柱面全景图像生成关键技术_赵玉清

中外企业家

2010年第4期（下）总第347期

工程科技·Proj ect Science

在人们实际生活和工作中往往需要获得宽视角、高分辨率

的全景图像，但是由于摄像设备的机械限制，一般只能得到局部的成像，而得到全景图像的硬件设备（全景相机、广角镜头等）一般比较昂贵，不适合普遍应用，于是人们提出了利用计算机进行图像拼接来获得全景图的方法。目前全景图像生成技术广泛

应用于数字视频、

运动分析、虚拟现实技术、医学图像分析、遥感图像处理等领域。

柱面全景图像生成的基本思想是根据图像重叠部分将多张衔接的图像拼合成一张高分辨率全景图。这些有重叠部分的图像一般由两种方法获得：一种是固定照相机的转轴,然后绕轴旋转所拍摄的照片；另一种是固定照相机的光心，水平摇动镜头所拍摄的照片。实景图像的柱面正投影算法是为了将多张实景图像投影到一个圆柱面上，以柱面全景图像的形式存储。这样一方面消除了实景图像之间可能存在的重复景物信息，同时也得到了每张实景图像上的象素点在视点空间中的方位信息。对实景图像进行柱面正投影变换以后，需要对它们进行拼接，形成柱面图像。全景图拼接一般分为两类：（1）图像匹配；（2）图像的拼接。图像的匹配和图像拼接是两个相似而且相关的问题，通常认为拼接和配准的主要区别在与各自重合区域的大小，此外配准的对象可以来自于不同的图像源，而拼接通常是将同一个图像源产生的对同一物体的不同部分的图像结合在一起。另一方面，匹配也是拼接中的最关键的一步操作。

一、图像匹配算法

1.基于空间的像素匹配算法

早先的像素匹配算法是用图像在相邻有重叠部分的图像上平移，然后比较两张图像覆盖区域各个像素的匹配程度，进行所有可能的平移之后选择最匹配的一种情况，该算法运算量极大，而且不能解决图像旋转和尺度缩放的问题。基于使用全局搜索的运算量太大,有一些改进算法选取第一幅图像中的重叠部分的一块矩形区域作为模板,在第二幅图像中搜索相似的对应块,计算其相关度,相关度最大的位置为匹配的位置,该算法运算量有所减少,但仍然很大。

为了进一步减少运算量,又提出了基于列像素的方法,在第一张图像中选取一定间隔的两列,用该两列像素的比值作为模板,在第二张图像中搜索最佳的匹配,从而确定重叠部分的位置。该方法很大程度上减少了运算量,但是仍然不能解决旋转和缩放等问题。

2.基于频域的匹配算法

该算法先对两幅待拼接的图像进行二维离散傅里叶变换,假设变换的结果为X(u,v)和Y(u,v),由相关定理可得相关的离散傅里叶变换:

φ（u ，v ）=X （u ，v ）Y*（u ，v ）（1）再对进行傅里叶反变换即可得到空间域的相关函数:

φ（j ，k ）=M -1

u =0ΣN-1

v =0Σ[X （u ，v ）Y*（u ，v ）]

（2）

由空间域的相关函数即可找出最佳的匹配位置。

以傅里叶变换为基础的相位相关算法,两幅图像的离散傅里叶变换分别为,X （u,v ）、Y （u,v ）,其功率谱为,归一化后可得对应的互功率谱的相位谱:

e jQu ，v =X （u ，v ）Y*（u ，v ）|X （u ，v ）Y*（u ，v ）|

=e j （Q X -Q Y ）（3

）其中,Q X 和Q Y 分别是两幅图像的傅里叶变换的相位。由公式（2）可看出，相位谱是一个位于两图偏移（u,v ）处的δ脉冲函

数，因此可度量两图之间的相似程度。

若用极坐标的方式表示两幅图像，则可用相同的方法计算出图像间的旋转角度。

基于频域的算法可克服相关性噪声和频率噪声,可以大大

减小几何失真对匹配性能的影响,计算速度快,对小平移量、

旋转及变尺度图像的拼接较适合,但是在两张图像重叠部分不大的情况下结果较差。

3.基于图像灰度的匹配方法

基于灰度的方法直接利用图像的灰度信息进行匹配，以此对光源变化较敏感。这种算法精度较高，但计算量过大。

（1）基于相关性的匹配直接利用两幅图像间的灰度信息。在源图像中自动或者手动选取模板，建立与目标图像之间的相似性度量，寻找相似程度最大的。

常选取的模板有：比值匹配法：取源图像上间隔一段距离的两列所对应部分象素的差值作为模板。块匹配法：在源图像中选取一块图像作为模板。网格匹配法：在块匹配的基础上，先进行粗匹配，在进行步长减半的精确匹配，直到步长为0。这种算法较前两种运算量都有减少，但由于大量的矩阵计算实际应用中依然偏大，而且很难实现精确匹配。

衡量模板与匹配图像之间相似性的度量方法常用的有：两幅图像灰度的平方差之和；序贯相似度检测；互相关。

（2）相位相关法：由于傅立叶函数缩放、旋转、平移在频域具有对称性，所以将两幅待匹配图像由空域变换到频域。先用极坐

收稿日期：2010-04-01

作者简介：赵玉清（1986-），女，青海西宁人，硕士研究生，从事红外技术应用研究；孙继银（1952-），男，山东单县人，教授，博士生导师，中国计算机学会高级会员，中国计算机用户协会理事，从事为C4ISR 系统与计算机仿真，虚拟现实技术研究；徐宏波（1986-），江苏盐城人，硕士研究生，从事电子信息研究。

柱面全景图像生成关键技术

赵玉清，孙继银，徐宏波

（第二炮兵工程学院，西安710025）

摘要：全景图是基于图像绘制技术的主要内容。实景图像的柱面正投影算法是为了将多张实景图像投影到一个圆

柱面上，以柱面全景图像的形式存储。

对现有和经典图像配准和图像拼接方法根据其本质特征进行分类。并分析各方法的优缺点最后提出未来发展的方向。

关键词：全景图；图像匹配；图像拼接

中图分类号：J41

文献标识码：A

文章编号：1000-8772（2010）08-0149-02

149