列的宽度拓展成TDI CCD相机实际摆扫所得的纺锤形区域所对应各列的宽度为N_yi个像素，按照就近原则和相邻像素点间RGB的比例关系对像素点的RGB同时进行插值，即可矫正原始图像宽度方向存在的几何畸变并还原图像RGB值，实现摆扫成像影像几何畸变的还原。

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