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        基于相位相關(guān)的全景圖像拼接技術(shù)

        2021-06-03 06:40:34任智姣
        信息記錄材料 2021年4期

        任智姣

        (山西工程職業(yè)學(xué)院 山西 太原 030009)

        1 引言

        全景視圖方法是基于圖像繪制的關(guān)鍵技術(shù),已被推廣應(yīng)用于虛擬現(xiàn)實領(lǐng)域以及計算機(jī)視覺領(lǐng)域。在全景圖像拼接中,首先拍攝獲得圖像序列,然后直接進(jìn)行柱面投影變換,即可獲得統(tǒng)一柱面空間圖像序列,再進(jìn)行圖像拼接處理,即可形成全景圖像。在圖像拼接中,可利用兩幅圖像重疊區(qū)的相似性實現(xiàn),通過應(yīng)用基于特征的算法,并利用尋找局部對應(yīng)以及抽取重要特征方式進(jìn)行匹配,即可得出局部最優(yōu)解。

        2 全景圖概述

        全景圖技術(shù)指的是利用圖像處理技術(shù)所形成的全景圖像,能夠重現(xiàn)觀察者環(huán)視一周時所觀看到的場景。在全景圖像獲取方面,主要有兩種方式:第一,采用全景照相機(jī)拍攝,即可自動化形成全景圖,操作方式便捷,但是設(shè)備購置成本比較高。第二,采用普通數(shù)碼照相機(jī)拍攝序列照片,再利用圖像拼接方式獲得全景圖像。在全景圖像拼接過程中,要求保證透視效果,柱面全景圖像的數(shù)據(jù)存儲結(jié)構(gòu)簡單,因此,一般可拼接柱面全景圖像。

        在全景圖像的形成過程中,要求對圖像間的三維旋轉(zhuǎn)量以及單位性矩陣進(jìn)行計算,為了簡化求解過程,可對相機(jī)運動進(jìn)行限制,在拍攝過程中,使得相機(jī)鏡頭能夠在水平方向繞光心進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。圖像間需圍繞y軸旋轉(zhuǎn)角度,無需在垂直方向傾斜,另外,對于圖像重疊部分,可映射至統(tǒng)一約束空間,對相鄰圖像之間兩個方向的位移量進(jìn)行計算,即可對圖像進(jìn)行對準(zhǔn)以及整合處理,再經(jīng)過柱面投影,即可形成全景圖像[1]。

        3 圖像采集技術(shù)

        現(xiàn)如今,全景圖像拼接算法逐漸增多,可對特定圖像進(jìn)行拼接處理。在全景圖像拼接中,首先需獲取圖像,在利用相機(jī)進(jìn)行拍攝時,應(yīng)注意以下拍攝技巧。

        (1)使用三腳架固定相機(jī),再按照一定角度旋轉(zhuǎn)拍攝。首先將三腳架固定在某個位置,然后再將相機(jī)按照一定角度旋轉(zhuǎn)和拍攝,通過應(yīng)用這一拍攝方式,無需使用較多相機(jī)參數(shù)。在理想狀態(tài)下,無需將相機(jī)沿光軸旋轉(zhuǎn),由于相機(jī)旋轉(zhuǎn)角度比較小,因此所能夠拍攝的兩幅圖像之間重疊區(qū)比較大,便于全景圖像拼接。在這一拍攝方法的實際應(yīng)用中,所獲得的圖像不是出于同一平面的圖像序列,在全景圖像拼接過程中,需將拍攝到的圖像投影至同一個平面,然后再進(jìn)行拼接,一般可應(yīng)用柱面全景圖拼接方式。

        (2)手持相機(jī)拍攝圖像。在這一拍攝方式中,拍攝者手持相機(jī),站立在固定點,然后旋轉(zhuǎn)對四周拍攝,是全景圖拼接中比較常用的圖像獲取方式。在這一拍攝方式的實際應(yīng)用中也存在一定的弊端,即容易受到外界環(huán)境因素影響,相機(jī)運動過程比較復(fù)雜,為了保證圖像獲取質(zhì)量,應(yīng)盡量減小相機(jī)旋轉(zhuǎn)角度,擴(kuò)大相鄰圖像重疊區(qū)面積。另外,在該拍攝方式的實際應(yīng)用中,相機(jī)焦距以及場景物體均處于不斷變化中,并且容易受到光照因素影響,因此很難保證圖像質(zhì)量[2]。

        4 柱面投影技術(shù)

        在柱面全景圖的拼接過程中,通過拍攝獲得原始圖像序列后,如果直接拼接,可能無法保證場景拼接效果的一致性,同時很難對場景中各個對象之間的幾何關(guān)系進(jìn)行控制。對此,為了保證場景中空間約束關(guān)系,在拍攝獲得原始圖像序列后,需將其映射至標(biāo)準(zhǔn)投影中,即柱面投影,即可獲得柱面圖像序列,在此基礎(chǔ)上進(jìn)行拼接,即可形成完整的柱面全景圖。

        在柱面投影變換過程中,需根據(jù)投影變換公式進(jìn)行計算,假設(shè)照相機(jī)在x-z平面運動,光軸和圖像平面之間的交點即圖像中心點,如圖1中(a)所示。原始圖像、投影柱面圖像以及柱面分別為I、J、K,原點即為觀察點O。為了確定O點觀察圖像I在柱面K上的投影影像,設(shè)定柱面半徑為r,投影角度為θ,圖像寬度和高度分別為W、H。柱面圖像寬度計算公式為,其中,高度為H。對于圖像像素坐標(biāo),可以對像素在圖像上的位置進(jìn)行定義,對于左上角像素,可作為原點。

        在圖像I中,設(shè)任意一點P,圖像上P點的坐標(biāo)可采用(x, y)表示,對柱面圖像J上P點所對應(yīng)的Q點。在圖像J上,Q點的坐標(biāo)為(x′,y′),在x-z平面以及y-z平面上,點P如圖1中(b)和(c)所示,即可確定柱面投影變換公式:,在上述公式中,

        圖1 柱面投影變換

        在圖1(b)中,θ角和拍攝焦距密切相關(guān),全景圖角度為360°,可確定各個圖像中所對應(yīng)的角度,θ角的計算公式如下:

        5 圖像拼合技術(shù)

        5.1 重疊圖像拼接。在全景圖像拼接中,在相位相關(guān)法的實際應(yīng)用中,在純二維平移情況下,拼接精度能夠達(dá)到1個像素,主要被應(yīng)用于航空照片拼接以及衛(wèi)星遙感圖像配準(zhǔn)中。在本次研究中,在獲得原始圖像序列后,再經(jīng)柱面投影處理后,即可獲得柱面圖像序列,只可發(fā)生相對平移,因此,可應(yīng)用于全景圖像拼接中[3]。

        相位相關(guān)法的應(yīng)用原理為傅里葉變換,對于兩幅數(shù)字圖像g1、g2, G1、G2,可用于表示圖像的傅里葉變換,計算公式如下:,i∈[1,2]。對于頻域中兩幅圖像的相位差,可根據(jù)以下公式進(jìn)行計算:

        假設(shè),在圖像g1與圖像g2之間,間距一個平移量L,則對于兩幅圖像之間的公式,可根據(jù)以下公式進(jìn)行計算:

        對于公式(2),可進(jìn)行傅立葉變換,獲得以下公式:

        通過對公式(1)和公式(3)進(jìn)行分析,每一空間頻率f有:

        對于公式(4),進(jìn)行傅立葉逆變換處理,即可獲得公式(5)。

        通過對公式(2)進(jìn)行分析,在兩幅圖像的配準(zhǔn)點上,有一δ函數(shù),其余部分為零。根據(jù)公式(5),即可對d(r)進(jìn)行計算,在確定d(r)最大值后,對于其所對應(yīng)的像素點,即可作為配準(zhǔn)點。

        5.2 圖像融合。在圖像序列拼接完成后,相鄰圖像亮度不同,如果直接將圖像進(jìn)行疊加處理,則拼接位置的拼接縫比較明顯。對此,對于圖像重疊區(qū),可將其像素按一定權(quán)值相加,即可獲得新的拼接圖像,在圖像拼接完成后,對圖像錯開部分進(jìn)行裁剪,對于重疊圖像部分像素值,可根據(jù)以下公式計算:;在上述公式中,I3指的是融合后圖像中對應(yīng)像素的像素值I1和I2相鄰兩幅圖像重疊區(qū)域中相對應(yīng)像素點的像素值,W1和W2分別指的是該像素在各自圖像上的權(quán)值,其取值范圍為[0,1]。通過圖像融合處理,能夠保證相鄰圖像之間能夠平滑過渡,提高圖像拼接質(zhì)量。

        6 總結(jié)

        綜上所述,本文采用相位相關(guān)法進(jìn)行全景圖像拼接,在圖像拼接中應(yīng)用快速傅里葉變化方式,同時采用頻域相位信息進(jìn)行圖像拼接,計算量與圖像尺寸大小密切相關(guān),能夠避免圖像拍攝中光照變化、鏡頭幾何畸變對圖像拼接質(zhì)量造成不良影響。通過采用相位相關(guān)法進(jìn)行全景圖拼接,能夠有效提高拼接速度,保證拼接質(zhì)量。

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