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《基于圖像插值的高精度柱面展開算法研究》由會員上傳分享,免費(fèi)在線閱讀,更多相關(guān)內(nèi)容在學(xué)術(shù)論文-天天文庫。
1、基于圖像插值的高精度柱面展開算法研究摘要:全景視覺成像系統(tǒng)能夠觀察到半個(gè)球面(360度*180度)的畫面,但是由于畫面的畸形,不符合人類的觀察習(xí)慣,要進(jìn)行復(fù)原展開,而原始的復(fù)原展開算法和現(xiàn)有的改進(jìn)算法有其本身存在的局限性,如圖像比例不協(xié)調(diào),圖像信息丟失等問題,這樣會造成圖像質(zhì)量的下降,甚至不能用。為解決這些問題,本文通過對徑向直接映射和不同圖像插值算法的研究,并結(jié)合全景圖像的柱面展開算法,將原本畸形的圖像展開為能為圖像處理所運(yùn)用的圖像信息。并通過一定的評價(jià)機(jī)制來選擇判斷出全景視覺圖片的最佳優(yōu)化方法。關(guān)鍵詞:柱面
2、展開;徑向直接映射;圖像插值;圖像質(zhì)量評估中圖分類號:TP391文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A文章編號:1009-3044(2016)18-0171-04隨著機(jī)器人的智能化越來越高,人們對智能機(jī)器人能夠完成的任務(wù)的期望值也越來越高,并逐漸將各種前端科技運(yùn)用到機(jī)器人系統(tǒng)上,其中就包括雙目全景視覺技術(shù)[1-4]。與普通投影成像技術(shù)不同,全景視覺能夠觀察到半個(gè)球面(360度*180度)的畫面[1-5],有效解決了機(jī)器人視覺局限的問題,提高了機(jī)器人的作業(yè)能力[1]。全景視覺系統(tǒng)的成像技術(shù)以及相關(guān)理論和工程應(yīng)用研宄自提出以來就得到了世界
3、各國學(xué)者們的高度關(guān)注,目前已經(jīng)成為計(jì)算機(jī)視覺系統(tǒng)的一個(gè)熱點(diǎn)研宄領(lǐng)域[1]。全景視覺圖像的利用方式主要是通過柱面展開算法(逆投影原理[1,5,6])將其還原成人類所能使用的原始圖片,但是柱面展開存在著自身的局限性。一是由于展開圖片和原始圖片的坐標(biāo)是極為扭曲的非線性對應(yīng)關(guān)系,原始全景圖片徑向和展開圖縱向本應(yīng)一一對應(yīng),但是由于非線性映射的存在,造成圖像的上半部拉伸,下半部壓縮,圖像比例不協(xié)調(diào)。二是原始全景圖片邊緣區(qū)像素點(diǎn)和中心區(qū)像素點(diǎn)信息量相差較大,以至于中心區(qū)域的圖像信息丟失,損失較大,因此需要手段進(jìn)行信息還原,倘
4、若僅僅是周圍像素的復(fù)制,會產(chǎn)生塊狀效應(yīng),圖像質(zhì)量低下。在此問題上,也有相關(guān)理論對其進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化,例如,基于極限幾何的展開[3],基于貝塞爾曲線的改進(jìn)[4]等,但是這些算法具有一定的局限性,展開之后的圖像仍然是彎曲的。本文通過分析圖像非線性映射和圖像信息損失的問題,運(yùn)用反線性映射和圖像插值算法對柱面展開算法進(jìn)行優(yōu)化,首先通過建表法,對原始柱面展開進(jìn)行化簡,減少計(jì)算量,進(jìn)而通過反線性映射找出解算前后圖片的對應(yīng)關(guān)系,最后利用不同的圖像插值算法對其進(jìn)行改進(jìn)和適應(yīng),并通過一定的評價(jià)機(jī)制對其進(jìn)行評估,提煉出一種最優(yōu)的改進(jìn)方
5、案,從而提出精度較高的柱面展開算法原理,并提高了該算法的可實(shí)現(xiàn)性。1全景圖像復(fù)原展開及存在問題1.1柱面展開算法原理本文中,我們假設(shè)鏡面的面型公式為:設(shè)虛擬投影圓柱面的底面直徑為D,則解算展開之后的像素柱面坐標(biāo)為。因此通過獲取真實(shí)成像點(diǎn)的坐標(biāo)可得到虛擬像素點(diǎn)的坐標(biāo),使全景圖像得到展開。1.2柱面展開算法存在問題根據(jù)柱面展開算法的原理,我們可以看出其主要存在兩個(gè)問題:1.2.1展開后圖像信息比例不協(xié)調(diào)當(dāng)我們進(jìn)行柱面展開的時(shí)候,將原始全景圖片的徑向和虛擬成像圓柱面的縱向相對應(yīng),但是兩者是非線性映射關(guān)系,即由式(6)
6、可以看出,和H兩者對應(yīng)為非線性,因此會造成展開之后的圖像比例不協(xié)調(diào),違反正常物理規(guī)律。1.2.2圖像信息不對稱/PC首先像素丟失問題嚴(yán)重,如圖3所示,外圓周開所得像素信息充足,而內(nèi)圓展開后像素丟失較為嚴(yán)重,圖中虛線所在圓周和實(shí)線所在圓周周長相差很多,但是展開之后的寬度要相等,因此造成I區(qū)像素被壓縮,II區(qū)像素點(diǎn)嚴(yán)重不足。再者,像素坐標(biāo)對應(yīng)關(guān)系為非線性,圖中左側(cè)全景圖片中的星狀像素對應(yīng)的是右圖中點(diǎn)狀的點(diǎn),由此我們可以看出,無法直接得到整數(shù)節(jié)點(diǎn)處的像素值,所以,需要對該算法進(jìn)行改進(jìn)。2柱面展開算法的改進(jìn)2.1查表法
7、在計(jì)算過程中,由于需要多次進(jìn)行正反三角函數(shù)的多次變換。但是,實(shí)際情況中鏡面的方程、攝像頭與鏡面的相對位置和焦距均已知,因此,我們可以定義一系列數(shù)組來儲存不同點(diǎn)所對應(yīng)的三角函數(shù)值,這樣極大減少了展開過程中的計(jì)算值[7]。2.2徑向直接映射法通過展開圖像,我們可以看出,非線性映射主要存在于徑向,即展開圖的縱向,因此提出了直接徑向映射的方法[5]。該方法忽略了H和之間的非線性映射關(guān)系,將兩者直接線性對應(yīng),其余計(jì)算方式不變,這種方法可以將原始全景圖片展示的比例直接呈現(xiàn)出來,但是存在一定的缺點(diǎn)。如果原始全景圖片已經(jīng)是扭曲
8、比例的圖片,那么該方法將無法復(fù)原。2.3圖像插值算法全景圖像在展開的過程中,由于坐標(biāo)的非線性映射關(guān)系造成展開之后的像素點(diǎn)坐標(biāo)并不是規(guī)則的,要想得到每個(gè)節(jié)點(diǎn)的像素值,就要根據(jù)現(xiàn)有的散亂像素值來估計(jì)節(jié)點(diǎn)處的像素值。另外,展開之后的整體圖在進(jìn)行局部放大時(shí)也要進(jìn)行像素值的估計(jì),圖像插值算法研宄的就是還原周圍點(diǎn)像素值的方法[8],我們可以將其運(yùn)用到全景圖像柱面展開和局部放大上面。圖像插值的基本原