全景魚眼監控攝像機圖像校正核心算法

馬朋飛++李柳群++潘云龍

文章編號：2095-6835（2016）17-0071-01

摘 要：魚眼鏡頭的視角范圍遠遠大于平面鏡頭，為人們建立體積最小、質量最輕、功耗最少、視角最大的監控系統提供了可能性。對于魚眼鏡頭所成的像，由于受到景深曲率的影響，圖像畸變十分嚴重，不符合正常視覺感受。因此，需要圖像校正算法消除魚眼鏡頭畸變。

關鍵詞：魚眼鏡頭；全景監控；畸變校正；高清傳感器

中圖分類號：TP391.41 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.17.071

魚眼鏡頭全景攝像機有四大關鍵技術，即魚眼鏡頭、高像素傳感器、處理軟件和虛擬PTZ。上述四大技術中，高像素傳感器和虛擬PTZ技術基于近年高清傳感器以及數字技術的迅猛發展已逐漸成熟，而魚眼鏡頭及其處理軟件還存在一些問題。雖然多路視頻全景攝像機可以避免魚眼鏡頭圖像失真，但或多或少也會存在融合邊緣效果不真實、角度有偏差、分割融合后有“附加感”的問題。

1 全景攝像機技術

全景攝像機作為一種特殊形態的產品，其有專用的應用領域和特色。該技術不被某些特殊性和專用性束縛，表現出常規型攝像機應具有的功能，且環境適用性更強。全景攝像機的優點在于能以最少的裝機量實現最有效率的監控效果，即能減少護罩、布線與人員的施工費用，還能降低監控工程成本。但其并未成熟，有不可忽視的缺陷，比如攝像機的單價偏高，監控距離較短，圖像存儲、還原等存在問題，急需調整和改進。

2 魚眼圖像失真分析

魚眼鏡頭全景攝像機的魚眼鏡頭是一種超廣角的特殊鏡頭，這種鏡頭的前鏡片呈拋物狀向鏡頭前部凸出，是一種焦距在6～16 mm的短焦距鏡頭。根據光學成像原理，短焦距鏡頭能呈現出大視場的監控效果，其三維視角可達到全景視角。但其是以犧牲監控畫面的真實感為前提的，且帶來了被稱之為“桶形畸變”的視覺上的嚴重變形。這種畸變會隨著視場角的增大而越來越嚴重，進而導致圖像嚴重失真。

一般而言，魚眼圖像失真可分為3種，即徑向失真、非正交失真和中心偏移。徑向失真是由于魚眼鏡頭徑向曲率的不規則而引起的，非正交失真是由于魚眼光軸與傳感器平面未完全正交所引起的，中心偏移是由于魚眼鏡頭光軸未穿過傳感器的中心而產生的。失真使人難以辨別圖像，不符合人類的視覺習慣，因此，校正技術顯得尤為重要。但不同的魚眼鏡頭的畸變還是有著較大差異的，因此，全景攝像機魚眼鏡頭的選擇非常重要，其會直接影響攝像機圖像源的效果。

3 魚眼圖像校正算法分析

圖像校正技術的思路并不復雜，一般是從原始餅圖中拉出一個單獨的扇形，再根據比例和透視等原理進行一定變形和校正處理，拼合這些分別處理好的扇形圖像便可得到符合監控需求的圖像。對于需求較低的場景，可直接對圓形餅圖進行簡單的四角拉伸，也能取得適合人眼觀看的圖像效果。

雖然具體到每一個廠家的核心算法必然會有所不同，但圖像校正技術的中心思想都是采用一定算法將邊緣畸變嚴重的圖形拉伸整合為適合觀看的比例正常的圖像。其中，所用算法的合理性、編程水平和最終系統資源的占用率共同決定了此算法的質量。虛擬PTZ是在圖像內部進行像素抓取的，從而實現放大和旋轉等功能。對于校正算法，其主要存在的問題不是如何取得更加優秀的圖片效果，而是如何更好地將圖片整合到前端固件和后端軟件上，實現對事實與事后錄像的雙向虛擬控制。

4 魚眼圖像校正方式

魚眼圖像校正有2種處理方式：①采用前端攝像機內置軟件處理；②采用后端PC機軟件處理。這2種方式都是對圖像邊緣的像素進行校正的，圖像校正的關鍵在于圖像邊緣像素的還原完整度。第一種方法節省了后端的網絡資源，避免了對帶寬和存儲造成壓力，即在前端便可完成對圖像的校正和壓縮，最終將一個水平展開的圖像傳輸到后端平臺，使用者可根據需求選擇全景畫面或四畫面顯示，圖像具有實時性；第二種方法在后端PC機上進行圖像校正，其優勢是借助PC硬件快速的處理能力和軟件的完備性，完美地實現全景圖像的展開和四畫面的顯示。從處理能力上看，后端PC機能力較強，圖像的效果更要好，但不具有實時性。目前，魚眼攝像機圖像校正技術雖也會有像素遺失的情況發生，但總體上都可以保證圖像的有效像素，從而滿足正常的監控需求。

對于多鏡頭全景攝像機而言，雖然不存在魚眼圖像變形校正的問題，但應努力保證多鏡頭拍攝畫面的拼接實現以及鏡頭的無死角、無盲點、自然連貫。多鏡頭全景攝像機一般由攝像機內置的專用處理軟件校正，再將圖像整合成視頻流傳到監控后端。現有的技術已經能較好地滿足全景和四畫面的顯示需求。

5 結束語

綜上所述，不可盲目地追崇全景攝像機，其目前不能完全取代傳統攝像機的作用和功能。因此，如何搭配全景攝像機與常規型攝像機共同使用，使二者相互取長補短，從而實現監控效果最大化，是現階段除技術突破之外相關工作人員最應考慮的問題。

參考文獻

[1]胡學敏，鄭宏，郭林.利用魚眼相機對密集人群進行智能監控[J].武漢大學學報（信息科學報），2014，39（10）.

[2]馬力，張茂軍，徐瑋.采用視頻拼圖方法構建高分辨率全景視頻監控系統[J].中國圖象圖形學報，2008（12）.

[3]譚秀峰.基于全景視頻的監控系統[J].現代計算機，2016，24（03）.

[4]石皓，賴世銘，劉煜，等.一種用于魚眼 PTZ 主從監控系統的標定方法[J].系統仿真學報，2013，25（10）.

〔編輯：張思楠〕