遙感影像預處理在車載環視系統標定的應用初探

胡進 江源遠 李凱

摘要：車載環視系統往往需要提高對標定場地和環境的標準，以滿足拼接算法對原始圖像的要求。與車載環視系統的拼接相比，遙感影像鑲嵌同樣以相鄰圖像拼接為根本目的，具有原始圖像內容復雜、畫質不穩定等共同點。

本文旨在探究遙感影像預處理算法對于車載環視系統拼接標定的應用，以期對現有的拼接標定算法，提升拼接質量、同時降低場地和環境要求。

通過試驗結果可見：對原始圖像采用遙感影像鑲嵌的一系列預處理后，能夠適應此前車載環視系統難以成功拼接標定的場地環境，拼接誤差小于10%，符合車載環視畫面的拼接標定要求。

關鍵詞：遙感;預處理;環視系統;標定

1 引言

車載環視系統一般通過安裝在車輛前、后保險杠和左、右后視鏡底部的四顆魚眼攝像頭，同時采集車輛前、后、左、右的周圍4幅實時圖像，環視控制器對4幅圖像進行壓縮裁減、失真校正、俯視變換、無縫拼接處理后，得到一幅車四周3600的全景鳥瞰圖，并實時送至車內顯示屏顯示，讓駕駛員能清晰、直觀的看到車輛周圍數米內的影像，輔助駕駛員進行泊車入庫、通過復雜路況道路，能有效的減少駕駛員視野盲區、消除安全隱患、減少刮蹭、碰撞等事故發生，提升用戶體驗。

車載環視系統要求4顆攝像頭視場全覆蓋車輛周圍360°范圍，因此一般采用170°（有些甚至達到195°）魚眼攝像頭。由于魚眼鏡頭存在嚴重的畸變，會使拍攝的圖像嚴重扭曲，因此需要進行非線性失真校正。同時為得到鳥瞰圖還需對校正后的圖像進行俯視變換。由于失真校正和俯視變換都為非線性變換，對圖像特征有一定的影響。如果攝像頭采集原始圖像質量不高，如存在高光區域、亮度不均勻、圖像成像差異大等，經過兩次非線性變換后，后續的無縫拼接效果可能比較差，嚴重時甚至可能無法完成拼接。特別在進行車載環視系統標定時，對環境光的限制、標志點的布置都要求比較高，否則可能無法實現標定過程。

遙感圖像鑲嵌一般由安裝在飛機或衛星上的全景相機獲取對地的一系列具有部分重疊的圖像，然后經過圖像幾何校正、圖像預處理、圖像特征點匹配和圖像融合后拼接形成覆蓋大范圍地面區域的高分辨率圖像。遙感圖像鑲嵌經過多年的發展，現已成熟的應用于遙感圖像處理、CIS、行星科學研究等。由于圖像特殊采集方式，通常會受到大氣、太陽光角度、地形地貌、飛機或衛星的運動等影響，遙感圖像通常會有系列圖像光照不均、紋理特征不豐富、反差較低、成像反差大等特點，但經過遙感圖像鑲嵌預處理技術后，能較好地完成圖像拼接。

與車載環視系統拼接相比，遙感影像鑲嵌雖然在數據量、運算能力方面處于不同數量級，但都以相鄰圖像拼接為根本目的，具有原始圖像內容復雜、畫質不穩定等共同特點。本文詳細分析了遙感影像鑲嵌預處理過程和方法，探討了將遙感影像預處理的流程和方法引入車載環視系統中的可能性，并進行了正常原始圖像質量下和較差原始圖像質量情況下的對比實驗，給出了引入遙感影像預處理和沒有引入遙感影像預處理時環視系統的拼接結果。

2 遙感影像預處理

為提升遙感影鑲嵌效果，減小或消除遙感圖像采集過程中由傳感器內部噪聲、大氣、太陽光角度、地形地貌、飛機或衛星的運動等引起對圖像噪聲或畸變，一般在進行遙感影像鑲嵌前必須進行預處理。遙感影像預處理主要包含幾何校正、輻射校正和圖像增強，其處理流程圖1所示：

幾何校正主要包含鏡頭扭曲校正、中心投影變換為正射投影和其他外方位元素校正。鏡頭扭曲校正主要對鏡片組的物理成像性質造成的圖像扭曲進行校正。所用的校正參數來源于鏡頭組的物理規格;對于同一個鏡頭組，校正參數總是不變的。中心投影變換為正射投影主要讓圖像上各個點的視角，從“錐形”變為“矩形”，即消除了透視關系。其他外方位元素校正（外方位元素即傳感器的空間位置參數和姿態參數）一般指在空間中的XYZ三軸坐標對外方位元素造成的其他幾何變形進行校正，例如由于傳感器視角偏置，造成圖像左右不對稱。

輻射校正主要包含低通濾波降噪和傳感器內部輻射誤差校正。低通濾波降噪消除暗部噪點、傳感器熱噪點等符合高斯分布零均值特征的噪點。傳感器內部輻射誤差校正主要校正傳感器內部輻射誤差：由于相機采用超廣角鏡片組、很小的法蘭距（鏡片組中心平面，到感光元件平面的距離），所以中心與邊緣光線入射角度差別很大;導致同樣的光強，在中心和邊緣對應像素的輻射強度卻不同，從而引起的輻射誤差。

圖像增強主要包括直方圖線性變換、直方圖均衡、密度分割和帶有閾值的鄰近區域銳化。直方圖線性變換主要擴大原始圖像的亮度范圍，以便最大化地利用圖像處理設備的動態范圍。通過直方圖線性變換，能夠更明顯地體現亮部和暗部的細節，進而減弱圖像中小范圍的高光和低光造成的畫而特征丟失。直方圖均衡將原始圖像隨機分布的直方圖，變換為均勻分布的直方圖，使得各個亮度的分布頻率基本相等。能夠增強圖像中大面積地物與其周圍地物的明暗反差。密度分割將原始圖像中，連續的亮度值范圍，按照出現的密度、分割為若干區間，使得亮度相近的區域能夠合并。帶有閾值的鄰近區域銳化即增強原始圖像中的高頻部分，從而提高圖像細節的反差，通過設置閾值，能夠削弱銳化過程中引入的隨機噪點。

3 遙感影像預處理技術引入分析

遙感影像鑲嵌與車載環視系統雖然在圖像采集方式、圖像處理數據量、運算能力、圖像內容上有較大的區別，但最終目的都是實現圖像拼接，其圖像噪聲也有相似之處，因此遙感影像鑲嵌的預處理技術應可以引入車載環視系統中以提高環視系統拼接能力和效果。本節將對比遙感影像預處理和車載環視系統圖像與處理的不同之處，并將傳統環視全景拼接中不具備的預處理技術結合車載環視系統的實際情況進行分析，討論引入車載環視全景拼接預處理的可能。

如圖1所示，兩者預處理技術的不同之處主要體現在輻射校正和圖像增強環節中，車載環視系統的圖像預處理沒有傳感器內部輻射誤差校正、直方圖線性變換、直方圖均衡、密度分割等。

車載環視系統要求一般采用170°（有些甚至達到195°）魚眼攝像頭，其法蘭距也小，也存在傳感器內部輻射誤差，需要對齊進行處理。

通過直方圖線性變換，能夠更明顯地體現亮部和暗部的細節，進而減弱圖像中小范圍的高光和低光造成的畫面特征丟失，而在車載環視系統中高光、低光是引起拼接質量下降甚至失敗的重要原因，因此需要引入。

直方圖均衡將原始圖像隨機分布的直方圖，變換為均勻分布的直方圖，使得各個亮度的分布頻率基本相等。能夠增強圖像中大面積地物與其周圍地物的明暗反差，對于采用高對比網格的車載環視系統標定，能夠更好地突出畫面中黑格與白格的分布區域。

密度分割將原始圖像中，連續的亮度值范圍，按照出現的密度、分割為若干區間，使得亮度相近的區域能夠合并。對于采用高對比網格的車載環視系統標定，能夠將畫面中黑格、白格區域分別合并，消除光源角度和材料反射造成的亮度偏差。

由上述理論分析可知，在車載環視系統圖像預處理中引入傳感器內部輻射誤差校正、直方圖線性變換、直方圖均衡、密度分割可改善圖像質量，提升拼接效果。

4 試驗驗證

4.1實驗設計

為驗證遙感影像鑲嵌的預處理技術引入車載環視系統的可行性，特選取符合標定場地要求的標準光照條件下、與帶有環境光干擾的條件下環視系統的攝像頭采集的圖像，前者如圖2，后者如圖3。

分別直接送人環視控制器處理、嘗試進行拼接標定;經過輻射誤差校正、直方圖線性變換、直方圖均衡、密度分割等遙感影像預處理技術后再送入環視控制器、嘗試進行拼接標定。

4.2 實驗結果

未引入遙感影像鑲嵌的預處理技術時，若存在環境光干擾，則處理失敗，標定無法進行。需依據標定場地要求、布置標準光照后，拼接標定處理成功，能夠正確得到周圍3600的鳥瞰畫面，如圖4，圖像四角接縫處的矩形標記可用于評估拼接誤差，可見拼接后邊長誤差小于10%，符合環視系統拼接的要求。結果與工廠生產中的實際情況相符。

引入遙感影像鑲嵌的預處理技術后，對于符合要求的標準標定環境，能夠成功進行拼接標定，結果與未引入預處理一致;此外，對于存在環境光干擾、以往無法標定的圖像，同樣能夠成功處理，并得到與標準光照下一致的拼接標定結果。

實驗結果對比如表1。可見：將遙感影像鑲嵌的預處理技術引入到傳統的車載環視系統標定的拼接算法，不僅能達到原有的標定性能，而且能夠適應以往無法進行拼接的環境，算法性能得到提升。

由此可降低對車載環視系統標定場地的要求，不再需要嚴格控制場地的光照等條件，從而降低對場地建設和維護的要求，對于工廠生產可減少成本、簡化操作工藝、提升工作效率。

參考文獻：

[1]孫家抦.遙感原理與應用[M]武漢：武漢大學出版社.2013.

[2]袁修孝，宋妍基于邊緣特征匹配的遙感影像變化檢測預處理方法[J]武漢大學學報（信息科學版）， 2007， （05）：381-384+393+372

[3]方財義，鄧軍，檀銀學全景泊車系統及圖像拼接技術的研究[J].汽車零部件，2012，（11）： 103-105+108.

[4]FANGCai-yi， DENG Jun and TAN Yin-xue Panoramic Parking System and Image Spliang Technolopcal Study[J]. SAE Technical Paper 2012-01-0082，2012，10 2471/2012-01-0082

[5]ZHANG Bao-long，LI Hong-rui，LI Dan and DAI Feng-zhi.A Simulation ofbnage Mosa/e Algorithm Based on Vehicle Panorama Systemm. Joumal of Elec：tronics& Information Technology， 2015，Vol 37，10.11999/JEIT141185