一种星载双镜头相机图像转为单中心图像的处理方法及装置

摘要

本发明提供一种双镜头相机图像转为单中心图像的处理方法及装置，以解决星载双镜头线阵相机图像外视场拼接的技术问题。该方法包括：根据星载双镜头线阵相机各自的视场角和焦距，确定等效中心投影的焦距；分别将左相机图像、右相机图像的横向坐标改化计算得到单相机的横向坐标；将改化后的左相机和右相机图像合成为一幅图像。

说明书

技术领域

本发明涉及卫星遥感图像技术领域，尤其涉及一种双镜头线阵相机图像转为单中心图像的处理方法及装置。

背景技术

星载线阵CCD(电荷耦合器件，chargecoupleddevice)图像作为一种较为普遍而实用的图像获取方式在卫星遥感领域得到了广泛应用，但是由于单个镜头相机对地球观测的视场角比较有限，因此人们设计了采用两个镜头相机垂直于卫星飞行方向按照左右并排放置的方式同时对地球进行观测而获取地面图像的遥感器，从而可以观测到更大范围的地表信息，实现宽覆盖的获取能力，有效提高图像获取的效率。

左右并排放置的双镜头线阵CCD相机其获取能力提高也对后续的图像处理和应用带来了挑战。在一些后期处理和应用中，尤其是利用星载双镜头线阵CCD图像进行图像校正和三维立体定位中，迫切需要将双镜头图像转换为单镜头方式的图像，即将双中心投影获取的图像转换为等效的单中心投影图像，从而可以方便地应用现有的成熟模型或软件实现单中心投影图像的几何校正和三维立体定位。

目前国内外对卫星双镜头线阵CCD图像转换为单中心投影图像的研究成果报道极少，只有针对星载单镜头相机的内视场多片线阵CCD拼接方法进行过研究。而航空多镜头面阵CCD图像的转换方法，例如李健等人提出的航空大面阵相机虚拟中心投影图像的生成方法(李健、刘先林、万幼川、刘凤，SWDC-4数码航空相机虚拟影像生成，第33卷第5期，2008年5月，武汉大学学报·信息科学版)，对四个镜头的CCD面阵图像采用外视场拼接技术来生成虚拟中心影像，主要包括了相机检校、影像纠正、内部相对定向、虚拟影像生成等四个步骤。也有提出了一种航空面阵相机外视场拼接测量技术(王雯、宋立维、乔彦峰、余毅，外视场拼接测量技术及其实现，第18卷第9期，2010年9月，光学精密工程)，给出了如何由4个面阵CCD测量相机的外视场拼接而实现大视场测量的系统方案，通过4台测量相机以“田”字型配置在跟踪架水平轴两端，拼接后在视场上实现了“一”字型的大视场测量。

综上所述，目前已有多镜头图像转换为单中心投影图像(也即虚拟中心投影图像)的外视场拼接方法，都是针对面阵CCD相机图像。面阵相机一次获取的图像是矩形视场范围内所有的像素，而星载线阵CCD相机一次只能获取一条“线”状的图像，因此线阵CCD相机和面阵CCD相机的成像几何关系不同，多镜头的面阵CCD相机和多镜头的线阵CCD相机成像几何关系也有很大不同，因此航空多镜头大面阵CCD相机的虚拟图像处理方法也不能应用于星载双镜头线阵CCD图像转换方法。必须针对星载双镜头线阵CCD图像的特点，采用相应的转换方法。

发明内容

本发明提供一种双镜头相机图像转为单中心图像的处理方法及装置，以实现星载双镜头线阵相机图像外视场拼接的技术问题。

本发明提供的一种双镜头相机图像转为单中心图像的处理方法，包括：

根据星载双镜头线阵相机各自的视场角和焦距，基于双镜头相机各自成像面、地面、等效单相机成像面之间的几何关系，确定等效中心投影的焦距；

基于同一地面点在双镜头相机成像面和等效单相机成像面上的投影关系，分别将左相机图像、右相机图像的横向坐标改化计算得到单相机的横向坐标；

将改化后的左相机和右相机图像合成为一幅图像。

作为一种实施例方式，可以通过如下公式确定等效中心投影焦距：

$f_e=2\frac{f_1\mathrm{tg}\left(\frac{{\theta }_1}{2}\right)+f_2\mathrm{tg}\left(\frac{{\theta }_2}{2}\right)}{\mathrm{tg}{\theta }_1+\mathrm{tg}{\theta }_2}$

其中，f_e为等效单镜头相机的焦距，f₁为左相机的焦距，视场角θ₁，f₂为右相机的焦距，视场角θ₂，tg表示正切三角函数。

作为一种实施例方式，可以按照如下公式计算得到所述对左相机图像的横向坐标：

$x=f_e\{\mathrm{tg}\left({\theta }_1\right)-\mathrm{tg}[\frac{{\theta }_1}{2}+{\mathrm{tg}}^{-1}\left(\frac{f_1\mathrm{tg}\left(\frac{{\theta }_1}{2}\right)-x_1}{f_1}\right)\left]\right\}$

其中，x为改正后的横向坐标，x₁为左相机图像的横向坐标值，f₁为左相机的焦距，θ₁为左相机视场角，tg表示正切三角函数。

作为一种实施例方式，可以按照如下公式计算得到所述对右相机图像的横向坐标：

$x=f_e\{\mathrm{tg}\left({\theta }_2\right)+\mathrm{tg}[\frac{{\theta }_2}{2}+{\mathrm{tg}}^{-1}\left(\frac{f_2\mathrm{tg}\left(\frac{{\theta }_2}{2}\right)+x_2}{f_2}\right)\left]\right\}$

其中，x为改正后的横向坐标，x₂为右相机图像的横向坐标值，f₂为右相机的焦距，θ₂为右相机视场角，tg表示正切三角函数。

本发明提供的一种双镜头相机图像转为单中心图像的处理装置，包括：

计算单元，用于根据星载双镜头线阵相机各自的视场角和焦距，基于双镜头相机各自成像面、地面、等效单相机成像面之间的几何关系，确定等效中心投影的焦距；

改化处理单元，基于同一地面点在双镜头相机成像面和等效单相机成像面上的投影关系，分别将左相机图像、右相机图像的横向坐标改化计算得到单相机的横向坐标；

合成单元，用于将改化后的左相机和右相机图像合成为一幅图像。

所述计算单元通过如下公式确定等效中心投影焦距：

$f_e=2\frac{f_1\mathrm{tg}\left(\frac{{\theta }_1}{2}\right)+f_2\mathrm{tg}\left(\frac{{\theta }_2}{2}\right)}{\mathrm{tg}{\theta }_1+\mathrm{tg}{\theta }_2}$

其中，f_e为等效单镜头相机的焦距，f₁为左相机的焦距，视场角θ₁，f₂为右相机的焦距，视场角θ₂，tg表示正切三角函数。

所述改化处理单元，按照如下公式将左相机图像的横向坐标改化计算得到单相机的横向坐标：

$x=f_e\{\mathrm{tg}\left({\theta }_1\right)-\mathrm{tg}[\frac{{\theta }_1}{2}+{\mathrm{tg}}^{-1}\left(\frac{f_1\mathrm{tg}\left(\frac{{\theta }_1}{2}\right)-x_1}{f_1}\right)\left]\right\}$

其中，x为改化后的横向坐标，x₁为左相机图像的横向坐标值，f₁为左相机的焦距，θ₁为左相机视场角，tg表示正切三角函数。

所述改化处理单元，按照如下公式将右相机图像的横向坐标改化计算得到单相机的横向坐标：

$x=f_e\{\mathrm{tg}\left({\theta }_2\right)+\mathrm{tg}[\frac{{\theta }_2}{2}+{\mathrm{tg}}^{-1}\left(\frac{f_2\mathrm{tg}\left(\frac{{\theta }_2}{2}\right)+x_2}{f_2}\right)\left]\right\}$

其中，x为改化后的横向坐标，x₂为右相机图像的横向坐标值，f₂为右相机的焦距，θ₂为右相机视场角，tg表示正切三角函数。

从上述技术方案可以看出，本发明星载双镜头线阵CCD图像转换为单中心投影图像的方法应用了两个镜头相机各自的焦距和视场角参数，通过计算得到了等效的严密的单镜头相机焦距，转换的单中心图像就等价于是一个单镜头相机获取的线阵CCD图像，无需再进行处理，只需给出等效焦距就可以十分方便地应用现有的软件进行图像校正和立体定位。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本发明的具体实施方式。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：

图1为星载双镜头线阵CCD图像转换为单中心投影图像方法的流程；

图2为星载双镜头线阵CCD相机获取图像等效为单镜头相机的几何示意图；

图3A为星载双镜头线阵CCD相机获取的左右相机图像图；

图3B为利用图1所示方法对图3A的双镜头图像进行转换后的效果图。

图4为本发明实施例的星载双镜头相机图像转为单中心图像的处理装置结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。需要说明的是，在附图或说明书描述中，相似或相同的部分都使用相同的图号。在附图中以简化或是方便标示，且附图中未绘示或描述的实现方式，为所属技术领域中普通技术人员所知的形式。另外，虽然本文可提供包含特定值的参数的示范，但应了解，参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应的值。

本发明星载双镜头线阵CCD图像转换为单中心投影图像的方法应用双镜头相机的系统参数得到等效单相机的焦距；根据左右两台相机和等效相机的几何关系，将左右相机的图像分别转换到等效单相机的图像坐标，并组合在一起，得到等效的单相机获取的中心投影图像。本发明涉及卫星遥感图像处理技术领域，是一种星载双镜头线阵相机图像转化为单台相机的中心投影图像方法，从而可以将双镜头获取的图像数据按照单镜头相机获取的方式进行图像的定位和立体解算。

在本发明的一个示例性实施例中，提供了一种星载双镜头线阵CCD图像转换为单中心投影图像的方法。图1为根据本发明实施例星载双镜头线阵CCD图像转换为单中心投影图像方法的流程图。如图1所示，本实施例拼接航天多元并扫图像的方法包括：

步骤A：根据左右并排放置双镜头相机的视场角和焦距，计算等效单镜头相机的投影焦距，按照如下公式进行计算：

$f_e=2\frac{f_1\mathrm{tg}\left(\frac{{\theta }_1}{2}\right)+f_2\mathrm{tg}\left(\frac{{\theta }_2}{2}\right)}{\mathrm{tg}{\theta }_1+\mathrm{tg}{\theta }_2}---\left(1\right)$

其中f₁为左相机的焦距，θ₁为左相机视场角，f₂为右相机的焦距，θ₂为右相机视场角，f_e为等效单镜头相机的焦距，tg表示正切三角函数。

步骤B：将左相机图像的横向坐标改化计算得到单相机的横向坐标；可以按照如下公式计算得到对左相机图像的横向坐标：

$x=f_e\{\mathrm{tg}\left({\theta }_1\right)-\mathrm{tg}[\frac{{\theta }_1}{2}+{\mathrm{tg}}^{-1}\left(\frac{f_1\mathrm{tg}\left(\frac{{\theta }_1}{2}\right)-x_1}{f_1}\right)\left]\right\}---\left(2\right)$

其中x为改正后的横向坐标，x₁为左相机图像的横向坐标值，f₁为左相机的焦距，θ₁为左相机视场角，tg表示正切三角函数。

步骤C：将右相机图像的横向坐标改化计算得到单相机的横向坐标；可以按照如下公式计算得到对右相机图像的横向坐标：

$x=f_e\{\mathrm{tg}\left({\theta }_2\right)+\mathrm{tg}[\frac{{\theta }_2}{2}+{\mathrm{tg}}^{-1}\left(\frac{f_2\mathrm{tg}\left(\frac{{\theta }_2}{2}\right)+x_2}{f_2}\right)\left]\right\}---\left(3\right)$

其中x为改正后的横向坐标，x₂为右相机图像的横向坐标值，f₂为右相机的焦距，θ₂为右相机视场角，tg表示正切三角函数。

步骤D：将改化后的左相机和右相机图像按照单相机横向坐标进行采样排列，合成为一幅图像，即可得到一幅等效的单中心投影图像。

从上述技术方案可以看出，本发明星载双镜头线阵CCD图像转换为单中心投影图像的方法具有以下的有益效果：

(1)应用了两个镜头相机各自的焦距和视场角参数，通过计算得到了等效的严密的单镜头相机焦距。

(2)分别建立了左相机和右相机向单镜头相机中心投影的转换公式，很好地适应了双镜头相机的各自几何转换关系。

(3)转换的单中心图像就等价于是一个单镜头相机获取的线阵CCD图像，无需再进行处理，只需给出等效焦距就可以十分方便地应用现有的软件进行图像校正和立体定位。

参见图4所示，本发明实施例的一种星载双镜头相机图像转为单中心图像的处理装置包括：计算单元41、改化处理单元42和合成单元43。

计算单元41，用于根据星载双镜头线阵相机各自的视场角和焦距，基于双镜头相机各自成像面、地面、等效单相机成像面之间的几何关系，确定等效中心投影的焦距；

改化处理单元42，基于同一地面点在双镜头相机成像面和等效单相机成像面上的投影关系，分别将左相机图像、右相机图像的横向坐标改化计算得到单相机的横向坐标；

合成单元43，用于将改化后的左相机和右相机图像合成为一幅图像。

所述计算单元41可以通过如下公式确定等效中心投影焦距：

$f_e=2\frac{f_1\mathrm{tg}\left(\frac{{\theta }_1}{2}\right)+f_2\mathrm{tg}\left(\frac{{\theta }_2}{2}\right)}{\mathrm{tg}{\theta }_1+\mathrm{tg}{\theta }_2}$

其中，f_e为等效单镜头相机的焦距，f₁为左相机的焦距，视场角θ₁，f₂为右相机的焦距，视场角θ₂，tg表示正切三角函数。

所述改化处理单元42可以按照如下公式计算得到所述对左相机图像的横向坐标：

$x=f_e\{\mathrm{tg}\left({\theta }_1\right)-\mathrm{tg}[\frac{{\theta }_1}{2}+{\mathrm{tg}}^{-1}\left(\frac{f_1\mathrm{tg}\left(\frac{{\theta }_1}{2}\right)-x_1}{f_1}\right)\left]\right\}$

其中，x为改正后的横向坐标，x₁为左相机图像的横向坐标值，f₁为左相机的焦距，θ₁为左相机视场角，tg表示正切三角函数。

所述改化处理单元42可以按照如下公式计算得到所述对右相机图像的横向坐标：

$x=f_e\{\mathrm{tg}\left({\theta }_2\right)+\mathrm{tg}[\frac{{\theta }_2}{2}+{\mathrm{tg}}^{-1}\left(\frac{f_2\mathrm{tg}\left(\frac{{\theta }_2}{2}\right)+x_2}{f_2}\right)\left]\right\}$

其中，x为改正后的横向坐标，x₂为右相机图像的横向坐标值，f₂为右相机的焦距，θ₂为右相机视场角，tg表示正切三角函数。

为了验证本实施例的转换效果，对图3A所示的双镜头获取的左右相机图像采用本实施例的方法进行了处理，图3B为转换成单镜头后的效果图。从图3A和图3B可以看出，转换后图像满足单中心投影图像性质。

至此，已经结合附图对本实施例进行了详细描述。依据以上描述，本领域技术人员应当对本发明星载双镜头线阵CCD图像转换为单中心投影图像方法有了清楚的认识。

此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施方式中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域的普通技术人员可对其进行简单地熟知地替换。

综上所述，本发明星载双镜头线阵CCD图像转换为单中心投影图像的方法中，通过两个镜头相机的焦距和视场角严密计算了等效的单镜头相机焦距。并依据虚拟的单镜头相机分别建立了左右相机向单镜头相机的图像坐标转换公式，很好地适应了双镜头相机的各自几何转换关系，最终拼合在一起的图像就等价于是单镜头相机获取的线阵CCD图像，无需再进行处理，就可以十分方便地应用现有的软件进行图像校正和立体定位，因为单一的投影中心保证了与已有测绘软件资源的无缝衔接。