基于半全局优化的无人机影像密集匹配策略

袁红选++左志奇++胡裕军

摘 要 本文对当前主流的半全局优化密集匹配算法进行研究，针对部分区域无人机影像核线上下视差较大的问题，提出了一种基于sift稀疏匹配点的核线上下视差检查与二次定向策略，有效提高了算法的精度和可靠性。

【关键词】影像密集匹配 匹配策略 二次定向

来源于计算机视觉领域的半全局优化密集匹配算法在DSM提取、三维建模等领域得到了广泛应用，该算法的逐像素密度以及子像素精度可以大大提高获取DSM的精度和可靠性。该算法应用于无人机影像匹配获取DSM时，由于影像质量、畸变、姿态等多方面的影响，空三计算时部分区域核线视差不能完全消除，导致后期利用该算法进行DSM提取时结果不够理想。针对这个问题，本文在该算法基础上，采用影像二次定向等策略进一步减少核线上下视差，提高密集匹配精度。

1 半全局优化密集匹配算法

半全局优化密集匹配算法来源于文献[1]，该算法核心包括三维代价矩阵计算、代价矩阵累加、最优視差面获取三个部分，具体如下：

1.1 三维代价矩阵计算

匹配代价用于估计任意两个像素间的相似程度，匹配代价越小则相似程度越高，常用的匹配代价有灰度绝对差、互信息等，本次匹配代价采用对于光照变化不敏感的互信息。匹配代价确定后，便可计算三维代价矩阵。

1.2 代价矩阵累加

匹配的过程就是能量函数最优化的过程，对于能量函数E（D），就是找到一个使其有最小值的视差面D。文献[2]中Y.Boykov已经证明在二维层次寻找最优视差面D是一个NP问题，但可在一维方向上通过动态规划来求解。对于二维的影像，这些一维方向（比如，行方向）的动态规划彼此不相关，因此半全局匹配采用了多个方向的一维平滑来模拟二维平滑的思路，以多个简单的一维搜索（一般8或16方向）来获得二维层次上能量函数的最优解。为了顾及匹配场景中的倾斜平面、深度断裂和相似区域等，半全局匹配在匹配累加中引入平滑约束。

1.3 最优视差面获取

代价聚合完毕后，根据累积的代价矩阵可以对视差进行解算，一般情况下可得到整像素的匹配结果，对于子像素的匹配结果，可以通过抛物线拟合获得。

2 无人机影像密集匹配策略

本文采用核线上下视差检查、影像二次定向等策略进一步减少核线上下视差，从而保证后续半全局优化密集匹配效果。

核线上下视差方面，主要通过sift影像匹配算法获得稀疏可靠的同名像点，然后计算每对同名像点间的上下视差，并对所有的上下视差进行统计分析，计算均值和方差，如果均值和方差超限，则认为上下视差超限，需要进行二次定向。在二次定向方面，本文目前只考虑影像外方位元素，通过进一步改正影像外方位来减小或消除上下视差，二次定向主要通过前方交会和后方交会进行实现，首先通过前方交会计算所有sift同名像点的物方坐标，然后通过计算的物方坐标和对应的像点坐标对左右影像分别进行后方交会，更新左右影像的定向参数。

3 试验结果

为了验证方法的有效性，本文选取了某区域无人机影像中一个像对按以上流程进行实验，空三成果源自Inpho软件，在空三转点过程中采用全自动转点模式，上下视差没有完全消除。为了客观统计定向结果，首先将二次定向前后的影像重采样为核线影像对，然后通过核线影像间的sift匹配点进行定向结果评价，得到二次定向前后核线上下视差残差分布。经过统计，二次定向前的核线影像sift匹配点数量为1458，残差均值为6.54，残差间的标准差为5.2，二次定向后的核线影像sift匹配点数量为1477，残差均值为0.51，残差间的标准差为3.8。经过二次定向后，核线影像上下视差残差明显减小，有利于后续的半全局优化密集匹配。

另外从最终的匹配结果发现，二次定向后视差图结果在完整性和光滑性方面明显改善，为了进一步展示改进后密集匹配效果，本文选取了三个区域进行局部放大来比较，发现二次定向前由于上下视差残差过大，密集匹配得到的视差图房屋不完整，二次定向后由于上下视差残差大幅减少，密集匹配得到的视差图房屋比较完整，边缘轮廓比较清晰，视觉方面明显改善，有效证明了本文方法的可行性。

4 结论

从试验结果可以看出，本文的二次定向策略可以有效减少核线影像上下视差残差，在核线上下视差残差较小情况下，半全局优化密集匹配算法可以得到高密度、高精度的DSM，大大提高后续DEM生产的效率。

参考文献

[1]Hirschmuller H.Accurate and Efficient Stereo Processing by Semi-Global Matching and Mutual Information [M]. Computer Vision and Pattern Recognition.2005：807-814.

[2]Y.Boykov，O.Veksler，and R.Zabih，Fast approximate energy minimization via graph cut，IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence，vol.23，no.11，pp.1222-1239，2001.

作者简介

袁红选（1975-），男，湖北省武汉市人。现为61175部队工程师。从事摄影测量与遥感工作。研究方向为地理信息系统。

作者单位

61175部队 湖北省武汉市 430070