洪永健 王天安 譚海波 郭晶晶 劉東堯 明家輝 萬(wàn)豪

摘要

圖像拼接技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)通過(guò)算法將不同角度拍攝的多幅圖像拼接成全景圖像，常規(guī)圖像拼接算法大多運(yùn)行在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)平臺(tái)，存在體積龐大、便攜性差等缺點(diǎn)。本文設(shè)計(jì)了基于嵌入式系統(tǒng)環(huán)境的圖像拼接系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了一種在嵌入式系統(tǒng)中對(duì)圖像進(jìn)行快速拼接的算法。具體算法中實(shí)現(xiàn)選用Canny邊緣檢測(cè)提取圖像邊緣，減弱噪聲對(duì)拼接結(jié)果造成的影響；利用相位相關(guān)法實(shí)現(xiàn)對(duì)待拼接圖像的配準(zhǔn)，使用三角函數(shù)權(quán)重融合算法融合配準(zhǔn)后的圖像，實(shí)現(xiàn)了重疊區(qū)域的平緩過(guò)渡。

【關(guān)鍵詞】圖像拼接 相位相關(guān) 嵌入式處理系統(tǒng)

圖像拼接實(shí)現(xiàn)將多幅具有重合部分的圖像拼接成為一幅大尺寸，高分辨率的全景圖。

研究圖像拼接的意義就在于通過(guò)算法將輸入的常規(guī)相機(jī)拍攝的一般分辨率的不同角度下的普通圖像，拼接成為全景圖像，從而降低對(duì)采集圖像設(shè)備的過(guò)高要求，或者特殊環(huán)境下拍攝的圖像拼接到一起，組成全景圖像。本文結(jié)合實(shí)際需求，在嵌入式平臺(tái)上對(duì)圖像拼接算法進(jìn)行研究，并完成圖像在嵌入式系統(tǒng)環(huán)境下快速、準(zhǔn)確的拼接。

1 嵌入式圖像拼接算法設(shè)計(jì)

1.1 圖像的預(yù)處理

本系統(tǒng)中使用的圖像預(yù)處理方法為Canny邊緣檢測(cè)。具體的實(shí)現(xiàn)步驟為：

1.1.1 對(duì)圖像進(jìn)行高斯平滑

由于圖像中的邊緣信息對(duì)噪聲比較敏感，因此使用濾波器來(lái)對(duì)噪聲進(jìn)行處理，這里使用的高斯平滑用來(lái)削弱圖像中的噪聲對(duì)邊緣信息提取的影響。

1.1.2 求梯度的方向和幅值

對(duì)經(jīng)過(guò)高斯平滑后的圖像I（x，y）再求其偏導(dǎo)，得到圖像的偏導(dǎo)數(shù) ；對(duì)其求方向和幅值：

1.1.3 非極大值抑制

非極大值抑制實(shí)現(xiàn)起來(lái)就是將點(diǎn)P（x，y）與鄰域的8個(gè)點(diǎn)按導(dǎo)數(shù)減小的方向進(jìn)行幅值比較，若點(diǎn)P（x，y）小于該方向的兩個(gè)鄰域的點(diǎn)的值，那么該點(diǎn)不是極大值，在此處將該點(diǎn)梯度的幅值置0。

1.2 基于相位相關(guān)法的圖像配準(zhǔn)算法

由于圖像能夠等效為二維的信號(hào)，若一幅圖像的尺寸為M×N，用函數(shù)f（x，y）表示，則它的離散傅里葉變換可表示為

其中u=0，l，2，……，M-l；v=0，l，2，……，N-1。

使用快速傅里葉變換方法進(jìn)行變換，并且中心對(duì)齊后的效果圖如圖1所示。

若圖像f2相對(duì)圖像f1存在（dx，dy）的平移，可以表示為：

對(duì)圖像做傅里葉變換，可得到：

由上式可知，相對(duì)豐移量為（dx，dy）的兩幅圖像在頻率域中幅值相同，相位差為

計(jì)算的結(jié)果r是為虛數(shù)，對(duì)r進(jìn)行傅里葉逆變換的結(jié)果含有狄萊克函數(shù)8，其峰值點(diǎn)的位置坐標(biāo)就是（dx，dy），如圖2所示。

1.3 圖像融合算法

三角函數(shù)權(quán)重融合算法是基于漸入漸出法的改進(jìn)算法，其權(quán)值的分布是按照三角函數(shù)分布的，

權(quán)重滿足關(guān)系：

其中

，x是像素點(diǎn)的列數(shù)；L是重疊部分的左邊界，R是重疊部分的右邊界。

2 嵌入式圖像拼接試驗(yàn)及分析

對(duì)于兩幅待拼接的圖像，當(dāng)這兩幅圖像的相對(duì)旋轉(zhuǎn)角度與重合率符合一定要求時(shí)使用本文的方法對(duì)其進(jìn)行拼接。原始圖像如圖3所示。

利用相位相關(guān)法計(jì)算得到邊緣檢測(cè)后的圖像的相對(duì)位置關(guān)系，根據(jù)結(jié)果對(duì)圖像進(jìn)行配準(zhǔn)。使用三角函數(shù)權(quán)重融合算法對(duì)圖像進(jìn)行融合后裁掉圖像上下的黑邊得到最終圖像拼接的結(jié)果如圖4。

根據(jù)輸出的信息圖像拼接算法總用時(shí)為10.67s，可以滿足系統(tǒng)實(shí)時(shí)性要求。

3 結(jié)論

本文重點(diǎn)討論了嵌入式系統(tǒng)下的圖像拼接算法，基于FPGA的嵌入式系統(tǒng)的硬件平臺(tái)和軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程，使用DEO-Nano-SoC構(gòu)建嵌入式Linux系統(tǒng)。利用相位相關(guān)法實(shí)現(xiàn)對(duì)待拼接圖像的配準(zhǔn)，以滿足系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求；使用三角函數(shù)權(quán)重融合算法融合配準(zhǔn)后的圖像，實(shí)現(xiàn)了對(duì)拼接圖像的重疊區(qū)域的平緩過(guò)渡，所研究算法通過(guò)實(shí)際試驗(yàn)驗(yàn)證了其有效性和實(shí)時(shí)性。

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