基于优先级纹理填充的全方位图像展开方法与研究
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摘要：
鱼眼镜头具有短焦距、大视场的特点，因而在很多领域得到了广泛的应用，但是，鱼眼镜头拍摄出来的照片有很严重的畸变，需要将拍摄的全景图像展开成全方位图像。由于双线性插值算法的局限性，使用双线性插值算法处理过的图像还存在不足之处，本文在双线性插值算法的基础上提出了一种基于优先级的纹理填充技术，解决了展开过程中图像出现断裂的现象。实验结果表明：本文算法处理过的全景图像具有很好的视觉效果。
关键词：
鱼眼镜头；球面图像；双线性插值算法；纹理填充
中图分类号：TP391.41 文献标识码：A 文章编号：1005-3824（2014）01-0015-04
0 引 言
全方位图像是将周围360度的场景信息全部压缩到一个圆形区域中，与传统的图像相比有具有视野大的优点。但是单张全方位图像包含了水平一周的场景信息，存在严重的扭曲现象。在实际的应用中需要将全方位图像展开成适合人眼观看的图像。本文通过对双曲镜面全方位视觉系统中几何光路的分析[1-3]，阐述了全方位视觉图像的成像过程，和把全方位图像展开成全景图像的方法。在展开的过程中，由于柱面展开法容易造成展开图像像素点丢失和压缩，导致展开效果很差，尤其是对分辨率很低的图像。本文在双线性插值算法的基础上提出了一种基于纹理填充的方法，可以使展开后的图像有很好的视觉效果。
1 全方位视觉图像的柱面展开法
1.1 全方位图像的生成过程
全方位图像的生成过程如图1所示，根据光学和几何学的基本原理，双曲镜面有2个焦点Oc和Od。一束入射光线若恰好经过图1中的焦点Od，经过双曲镜面反射后会同样经过焦点Oc，将摄像机光心和Oc焦点重合，使空间上的点在电荷耦合器件上成像。以Od点为坐标原点，双曲面方程为（z+c）2a2-（x+y）2b2=1，摄像机焦距为f。
3 基于优先级的纹理填充技术
3.1 Criminisi算法基本步骤
Criminisi算法[6]的填充方法是，用户要首先确定图像上面哪些区域需要修复，然后计算修复区域边界上点的优先级，选择优先级最大的块为填充块，每填充完一个块后，重新计算整个新边界上点的优先级，再选择优先级最大的块填充，直到修复完成。Criminisi算法在优先级的计算上采用2个指标：1）待修复像素点周围已知像素点越多，优先级越高；2）根据要填充的部分，查找出图像的轮廓，再进行倒数运算，这样来确定图像变化的趋势。
3.2 基于优先级的填充方法修复图像
从图6看到要填充的区域中存在很多断裂区间如图7。由于图像中的断裂区间太多了，很显然无法拟合出图像的轮廓。于是本文在采用了根据待填充像素点周围已知像素点的多少来计算待填充像素点优先级的方法。通过未知点周围3×3的矩阵[7]，计算矩阵中黑色点的个数来确定优先级的大小，显然周围黑色点越多的点，优先级越小。在求得待填充区域的像素点的优先级之后，根据优先级的大小进行填充。在进行填充的时候，我们采用一种基于图像之间像素点的方差来计算出与未知点最匹配的像素点的方法，这个像素点就在未知像素点的周围。本文选择的是在未知像素点的5×5的一个矩阵中进行的，因为太远的点相关性会降低，而且这样也会加大图像计算的时间，经过测试这是一个得到最佳效果的范围。
图8为填充过后的图像，图像中的断裂已经没有了，但是图像的上部还有一些黑色的区域。重复进行上述填充的过程，程序会出现错误，这是由于在计算像素点优先级的过程中，把一部分黑色的像素点变成了亚黑色，这些像素点的像素值不是R=0，B=0，G=0。所以要先把图像中亚黑色的像素值变成黑色，再重复填充的过程。经过处理后得到了图9所示的图像。
4 结 语
本文通过对全方位图像的展开算法的分析，针对传统的近邻取样算法处理后图像质量不佳的问题，采用了双线性插值算法和基于优先级的纹理填充技术，实验结果表明该算法展开后的图像有较好的视觉效果，为全方位视觉的进一步研究及应用奠定了基础。但是本文算法在处理图像的过程中需要大量的计算，展开图像的效果也有待进一步的完善，笔者下一步研究工作将就此类问题对算法做进一步的改进。
参考文献：
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[7] 檀结庆，汪忠庆.一种新的基于邻近像素点的图像修复算法[J].合肥工业大学学报，2006，29（9）：1072-1076.
作者简介：
张 斌（1986-），男，河南郑州人，硕士研究生，主要研究方向为数字信号处理和嵌入式技术；
陈彩健（1986-），女，广东云浮人，硕士研究生，主要研究方向为思想政治教育。
Method and research of omnidirectional image expansion
based on priority texture fill
ZHANG Bin， CHEN Caijian
（Chongqing Key Laboratory of Signal and Information Processing （CqKLS&IP）， Chongqing University of Posts and Telecommunications，
Chongqing 400065， P.R.China）
Abstract：
The fish-eye lens with a short focal length， large field characteristics， has been widely used in many areas. However， the fish-eye picture has very serious distortion. The fish-eye picture needs to be expanded into a panoramic image to capture the omnidirectional image. Because of the limitations of bilinear interpolation algorithm， there are still shortcomings after using a bilinear interpolation algorithm processed. This paper proposes a priority texture fills technologies based on the bilinear interpolation algorithm to solve the image fracture phenomena after being expended. Experimental results show that the algorithm processed panoramic image has excellent visual effect.
Key words：
fish-eye lens， spherical image， bilinear difference algorithm， texture fill