全景魚眼監(jiān)控攝像機圖像矯正核心算法

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     一般來說魚眼圖像失真可分三種：徑向失真、非正交失真與中心偏移。徑向失真是由于魚眼鏡頭徑向曲率的不規(guī)則引起;非正交失真是由于魚眼光軸與傳感器平面不能完全正交所致;中心偏移是由于魚眼鏡頭光軸不可能正好穿過傳感器的中心產(chǎn)生的。失真讓人難以辨別，不符合人類視覺習慣，所以校正技術顯得尤為重要。但是，也不可否認不同品質的魚眼鏡頭其畸變還是有著較大的差異，所以說全景攝像機魚眼鏡頭的選擇將非常重要，其將直接影響著攝像機圖像源的效果。核心圖像處理算法，直接影響系統(tǒng)資源占有率，直接影響碼流、帶寬和存儲。核心算法的好壞直接影像圖像邊緣彎曲的矯正，場景的分割，虛擬PTZ、轉動、放大，這些都是由核心算法帶動的。

　　常說魚眼鏡頭全景攝像機有四大關鍵技術：魚眼鏡頭、高像素傳感器、處理軟件和虛擬PTZ。筆者認為上述四大技術中高像素傳感器和虛擬PTZ技術基于近年高清傳感器以及數(shù)字技術的迅猛發(fā)展可以說已經(jīng)較好地解決了，而現(xiàn)在最具爭議的乃是魚眼鏡頭和處理軟件。至于多路視頻全景攝像機可以避免魚眼鏡頭圖像失真的缺點，但是或多或少也會存在融合邊緣效果不真實、角度有偏差或分割融合后有"附加"感的缺撼。

　　魚眼鏡頭所成的像，由于景深曲率的影響，圖像的畸變十分嚴重，不符合正常視覺感受。故需要圖像矯正技術消除魚眼鏡頭畸變。圖像矯正技術的思路并不復雜，一般是從原始餅圖拉出一個單獨扇形，再根據(jù)比例及透視等原理進行一定變形及校正處理，拼合這些分別處理好的扇形圖像便可得到符合監(jiān)控需求的圖像。對于需求不高的產(chǎn)品，可直接對圓形餅圖進行簡單四角拉伸，也能取得適合人眼觀看的圖像效果。

　　雖然具體到每一個廠家其核心算法必然會有所不同，但圖像矯正技術的中心思想都是采用一定算法把邊緣畸變嚴重的圖形拉伸整合為適合觀看的正常比例圖像。其中所用算法的合理性、編程水平的高低及最終系統(tǒng)資源占用率共同決定了此算法的優(yōu)劣。至于虛擬PTZ，其實就是在圖像內部進行像素抓取，以實現(xiàn)放大與旋轉等功能，對比校正算法它主要的困難不是如何取得更為優(yōu)秀的圖片效果，而是如何更好地同時整合到前端固件與后端軟件上，實現(xiàn)對事實與事后錄像的雙向虛擬控制。

　　針對魚眼鏡頭全景攝像機，其魚眼鏡頭是一種超廣角的特殊鏡頭，這種鏡頭的前鏡片呈拋物狀向鏡頭前部凸出，是一種焦距在6-16mm之間的短焦距鏡頭，據(jù)光學成像原理，短焦距鏡頭才能呈現(xiàn)出大視場的監(jiān)控效果，其三維視角可達到全景視角，但是其是以犧牲監(jiān)控畫面的真實感為前提，并且?guī)砹吮环Q之為"桶形畸變"的視覺上的嚴重變形，這種畸變會隨著視場角的增大而趨嚴重，從而使得圖像嚴重失真。

　　魚眼鏡頭全景攝像機因采用的鏡頭和圖像傳感器與普通鏡頭的矩形傳感器有著本質上的差異，因此其成像原理也不很相同，魚眼鏡頭成像會形成一個異于人類視覺習慣的圓形圖像，其圖像邊緣的像素點完全被拉伸，因此如何對圓形圖像進行矯正，以及保證魚眼圖像的有效像素不丟失就是十分關鍵的技術，這不是一般廠商解決得了的。由此，對全景攝像機從鏡頭選型開始，就需要通過對鏡頭的曲率特征、光學折射線路以及結合透光亮度進行綜合分析，由此才能取得一個比較好的圖像源，以達到大景深、高分辨率，且畫面周邊和中心的解像力均衡的圖像效果。其關鍵點是，除了嚴格篩選以確保鏡頭的高品質的同時，對于魚眼展開算法需要做長期、深入的研究，而各全景攝像機廠商基于自身不同的技術源點考慮，采用的圖像矯正技術也都不盡相同，其將直接地影響著圖像矯正后的視覺效果。

　　現(xiàn)在業(yè)內的產(chǎn)品，針對魚眼圖像矯正，有兩種處理方式，一種是前端攝像機內置軟件處理，另外一種是后端PC機軟件處理，其都是對圖像邊緣像素和水平展開進行矯正，圖像矯正的關鍵在于圖像邊緣像素的還原完整度如何。前種方法節(jié)省了后端和網(wǎng)絡資源，避免了帶寬和存儲的壓力，即在前端就完成了對圖像進行矯正處理壓縮，最終將一個水平展開的圖像傳輸?shù)胶蠖似脚_，使用者可根據(jù)需求選擇全景畫面或四畫面顯示，圖像很具實時性。

　　全景攝像機技術特點

　　而后一種將圖像矯正做到后端PC機上，其優(yōu)勢是借助PC硬件快速的處理能力和軟件的完備性，其能很完美地實現(xiàn)全景圖像展開和四畫面顯示，從處理能力來說無疑后端PC機更具突出表現(xiàn)，效果或更要好一些，但也缺實時性。現(xiàn)在的魚眼攝像機圖像矯正技術雖也會有像素遺失，但總體都可以保證圖像的有效像素，都能滿足正常的監(jiān)控需求。

　　對于多鏡頭全景攝像機雖然不存在魚眼圖像變形矯正的問題，但如何保證多鏡頭拍攝畫面的拼接實現(xiàn)無死角、無盲點、自然連貫也仍有可關注點。多鏡頭全景攝像機一般都由攝像機內置的專用處理軟件來校正，之后將圖像整合成視頻流傳到監(jiān)控后端，現(xiàn)有的技術已經(jīng)能做到可以比較好地滿足全景和四畫面的顯示需求。需要注意的是為實現(xiàn)360度全景監(jiān)控時，在安裝時要避免正下方出現(xiàn)死角，其要根據(jù)不同的監(jiān)視需求，對每個物理鏡頭要進行俯仰視角度的精細調節(jié)。

　　針對全景攝像機經(jīng)常的話題是魚眼鏡頭、校正軟件、虛擬PTZ，而常常會忽略了其它功能。

　　現(xiàn)在的全景攝像機技術特點可簡略歸納為如下幾點：

　　一、圖像校正軟件被嵌入到攝像機內或是當前技術市場的主流，其更符合用戶即插即用的使用習慣，借助PC機的產(chǎn)品功能雖會很完美但未必會被用戶接受;

　　二、低照度和寬動態(tài)功能已是各種類攝像機的常備功能，包括全景攝像機，其無疑其將大大拓展全景攝像機的使用范圍，使回歸到常規(guī)型攝像機的形態(tài);

　　三、附加功能豐富，比如支持多碼流輸出、雙向語音、POE供電、內置存儲卡、日夜轉換、數(shù)字降噪、隱私區(qū)遮掩、報警輸入/出、智能視頻分析等功能也都在當前的產(chǎn)品中有所應用。

　　全景攝像機作為一種特殊形態(tài)的產(chǎn)品，其有專用的應用領域和特色，但是現(xiàn)在技術的發(fā)展使其也不被特殊性和專用性所束縛，同樣也表現(xiàn)出常規(guī)型攝像機應具有的功能，使得其環(huán)境適用性更強，更體現(xiàn)出應用價值。

　　全景攝像機的優(yōu)點在于能以最少的裝機量，達到最有效率的監(jiān)控效果，即能減少護罩、布線與人員的施工費用等，能降低監(jiān)控工程成本。但其畢竟發(fā)展時間短，有不可忽視的劣勢，如攝像機的單價偏高、監(jiān)控距離尚未突破，以及圖像存儲、還原等問題，都急需調整和改進。

　　因此，不能盲目追崇全景攝像機，其目前也不可能取代傳統(tǒng)攝像機的作用與功能。所以如何搭配全景攝像機與常規(guī)型攝像機共同使用，使二者取長補短，以求監(jiān)控效果最大化，才是現(xiàn)階段除技術突破之外最應該考量的問題。