基于相機平移模式下的圖像拼接技術(shù)研究

1 引言
自然界是一個(gè)豐富的信息源，但由于單一相機視場(chǎng)范圍的限制，無(wú)法一次拍攝出視角寬廣的視場(chǎng)。近年來(lái)，隨著(zhù)生物科學(xué)的發(fā)展，人們對于昆蟲(chóng)復眼結構及成像機理的認識更為透徹。根據現有的實(shí)驗結果，昆蟲(chóng)復眼由按固定方式排列的許多小的單眼組成，每個(gè)小眼都對應一個(gè)相應的小視場(chǎng)，每個(gè)小視場(chǎng)又有一部分相互重疊，從而構成昆蟲(chóng)復眼廣視場(chǎng)角的特征，然后經(jīng)昆蟲(chóng)神經(jīng)系統處理得到完整的視場(chǎng)信息，人們借鑒“蠅眼”的成像機理，將多個(gè)相機放置在不同位置獲取圖像。不同位置的相機覆蓋含有目標物體的整個(gè)視場(chǎng)，往往得到一組序列圖像，然而這些圖像中存在大量冗余信息，如何簡(jiǎn)單有效地表示真實(shí)世界成為目前研究的熱點(diǎn)。
圖像拼接技術(shù)就是對一組相互間存在重疊區域的圖像序列實(shí)施配準，最后拼接成一幅包含這組圖像序列信息的寬視場(chǎng)、完整的新圖像的技術(shù)。圖像拼接包含圖像的預處理、最佳拼接縫的定位及圖像的平滑過(guò)渡3個(gè)過(guò)程。

2 圖像拼接技術(shù)
這里是在焦距、光照等不變的情況下通過(guò)拼接沿水平和垂直方向移動(dòng)相機拍攝到的靜態(tài)圖像來(lái)模擬復眼成像的、基本過(guò)程。由于各個(gè)相機(“小眼”)的放置位置是按照一定規則設置的，且相機移動(dòng)放置過(guò)程中整個(gè)系統的光學(xué)參數和工作時(shí)的物距一定，因此所獲得的不同位置的4幅圖的重疊比例也是一定的。圖1為所獲取的相鄰4幅圖像的關(guān)系示意圖。

獲取圖像后，首先對圖像進(jìn)行邊緣檢測的預處理，并確定相鄰圖像在高度、寬度上的重疊程度，利用圖像重疊區域對應像素點(diǎn)灰度值的相似性對圖像進(jìn)行配準，最后對配準后的圖像進(jìn)行平滑拼接，得到一個(gè)大視場(chǎng)范圍的全景圖。
2．1 圖像預處理
由于這里所采集的圖像不是在同一時(shí)刻同一地點(diǎn)拍攝得到的，光照度的不均以及曝光強度的不同導致在不同角度采集到的4幅圖像的灰度值會(huì )有不同程度的偏移。而且拍攝時(shí)不可避免的出現各種噪聲、畸變和對比度降低等狀況，也會(huì )導致圖像中包含的有效信息減少，如果直接對所采集的圖像進(jìn)行匹配，往往得不到理想的結果。為了提高圖像配準的精度和拼接的質(zhì)量，必須先將圖像轉化為灰度圖像Gray(i，j)，然后選用不具有方向性的拉普拉斯算子

對灰度數據進(jìn)行銳化處理：
L(i,j)=Gray(i,j)×H (1)
式中，L(i，j)為銳化后的圖像灰度值。
經(jīng)銳化處理后，圖像的輪廓更為清晰，邊界更趨于明顯，有利于進(jìn)一步搜索拼接位置。
2．2 最佳拼接縫的定位
圖像預處理可減少圖像匹配工作的盲目性，降低誤匹配概率。圖像配準算法思路：在待匹配的第1幅圖像的重疊部分選取中間間隔一定距離的兩組像素點(diǎn)對應的灰度比值作為模板，然后在第2幅圖像中對應的重疊區域搜索最佳匹配位置。減少錯誤匹配現象出現概率的重點(diǎn)在于增加選取的兩組模板的有效信息量，減少干擾信息。具體實(shí)現如下：
以“小眼1”與“小眼2”所成像的匹配算法為例。圖2為兩幅待拼接圖像的示意圖，大小均為(WxH)像素。這兩幅待拼接的圖像為左右重疊關(guān)系，重疊區域在兩幅圖像中所占比例約60％。圖2中Image11、Image22分別表示Image1、Image2非重疊區域的圖像，Image12和Image21表示Image1和Image2重疊區域的圖像。