基于圓心定位的全景圖像拼接與展開

張忠民，張 磊

(哈爾濱工程大學信息與通信工程學院，黑龍江哈爾濱 150001)

利用圖像拼接方法獲得全景圖像，被廣泛應用于航海、航空、遙感圖像分析、醫學圖像分析等諸多領域。全景圖像的展開是其具體應用中必不可少的環節。全景圖像的拼接與展開要求獲取大視角，寬范圍的視覺信息［1］。

圖像拼接技術的核心在于準確地找到不同圖像間重疊部分的區域或范圍，即圖像配準問題。常用的配準算法有比值匹配法，它是從一幅圖像的重疊區域中從部分相鄰的兩列中取出部分像素，然后比值作模板，在另一幅圖像中搜索最佳匹配，這種算法計算量較小，但精度較低［1－2］。另外就是塊匹配法，是以一幅圖像重疊區域中的一塊作為模板，從另一幅圖像中搜索與此模板相似的匹配塊。這種算法精度較高，但計算量過大。文中要求圖像像素為4096×4096，如以上算法應用于實際系統中，那其精度低或計算量大速度慢的缺點尤為明顯。

針對系統所拼圖像的特殊性，提出一種基于圓心定位的全景圖像拼接與展開算法，其計算量小、速度快、精度符合要求，適合實際應用。這種基于圓心定位的全景拼接算法是以兩幅帶拼接圖像中的一幅為基準，建立坐標系，對兩幅圖片分別進行羅貝特邊緣檢測，確定兩幅4096×3072待拼接的全景圖像的邊緣，并找出圓心，進行拼接，經過仿真實驗，該算法速度快、精度高、適合實際需要［3］。

1 圖像預處理

全景視覺采集系統鏡頭由兩片CCD組成，單個CCD輸出圖像的分辨率為4096×3072。鏡頭同時采集一組大小為4096×3072，光照、旋轉等相同圖像，拼接后圖像的分辨率為4096×4096。系統鏡頭有明顯黑色圓形邊緣，具有特殊性。針對此特殊性，文中提出一種基于圓心定位的全景圖像拼接方法。該設計首先需要對兩幅圖像進行灰度處理并提取圖像邊緣［4］。

Robert算子是一種利用局部差分尋找邊緣的算子。由式(1)給出

其中，f(x，y)是具有整數像素坐標的輸入圖像灰度，在實際應用中常采用交叉差分計算。各像素關系如表1所示。

表1 Robert算子的像素點位置

Robert算子是2×2的算子，對陡峭的低噪聲圖像響應最好［5］。

該系統具有特殊定位性，如果找到鏡頭所采集圖像的圓心即可進行定位拼接。圓形的直徑只有唯一的值且每條直徑都通過圓心，圓形邊緣已由上述Robert算子求出［6］，圖1為原始圖像以及經過Robert檢測的圖像。

圖1 原始圖像以及經過Robert檢測的圖像

利用上述方法對CCD1及CCD2所采集的圖像分別進行處理，得到兩幅邊緣檢測圖像，為圖像拼接做準備。兩幅圖像的邊緣較為明顯，符合系統圖像拼接要求。

2 針對系統的拼接方案

由于現有硬件的圖像采集設備，鏡頭由兩片CCD成一定角度組成，由于每片CCD像素陣列均為4096×3072，因此拼接所形成的傳感區域包含的像素陣列為4096×4096，中間重疊區的大小為4096×1024。因此須將上述采集的兩幅圖像進行拼接處理。

拼接的關鍵是找到每一片CCD的分割線，文中針對CCD所采集到圖像的特征，設計了一種基于圓心定位的圖像拼接算法。由于采集到的圖像主要信息在兩個大圓內，因此要完成圖像拼接，只要找到兩個大圓的圓心，便可確定每一個圖像的拼接分割線，所以實現拼接的關鍵是找到圓心坐標。由于處在圓的直徑端點上的兩點距離最大，而直徑的中心即圓心的位置，所以只要找到圓上距離最大的兩點的位置，便可確定圓的一條直徑，從而確定圓心的位置。算法的具體步驟如下:

(1)將圖像變為灰度圖像，并進行圖像邊緣提取邊緣上的點灰度值為1，否則為0，確定大圓上的點，設f1為右側即橫坐標方向有缺失的圖像，f2為左側有缺失的圖像。

(2)為防止取到圓上缺失部分的點，在f1上取一點，其中，η1，μ1∈［0，1］的隨機數。c，t為f1，f2橫縱像素點的個數。同理 f2在上取一點

(3)計算f1上灰度值為1的點距離S1的歐式距離，找到距離點S1最遠的點，設為A1，然后計算f1上灰度值為一的點距離A1的歐式距離，找到距離點A1最遠的點，設為B1，于是A1，B1即為圓上某直徑的兩個端點，則f1圖像的圓心，如圖3所示，用同樣方法多次求圓心坐標，取平均值，同理可得f2圖像的圓心

(4)由于兩幅圖像的縱坐標方向上不會產生偏差，所以根據圓心的橫坐標即確定兩幅圖割線的位置，取f1中所有橫坐標值小于圓心O1橫坐標值的像素點，與取f2中所有橫坐標值大于圓心O2橫坐標值的像素點，進行拼接，于是得到拼接圖像。

圖2 邊緣點的取得

由圖2可知，由于實際中圓形的不完整性，經上述方法找到的直徑端點可能是圓形缺失邊緣，即圖中Robert檢測右邊緣部分，這就增大了算法的不可靠性，因此，用算法中設定閾值來避免這一可能性的發生。

圖3 CCD采集圖像

3 圖像的展開

折反射全景成像裝置拍攝的環狀圖像存在同心圓環狀變形，須柱面展開，方能得到符合人眼視覺習慣的柱面全景圖像。圖4描述全景圖像查表展開法的原理［8］，預先計算出展開前及展開后圖像之間的像素坐標映射關系，并保存到以下查找表中。

圖4 全景圖像查表展開法原理

對于展開后圖像中的每一像素點，要在查找表中查詢其在展開前全景圖像中的像素坐標，即可較快地完成全景圖像的展開。該方法既可避免復雜的三角運算，保證較高的全景展開精度，又具有較快的全景展開速度。但由于查找表和圖像的數據量較大，而存儲所需的SDRAM芯片在讀寫單個數據時效率低、速度慢，從而導致基于單個像素點進行查表展開速度較慢。為解決這一問題，采用圖像分塊展開策略。目標圖像中的環帶塊，都將對應到源圖像中的矩形像塊，首先，對目標圖像，源圖像，查找表進行分塊，變單個數據讀寫為數據塊讀寫，進而完成圖像展開［9］。算法需在FPGA上得以實現，具體步驟為(1)從SDRAM讀出“查找表塊”、“源圖像塊”，寄存于 FPGA片上 BLOCKRAM。(2)以塊為點，進行查表衍射，將源圖像塊及查找表相對應，完成系統的圖像展開［10］。

4 仿真實驗

實驗所用圖像如圖3(a)，圖3(b)所示。實驗中選擇計算3組圓心坐標并求其平均值，即

根據O1，O2的橫坐標，可將f1，f2剪切為圖5所示兩部分(左為f1，右為f2)。圖6為拼接后的圖像。根據上述圖像展開算法，得到符合人眼觀看的全景展開圖像，如圖7所示。

5 結束語

經實驗仿真，基于圓心定位的全景圖像拼接法速度比以往圖像拼接算法快、準確度高。展開后的圖像符合實際要求，符合人眼觀看習慣，但展開后的圖像仍存在小部分失真現象，在之后的工作中需進一步的完善。總體上講，在實際的全景應用中，文中所提出的算法具有良好的實用性。

［1］ GONZALEZ R C.Digital image［M］.北京:電子工業出版社，2004.

［2］ 余宏生，金偉其.數字圖像拼接方法研究進展［J］.紅外技術，2009，31(6):348 －352.

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［5］ 張茂軍.虛擬現實系統［M］.北京:科學出版社，2001.

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［8］ 張以漠.應用光學［M］.北京:機械工業出版社，1982.

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