張官進，周碩亞

(1.安徽理工大學(xué) 測繪學(xué)院，安徽 淮南 232001；2.中鐵四局集團有限公司，安徽 合肥 230000)

?

攝影測量標(biāo)靶中心提取算法的比較分析

張官進1，周碩亞2

(1.安徽理工大學(xué) 測繪學(xué)院，安徽 淮南 232001；2.中鐵四局集團有限公司，安徽 合肥 230000)

攝影測量標(biāo)靶中心的提取是進行攝影測量工作的基礎(chǔ)和前提，標(biāo)靶中心坐標(biāo)提取的精度直接影響物方標(biāo)志點空間坐標(biāo)的解算精度。目前，數(shù)字化解算已經(jīng)能夠做到圖像處理、標(biāo)靶識別、標(biāo)靶中心擬合與提取全過程的計算機處理。實驗就現(xiàn)有的攝影測量標(biāo)靶中心坐標(biāo)的提取方法進行比較分析。首先對攝影測量和圖像處理的基本理論進行簡要介紹,然后對學(xué)者們常用的標(biāo)靶邊緣檢測方法、標(biāo)靶中心提取方法分別通過Matlab進行相關(guān)檢驗，并對各種算法的精度進行分析。實驗中圖像全部為仿真圖像，最后得出：“roberts”算法提取的精度很高,Harris角點檢測方法的精度要比Hough變換的精度要高。

Matlab;邊緣檢測;中心提取;亞像素

攝影測量是通過非接觸的方式使用攝像設(shè)備，產(chǎn)生數(shù)字圖像，然后通過目標(biāo)點測量或特征點測量，采用多種分析方法來計算目標(biāo)點或特征點的空間坐標(biāo)，最后得到數(shù)據(jù)處理所需的各種數(shù)據(jù)。其非接觸、非破壞性、測量精度高可獲得全面信息等優(yōu)勢，被廣泛應(yīng)用于古建筑、古文物、生物醫(yī)學(xué)和工業(yè)攝影測量等方面。攝影測量具有以下優(yōu)點：1)即時獲得大量的被測物體的幾何和物理信息，適合大量的測量點目標(biāo)；2)非接觸式測量方法，可在苛刻的條件下工作；3)適用于動態(tài)目標(biāo)的測量。

1　實驗操作流程

1)研究、分析較為成熟的攝影測量軟件系統(tǒng)，重點研究標(biāo)志點提取和標(biāo)志點中心坐標(biāo)的提取。

2)使用Matlab軟件編寫相關(guān)代碼。

3)設(shè)計幾種不同形式的標(biāo)靶進行試驗。其中，在圖像處理過程中進行圖像灰度化和二值化、對比度增強減弱等處理，并對標(biāo)靶邊緣進行檢測。利用幾種不同方法對標(biāo)志點中心進行坐標(biāo)提取：橢圓擬合法，Hough直線變換，Harris檢點檢測。最后對所生成的代碼進行實驗。

近景攝影測量中標(biāo)靶的設(shè)計與使用方法會影響測量的精度。因此，要求標(biāo)靶在設(shè)計上能夠容易被計算機檢測和識別。常用的標(biāo)靶類型有：圓形標(biāo)靶，方形標(biāo)靶(直對角、斜對角)。

2　仿真試驗及分析

目前，圓形標(biāo)志點亞像素級的定位算法主要有橢圓最小二乘擬合法、灰度加權(quán)質(zhì)心法、灰度平法加權(quán)法等，這幾種擬合方法都實現(xiàn)了亞像素級定位精度。

在Photoshop中新建圖像大小為800×1 600像素。用橢圓工具在圖像上畫出一個橢圓，再通過變換路徑工具將橢圓的中心絕對坐標(biāo)設(shè)置在圖像中心固定坐標(biāo)處(見圖1)，方便對橢圓擬合方法的精度進行評估。背景色設(shè)置為R：125，G：125，B：125。標(biāo)靶前景色設(shè)置為純黑色R：0，G：0，B：0。Matlab 7.0中內(nèi)含6種邊緣檢測算子分別是：sobel，prewitt，roberts，log，zerocross，canny。對這6種邊緣檢測算子分別進行了實驗，驗證其邊緣檢測效果。當(dāng)目標(biāo)特征是圓或橢圓時，對提取的目標(biāo)邊界點進行橢圓最小二乘擬合，從而確定標(biāo)靶中心和橢圓的軸向。

對單個橢圓進行橢圓擬合求標(biāo)靶中心坐標(biāo)，對每種邊緣檢測算子得到的結(jié)果分別對應(yīng)邊緣檢測中的兩種模式“noholes”和“holes”:Matlab中的語句為：BW=edge(I,sz); %sz代表邊緣檢測算子 [B，L]=bwboundaries(BW,'holes');通過表1的數(shù)據(jù)能夠知道兩種模式下“roberts”方法的提取精度最高。

表1　坐標(biāo)偏差(noholes、holes)

為了在更加真實的環(huán)境下驗證這一結(jié)果，實驗中在空白背景增加一些復(fù)雜背景，采用“noholes”模式實驗，結(jié)果如表2所示。

表2　加入背景結(jié)果(noholes)

從結(jié)果看，加入背景后的橢圓擬合(標(biāo)靶中心)中心經(jīng)過圖像處理等步驟，提取坐標(biāo)依然能夠達到亞像素的精度級別，但是整體中心提取精度都有所下降。同時可以看到所有的算法中“roberts”算法依然是精度最高的。在檢測的過程中，算法的閥值選擇十分重要，它的選擇直接影響標(biāo)靶橢圓邊界提取的完整性與準(zhǔn)確性，從而影響擬合的精度。

Hough變換：首先進行方形直對角的標(biāo)靶。使用Photoshop軟件制作仿真相片。新建一個1 600×800像素的背景圖像，將方形標(biāo)靶絕對中心放在圖像中心[800,400]處。運行程序?qū)?biāo)靶中心坐標(biāo)進行提取。選擇相應(yīng)的邊緣檢測算子“sobel”和累加器取值(A>70)，運行程序讀入所對應(yīng)的圖片。通過直線方程參數(shù)斜率和截距解算出6條直線的交點，如表3所示。

表3　直線交點

又因標(biāo)靶是軸對稱圖形,因此,標(biāo)靶的中心可以由表3中9個焦點的平均值得到。

X0=801.99像素，Y0=400.06像素.

由計算結(jié)果可知,X方向的偏差為1.99個像素，Y方向可以到0.06的亞像素級別。

“sobel”算子提取標(biāo)靶中心坐標(biāo)的中誤差為

Mx=±1.853 7(pixed),My=±0.228 4(pixed).

可以清楚地看到“sobel”算子在Y方向的精度能夠達到亞像素級別，但是其在X方向上的精度卻是不夠的。同樣對方形標(biāo)靶(斜對角)的標(biāo)靶進行實驗,運行Matlab代碼。通過對所得數(shù)據(jù)的分析知道，得到的實驗結(jié)果與方形直對角標(biāo)靶的標(biāo)靶中心提取結(jié)果相類似： “sobel算子的提取結(jié)果最好。

Harris算子角點檢測：同樣是方形標(biāo)靶，角點檢測是檢測方形標(biāo)靶的角點，利用標(biāo)靶的對稱性來計算標(biāo)靶的中心坐標(biāo)。角點檢測是基于灰度圖像的檢測方法。這種算法的基本原理是：通過一個濾波器在圖像的一端開始，逐個像素進行灰度檢測，若某一點向任一個方向微小偏移都會引起灰度的巨大變化，說明這個點是一個角點，同時在程序中通過一個數(shù)組記錄下該像素的坐標(biāo)。運行Harris角點檢測程序，通過計算可以求出每種濾波器提取標(biāo)靶中心的坐標(biāo)偏差，如圖1所示。

圖1　不同濾波器提取真誤差

兩種濾波器提取的中誤差：

M1=±2.540 7(pixed),M2=±2.914 1(pixed)。

從整體效果來看，濾波器大小為[2 2]的效果要優(yōu)于[3 3]的濾波器。

3　結(jié)　論

通過Matlab軟件對幾種算法進行試驗，并分析相應(yīng)的試驗結(jié)果，得到以下結(jié)論：

1)“roberts”算法進行邊緣檢測的完整性和適用性最高，提取的精度很高。

2)方形標(biāo)靶使用Hough變換和Harris檢點檢測。從兩種方法的提取結(jié)果來看，Harris角點檢測方法的精度要比Hough變換的精度要高。

本實驗一定程度上模擬了真實場景，但與現(xiàn)實仍有不同。如實驗圖像中標(biāo)靶的分布過于理想、圖像中的噪聲太小、前景背景對比度太大等，因此，擬進行以下改進：

1)能夠?qū)γ總€標(biāo)靶進行編號識別。通過鼠標(biāo)選取某一個標(biāo)靶，記錄所選取圖像的位置和標(biāo)靶在圖像中的相對位置，從而確定其在這幅圖像中的位置。

2)生成可視化的操作界面。

3)利用數(shù)碼相機拍攝真實布設(shè)的標(biāo)靶并進行提取實驗。

[1]李子梅.基于近景攝影測量的石質(zhì)文物裂隙識別定位的研究[D].北京：中國地質(zhì)大學(xué) (北京),2012.

[2]王鳳艷.數(shù)字近景攝影測量快速獲取巖體裂隙信息的工程應(yīng)用[D].長春: 吉林大學(xué),2006.

[3]馮文灝.關(guān)于發(fā)展我國高精度工業(yè)攝影測量的幾個問題[J].測繪學(xué)報，1994，23(2)：120-126.

[4]俞縉,吳亮清.基于橢圓擬合的人工標(biāo)志中心定位法[J].鄭州輕工業(yè)學(xué)院學(xué)報(自然科學(xué)版),2009,24(4): 75-78.

[5]李德仁.我國第一顆民用三線陣立體測圖衛(wèi)星：資源三號測繪衛(wèi)星[J].測繪學(xué)報，2012,41(3):317-322.

[6]黃桂平.圓形標(biāo)志中心子像素定位方法的研究與實現(xiàn)[J].武漢大學(xué)學(xué)報(信息科學(xué)版)，2005，30(5)：388-391.

[7]臧歡歡.基于攝影與目標(biāo)自動識別的隧道斷面測量技術(shù)研究[D].長沙：中南大學(xué),2012.

[8]李真真,李瑞賢,魏宏剛.邊緣檢測算法在小目標(biāo)提取中的應(yīng)用[J].中國西部科技,2011,10(30): 19-20.

[9]劉哲,劉瀟鵬,吳洪濤.Map Window GIS插件機制及應(yīng)用[J].黑龍江工程學(xué)院學(xué)報，2015,29(5)：11-15.

[10]王成亮.基于普通數(shù)碼影像的近景攝影測量技術(shù)研究與應(yīng)用[D].長沙：中南大學(xué),2006.

[11]楊彪.基于普通數(shù)字影像的近景攝影測量技術(shù)研究與應(yīng)用 [D].南京: 河海大學(xué),2004.

[12]楊化超,鄧喀中,郭廣禮.相似材料模型變形測量中的數(shù)字近景攝影測量監(jiān)測技術(shù)[J].煤炭學(xué)報,2006,31(3): 292-295.

[13]王晶.數(shù)字?jǐn)z影技術(shù)在礦山提升設(shè)備變形監(jiān)測中的應(yīng)用研究[D].青島：山東科技大學(xué),2010.

[14]BOPP H，KRAUSS H.Extension of the 11-parameter solution for on-the-job calibrations of non-metric cameras[J].International Archives of Photogrammetry,1978,22(5):7-11.

[15]HARALICK R M.Digital step edges from zero crossing of second directional derivatives[J].IEEE Trans,Pattern Analysis and Machine Intelligence,1984,6(1): 58-68.

[責(zé)任編輯：郝麗英]

Comparative analysis of photogrammetry target center extraction algorithm

ZHANG Guanjin，ZHOU Shuoya

(School of Geodesy & Geomatics,Anhui University of Science and Technology.Huainan 232001,China)

Foundation and prerequisite for photogrammetric work is to extract the target center,because the target coordinates of the center directly affects the accuracy of the extracted solution from square landmarks spatial coordinates.Currently the digital computing has been able to do image processing,target recognition,target center fitting,and the extraction computer processing.Experiments carry out a comparative analysis of existing extraction method photogrammetric target center coordinates.First,the basic theory of photogrammetry and image processing will be introduced,and then the scholars commonly target edge detection method.These methods are carried out by the relevant inspection with Matlab.The accuracy of the algorithms are to be analyzed.During the experiment all images are simulated.The experiments concludes “roberts” algorithm has the high accuracy,among which Harris corner detection method is more accurate than Hough transformation.

Matlab; edge detection; center extraction; sub pixel

10.19352/j.cnki.issn1671-4679.2016.05.006

2016-04-27

張官進(1989-),男，碩士研究生，研究方向：大地測量學(xué)與測量工程.

P2

A

1671-4679(2016)05-0019-03