数字图像镶嵌技术综述

１引言

传统的航空遥感图像镶嵌是先将一系列具有重叠区域的图像进行手工镶嵌，去除多余的重叠部分，再进行大幅区域的判读识别。随着航空航天遥感手段的不断进步，数字传感器大量应用于航空航天遥感图像的拍摄，获得的数字图像数量日益增多，依靠传统的人工镶嵌已不能满足“实时性”的需要。因此，依靠计算机技术的数字图像自动镶嵌技术应运而生。数字图像镶嵌技术就是通过计算机将一系列具有重叠区域的图像集合拼接成一幅大型的无缝的图像。通过图像镶嵌技术，可以剔除冗余信息，压缩信息存储量，从而更加有效地表达信息量。

图像镶嵌技术在宇宙空间探测、海底勘测、医学、气象、地质勘测、军事、视频压缩和传输，档案的数字化保存，视频的索引和检索，物体的３－Ｄ重建，军事侦察和公安取证等领域都有广泛的应用。主要表现为：

（１）全景图和超宽视角图像的合成：

将普通图像或视频图像进行无缝镶嵌，得到超宽视角甚至３６０度全景图，这样就可以用普通相机实现场面宏大的景物拍摄。

（２）碎片图像的组合：

将医学和科研的显微碎片图像或者空间、海底探测得到的局部图像合成大幅的整体图像。

（３）虚拟现实：

图像镶嵌是虚拟现实领域里场景绘制（Ｉｍａｇｅ—ｂａｓｅｄＲｅｎｄｅｒｉ－ｎｇ，ＩＢＲ）方法中的一项基本技术。利用图像镶嵌技术可以生成全方位图像，用全景图表示实景可代替３Ｄ场景建模和绘制。

数字图像镶嵌技术综述

王志强，程红

（中国人民解放军空军航空大学，长春１３００２２）

摘要：图像镶嵌技术可分为图像预处理、图像配准和图像缝合三个基本步骤，在现实生活中有着广泛的应用。

本文综述了国内外研究数字图像镶嵌的几类经典算法，对各步骤中所使用的算法进行了分析比较，总结了在不同情况下使用不同方法的优缺点，并对图像镶嵌技术的发展进行了展望。

关键词：图像镶嵌；几何校正；图像配准

中图分类号：ＴＰ７５１．１文献标识码：Ａ文章编号：１００１－０２７０（２００８）０２－００１１－０４

ＡＲｅｖｉｅｗｏｎＤｉｇｉｔａｌＩｍａｇｅＭｏｓａｉｃＴｅｃｈｎｉｑｕｅ

ＷＡＮＧＺｈｉ－ｑｉａｎｇ，ＣＨＥＮＧＨｏｎｇ

（ＰＬＡＡｉｒＦｏｒｃｅＡｖｉａｔｉｏｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈａｎｇｃｈｕｎ１３００２２）

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｂａｓｉｃｉｍａｇｅｍｏｓａｉｃｔｅｃｈｎｉｑｕｅｉｎｃｌｕｄｅｓｔｈｒｅｅｓｔｅｐｓ：ｉｍａｇｅｐｒｅｔｒｅａｔｍｅｎｔ，ｒｅｇｉｓｔｒａｔｉｏｎａｎｄｓｔｉｔｃｈｉｎｇａｎｄｉｓｖｅｒｙｕｓｅｆｕｌｉｎｒｅａｌｌｉｆｅ．Ｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ，ｓｏｍｅｔｙｐｉｃａｌｄｏｍｅｓｔｉｃａｎｄｏｖｅｒｓｅａｓａｌｇｏｒｉｔｈｍｓｗｅｒｅｒｅｖｉｅｗｅｄａｎｄｃｏｍｐａｒｅｄｂｙｅａｃｈｓｔｅｐ．Ｔｈｅａｄｖａｎｔａｇｅｓａｎｄｓｈｏｒｔｃｏｍｉｎｇｓｏｆｕｓｉｎｇｄｉｆｆｅｒｅｎｔｍｅｔｈｏｄｓｉｎｄｉｆｆｅｒｅｎｔｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓｗｅｒｅｓｕｍｍａｒｉｚｅｄ；ｔｈｅｐｒｏｓｐｅｃｔｓｏｆｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｉｍａｇｅｍｏｓａｉｃｔｅｃｈｎｉｑｕｅｗｅｒｅａｌｓｏｐｕｔｆｏｒｗａｒｄ．

ＫｅｙＷｏｒｄｓ：ｉｍａｇｅｍｏｓａｉｃ；ｇｅｏｍｅｔｒｉｃｒｅｃｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ；ｉｍａｇｅｒｅｇｉｓｔｒａｔｉｏｎ

作者简介：王志强，男（１９８２－），空军航空大学军事情报学专业在读研究生。

程红，女（１９６９－），硕士生导师、教授，主要从事遥感图像信息处理。

收稿日期：２００７－０６－１４

２数字图像镶嵌技术研究现状

２．１国外图像镶嵌技术研究现状

２．１．１基于Ｌ－Ｍ算法的图像镶嵌模型

１９９６年，微软研究院的ＲｉｃｈａｒｄＳｚｅｌｉｓｋｉ，提出了基于运动的全景图像拼接模型，采用Ｌｅｖｅｎｂｅｒｇ－Ｍａｒｑｕａｒｄｔ迭代非线性最小化方法，通过求出图像间的几何变换关系来进行图像配准。此种方法的优点在于镶嵌效果较好，收敛速度快，且可处理具有平移，旋转，仿射等多种变换的待镶嵌图像；不足之处是需要标定网格点，迭代计算较为复杂。

２．１．２基于投影的图像镶嵌模型

匹兹堡大学的ＳｅｖｋｅｔＧｕｍｕｓｔｅｋｉｎ博士的主要研究成果是通过标定摄像机来建立成像模型，再利用成像模型将捕获到的图像投影到统一的高斯球面上，从而获得镶嵌图像。用这种基于投影模型的方法来完成图像镶嵌，镶嵌的效果好、可靠性较高；不足之处在于计算量大大增加，不利于快速化镶嵌。

２．１．３自适应的图像镶嵌模型

２０００年，ＳｈｍｕｅｌＰｅｌｅｇ在ＲｉｃｈａｒｄＳｚｅｌｉｓｋｉ的基础上做了进一步的改进，提出了自适应的图像镶嵌模型，它是根据相机的不同运动，自适应选择镶嵌模型，通过把图像分成狭条进行多重投影来完成图像的镶嵌。这一研究成果推动了图像镶嵌技术的进一步发展，自适应问题，也从此成为图像镶嵌领域研究的新热点。２．１．４基于图像高级特征的图像镶嵌模型

ＫａｎｇＥ．ＣｏｈｅｎＬＭｅｄｉｏｎｉＧ提出基于图像的高级特征进行图像镶嵌的方法，它是利用特征图像关系图来进行图像对齐。通过利用图像的低级特征之间的关系或者通过识别出物体实现对齐。这种方法的优点是镶嵌精度较高，结果稳定；缺点是这种方法依赖特征的检测提取，如果特征不是很明显可能导致镶嵌失败。２．２国内图像镶嵌技术研究现状

２．２．１基于模板匹配的图像镶嵌

浙江大学ＣＡＤ＆ＣＧ国家重点实验室和中国科学院自动化研究所模式识别国家重点实验室在图像匹配和镶嵌方面做了较多的研究工作。研究的成果主要是利用模板匹配的方法进行搜索来确定重叠区边界或最佳匹配位置，从而获得镶嵌图像。他们分别对微血管循环的图像镶嵌和集成电路的图像镶嵌进行了研究。该方法的优点是原理比较直观，相对来说容易实现，缺点是计算量大，容易发生误匹配。２．２．２基于傅立叶变换的相位相关的图像镶嵌浙江大学的许雷、张恒义等利用基于傅立叶变换的相位相关法对眼底图像的镶嵌进行了研究。２．２．３基于小波变换的图像镶嵌

香港大学的ＰａｕｌＢａｏ和西北工业大学的张素等则对基于小波变换的图像镶嵌方法进行了研究。基于傅立叶变换和小波变换的方法有匹配准确率高和镶嵌效果好等优点，但是也有计算量大和受噪声干扰影响大的缺点。

由于图像镶嵌的主要难点是图像配准问题，就目前国内外比较有代表性的算法来说也都各有优缺点，即使所谓“好”的算法也是针对分辨率比较高的图像而言的，在图像噪声较大或图像之间的属性相差较大的情况下，很难有一种普遍适用于镶嵌不同属性图像的有效方法。因此对图像镶嵌的研究还在不断深入之中，需要寻找更新的方法和技术解决问题，这也是目前数字图像处理中研究的热点和难点之一。

３数字图像镶嵌算法概述

对于高分率可见光遥感图像的自动镶嵌研究，其主要步骤是：镶嵌预处理、图像配准、图像缝合。实现过程如图１所示。

３．１镶嵌预处理

图像镶嵌预处理的目的是保证下一步图像配准的精度，对原始图像做一些折叠变化和坐标变换，粗略定位，找到大致的重叠区域，缩小匹配范围，提高速度。预处理过程包括（见图１）：