基于高程和角度约束的遮挡检测方法

摘要

一种基于高程和角度约束的遮挡检测方法，属于图像处理技术领域。本发明的目的是基于角度的遮挡检测方法的基础上，为提高遮挡区域检测的精度和效率，对基于高程约束的遮挡检测算法进行了改进，提出了一种基于高程和角度约束的遮挡检测方法。本发明步骤是：保留对当前点进行可见性分析的结果信息，记录对应的五个参数，计算出变化单个像素距离产生的高程差，判断搜索路径上与前一层的交点是否可见。本发明具有精度高、可见性分析速度快等优点。

权利要求

1.一种基于高程和角度约束的遮挡检测方法，其特征在于：其步骤是：S1、每一个柱状表示一个像素点，投影中心PS，在三维空间里，像素点与投影中心的位置关系可用四个参数 表示，其中(X,Y,Z)为像素点的位置，为投影中心相对像素点的仰角，保留对当前点进行可见性分析的结果信息，记录对应的五个参数Visible为该点的可见性；

S2、将最高点的高程置于影像的最远处，在整幅影像中投影中心相对像素点的仰角最小，当仰角为此值时，可以计算出变化单个像素距离产生的高程差为HV；当内层点高程与外层点高程的差小于HV时，内层点可见则外层点必然可见，会存在这样的一个高程HdV，使得当内层点的高程比外层点的高程大HdV时，若内层点不可见则外层点必然不可见；

S3、检测某一地物点3是否可见时，先判断搜索路径上与前一层的交点是否可见，其中交点定义为地物点2，判断步骤为：(1)若地物点2可见，并且Z3+HV＞Z2，则地物点3可见；

(2)若地物点2可见，并且Z3+HV＜Z2，则计算地物点2和地物点3的仰角表征值 和若 地物点3可见；否则 地物点3不可见，并将替代 写入地物点3的记录参数中；

(3)若地物点2不可见，则计算地物点3的仰角表征值 若 地物点

3可见；否则 地物点3不可见，并将 替代 写入地物点3的记录参数中。

2.根据权利要求1所述的基于高程和角度约束的遮挡检测方法，其特征在于：可见性分析流程：S1、假定地底点附近的四个地物点可见，并记录他们各自的五个参数每一层的起始点为圆形标记的地物点，按照逆时针的顺序对当前层逐点进行判断，并记录每个点对应的记录参数，当某一边搜索到边缘时，直接跳过进入其它边的地物点，依次逐层向外对地物进行可见性分析，直到所有地物点的可见性分析完成；

S2、检测某一地物点P(XP,YP,ZP)是否可见时，先计算投影光线与向内一层的交点Q(X,Y)，此时Q所在层最近的两个地物点Q1和Q2的可见性已知，假定点Q1和Q2的记录参数分别为和 对地物点P进行可见性分析可分为以下两种情况：

(1)地物点Q1和Q2都可见，即V1&V2＝true；如果满足ZP+HV＞Z1且ZP+HV＞Z2，则地物点P可见，否则不能判断地物点P的可见性；若ZP+HV＞ZQ，则地物点P可见，否则计算地物点Q的值和地物点P的 值；若 则地物点P可见，否则地物点P不可见；

(2)地物点Q1和Q2有一个不可见，即V1&V2＝false；计算地物点P的 值，如果满足且 则地物点P不可见 ；否则计算地物点Q的其中k＝(X‑X1)/(X2‑X1)； 若 则地物点P可见，否则地物点P不可见。

说明书

基于高程和角度约束的遮挡检测方法

技术领域

[0001] 本发明属于图像处理技术领域。

背景技术

[0002] 大倾斜航空影像在成像过程中，地形起伏和建筑物很容易引起遮挡，尤其在地形起 伏较大的地区，将存在大片的遮挡区。在对大倾斜航空影像进行几何校正时，如果不消除大 片的遮挡区域，将产生严重的重影现象，将对影像的应用产生严重的影响。

[0003] 遮蔽检测算法根据处理时采用的地表数据形式的不同，可分为基于栅格数据的遮挡 检测算法和基于矢量数据的遮挡检测算法；根据基本原理的不同，可分为Z‑buffer算法、基 于角度的遮挡检测算法、基于高程的遮挡检测算法、光线追踪遮挡检测算法、PBI算法、基 于三角网的遮挡检测算法，以及基于这些算法和数据特点的衍生算法。

[0004] (1)Z‑Buffer算法

[0005] Z‑Buffer算法的依据是：在同一条投影光线上的所有地物点，距离摄影中心近的地物点离投 影中心远的地物点。在进行遮挡检测时，需要记录原始影像上各个像点对应的Z‑Buffer矩阵 和DSM网格的可见性矩阵，分别记为p_buffer和P_visible，其中p_buffer记录了对应物点P 和像点p的距离D和该物点P的坐标。采用Z‑Buffer算法进行遮挡检测的过程为：首先将 p_buffer的深度都设置成无穷远，DSM网格的可见性都设置成可见，对DSM网格上的点P根 据共线方程进行校正时，计算点P对应的像点p和它们的距离D，根据p的坐标取出对应的 p_buffer，假如D＜p_buffer_D，将p_buffer中记录的物点位置记录为不可见，并使 p_buffer_D＝D，p_buffer_P＝P，否则将物点P记录为不可见，循环完成对整幅影像的 可见性分析。

[0006] Z‑Buffer算法思路简单、计算量小、效率高，但这种算法也存在致命的缺陷，只有 在一个物点对应一个像点的前提下才能得到理想的效果，当一个物点覆盖多个像点时就可能 导致伪可见和M‑Portion问题，当一个像点覆盖多个临近物点时就可能导致伪遮挡的问题。 因此Z‑Buffer算法很难适应成像倾角大和地形起伏较大的影像。

[0007] (2)基于角度的遮蔽检测算法

[0008] 基于角度的遮蔽检测算法基本原理是：在地底点和待检测点的水平连线上，每个地物点对应 的投影光线与水平面都有一个夹角，根据夹角的变化来分析待检测点的可见性。在地物点与 地底点的水平连线上，逐渐远离地底点的方向上，如果投影光线与水平面的夹角逐渐变小， 则没有遮挡；如果在某一位置突然变大，而后又变小恢复或小于原来的角度，则该段区域被 遮挡。

[0009] 该算法具有简单明了、理论严密的特点，能适用于各种复杂的环境，不会存在Z‑Buffer 算法的伪遮蔽、伪可见和M‑Portion问题。但也因为对每一个地物点都要进行角度的比较来 分析其可见性，频繁的角度计算使得处理效率低、耗时长。同Z‑Buffer算法一样，如果不通 过先验的信息确定合适的扫描方式，将会存在严重的重复计算，因此快速高效的扫描方式也 是该算法需要解决的关键问题，Habib采用螺旋扫描的方式来提高效率，同样，Z‑Buffer算 法的改进算法的思路也都适用该算法以提高处理的效率。

[0010] (3)基于高程的遮挡检测算法

[0011] 基于高程的遮蔽检测算法的基本原理是：在对某一地物点进行可见性分析时，如[69]果该地物点 可见则该地物点与投影中心的连线在地形数据的上方 。如图1所示，在判断点P0是否可 见时，在P0和PS的连线上，设定一定的变化量，根据比例可以计算出连线上的点的高程 Hit(i＝1,2,3,…,n)，与该点水平面坐标的DSM实际高程Hi(i＝1,2,3,…,n)进行比较，若任意一 点满足Hit＜Hi，说明点P0被遮挡，否则根据变化量继续取下一点，直到搜索到地底点O， 若满足Hit＞Hi(i＝1,2,3,…,n)都成立则说明点P0可见。

[0012] 该算法与基于角度的遮挡检测算法相似，具有理论直观严密的特点，也能有效解决 Z‑Buffer算法的伪遮挡、伪可见和M‑Portion问题，并且该算法不用计算角度，在离地底点 较进的区域执行效率很高，但在离地底点较远的区域，只有被遮挡或是搜索到达地底点才能 判断该点的可见性，由于距离较远造成效率的降低。

发明内容

[0013] 本发明的目的是基于角度的遮挡检测方法的基础上，为提高遮挡区域检测的精度和 效率，对基于高程约束的遮挡检测算法进行了改进，提出了一种基于高程和角度约束的遮挡 检测方法。

[0014] 本发明步骤是：

[0015] S1、每一个柱状表示一个像素点，投影中心PS，在三维空间里，像素点与投影中心的位置关 系可用四个参数 表示，其中(X,Y,Z)为像素点的位置， 为投影中心相对像素点 的仰角，保留对当前点进行可见性分析的结果信息，记录对应的五个参数 Visible为该点的可见性；

[0016] S2、将最高点的高程置于影像的最远处，在整幅影像中投影中心相对像素点的仰角最小，当 仰角为此值时，可以计算出变化单个像素距离产生的高程差为HV；当内层点高程与外层点高 程的差小于HV时，内层点可见则外层点必然可见，会存在这样的一个高程HdV，使得当内层 点的高程比外层点的高程大HdV时，若内层点不可见则外层点必然不可见；

[0017] S3、检测某一地物点3是否可见时，先判断搜索路径上与前一层的交点是否可见，其中交点 定义为地物点2，判断步骤为：

[0018] (1)若地物点2可见，并且Z3+HV＞Z2，则地物点3可见；

[0019] (2)若地物点2可见，并且Z3+HV＜Z2，则计算地物点2和地物点3的仰角表征值和 若 地物点3可见；否则 地物点3不可见，并 将 替代 写入地物点3的记录参数中；

[0020] (3)若地物点2不可见，则计算地物点3的仰角表征值 若地物点 3可见；否则 地物点3不可见，并将 替代 写入地物点3
的记 录参数中。

[0021] 本发明可见性分析流程：

[0022] S1、假定地底点附近的四个地物点可见，并记录他们各自的五个参数每一层的起始点为圆形标记的地物点，按照逆时针的顺序对当前层逐点进行判断，并记录每 个点对应的记录参数，当某一边搜索到边缘时，直接跳过进入其它边的地物点，依次逐层向 外对地物进行可见性分析，直到所有地物点的可见性分析完成；

[0023] S2、检测某一地物点P(XP,YP,ZP)是否可见时，先计算投影光线与向内一层的交点Q(X,Y)， 此时Q所在层最近的两个地物点Q1和Q2的可见性已知，假定点Q1和Q2的记录参数分别为  和 对地物点P进行可见性分析可分为以下两种 情况：

[0024] (1)地物点Q1和Q2都可见，即V1&V2＝true；如果满足ZP+HV＞Z1且ZP+HV＞Z2，则地 物点P可见，否则不能判断地物点P的可见性；若ZP+HV＞ZQ，则地物点P可见，否则计 算地物点Q的 值和地物点P的 值；若 则地物点P可见，否则 地物点P不可见；

[0025] (2)地物点Q1和Q2有一个不可见，即V1&V2＝false；计算地物点P的 值，如果满足  且 则地物点P不可见；否则计算地物点Q的 其中k＝(X‑X1)/(X2‑X1)。若 则地物 点P
可见，否则地物点P不可见。

[0026] 本发明具有精度高、可见性分析速度快等优点。

附图说明

[0027] 图1是基于高程的遮蔽检测算法示意图；

[0028] 图2是投影中心与像素点位置关系图；

[0029] 图3是对点3进行可见性分析的流程图；

[0030] 图4是螺旋扫描法示意图；

[0031] 图5是可见性分析流程图；

[0032] 图6是遮挡检测算法的效果对比图；其中图(a)(b)(c)分别为所用的时间261秒、551秒、 481秒，(d)(e)(f)分别为图(a)(b)(c)中框线部分局部放大图。

具体实施方式

[0033] 本发明的详细高程和角度约束的遮挡检测方法：

[0034] 如图2所示，每一个柱状表示一个像素点，投影中心PS，在三维空间里，像素点与投影中心 的位置关系可用四个参数 表示，其中(X,Y,Z)为像素点的位置，为投影中心相 对像素点的仰角(即像素点与投影中心连线与水平面的夹角)。显然 因此 的大小可以表征 的大小。由于求解反三角函数需要迭代，效率较低，所以可采用值 作为判断是否被遮挡的依据，以达到提高运算效率的目的。为保留对当前点进行可见性分析 的结果信息，记录它所对应的五个参数

[0035] Visible为该点的可见性，其它参数与前述参数相同。

[0036] 如果将最高点的高程置于影像的最远处，在整幅影像中投影中心相对像素点的仰角 最小，当仰角为此值时，可以计算出变化单个像素距离产生的高程差为HV。显然，当内层点 高程与外层点高程的差小于HV时，内层点可见则外层点必然可见。同样，也会存在这样的一 个高程HdV，使得当内层点的高程比外层点的高程大HdV时，若内层点不可见则外层点必然 不可见。

[0037] 如图2所示，检测某一地物点3是否可见时，先判断搜索路径上与前一层的交点(地 物点2)是否可见，判断流程如图3所示，具体步骤为：

[0038] (1)若地物点2可见，并且Z3+HV＞Z2，则点3可见。

[0039] (2)若地物点2可见，并且Z3+HV＜Z2，则计算点2和点3的仰角表征值 和 若 点3可见；否则 点3不可见，并将 替 代写入点3的记录参数中。

[0040] (3)若地物点2不可见，则计算点3的仰角表征值 若 点 3可见；否则 点3不可见，并将 替代 写入点3的记录参数中。

[0041] 该方法不仅保留了角度判别法的优点，而且避免了反三角函数的计算，同时对某一 地物点进行可见性分析时，只需要根据投影光线上前一点的记录参数就能判别其可见性，不 需要再向内层搜索，能有效提高进行遮挡检测的效率。对外层点进行可见性分析时利用了内 层点的信息，当待检测点在被遮挡区域远边界及影像边缘时，更能体现该方法的优越性。

[0042] 本发明可见性分析流程

[0043] 对地物点进行可见性分析时，借鉴螺旋扫描法，以地底点周围的四个点为中心逐层对地物的 可见性进行判断，如图4所示。首先假定地底点附近的四个地物点可见，并记录他们各自的 五个参数

[0044] 每一层的起始点为圆形标记的地物点，按照逆时针的顺序对当前层 逐点进行判断，并记录每个点对应的记录参数，当某一边搜索到边缘时，直接跳过进入其它 边的地物点，依次逐层向外对地物进行可见性分析，直到所有地物点的可见性分析完成。

[0045] 检测某一地物点P(XP,YP,ZP)是否可见时，先计算投影光线与向内一层的交点 Q(X,Y)(如图4中三角形标记的位置)，此时Q所在层最近的两个地物点Q1和Q2的可见性 已知，假定点Q1和Q2的记录参数分别为 和 对 地物点P进行可见性分析可分为以下两种情况：

[0046] (1)地物点Q1和Q2都可见，即V1&V2＝true。如果满足ZP+HV＞Z1且ZP+HV＞Z2， 则地物点P可见，否则不能判断地物点P的可见性。若ZP+HV＞ZQ，则地物点P可见，否 则计算地物点Q的 值和地物点P的 值。若 则地物点P可见， 否则地物点P不可见。

[0047] (2)地物点Q1和Q2有一个不可见，即V1&V2＝false。计算地物点P的 值， 如果满足 且 则地物点P不可见；否则计算地物点Q的 其中k＝(X‑X1)/(X2‑X1)。若 则地物 点P
可见，否则地物点P不可见。对点P进行可见性分析的流程如图5所示。

[0048] 该算法充分利用了内层点的可见性分析结果和计算结果，考虑到光线遮挡的传递性， 无需任何的向内搜索，一次性完成从内层到外层的遮挡判断，同时可根据遮挡判断情况绝对 是否对像素点进行灰度赋值。

[0049] 实验结果分析

[0050] 其中图6(a)为不进行遮挡检测的几何校正结果，图6(b)为使用基于高程约束的遮挡检测算法 进行遮挡检测和几何校正的结果，图6(c)为本专利算法进行遮挡检测和几何校正的结果，图 6(d)(e)(f)分别为图6(a)(b)(c)中红色方框部分的放大图。

[0051] 从图6可以看出，基于高程约束的遮挡检测算法存在较明显的漏检，这是由于在进 行遮挡检测时，为提高检测的效率，基于高程的遮挡检测算法直接取内层点的最近邻像素， 不能考虑其它相邻点的信息，使得光线可能从两个像素之间的缝隙穿过造成漏检；本专利方 法采用双线性插值法对高程进行插值，牺牲了一定的效率，但提高了遮挡检测的精度。在 win2008、处理器AMD Athlon II X4640、内存4g、C#开发环境下，进行几何校正得到图6， 所用的时间分别为261秒、551秒、481秒，CPU占用率均为25％，内存占用分别为327M、331M、 
353M。可以看出，与基于高程的遮挡检测算法相比，本专利遮挡检测算法具有更高的效率， 处理过程中占用资源更少。