崔亞琳
(中北大學(xué)信息探測與處理技術(shù)研究所,山西 太原 030051)
射箭已成為一項(xiàng)重要的全球性運(yùn)動。報(bào)靶是射箭項(xiàng)目的重要部分。傳統(tǒng)的人工報(bào)靶存在安全隱患,效率低下,工作量大等弊端。隨著科技進(jìn)步和訓(xùn)練技術(shù)水平的提高,射箭運(yùn)動的場地器材也在不斷地更新,并向自動化的方向發(fā)展。
基于計(jì)算機(jī)視覺的圖像處理技術(shù)的自動報(bào)靶系統(tǒng)由于可以直接處理現(xiàn)場攝像機(jī)采集的圖像得到結(jié)果,其成本低、效率高、實(shí)時(shí)性高,因此被越來越多的人所關(guān)注。
然而基于計(jì)算機(jī)視覺的自動報(bào)靶技術(shù)主要處理現(xiàn)場攝像機(jī)采集的圖像,而不同的場地?cái)z像機(jī)位置不同,箭靶在整幅圖像中的位置隨機(jī),所以就對圖像處理造成了一些困難。而且箭靶與地面存在一個(gè)75°的夾角同時(shí)攝像機(jī)與箭靶也有一定夾角會使圖像產(chǎn)生隨機(jī)的畸變,就導(dǎo)致檢測精度不高。為了更好地識別效果所以我們需要選取控制點(diǎn)對圖像進(jìn)行幾何校正預(yù)處理。
觀察箭靶圖像后可發(fā)現(xiàn)圖像失真主要為幾何失真,主要是由于攝像頭與箭靶的夾角導(dǎo)致,而攝像頭本身的失真很小可以忽略。由于攝像時(shí)的視角不同,在圖像生成的過程中,都會使產(chǎn)生的圖像產(chǎn)生桶形、枕行、梯形等幾何失真。為了提高檢測的準(zhǔn)確性、可靠性,需要對失真圖像進(jìn)行幾何校正。為了提高校正的速度,結(jié)合靶紙圖像特征,即靶紙為邊長為50 cm×50 cm 的正方形,采用控制點(diǎn)法來進(jìn)行幾何校正。
幾何校正主要包括兩部分:一是圖像坐標(biāo)的空間變換,它定義了圖像平面上像素位置的重新安排。二是灰度插值,它是給變換后的圖像重新賦灰度值[1]。校正的主要思路如下[2]:
1)從采集圖像中提取箭靶圖像的四條邊,由四邊的交點(diǎn)確定箭靶圖像的四個(gè)頂點(diǎn);
2)結(jié)合靶紙的邊長生成一個(gè)正方形區(qū)域并將四個(gè)頂點(diǎn)坐標(biāo)當(dāng)做基準(zhǔn)點(diǎn);
3)依據(jù)生成的正方形四個(gè)頂點(diǎn)坐標(biāo)和圖像檢測得到的頂點(diǎn),求解空間變換方程中的變換系數(shù);
4)利用求得的變換系數(shù)進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換;
5)利用雙線性插值法進(jìn)行灰度插值,得到校正圖像。
圖1 控制點(diǎn)的空間映射
如圖1 所示四邊形頂點(diǎn)直接映射到相應(yīng)的正方形頂點(diǎn)上,而輸入四邊形內(nèi)部的點(diǎn)則被映射到對應(yīng)矩形內(nèi)部的點(diǎn)上。假設(shè)(u,v)是輸出圖像的坐標(biāo)點(diǎn),(x,y)是輸入圖像的坐標(biāo),根據(jù)四點(diǎn)的映射可以解得公式(1)中的系數(shù)從而得到空間變換方程。
在完成空間變換后,還需要一個(gè)用于灰度級插值的算法,用來產(chǎn)生一個(gè)能保持連續(xù)性和連通性的灰度光滑映射。插值方法有最近鄰插值、雙線性插值、立方卷積插值算法。其中最近鄰插值方法,簡單直觀,但圖像質(zhì)量不高,容易出現(xiàn)鋸齒邊緣。立方卷積的插值方法又計(jì)算量過大所以采用雙線性插值的方法。雙線性插值的運(yùn)算表達(dá)式:
變換后的圖像中點(diǎn)的灰度值要對應(yīng)空間變換前點(diǎn)相鄰的四個(gè)像素灰度值共同決定。
在幾何校正中控制點(diǎn)的獲取直接關(guān)系到校正方程的確定。在幾何校正應(yīng)用較多的遙感領(lǐng)域一般都采用人為選取交叉點(diǎn)作為控制點(diǎn)的方法。而在箭靶圖像處理中,由于靶紙為四邊形,所以采用頂點(diǎn)作為控制點(diǎn)。為了獲取頂點(diǎn)坐標(biāo)我們需要進(jìn)行直線檢測來得到交點(diǎn)。
直線檢測是計(jì)算機(jī)視覺領(lǐng)域基礎(chǔ)而重要的問題。Hough變換是解決該問題的主要方法之一。因?yàn)樗罁?jù)的是圖像的統(tǒng)計(jì)特性所以具有魯棒性、抗噪性和對部分遮蓋的不敏感等特性。
Hough 變換直線檢測,直角坐標(biāo)中的線轉(zhuǎn)變?yōu)闃O坐標(biāo)中的點(diǎn),關(guān)系式[4]:
圖2 霍夫變換
其中r 為原點(diǎn)到直線的法線距離,θ 為該法線與X 軸正向所成夾角。這樣,如圖2 所示圖像空間中的任意一點(diǎn)(x,y)將對應(yīng)參數(shù)空間中的一條正弦曲線。圖像空間中位于同一條直線上的點(diǎn)確定了參數(shù)空間的多條正弦曲線,且這些正弦曲線交于同一點(diǎn),此交點(diǎn)的坐標(biāo)確定了原圖像空間中直線的參數(shù)。
本文使用幾何校正對圖像進(jìn)行校正,校正過程使用hough 檢測直線,如圖3 中(c)圖中加粗的直線即為檢測到的直線,直線的交點(diǎn)即為控制點(diǎn)。(d)圖即為校正效果。可以發(fā)現(xiàn)校正后圖像基本恢復(fù)正常,對比(a)可以發(fā)現(xiàn)圖像的傾斜角基本已經(jīng)校正為垂直的。此處確定了校正方程后后面的直線點(diǎn)的位置以及圓心、半徑可以直接帶入方程來確定校正后的位置與大小。
圖3 幾何校正
本文利用幾何校正與hough 直線檢測相結(jié)合的方法來對射箭箭靶圖像進(jìn)行預(yù)處理。首先將多用于遙感圖像的幾何校正方法使用在視頻圖像校正上很好的解決了箭靶與攝像機(jī)之間存在夾角導(dǎo)致的圖像空間上的畸變。其次使用雙線性插值法使校正后的圖像效果較好,處理速度比較快,最后使用hough 直線檢測很好的解決了控制點(diǎn)選取的問題。本文通過實(shí)驗(yàn)表明使用圖像預(yù)處理處理獲得了良好的效果,很好的提高了識別精度避免了判別錯(cuò)誤為后期的處理奠定了良好的基礎(chǔ)。
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[4]程鵬,朱美琳,耿華.一種基于梯度Hough 變換和SVM的圓檢測算法[J].計(jì)算機(jī)與現(xiàn)代化,2013,2:22-26.