相位相关抗噪位移估计方法、设备及存储介质技术

本发明专利技术公开了一种相位相关抗噪位移估计方法、设备及存储介质，引入相位标准偏差，在进行真实干涉相位估计前，首先将信噪比非常低的高频区域自动地剔除，以免在进行干涉相位估计时对真实信号产生过多干扰，大大提高了抗噪性能；同时，在进行解缠后相位直线拟合时，引入高斯函数定权，给予干涉相位低频部分更高的权值，高频部分低的权值，既保证了观测值的数量，同时也保证了观测值的质量，在此基础上，使用残差进行二次定权拟合直线，进一步减少了异常值的干扰，从而大大提高了抗噪性能。相较于现有方法，本发明专利技术具有很强的抗噪性能，可以在成像条件很差的情况下准确地估计出位移量。像条件很差的情况下准确地估计出位移量。像条件很差的情况下准确地估计出位移量。

【技术实现步骤摘要】
相位相关抗噪位移估计方法、设备及存储介质


[0001]本专利技术属于图像区域匹配
，尤其涉及一种基于PSD+SVD分解及带权直线拟合的相位相关抗噪位移估计方法、设备及存储介质。

技术介绍

[0002]1975年，Kuglin和Hines首次提出数字图像相位相关(phase
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correlation)算法，并将其应用到影像配准中，其相较于数字图像灰度相关，具有一定的抗噪性能、对光线变化不敏感等优势，因此被很多学者用来计算图像间位移。最原始的相位相关方法只能得到整像素的位移，随着相位相关研究的深入，通过相位直线拟合、相位平面拟合、齿状信号条纹数目估计、频率估计、局部上采样等方式的使用，使得相位相关方法可以得到亚像素精度的位移。
[0003]虽然相位相关方法相对于灰度相关方法具有更好的抗噪性能，但在某些场景中，如在高频拍摄、环境光线不足等场景中，所获得的图像存在信噪比极低的问题。为了进一步提高相位相关的抗噪性能，有学者提出使用SVD(Singular Value Decomposition，奇异值分解)分解、RANSAC(Random Sample Consensus，随机抽样一致)算法以及最小二乘二维相位拟合方法(例如文献“A subspace identification extension to the phase correlation method[MRI application][J].Medical I maging，IEEE Transactions on，2003，22(2)：277
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280)等进一步解决相位相关位移估计中的噪声问题，提高相位相关位移估计抗噪性能。虽然这些方法可以进一步提高相位相关的抗噪性能，但仍存在一定的问题，比如使用SVD分解恢复的干涉相位和原始不受噪声干扰的相位具有一定差异；使用RANSAC算法估计位移对于某些受噪声干扰特别严重的情况可能不适用。
[0004]总的来说，目前所有方法在成像条件较好的情况下都能达到较高的精度，但随着成像条件的逐渐变差，精度均会有一定的损失，有些方法甚至会出现估计不到位移情况，即使使用了抗噪方法，如SVD分解、RANSAC算法等，也不能保证完全消除噪声干扰。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于提供一种相位相关抗噪位移估计方法、设备及存储介质，以解决低质量成像时噪声干扰问题，本专利技术在经典相位相关基础上，引入相位标准偏差(Phase standard deviation，简称PSD)对两张影像求得的互功率谱干涉条纹进行评价，剔除干涉效果很差的区域，以增加相关矩阵的置信度，减少影像噪声的干扰。
[0006]本专利技术是通过如下的技术方案来解决上述技术问题的：一种相位相关抗噪位移估计方法，包括以下步骤：
[0007]步骤1：读取发生位移前、后的影像，分别对两幅影像进行二维傅里叶变换得到对应的频谱图；对所述频谱图进行频谱中心化，使频谱图中低频部分分布于频谱图中心区域，高频部分分布于频谱图边缘区域；
[0008]步骤2：对经所述步骤1处理后的两幅频谱图分别进行加窗，再对加窗后的两幅频
谱图进行相位干涉，得到干涉相位图；
[0009]步骤3：计算所述干涉相位图中每个元素对应的相位标准偏差，并由所有相位标准偏差生成相位标准偏差图；
[0010]步骤4：以所述相位标准偏差图的中心元素作为种子点，设置种子生长阈值，进行种子生长，得到所述干涉相位图中干涉条纹清晰区域；
[0011]步骤5：获取所述干涉条纹清晰区域的最小外接矩阵，对所述最小外接矩阵所包含的区域进行裁剪，得到相应区域块；
[0012]步骤6：采用SVD分解对所述区域块进行秩1估计，提取SVD分解后最大特征值对应的左奇异向量和右奇异向量，并分别计算所述左奇异向量和右奇异向量的相位；
[0013]步骤7：对所述左奇异向量和右奇异向量的相位分别进行相位解缠，对左奇异向量和右奇异向量相位解缠后的相位分别进行第一次定权，对第一次定权后的相位及其对应的位置序号进行直线拟合，得到第一次拟合直线；
[0014]根据所述第一次拟合直线模型的残差，对左奇异向量和右奇异向量相位解缠后的相位进行第二次定权，对第二次定权后的相位及其对应的位置序号进行直线拟合，得到第二次拟合直线；
[0015]步骤8：根据左奇异向量和右奇异向量对应的第二次拟合直线的斜率，再结合所述影像的长和宽，计算发生位移后影像相对于发生位移前影像在x方向和y方向的平移量。
[0016]进一步地，所述步骤2中，采用汉宁窗对每幅所述频谱图进行加窗，所述汉宁窗的计算公式为：
[0017][0018]其中，W
hn
(i,j)表示频谱图第i行第j列位置处的汉宁窗函数值，(i,j)分别表示影像中某像素点的行列号，rows表示影像中像素点的总行数，cols表示影像中像素点的总列数。
[0019]进一步地，所述步骤2中，干涉相位图的计算公式为：
[0020][0021]其中，Q(u,v)表示干涉相位图，即相关矩阵，F1(u,v)表示发生位移前影像经二维傅里叶变换后对应的频谱图，F2(u,v)表示发生位移后影像经二维傅里叶变换后对应的频谱图，表示取F2(u,v)的共轭，x0表示发生位移后影像相对于发生位移前影像在x方向的位移，y0表示发生位移后影像相对于发生位移前影像在y方向的位移，u表示像素坐标系的横坐标，v表示像素坐标系的纵坐标。
[0022]进一步地，所述步骤3中，计算相位标准偏差的具体实现过程为：
[0023]步骤3.1：定义滑动窗口大小w*w，其中w表示边长且为奇数；
[0024]步骤3.2：对所述干涉相位图中每个元素求取相位，得到对应的相位矩阵M；
[0025]步骤3.3：构造与所述相位矩阵M维度一致的相位标准偏差矩阵P，对所述相位标准偏差矩阵P中的所有元素进行初始化；
[0026]步骤3.4：对于所述相位矩阵M中的每个元素，以该元素为中心，取w*w滑动窗口区
域内的所有元素构成一个新矩阵M'，按照以下公式计算对应位置的相位标准偏差：
[0027][0028]其中，表示对应位置的相位标准偏差，对应位置是指滑动窗口的中心位置，表示新矩阵M'中第i行第j列元素对应的相位的梯度，表示新矩阵M'中第i行第j列元素对应的相位。
[0029]进一步地，所述步骤4中，种子生长的具体实施过程为：
[0030]步骤4.1：提取出所述种子点的八领域内像素点，计算八领域内每个像素点位置对应的值与该种子点位置对应的值之间的距离；
[0031]步骤4.2：判断八领域内每个像素点对应的所述距离是否小于所述种子生长阈值，如果是，则将该像素点归入到种子点集合中；
[0032]步骤4.3：以所述种子点集合内的每个像素点作为新的种子点，重复步骤4.1～4.2，直到没有新的像素点归入到种子点集合中为止，所述种子点集合内所有像素点所构成的区域即为所述干本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种相位相关抗噪位移估计方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：读取发生位移前、后的影像，分别对两幅影像进行二维傅里叶变换得到对应的频谱图；对所述频谱图进行频谱中心化，使频谱图中低频部分分布于频谱图中心区域，高频部分分布于频谱图边缘区域；步骤2：对经所述步骤1处理后的两幅频谱图分别进行加窗，再对加窗后的两幅频谱图进行相位干涉，得到干涉相位图；步骤3：计算所述干涉相位图中每个元素对应的相位标准偏差，并由所有相位标准偏差生成相位标准偏差图；步骤4：以所述相位标准偏差图的中心元素作为种子点，设置种子生长阈值，进行种子生长，得到所述干涉相位图中干涉条纹清晰区域；步骤5：获取所述干涉条纹清晰区域的最小外接矩阵，对所述最小外接矩阵所包含的区域进行裁剪，得到相应区域块；步骤6：采用SVD分解对所述区域块进行秩1估计，提取SVD分解后最大特征值对应的左奇异向量和右奇异向量，并分别计算所述左奇异向量和右奇异向量的相位；步骤7：对所述左奇异向量和右奇异向量的相位分别进行相位解缠，对左奇异向量和右奇异向量相位解缠后的相位分别进行第一次定权，对第一次定权后的相位及其对应的位置序号进行直线拟合，得到第一次拟合直线；根据所述第一次拟合直线模型的残差，对左奇异向量和右奇异向量相位解缠后的相位进行第二次定权，对第二次定权后的相位及其对应的位置序号进行直线拟合，得到第二次拟合直线；步骤8：根据左奇异向量和右奇异向量对应的第二次拟合直线的斜率，再结合所述影像的长和宽，计算发生位移后影像相对于发生位移前影像在x方向和y方向的平移量。2.如权利要求1所述的相位相关抗噪位移估计方法，其特征在于，所述步骤2中，采用汉宁窗对每幅所述频谱图进行加窗，所述汉宁窗的计算公式为：其中，W
hn
(i,j)表示频谱图第i行第j列位置处的汉宁窗函数值，(i,j)分别表示影像中某像素点的行列号，rows表示影像中像素点的总行数，cols表示影像中像素点的总列数。3.如权利要求1所述的相位相关抗噪位移估计方法，其特征在于，所述步骤2中，干涉相位图的计算公式为：其中，Q(u,v)表示干涉相位图，F1(u,v)表示发生位移前影像经二维傅里叶变换后对应的频谱图，F2(u,v)表示发生位移后影像经二维傅里叶变换后对应的频谱图，表示取F2(u,v)的共轭，x0表示发生位移后影像相对于发生位移前影像在x方向的位移，y0表示发生位移后影像相对于发生位移前影像在y方向的位移，u表示像素坐标系的横坐标，v表示像素坐标系的纵坐标。
4.如权利要求1所述的相位相关抗噪位移估计方法，其特征在于，所述步骤3中，计算相位标准偏差的具体实现过程为：步骤3.1：定义滑动窗口大小w*w，其中w表示边长且为奇数；步骤3.2：对所述干涉相位图中每个元素求取相位，得到对应的相位矩阵M；步骤3.3：构造与所述相位矩阵M维度一致的相位标准偏差矩阵P，对所述相位标准偏差矩阵P中的所有元素进行初始化；步骤3.4：对于所述相位矩阵M中的每个元素，以该元素为中心，取w*w滑动窗口大小区域内的所有元素构成一个新矩阵M'，按照以下公式计算对应位置的相位标准偏差：其中，表示对应位置的相位标准偏差，对应位置是指滑动窗口的中心位置，表示新矩阵M'中第i行第j列元素对应的相位的梯度，表示新矩阵M'中第i行第j列元素对应的相位。5.如权利要求1所述的相位相关抗噪位移估计方法，其特征在于，所述步骤4中，种子生长的具体实施过程为：步骤4.1：提取出所述种子点的八领域内像素点，计算八领域内每个像素点位置对应的值与该种子点位置对应的值之间的距离；...

【专利技术属性】
技术研发人员：余志武，张云生，杨振，戴吾蛟，邢磊，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：