[发明专利]一种旋转线阵扫描图像位姿自动化精密解算方法

说明书

本发明提出一种基于等效框幅图像的多视旋转线阵图像位姿精密解算方法。该方法首先假设线阵旋转扫描相机在理想安置条件下采集图像，通过正切投影将其投影到正切平面上，生成与旋转扫描图像具有相同内外参的等效框幅图像。而后根据该图像进行多视运动结构恢复，求得图像位姿和场景路标点的高可靠性初值。最后根据旋转扫描成像严密成像模型，将上述等效框幅图像的位姿参数和路标点坐标作为光束法平差的初值，迭代优化求解得到旋转扫描线阵图像的精确位姿参数。

技术领域

本发明涉及图像几何处理和三维重建领域，尤其涉及旋转线阵扫描图像的成像模型和位姿自动化精密解算方法。

背景技术

线阵扫描成像模式的高光谱成像仪，以其良好的空间-光谱一致性、最佳的空间-光谱分辨率以及与各种成像平台(无人机、有人机、卫星等)良好的配合特性，是目前主流的高光谱相机成像方式。该类相机一次曝光只能获取一条扫描线图像，为了获取连续的场景图像，通常将相机固定于旋转云台上，通过云台带动相机进行匀速圆周运动获取实现另一维空间数据的采集。

对于整景线阵扫描采集的高光谱图像来说，其成像是不符合小孔成像模型的，无法通过根据现有的射影几何理论恢复图像的内外方位元素。现有研究以相机做近似匀速圆周运动为基本假设，构建了考虑相机内参、相机安置参数和转台运动参数的旋转扫描线阵相机严密成像模型。

但是该模型形式较为复杂，无法直接利用该模型求得图像间相对位置关系的解析解，需要使用最优化估计方法(如Levenberg-Marquardt方法)进行迭代优化，最终求得所有参数的最小二乘解。在此算法中，参数初值的准确性对结果正确性有极大影响，一个良好的参数初值可以使得算法快速收敛到最优解，而不佳的初值则会导致算法收敛缓慢、收敛到局部最优解甚至无法收敛。

发明内容

针对上述问题，本发明提出了一种基于等效框幅图像的多视旋转线阵图像位姿精密解算方法。该方法生成与原始旋转扫描线阵图像具有相同内外参的等效框幅图像，并通过自动化运动结构恢复算法计算等效框幅图像的位姿参数，最后使用该位姿参数作为迭代优化求解初值，计算得到最终的线阵图像精确成像位姿和路标点三维坐标。

根据本发明实施例的一个方面，提供了一种旋转扫描线阵图像位姿自动化精密计算方法，包括获取旋转扫描线阵图像采集参数和相机内参；根据上述参数通过正投影变换将旋转扫描线阵图像投影到其正切平面上，生成与旋转扫描线阵图像具有近似相同内外参的等效框幅图像，并通过逆投影变换计算方法计算等效框幅图像每个像素逆投影到旋转扫描线阵图像上的坐标；使用运动结构恢复方法，自动化计算等效框幅图像的位姿参数以及对应的路标点三维坐标；以等效框幅图像的位姿参数作为初值，使用最优化估计方法，求得旋转扫描线阵图像的精确成像参数。

根据本发明实施例的一个方面，提出了一种等效框幅投影变换模型，能够根据相机俯仰角、相邻扫描线夹角、相机焦距、像主点坐标四项参数，将旋转扫描图像投影到其正切平面上；此外为了生成等效框幅图像，使用如下流程进行逆投影变换计算：首先计算正切平面上点与投影中心连线的为第一向量，然后根据第一向量，计算该点所在扫描线相对于中心扫描线旋转角度，进而计算逆投影点所在扫描线坐标；然后计算该点所在扫描线的主光轴方向为第二向量；最后计算第一向量和第二向量的夹角，即为像点与主光轴的夹角，进而计算逆投影点纵坐标。

根据本发明实施例的另一个方面，根据等效框幅投影变换模型，可以根据场景中一条直线在图像上的投影曲线，计算得到相机俯仰角，具体流程为：选择场景中一条非平行于扫描线的直线在旋转扫描图像上的投影曲线；在该投影曲线上选择3个点；根据等效框幅投影公式将该三个点投影到等效框幅图像上，根据等效框幅图像上三个投影点在同一直线上的约束，求解得到相机俯仰角。

本发明采用的技术方案为一种旋转线阵扫描图像位姿自动化精密解算方法，包括如下步骤：

步骤S101，获取旋转扫描线阵图像采集参数和相机内参；