[發明專利]基于塊的影像匹配數字表面模型的全局高程優化方法

有效

• 申請號: 201710087309.2
• 申請日: 2017-02-17
• 公開（公告）號: CN106960450B
• 公開（公告）日: 2019-08-20
• 發明（設計）人: 黃旭;金彥;胡堃;葉輝;周超
• 申請（專利權）人: 武漢云航工程地球物理研究院有限公司
• 主分類號: G06T7/33
• 分類號: G06T7/33;G06T7/10
• 代理公司: 武漢開元知識產權代理有限公司 42104
• 代理人: 潘杰;李滿

1.一種基于塊的影像匹配數字表面模型的全局高程優化方法，其特征在于，它包括如下步驟：

步驟1：將原始影像匹配數字表面模型輸入到計算機中；

步驟2：計算機采用SLIC超像素分割的方法，將輸入的原始影像匹配數字表面模型分割成一系列規則的塊，用S_i表示第i個塊；

步驟3：構建全局能量函數中的數據項，用E_data表示數據項，保證優化后的影像匹配數字表面模型的高程，與原始影像匹配數字表面模型的高程保持一致；

每個所述塊都用一個高程平面方程來描述，即：

d(t_i)＝a_i·t_ix+b_i·t_iy+c_i；t_i∈S_i

其中，a_i、b_i、c_i表示塊S_i的高程平面方程參數；t_i＝(t_ix，t_iy)^T表示塊S_i內的一個三維點的平面坐標；d表示三維點的高程坐標；

令表示塊S_i所在平面的高程平面方程系數，表示優化影像匹配數字表面模型的全局能量函數的變量，q表示塊的數目，i∈1，...q，將數據項E_data表示為矩陣計算的形式，即：

式中，G_data表示數據項E_data的二次項系數矩陣；H_data表示數據項E_data的一次項的系數矩陣，E_data為優化影像匹配數字表面模型的全局能量函數的數據項；l_data表示數據項E_data的常數項，T為轉置符號，上述系數矩陣和常數項具體表達為：

G_data＝Diag(g_i)；

其中，g_i、h_i和l_i分別表示G_data、H_data和l_data中的塊矩陣；t_ix、t_iy表示塊S_i內每個點的平面坐標；|S_i|表示塊S_i內三維點的數目；Diag表示對角線矩陣，t_i表示原始影像匹配數字表面模型上塊S_i內的一個點，d₀(t_i)表示點t_i在原始影像匹配數字表面模型上的高程；

步驟4：構建優化影像匹配數字表面模型的全局能量函數中的平滑項，用E_smooth表示優化影像匹配數字表面模型的全局能量函數的平滑項，保證優化后的三維點云表面分片光滑連續；同樣令表示優化影像匹配數字表面模型的全局能量函數的變量，將平滑項E_smooth表示為矩陣計算的形式：

式中，G_s表示平滑項的二次項系數矩陣，G_s可以表達為：

其中，q表示塊的數目；S_j表示S_i的鄰接塊；N(S_i)表示塊S_i的相鄰塊集合；E(S_i，S_j)表示塊S_i內，與塊S_j相鄰接的像素，c_i＝(c_ix，c_iy)^T表示塊S_i的重心；P(i，j)表示根據塊S_i與塊S_j的鄰接關系計算出來的懲罰系數，t表示原始影像匹配數字表面模型上的一個點，該點位于集合E(S_i，S_j)內；g_sr(i，j，t)表示塊S_i與塊S_j之間的相關矩陣；

其中，σ₁表示分塊矩陣；0_3×3表示3×3的零矩陣；

步驟5：根據數據項和平滑項，構建優化影像匹配數字表面模型的全局能量函數，其中，優化影像匹配數字表面模型的全局能量函數的極值解，即為影像匹配數字表面模型的全局優化結果；

定義D表示影像匹配數字表面模型，E(D)表示優化影像匹配數字表面模型的全局能量函數，那么，將優化影像匹配數字表面模型的全局能量函數定義為：

其中，E_data表示優化影像匹配數字表面模型的全局能量函數的數據項；E_smooth表示優化影像匹配數字表面模型的全局能量函數的平滑項，平滑項E_smooth保證優化后的三維點云表面分片光滑連續；

求公式的最小值，等價于求采用Cholesky矩陣分解方法直接計算獲得全局最優的影像匹配數字表面模型；

步驟6：采用羽化算法，修正全局最優的影像匹配數字表面模型中塊與塊之間交界處的高程，消除全局最優的影像匹配數字表面模型中塊與塊之間的拼接縫，使得全局最優的影像匹配數字表面模型中塊與塊之間平滑過渡，獲得平滑的影像匹配數字表面模型。