图像拼接技术在案件现场全景重建领域的应用研究

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摘 要：本文将采集的几组现场图像进行拼接得到整个场景的柱面、球面全景图像，通过分析不同类型的全景图像在原图像的采集、图像的拼接、覆盖范围等方面在案件侦查过程中的优缺点，得出球面全景图原图像采集方法简单，需要的原始图像数量少，球面全景图覆盖范围广的优势更适合案件现场的全景重建，对案情分析阶段的案件现场三维模拟仿真，案发过程的动态反演提供很好的现实依据。

关键词：案件现场；图像拼接；全景重建

中图分类号：TP751.1

由于犯罪的案件现场存在时间有限，这给案件的调查带来较大困难，案件调查人员希望为后面的案情分析提供尽量多的现场信息，就必须快速全面的记录案发现场，但是传统的记录方法不仅准确性不高而且还容易遗漏重要信息，因此，寻找一种能够既快捷又全面准确的记录案件现场的方法成为迅速侦破案件的关键。全景图像技术可以将整个案件现场的信息集中到一张二维图像中，它包含了整个案件现场上下、左右、前后360°视角范围内的信息。因此，快速得到案件现场的全景图像可以为案件的快速顺利侦破提供现实依据。由多幅图像生成全景图像最关键的是图像的拼接技术，目前图像拼接技术在医学、遥感、数字校园、数字城市等领域的应用十分广泛[1]，但是在公安刑事侦查领域的应用还很少。

本文利用图像拼接技术得到不同案件现场的不同类型的全景图，并对球面全景图像拼接过程做了分析，通过对各种类型的场景的全景图进行分析，得出最适于案件侦查的案件现场全景图生成形式，为案件的侦查保存完整的案发现场，给案件侦查人员提供观察到每个细节的机会，使其能够从整体上把握案件现场，为案件的顺利侦破提供技术支持。

1 图像拼接技术

全景图像是指视角超过人的正常视角水平视域为360°，垂直视域为180°的图像。全景图像有三个特点：首先，它能够全面的展示360°范围内的所有场景信息；其次，360°全景大部分是在图像的基础上拼合得到，能最大限度的保留场景的真实性；最后，360°环视的效果，虽然图像都是平面的，但是经过拼接处理之后得到的360°全景图像，却能给人三维立体的感觉，使观察者如在场景之中。全景图像根据投影面的不同主要分为柱面全景图、球面全景图和立方体全景图三种类型。

柱面全景图是把图像投影到以视点为中心的有限高度的圆柱上，水平视角为360°，但是垂直方向的视角小于180°的图像；球面全景图是指将图像投影到球面形成的图像，其水平视角为360°，垂直视角为180°；立方体全景图由前、后、左、右、上、下6张图像无缝拼接而成的，相机位于立方体的中心，拼接好的图像投影到立方体的内表面，也是全视角，实际效果与球面全景图相似。

1.1 球面图像的拼接[2]

图像拼接算法根据实现的原理分为两类：一类是基于特征的方法，本文中柱面全景图像的拼接采用的是这种方法；另一类是基于像素点对应关系的方法，该方法通过算法优化使两幅图像的对应像素点之间的差别最小。这种方法根据初始的参数，对于每一对对应点，计算当前的误差以及当参数变化时误差的变化率，根据总的误差能量最小这一原则，通过优化算法迭代求解求得参数的局部最优解。

假设两幅图像上的对应点表示的是场景中同一个方向的光线，因为它们的像素值应该相同，即使加上一些干扰因素的影响，对应点的像素值也相似，由此可知算法的目标是使所有对应点像素值差异的总和最小，即算法在优化过程中的目标函数就是图像对应点误差能量的总和。在计算误差时，无论对彩色图像还是黑白图像，都只计算亮度的误差，这样即减少了计算量的也能够满足实际应用的要求。

2 案件现场全景重建与分析

2.1 柱面全景图像

本文首先利用普通相机采集了两张有一定重合区域的室内图像如图1所示，利用图像拼接技术进行了拼接，最终的拼接结果如图2所示。其中图1中的第一张图像是手持相机拍摄的，相机旋转30°拍摄得到第二张图像，从图中可以看出两张图像在水平位置有偏差，第二张图像相机的水平位置略低，拼接图像使两幅图像保持在了同一水平高度，但是由于旋转角度的问题，水平直线部分有一定的弯曲。因此，在采集图像的时候，一定要保证相机的位置固定，对于案件现场图像的采集最好用带有旋转云台的三脚架固定相机进行图像的采集，以保证图像位置精度。

图2是通过利用基于特征的图像拼接方法得到的具有重叠区域的两幅图像拼接后的图像，该方法首先在图1中的两幅图像中寻找一系列的特征点，之后建立相应特征点之间的对应关系，并根据这个对应关系计算出两张图像之间的坐标变换关系，从图1中可知这种方法比较适合特征点多且明显的图像中，缺乏适应性。

从图3中可以看出，柱面全景图像能够包含水平视角360°之内的所有信息，但是其垂直视角有限，向上看不到顶，向下看不到底，对于案件现场来说，比较重要的物证、血迹、伤者等重要信息都是在低处，如果使用柱面全景图像还原案件现场则有好的重要信息可能会看不清，甚至遗漏。图2中的室内图像就是很好的证明，从图像中无法看到桌子下面位置更低的信息。

2.2 球面全景图像

图4是一组鱼眼镜头采集的图像，相机型号为Canon EOS 5D Mark II，镜头的焦距为8mm，在采集这一组图像时，利用三脚架和云台对相机进行了固定，并按每旋转90°采集一张图像的方法进行拍摄，360°的场景共采集了4张图像，从采集的4张图像中可以看出，每两张图像的重合区域大约50%，这样保证了一定的重合度，避免鱼眼图像校正后，边缘部分的变形影响图像的拼接质量。从图像还可以看出，每一张图像的视域都很大，垂直视域大约180°，四张图像的最下边可以看到固定相机的三脚架，往上还能看到天空，这样保证了图像的覆盖范围的全面性。

图5是图4中的四张鱼眼图像经过图像校正[3]、图像拼接以及图像融合等步骤得到的全景图像，其中鱼眼图像的校正在之前的论文中已做详细的介绍，本文第二部分介绍了球面图像的拼接过程。从拼接的后的图像可以看出图像覆盖了整个场景的全部信息（注：图4第一张图像中的人物在拍摄图像时位置发生了移动）。图5的最左边和最右边正好能够完全相接，上能看到天空，下能看地面，这说明整个场景是真正的360°无死角的场景，并且所需原图像数量少，减少了图像拼接过程中的拼接误差。图6是模拟的交通事故现场的全景图像，整个案发现场真实全面的以图像的形式保存了下来，根据案件现场的全景图像进行三维模拟仿真，对案发过程进行动态反演都是很好的现实依据。

综上所述，本文得出利用鱼眼镜头采集案件现场图像并利用球面投影的图像拼接方式生成案件现场的全景图具有图像采集方便，所需图像数量少，生成的全景图像信息覆盖全面等优点，适合案件现场的全景重建。

3 结束语

本文通过分析柱面全景图和球面全景图在原图像的采集、图像拼接及全景图像覆盖范围等方面在案件侦查过程中的优缺点，得出球面全景图因其简便的采集方法，较少的原始图像，更大的覆盖范围等特点更适合案件现场的快速侦查，对案情分析阶段的案件现场三维模拟仿真，案发过程的动态反演提供很好的现实依据。

参考文献：

[1]李会平.图像拼接技术研究与应用[D].西安：西安科技大学，2010.

[2]傅军栋，姚孝明.实景图像拼接及其漫游控制技术[M].成都：西南交通大学出版社，2011：143-145.

[3]A Flexible Architecture for Fisheye Correction in Automotive Rear-View Cameras[Z]/literature/wp/wp-01073-flexible-architecture-fisheye-correction-automotive-rear-view-cameras.pdf.

作者简介：霍薇薇（1987-），女，山东人，硕士研究生，主要研究方向：图像处理。

作者单位：中国人民公安大学警务信息工程学院，北京 102623；北京华环电子有限公司，北京 100085

基金项目：中国人民公安大学校级项目，项目编号2013LG02。