基于計算智能的圖像拼接系統設計與實現

摘 要： 圖像拼接技術是將相互間存在重疊區域的圖像序列實施配準和融合，形成一幅包含各圖像信息的寬視野的、完整的、高分辨率的新圖像。在此基于該目的，依據計算智能構建一個能夠完成具有相關性圖像配準和融合的自動化軟件系統。該系統給出了詳細需求分析、功能設計、類設計和界面設計。通過一系列測試和分析，證明該系統具有很好的兼容性，并且能夠較好、較快地完成序列圖像的拼接。

關鍵字： 計算智能； 圖像拼接； 系統設計； 自動化軟件

中圖分類號： TN964?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2013）12?0049?04

0 引 言

隨著互聯網的迅猛發展，人們對圖像數據傳輸的要求也越來越高，基于圖像拼接的方法逐漸獲得人們的青睞。然而由于原有的物理設備、光學成像設備獲取的圖像分辨率有限、很難實現全景拍攝等問題的困擾，人們便提出了基于圖形學的圖像拼接。而該技術同時也是基于圖像的繪制技術中的一項關鍵技術，目前在虛擬現實、計算機視覺等多個領域獲得廣泛的應用。所謂圖像拼接簡單地講就是將兩張相鄰并具有一定重疊區域的圖像無縫拼接在一起，是生成全景圖的關鍵技術，拼接算法直接影響到全景圖的真實感。

圖像拼接主要是根據兩幅圖像重疊區域的相似度來實現的，其難點在于如何保證生成圖像的幾何性質和顏色協調性。常見的圖像拼接算法主要分為3大類：基于面積、基于特征和互信息測度的方法?；诿娣e的方法是指把一幅圖像中某一像素的像素值鄰域作為模板，在另一幅圖像中搜索具有相同（或相似）像素值分布的對應點鄰域，從而確定兩幅圖像的重疊范圍。如Peleg和Herman的多重投影拼接方法就是典型的針對圖像重疊區域中的對應相似灰度值進行計算的?；谔卣鞯姆椒ㄒ话悴恢苯永脠D像像素值，而是通過像素值導出符號特征（如特征點、特征線段或邊緣特征等）實施匹配，該方法比面積法執行速度快?；诨バ畔y度是近幾年提出的一種基于圖像熵的方法，該方法也同樣不直接利用圖像的灰度特征，而是利用兩幅圖像的灰度概率分布，通過求取其聯合概率分布而獲取他們之間的聯合圖像熵，當聯合熵最小時，聯合信息量最小，互信息量最大的原理，轉而利用極大化測度函數獲取兩幅圖像的重合區域。

20世紀80年代中期，傳統人工智能在感知、理解、學習、聯想及形象思維等方面遇到了嚴重困難，經典優化算法在求解日益復雜的世紀工程問題時出現了很大的局限性。然而，隨著計算機容量和計算速度的不斷提高、大規模并行處理技術的產生和自身理論的逐步成熟，為計算智能技術的產生和發展提供了條件和機遇。計算智能是從模擬自然界生物體系和生物智能現象發展而來的，用計算機模擬和再現生物的某些智能行為，并用于改造自然的工程實踐的一種新型人工智能研究領域。計算智能是一個內蘊相當豐富的概念。

本文是基于互信息測度的方法和計算智能算法構造圖像拼接算法的，并依據該算法進行圖像拼接系統設計。設計圖像拼接系統的初衷在于構建一個圖像拼接算法的測試平臺，另外也能夠為實現高效、適用的全景拼接軟件進行一系列思維上的探索。

1 圖像拼接系統的需求分析

圖像拼接系統的主要功能是對具有相關性的圖像或序列圖像進行拼接融合，計算相關圖像基于相關信息的拼接融合區域，并能夠輸出一幅無縫拼接的大視域、高分辨率的新圖像。而且能夠根據未來需求，預留出新的拼接算法接口。具體來講，圖像拼接系統應該具有如下3類功能：

（1）圖像校正與去噪。由于待拼接圖像或圖像序列都來源于攝像頭或視頻片段，由于攝像機的曝光差異、旋轉縮放等原因會造成不同程度的噪聲。為此，必須對待拼接圖像進行校正，盡可能地將扭曲圖像還原成真實圖像的大小和形狀，然后利用中值濾波器等實現噪聲剔除。

（2）圖像匹配。圖像拼接的關鍵步驟之一是圖像匹配。所謂圖像匹配就是對參考圖像和待拼接圖像中的匹配信息進行提取，在提取出的信息中尋找最佳的拼接區域，然后使參考圖像和待拼接圖像間對齊。在引言中已經詳細討論了匹配的三類方法，本文將采用基于計算智能的互信息測度的方法實現圖像匹配。

（3）圖像融合。圖像融合是實現圖像最終無縫拼接的重要步驟。在實際拼接過程中，一幅圖像的圖像區域過渡到另一幅圖像的圖像區域，由于存在光照特性、拍照時間、位置等差異，兩個區域的表現不會完全相同，因此會出現躍變。圖像融合技術即是消除這種躍變的有效工具，即讓圖像自然過渡。

2 系統設計

2.1 功能設計

2.2 類關系設計

（1）Form1類。這是系統的框架類，該系統是基于C#開發而成，即所有的視圖和框架都集中在類里面。其主要包括系統初始化Form（1）、系統載入Form1_Load（）。另外，菜單、工具欄等功能出發函數也都集中在該類里面實現。

（2）Pragram類。Pragram是C#程序的程序入口，即main（）函數。利用這個類實現體系的啟動和退出。

（3）Drawshpe類。這個類主要用于實現系統各類繪制、統計、蟻群算法迭代等功能。包括蟻群初始種群的初始化、圖像拼接算法到蟻群搜索的映射，以及搜索循環迭代控制等功能。

（4）HiPerTimer類。HiPerTimer這個類是對系統Timer的一個擴展，系統原有Timer時鐘計時比較粗糙，通過該類的擴展，可以實現精準計時。其目標在于對算法的精準控制和精確統計。

2.3 界面設計

基于人機交互界面友好、簡潔、實用的原則，將圖像拼接系統操作界面設計為如圖5所示的形式。目前，該系統僅支持三幅相關圖像的拼接工作，系統預留了接口可以擴展更多的圖像和序列圖像拼接。

3 測試及分析

3.1 測試案例設計

3.2 測試結果

4 結 語

本文通過分析常用的圖像拼接系統以及圖像拼接常見的3類算法，最后以計算智能的蟻群算法為基礎，利用圖像間的互信息測度為拼接依據構建本文給出的圖像拼接系統。再根據拼接的典型過程，分析了圖像拼接系統的系統需求，從而完成了拼接系統的功能設計和類實現，并最終給出了界面和擴展接口設計。論文第3節利用一個拼接實例說明了本文設計的系統的友好界面和可用性。

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