基于全景成像的航道检测分析

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1、浙江大学硕士学位论文1．2国内外发展状况和研究动向随着CCD矛ICMOS图像传感器和数字图像处理技术的发展，越来越多的场合不仅仅需要高分辨率的图像，同时需要很大的视场，人们在增大单个镜头的视场始终不懈地进行着努力的探索。例如，2004年1月4日，美国“勇气’’号火星探测器在火星着陆，并对火星表面进行探测。次日，美国宇航局公布了“勇气"号火星探测器拍摄的火星三维全景黑白照片。随后又公布了火星表面高分辨率全景彩照。这些全景图像都是由安装在“勇气”号上的特殊的全景相机获得，是全景成像技术的重要成果之一。全景成像(PanoramicImaging)是采用特殊的

2、成像装置获得水平或者垂直方向上的大于180度半球视场或者全360度的视场。全景成像技术第一时间提供了关于环境和对象的全方位信息，为后续的图像处理和分析赢得了时间。获得超大视场并从大视场中提取目标位置和有用信息一直是视觉研究领域的热点问题，通过采用全景成像技术的机器视觉已经在机器人领域获得了应用f2．31。在监控和视频领域，全景成像技术也发挥了作用，日本Sony公司的专利DesktopModelRPU．C251采用折反射全景成像方式在视频会议和监控等领域取得了成功。长期以来，人们一直对于全景成像技术的实现方式有浓厚的兴趣，传统的成像设备基于中心投影法，是

3、人眼观察外部世界的方式，也是针孔相机的成像方式，为了获得360度的全景图像，需要一个无限大的像平面，物理上很难实现。最典型的获得大视场的传统光学成像系统如图1．1鱼眼透镜中，随着视场的扩大，虽然物像关系还是一一对应的，但是由于结构复杂，实际校正很困难。鱼眼透镜是一种有效的实现大视场方式的方式是基于鱼眼透镜的成像系统，鱼眼透镜实际上是超广角物镜，超广角物镜由于有非常短的焦距，通常焦距小于16mm。因此能获得接近半球或者大于半球的全景视场，图2为一种结构的鱼眼透镜，在获得大视场的同时，鱼眼透镜的设计者必须做出牺牲，即允许桶形畸变的存在，结果是除了图像中心的

4、景物保持不变，其它本应水平和垂直的景物沿各个方向从中心向外辐射。鱼眼透镜是最经常用的增大视场的方式，视场可以达至1J230度，具有强烈的透视效果和相当长的景深，目前该技术发展已经比较成熟。很难再增大视场。虽然理论上物像关系是一一对应，但是因为结构复杂，校正起来比较困难。另外，为了获得大于半球的视场，高质量的鱼眼透镜通常要采用10片以上的透镜和高质量的光学材料【4】，系统复杂，造价昂贵。价格低廉的鱼眼镜头图像效果比较差，分辨率也不是很高。一2一噼时图1-1一种鱼眼透馇的光学结构及其成像圉随着计算机技术丰u数宁图像传感器的发展，对数宁相机绕其光轴旋转所拍得

5、的序列图像进行无缝拼接，可以获得人丁合成的全景罔像，也可以采取围绕一个固定点安装多个摄像机，使得摄像机的全部视场加起来形成全景视场．所得到的图像仍然需要拼接，成像机理仍然是中心投影法。旋转拼接式全景成像系统是种随着计算机和数字图像处理技术的发展，采用常规光学镜头，绕与光轴垂直的固定轴旋转，或者围绕垂直光轴的固定点安装多个常规成像系统，将得到的序列图像进行拼接，得到人工制造的全景图像，这是一种硬件和软件相结合的方法，国内一些机构在80年代就研制出旋转式全景相机并投入使用。其中硬件部分必须有精确的转动机构使常规相机围绕固定轴旋转，常规相机可以是普通透镜相机

6、也可以是鱼眼透镜的相机，采用后者的好处在于它本身已经有很大的视场，所以一般只需要2—3幅图像就可以获得全景，但是需要图像校正。囤1—2为旋转拼接式全景成像的模型，摄像机通过围绕固定点旋转扫描得到全景视场。图1．3是瑞士Roundshot公司最新的手持式的环拍相机，相机旋转一刷时间设箕蛙小可以达到07s。由硬件部分得到的序列刳像必须通过软件进行无缝拼接得到全景图像，目前有大量的商业和免费的图像拼接软件，例{lNPixround公司PixMakerValue软件可以将不同方向视D茜@场的图像进{j无缝拼接，得到一幅全景图像，如图14昕示。该系统的缺点在于由

7、于系统中存在转动机构，系统的实时性很难得到满足，在实时性要求较高的场合无法应用。由于每一幅要拼接的图像是用常规相机获得，可以得到根高的分辨率，所以拼接后的整个全景图像的分辨率也很高．前面提到了“勇气”号火星探测的全景相机就是采用常规相机旋转构成。在计算机视觉和一些实时性要求不高的场台，尤其是全景3D的重建，该技术得到了广泛的应用[5矧。／VVlV1图1-2拼接式全景成像模型图1-3旋转生最成像系统图1-4利用PlxMakerVllue软件得到的全最图像为了克服中心投影法的缺陷，人们提出了平面圆柱投影法．在三维空间视场和有限的二维像平面建立了一种新的投影

8、关系n即将三维圆柱区域通过特殊的系统投影到二维平面(圆环区域)，如图1-5所示。环形像的宽度对