基于嵌入式系統的圖像拼接算法研究

洪永健 王天安 譚海波 郭晶晶 劉東堯 明家輝 萬豪

摘要

圖像拼接技術可以實現通過算法將不同角度拍攝的多幅圖像拼接成全景圖像，常規圖像拼接算法大多運行在計算機系統平臺，存在體積龐大、便攜性差等缺點。本文設計了基于嵌入式系統環境的圖像拼接系統，實現了一種在嵌入式系統中對圖像進行快速拼接的算法。具體算法中實現選用Canny邊緣檢測提取圖像邊緣，減弱噪聲對拼接結果造成的影響；利用相位相關法實現對待拼接圖像的配準，使用三角函數權重融合算法融合配準后的圖像，實現了重疊區域的平緩過渡。

【關鍵詞】圖像拼接 相位相關 嵌入式處理系統

圖像拼接實現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算法將輸入的常規相機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，從而降低對采集圖像設備的過高要求，或者特殊環境下拍攝的圖像拼接到一起，組成全景圖像。本文結合實際需求，在嵌入式平臺上對圖像拼接算法進行研究，并完成圖像在嵌入式系統環境下快速、準確的拼接。

1 嵌入式圖像拼接算法設計

1.1 圖像的預處理

本系統中使用的圖像預處理方法為Canny邊緣檢測。具體的實現步驟為：

1.1.1 對圖像進行高斯平滑

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

1.1.2 求梯度的方向和幅值

對經過高斯平滑后的圖像I（x，y）再求其偏導，得到圖像的偏導數 ；對其求方向和幅值：

1.1.3 非極大值抑制

非極大值抑制實現起來就是將點P（x，y）與鄰域的8個點按導數減小的方向進行幅值比較，若點P（x，y）小于該方向的兩個鄰域的點的值，那么該點不是極大值，在此處將該點梯度的幅值置0。

1.2 基于相位相關法的圖像配準算法

由于圖像能夠等效為二維的信號，若一幅圖像的尺寸為M×N，用函數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行變換，并且中心對齊后的效果圖如圖1所示。

若圖像f2相對圖像f1存在（dx，dy）的平移，可以表示為：

對圖像做傅里葉變換，可得到：

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

計算的結果r是為虛數，對r進行傅里葉逆變換的結果含有狄萊克函數8，其峰值點的位置坐標就是（dx，dy），如圖2所示。

1.3 圖像融合算法

三角函數權重融合算法是基于漸入漸出法的改進算法，其權值的分布是按照三角函數分布的，

權重滿足關系：

其中

，x是像素點的列數；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及分析

對于兩幅待拼接的圖像，當這兩幅圖像的相對旋轉角度與重合率符合一定要求時使用本文的方法對其進行拼接。原始圖像如圖3所示。

利用相位相關法計算得到邊緣檢測后的圖像的相對位置關系，根據結果對圖像進行配準。使用三角函數權重融合算法對圖像進行融合后裁掉圖像上下的黑邊得到最終圖像拼接的結果如圖4。

根據輸出的信息圖像拼接算法總用時為10.67s，可以滿足系統實時性要求。

3 結論

本文重點討論了嵌入式系統下的圖像拼接算法，基于FPGA的嵌入式系統的硬件平臺和軟件系統設計流程，使用DEO-Nano-SoC構建嵌入式Linux系統。利用相位相關法實現對待拼接圖像的配準，以滿足系統的實時性要求；使用三角函數權重融合算法融合配準后的圖像，實現了對拼接圖像的重疊區域的平緩過渡，所研究算法通過實際試驗驗證了其有效性和實時性。

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