高分辨率卫星遥感影像严格几何定位模型发展综述

成像几何模型是遥感影像几何处理和地球空间信息提取的理论基础。在不同类型的几何定位模型中,严格几何定位模型具有高精度、高可靠性的优点,因此对严格几何定位模型的研究有非常重要的意义。综述了近年来国内外新出现的高分辨率卫星遥感影像严格几何定位模型,分析了典型的3种模型:SISAR软件实现的严格几何定位模型、基于单位四元数的严格几何定位模型和基于对偶四元数的严格几何定位模型,阐述了其理论基础和优缺点。由于基于对偶四元数理论所建立的几何模型可将光线束的位置和姿态统一用对偶四元数表示,因此对该模型的研究是一个新的具有内在潜力的发展方向。     

对偶四元数单片空间后方交会算法

将对偶四元数理论引入航空影像的空间后方交会求解中,提出了一种新颖的对偶四元数单片空间后方交会算法。该算法采用对偶四元数描述坐标系之间的旋转和平移,然后对严格的共线条件方程进行线性化,并按照带有约束条件的间接平差进行迭代解算。实验结果证明,该算法的可靠性和稳定性不依赖于影像位置和姿态的初始值,并具有适用于不同的倾角、航高、遥感平台、迭代次数少和定向精度高等优点。     

虚拟CCD线阵星载光学传感器内视场拼接

以基于虚拟CCD线阵的多CCD影像重成像算法作为内视场拼接的技术手段,在对由地形起伏引起的多CCD影像的拼接误差进行理论分析和推导的基础上,提出无需数字高程模型(DEM)的虚拟CCD线阵多CCD影像重成像算法;并提出使用基于严密成像几何模型的空间前方交会的方法直接评价影像拼接对摄影测量生产的精度影响。研究表明,在虚拟CCD"安装"位置与真实CCD位置偏差不大的情况下,使用成像区域的平均高程进行拼接即可满足几何无缝拼接的需求;而在虚拟CCD"安装"位置与真实位置的偏离超过限差的情况下,可以用航天飞机雷达地形测绘DEM(SRTM-DEM)等一定精度的DEM数据校正地形起伏引起的拼接误差。使用先进陆地观测卫星(ALOS)卫星全色遥感立体测绘仪(PRISM)传感器三线阵影像作为实验数据,对前视、下视和后视的多CCD影像分别进行拼接。对拼接线的判读结果表明,影像拼接效果良好。另外,分别对拼接前和拼接后的前视、后视影像选取同名点进行空间前方交会,拼接后影像的空间前方交会精度与拼接前影像的空间前方交会精度一致。本文方法,可以无需DEM进行ALOS PRISM的内视场拼接,并使得拼接后影像的立体测图精度无损;拼接误差分析方法也可以在航空相机影像拼接中推广。     

基于对偶四元数的机器人方位与手眼关系同时标定方法

针对相机姿态估计及机器人运动学正解存在测算偏差时,手眼标定及机器人坐标系-世界坐标系标定结果不能准确收敛到全局最优解的问题,提出了一种基于对偶四元数理论的机器人方位与手眼关系同时标定方法.该方法首先将标定方程中坐标系刚体变换关系用螺旋轴、旋转角度和平移量参数化表示,再结合全局优化算法对平移量进行优化.搭建了PUMA560机器人数值仿真系统和工业机器人实测实验平台,将该方法与经典的四元数和对偶四元数标定方法进行了比较分析.仿真和实测结果表明,在相机姿态估计及机器人运动学正解存在测量误差的情况下,该方法无需初值估计和数据筛选依然可以保证求解结果的最优性.     

基于Contourlet变换的遥感影像数字水印方案

针对现有变换域遥感影像数字水印算法存在的问题,提出一种基于Contourlet变换的遥感影像数字水印方案。算法首先对宿主遥感影像进行图像归一化;然后,对水印图像进行Arnold置乱预处理,并将置乱后的水印图像利用行扫描形成一维向量,得到二值水印序列作为数字水印信息;最后对宿主遥感影像进行Contourlet变换,并通过奇偶量化将水印嵌入所选Contourlet变换系数中。实验证明该算法对JEPG压缩、滤波和噪声以及旋转、缩放、平移等几何攻击均具有较好的鲁棒性。     

两种基于空间相关性的遥感亚像元分类制图方法对比分析

为了对比基于Hopfield Neural Network(HNN)和几何绘图的遥感亚像元分类制图方法的具体性能,验证空间相关性原理用于遥感亚像元定位的可行性。以一个研究区的TM影像为对象,通过利用HNN和几何亚像元制图方法,获得该区的亚像元定位结果,对比分析了各方法的视觉效果、精度和时间复杂度。结果表明:空间相关性特性在两种方法中得到了良好的体现,为后续亚像元制图研究应用提供参考。     

CBERS-02B星HR与CCD影像融合研究

CBERS-02B星搭载了高分辨率全色相机HR和多光谱传感器CCD,HR和CCD分别具有高空间分辨率和高光谱分辨率的特点。对这两类影像进行融合可以得到尽可能完整和准确的地物观测影像。对北京地区CBERS-02B的HR和CCD影像分别用HSV变换、HPF变换、Brovey变换、HIS变换、SFIM变换和小波变换等融合方法进行融合,对融合结果从空间细节和光谱保持两个方面分别定性和定量地进行评价,并比较这几种融合算法在CBERS-02B的HR和CCD遥感影像融合中的效果,得到了几种比较合适的融合方法。     

双球面投影几何可量测全景模型的构建

针对全景影像难以提供空间度量的问题,提出一种基于双球面投影几何的可量测立体全景模型构建方法.该方法依据球面全景投影关系与多视几何原理,采用对应变换与本质变换求取旋转及平移参数,并推导出双球面核线约束;在此基础上,建立起双球面投影几何的立体全景模型,解决了球面全景的量测问题.实验结果表明,文中方法可使全景影像在真实呈现户外场景的同时,提供满足一定应用需求的量测分析功能.     

基于协方差矩阵自适应进化策略的机器人手眼标定算法

针对视觉传感器标定和机器人运动学求解过程中存在噪声干扰，导致传统的手眼标定算法求解误差较大的问题，提出一种基于协方差矩阵自适应进化策略（CMAES）的机器人手眼标定算法。首先，采用对偶四元数（DQ）对旋转和平移分别建立目标函数和几何约束，简化求解模型；其次，采用惩罚函数法将约束问题转化成无约束优化问题；最后，使用CMAES算法逼近手眼标定旋转和平移方程的全局最优解。搭建机器人、相机实测实验平台，将所提算法与Tsai两步法、非线性优化算法INRIA、DQ算法进行对比。实验结果表明：所提算法在旋转和平移上的求解误差和方差均小于传统算法；与Tsai算法相比，所提算法的旋转精度提升了4.58%，平移精度提升了10.54%。可见在存在噪声干扰的实际手眼标定过程中，所提算法具有更好的求解精度与稳定性。     

基于四元数双谱切片的彩色图像配准算法

针对几何及颜色空间上均存在相似变换的两彩色图像的配准问题,提出一种四元数域双谱切片表达式。该表达式是对复数双谱切片对应的时域形式进行四元数傅里叶变换得到的结果,具有平移不变性,可用于两彩色图像旋转和尺度缩放的求解。仿真结果表明,与复数双谱切片法相比,四元数双谱切片法的抗干扰性更好,误差基本只有前者的一半。     

基于FAST和DAISY的遥感图像配准算法

图像配准是计算机视觉中诸多问题的基础,基于图像特征的配准方法仍然是该领域的研究热门。为了提高算法的效率,拥有更好的实用性,本文提出了一种基于FAST-DAISY的遥感图像配准方法。首先运用FAST算法提取特征点,提出分配主方向的方法,利用DAISY算法建立描述符,得到特征点集后,使用RANSAC(随机抽样一致性)算法剔除误匹配点对,最终估计仿射变换参数,利用二次线性插值法得到配准后的遥感图像。实验结果表明,本文算法对于平移、旋转、灰度差异、地物差异、位置差异、小尺度差异和噪声干扰的遥感图像有较好的配准效果,匹配时间通常介于SIFT算法和SURF-DAISY算法之间。综上所述,该算法在实用性上有较大优势。     

C3连续的单位四元数插值样条曲线

目的 构造一类C³连续的单位四元数插值样条曲线,证明它的插值性和连续性,并把它应用于刚体关键帧动画设计中。方法 利用R³空间中插值样条曲线的5次多项式调配函数的累和形式构造了S³空间中单位四元数插值样条曲线,它不仅能精确通过一系列给定的方向,而且能生成C³连续的朝向曲线。结果 与Nielson的单位四元数均匀B样条插值曲线的迭代构造方法相比,所提方法避免了为获取四元数B样条曲线控制顶点对非线性方程组迭代求解的过程,提高了运算效率;与单位四元数代数三角混合插值样条曲线的构造方法（Su方法）相比,所提方法只用到多项式基,运算速度更快。本例中创建关键帧动画所需的时间与Nielson方法和Su方法相比平均下降了73%和33%。而且,相比前两种方法,所提方法产生的四元数曲线连续性更高,由C²连续提高到C³连续,这意味着动画中刚体的朝向变化更加自然。结论 仿真结果表明,本文方法对刚体关键帧动画设计是有效的,对实时性和流畅性要求高的动画设计场合尤为适用。     

基于控制点配准算法的无人机遥感影像自动无缝拼接技术

传统无人机遥感影像自动无缝拼接技术无法精准匹配影像信息,导致无人机遥感影像拼接结果出现大量缝隙,拼接效果差。因此提出了基于控制点配准算法的无人机遥感影像自动无缝拼接技术。遵循无人机影像成像原理,获取无人机遥感影像,并将数据以图像格式文件形式存储。设置阈值,剔除最邻近域和次邻域比值大于阈值的控制点,对影像坐标平移和缩放数据标准化处理,彻底消除坐标变换对图像配准影响。构建相似变换矩阵,获取新的控制点集,使用直接线性变换算法预估变换矩阵,得到线性解。经过粗、细配准,确定不同图像重叠区域。搜索最佳拼接线,使用加权平均融合法消除拼接缝,由此设计拼接流程。由实验结果可知,该技术能够精准匹配影像信息,检测到影像最大分辨率为1000*800,具有良好拼接效果。     

三维装配约束推理的球面几何和球面机构法

分析了装配姿态约束和位置约束的可解耦性,提出求解姿态约束的球面几何和球面机构法.将姿态约束的组合分为可操作和不可操作的情形,可操作的情形利用简单的球平面中平移、旋转和刚性变换推理,快速地判定冗余约束和求解约束;不可操作的情形利用球面四杆机构求解.该方法具有很强的几何解释性和可操作性,降低求解复杂度.该方法在自主研发的CAD浏览器系统InteVue中实现.     

Motion Smoothing Using Wavelets

Smooth motion generation is an important issue in the computer animation and virtual reality areas. The motion of a rigid body consists of translation and orientation. The former is described by a space curve in 3-dimensional Euclidean space, while the latter is represented by a curve in the unit quaternion space. Although there exist well-known techniques for smoothing the translation data, smoothing the orientation data is yet to be explored due to the nonlinearity of the unit quaternion space. This paper presents a wavelet-based algorithm for smoothing noise-embedded motion data and the experiment shows the effectiveness of the proposed algorithm.     

基于VoxelMorph的可见光和红外遥感影像配准

由于可见光和红外的成像机理、成像波段不同,获取的遥感影像之间存在复杂的非线性辐射畸变,传统的配准方法难以实现两者的高精度配准。本文提出一种基于VoxelMorph的可见光和红外遥感影像配准方法,利用卷积神经网络对可见光和红外异源图像进行分步的精细化形变场计算,从而实现快速高精度配准。将可见光图像作为参考图像,利用U-Net网络计算待配准红外图像和参考（可见光）图像的形变场,实现全局对齐的仿射变换,然后通过空间转换网络进一步实现更高自由度变形。采用WHU-OPT-SAR数据集的实验结果表明,与基于尺度不变特征变换（SIFT）算法的传统配准方法相比,本文提出的基于VoxelMorph配准方法可以获得更好的配准效果,验证了基于VoxelMorph的配准方法在多源遥感影像领域的有效性。     

Kinematic control of free rigid bodies using dual quaternions

This paper proposes a new type of control laws for free rigid bodies. The start point is the dual quaternion and its characteristics. The logarithm of a dual quaternion is defined, based on which kinematic control laws can be developed. Global exponential convergence is achieved using logarithmic feedback via a generalized proportional control law, and an appropriate Lyapunov function is constructed to prove the stability. Both the regulation and tracking problems are tackled. Omnidirectional control is discussed as a case study. As the control laws can handle the interconnection between the rotation and translation of a rigid body, they are shown to be more applicable than the conventional method.     

四元数及其在计算机动画中的应用

本文介绍了四元数的性质，证明了单位Ｒ_４球面上的两个四元数线性插值公式，提出了用三次Ｃ样条曲线进行四元数光滑插值的方法，指出ｐｌｅｔｉｎｃｋｓ在将四元数应用于绘制时所用的方法本质上是角度线性插值。本文所做的工作不仅可加深对四元数在单位Ｒ_４球面线性插值的理解，而且在计算机动画实践中也有一定的意义