專利名稱：一種基于替換分量擬合的全色與多光譜圖像融合方法
技術領域：
本發明涉及一種遙感圖像融合方法，尤其涉及一種基于替換分量擬合的全色與多光譜圖像融合方法，屬于數字圖像處理技術領域。
背景技術：
隨著遙感成像技術的不斷發展，世界各科技強國發射了越來越多的多傳感器衛星，例如IK0N0S、QuickBird、AL0S、WordView-2等衛星同時搭載了全色與多光譜等傳感器。為了滿足我國遙感應用的需求，在2012年發射了資源三號光學衛星，首次實現了中國民用衛星的多角度、多光譜綜合立體成像，獲取了大量的全色和多光譜遙感圖像。隨著我國高分辨率對地觀測系統國家重大科技專項的推進，屆時將擁有數量更多、分辨率更高的多光譜和全色成像衛星。
由于傳感器成像原理不同，單一全色圖像或單一多光譜圖像難以全面反映圖像中目標的特性，具有一定的應用局限制，因此需要對全色與多光譜圖像進行融合操作。全色與多光譜圖像融合是將同一地區的兩種圖像數據進行像素級合成，得到更加適合圖像解譯人員分析或機器處理的復合圖像。一般而言，全色與多光譜圖像融合必須滿足以下要求:融合圖像的光譜信息必須與多光譜圖像的光譜信息保持一致，即光譜保真；融合圖像的空間細節信息必須與全色圖像的空間細節信息保持一致，即空間細節保真。
迄今為止，研究人員已經提出了大量的圖像融合方法，其中研究最為廣泛且應用效果最好的方法是分量替換融合方法。它首先利用矩陣變換生成待替換分量和保留分量；然后對全色圖像和待替換分量進行匹配，使全色圖像的整體結構信息與待替換分量的整體結構信息保持一致；最后，利用匹配的全色圖像替換待替換分量，再進行矩陣逆變換得到融合圖像。根據矩陣變換類型的不同，分量替換融合方法可以分為基于IHS變換、基于PCA變換和基于Gram-Schmidt變換(GS變換)的分量替換融合方法。這些方法的優點在于融合圖像的空間細節保真度高，但是同時存在著光譜失真的嚴重不足。因此，解決分量替換融合方法的光譜失真問題已成為當前全色與多光譜圖像融合研究的熱點與難點。目前，研究人員側重于改進矩陣變換方法，以生成更好的待替換分量，即待替換分量的整體結構信息與全色圖像的整體結構信息處處相等。盡管如此，在部分圖像區域內，二者的整體結構信息仍然存在較大的差異，導致融合圖像的光譜出現嚴重失真。
在此背景下，研究一種可以有效避免融合圖像光譜和空間細節失真的高保真融合方法，有效地避免現有分量替換融合方法的光譜失真現象顯得尤為重要。發明內容
本發明所要解決的技術問題在于提供一種基于替換分量擬合的全色與多光譜圖像融合方法。該方法 通過矩陣變換、圖像做差和圖像平滑濾波操作實現多光譜與全色圖像的高保真融合，適應性好。
為實現上述的發明目的，本發明采用下述的技術方案:
一種基于替換分量擬合的全色與多光譜圖像融合方法，包括如下步驟:步驟(I)對全色圖像進行亮度線性拉伸，使全色圖像的方差σ P與多光譜圖像的方差σ MS相等；步驟(2)將多光譜圖像插值成與全色圖像同樣分辨率的插值圖像MSr ；步驟(3)對多光譜插值圖像MSr進行矩陣變換，得到待替換分量與保留分量；步驟(4)利用所述線性拉伸后的全色圖像減去所述的待替換分量，得到差值圖像Id，并對差值圖像Id進行高斯濾波，得到差值趨勢圖像Is;步驟(5)將所述線性拉伸后的全色圖像與差值趨勢圖像Is相減，得到擬合的全色圖像；步驟(6)利用所述擬合的全色圖像替換所述的待替換分量，并與保留分量一起進行矩陣逆變換，得到全色與多光譜融合圖像。其中，在所述步驟(I)中，將全色圖像的像素值乘以^/^7^進行線性亮度拉伸。所述步驟(I)中，隨機選取一定數量的像素點來估計多光譜圖像的方差以及全色圖像的方差。所述步驟(2)中，利用雙線性插值法進行圖像插值放大。所述步驟(3)中，所述的矩陣變換為IHS變換、PCI變換、GS變換中的一種。所述步驟(4 )中，利用一維高斯濾波器G先對圖像按行進行平滑濾波，再利用所述一維高斯濾波器G的轉置Gt對圖像按列進行平滑濾波。所述步驟(4)中，一維高斯濾波器G的長度為13，G的尺度參數為3.33。本發明所提供的基于替換分量擬合的全色與多光譜圖像融合方法具有如下的優
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1.本發明較為有效地避免了融合圖像的光譜和細節失真，融合圖像的視覺效果好;2.本發明方法簡單易行，計算復雜度低，可快速完成寬幅遙感圖像的融合；3.本發明方法的參數少，普適性好，可適用于不同衛星拍攝的全色和多光譜圖像。


下面結合附圖和具體實施方式
對本發明作進一步的詳細說明。圖1為本發明所述融合方法的流程示意圖；圖2顯示了本發明所述融合方法與現有典型融合方法在QuickBird衛星圖像上的實驗結果對比；其中，(a)為全色圖像，(b)為多光譜圖像，(C)為Massip的方法，(d)為ENV1-GS變換法，(e)為PCI銳化法，(f)為本發明的方法；圖3顯示了本發明所述融合方法與現有典型融合方法在IKONOS衛星圖像上的實驗結果對比；其中，(a)為全色圖像，(b)為多光譜圖像，(C)為Massip的方法，(d)為ENV1-GS變換法，(e)為PCI銳化法，(f)為本發明的方法。
具體實施方式
本發明主要利用數據擬合方法對矩陣變換生成的待替換分量與全色圖像進行擬合，使二者的整體結構信息保持一致，從而實現全色與多光譜圖像的高保真融合。圖1展示了基于替換分量擬合的全色與多光譜圖像融合方法的流程圖。本發明的基本思路如下:首先對全色圖像進行亮度線性拉伸，并將多光譜圖像插值至全色圖像相同的分辨率，并對其進行矩陣變換，得到待替換分量與保留分量；接著，將全色圖像分別減去待替換分量，得到差值圖像，并對差值圖像進行高斯平滑，得到差值趨勢圖像；然后，將全色圖像減去差值趨勢圖像，得到擬合的全色圖像；最后，對擬合的全色圖像和保留分量進行矩陣逆變換，得到融合圖像。
下面具體介紹本發明所提供的基于替換分量擬合的全色與多光譜圖像融合方法的具體步驟:
(I)對全色圖像進行亮度線性拉伸，使全色圖像的方差σ P與多光譜圖像的方差σ MS相等；
首先分別計算多光譜圖像和全色圖像的方差。為了提高方差的計算速度，隨機選取一定數量的像素點來估計多光譜圖像和全色圖像的方差，以減少方差計算的時間消耗。然后將全色圖像的像素值乘以^/^7^進行線性亮度拉伸。
(2)將多光譜圖像插值成與全色圖像同樣分辨率的插值圖像MS,；
多光譜圖像的分辨率低于全色圖像，圖像融合利用插值算法將多光譜圖像插值至全色圖像相同的分辨率。本發明利用雙線性插值法對多光譜圖像進行插值。假設像素點I (i+u, j+v)為像素點{I(i，j)，I(i+l，j)，I(i，j+l)，I(i+l，j+Ι)}之間的一個插值點，其中0<u<l,0<v<l, i，j為像素點的行坐標和列坐標，則插值的計算方法具體如下:
I (i+u, j+v) = (1-u) (1-v) I (i, j) +uvl (i+1, j+1)
+V (1-u) I (i, j+1) +u (1-v) I (i+1, j)
(3)對多光譜插值圖像M&進行矩陣變換，得到待替換分量與保留分量；
在該步驟中，可以選擇IHS變換、PCA變換和GS變換等對多光譜插值圖像進行矩陣變換，且融合圖像的保真效果基本相同。考慮到算法的計算復雜度，優選IHS變換進行矩陣變換。下面以IHS變換為例介紹矩陣 變換的計算過程。在圖像MSr中，像素點(i，j)的光譜值記為,Ir MSh氣經IHS變換得到丨H Hhr ，具體如下:
權利要求
1.一種基于替換分量擬合的全色與多光譜圖像融合方法，其特征在于，包括如下步驟: 步驟(I)、對全色圖像進行亮度線性拉伸，使全色圖像的方差σ P與多光譜圖像的方差σ MS相等； 步驟(2)、將多光譜圖像插值成與全色圖像同樣分辨率的插值圖像MS^ 步驟(3)、對多光譜插值圖像Μ&進行矩陣變換，得到待替換分量與保留分量； 步驟(4)、利用所述線性拉伸后的全色圖像減去所述的待替換分量，得到差值圖像Id，并對差值圖像Id進行高斯濾波，得到差值趨勢圖像Is ; 步驟(5)、將所述線性拉伸后的全色圖像與差值趨勢圖像Is相減，得到擬合的全色圖像； 步驟(6)、利用所述擬合的全色圖像替換所述的待替換分量，并與保留分量一起進行矩陣逆變換，得到全色與多光譜融合圖像。
2.如權利要求1所述的基于替換分量擬合的全色與多光譜圖像融合方法，其特征在于:在所述步驟(I)中，將全色圖像的像素值乘以進行線性亮度拉伸。
3.如權利要求2所述的基于替換分量擬合的全色與多光譜圖像融合方法，其特征在于:所述步驟(I)中，隨機選取一定數量的像素點來估計多光譜圖像的方差以及全色圖像的方差。
4.如權利要求1所述的基于替換分量擬合 的全色與多光譜圖像融合方法，其特征在于:在所述步驟(2)中，利用雙線性插值法對多光譜圖像進行插值。
5.如權利要求1所述的基于替換分量擬合的全色與多光譜圖像融合方法，其特征在于:所述步驟(3)中，所述的矩陣變換為IHS變換、PCA變換、GS變換中的一種。
6.如權利要求1所述的基于替換分量擬合的全色與多光譜圖像融合方法，其特征在于:所述步驟(4)中，利用一維高斯濾波器G先對圖像按行進行平滑濾波，再利用所述一維高斯濾波器G的轉置Gt對圖像按列進行平滑濾波。
7.如權利要求5所述的基于替換分量擬合的全色與多光譜圖像融合方法，其特征在于:所述步驟(4)中，一維高斯濾波器G的長度為13，G的尺度參數為3.33。
全文摘要
本發明公開了一種基于替換分量擬合的全色與多光譜圖像融合方法，該方法首先對全色圖像進行亮度拉伸，并將多光譜圖像插值成與全色圖像相同分辨率的插值圖像；對多光譜插值圖像進行矩陣變換，得到待替換分量和保留分量，并將全色圖像與待替換分量做減法，得到差值圖像；然后，對差值圖像進行高斯濾波，得到差值趨勢圖像，并將全色圖像減去差值趨勢圖像，得到擬合的全色圖像；最后，將擬合的全色圖像替換待替換分量，并進行矩陣逆變換得到融合圖像。與現有技術相比較，本融合方法避免現有分量替換分量的光譜失真現象，適應性好。
文檔編號G06T5/50GK103236047SQ20131010556
公開日2013年8月7日 申請日期2013年3月28日 優先權日2013年3月28日
發明者徐其志, 李波, 楊光, 高峰 申請人:北京航空航天大學