遙感影像預(yù)處理在車載環(huán)視系統(tǒng)標(biāo)定的應(yīng)用初探

胡進(jìn) 江源遠(yuǎn) 李凱

摘要：車載環(huán)視系統(tǒng)往往需要提高對標(biāo)定場地和環(huán)境的標(biāo)準(zhǔn)，以滿足拼接算法對原始圖像的要求。與車載環(huán)視系統(tǒng)的拼接相比，遙感影像鑲嵌同樣以相鄰圖像拼接為根本目的，具有原始圖像內(nèi)容復(fù)雜、畫質(zhì)不穩(wěn)定等共同點(diǎn)。

本文旨在探究遙感影像預(yù)處理算法對于車載環(huán)視系統(tǒng)拼接標(biāo)定的應(yīng)用，以期對現(xiàn)有的拼接標(biāo)定算法，提升拼接質(zhì)量、同時(shí)降低場地和環(huán)境要求。

通過試驗(yàn)結(jié)果可見：對原始圖像采用遙感影像鑲嵌的一系列預(yù)處理后，能夠適應(yīng)此前車載環(huán)視系統(tǒng)難以成功拼接標(biāo)定的場地環(huán)境，拼接誤差小于10%，符合車載環(huán)視畫面的拼接標(biāo)定要求。

關(guān)鍵詞：遙感;預(yù)處理;環(huán)視系統(tǒng);標(biāo)定

1 引言

車載環(huán)視系統(tǒng)一般通過安裝在車輛前、后保險(xiǎn)杠和左、右后視鏡底部的四顆魚眼攝像頭，同時(shí)采集車輛前、后、左、右的周圍4幅實(shí)時(shí)圖像，環(huán)視控制器對4幅圖像進(jìn)行壓縮裁減、失真校正、俯視變換、無縫拼接處理后，得到一幅車四周3600的全景鳥瞰圖，并實(shí)時(shí)送至車內(nèi)顯示屏顯示，讓駕駛員能清晰、直觀的看到車輛周圍數(shù)米內(nèi)的影像，輔助駕駛員進(jìn)行泊車入庫、通過復(fù)雜路況道路，能有效的減少駕駛員視野盲區(qū)、消除安全隱患、減少刮蹭、碰撞等事故發(fā)生，提升用戶體驗(yàn)。

車載環(huán)視系統(tǒng)要求4顆攝像頭視場全覆蓋車輛周圍360°范圍，因此一般采用170°（有些甚至達(dá)到195°）魚眼攝像頭。由于魚眼鏡頭存在嚴(yán)重的畸變，會(huì)使拍攝的圖像嚴(yán)重扭曲，因此需要進(jìn)行非線性失真校正。同時(shí)為得到鳥瞰圖還需對校正后的圖像進(jìn)行俯視變換。由于失真校正和俯視變換都為非線性變換，對圖像特征有一定的影響。如果攝像頭采集原始圖像質(zhì)量不高，如存在高光區(qū)域、亮度不均勻、圖像成像差異大等，經(jīng)過兩次非線性變換后，后續(xù)的無縫拼接效果可能比較差，嚴(yán)重時(shí)甚至可能無法完成拼接。特別在進(jìn)行車載環(huán)視系統(tǒng)標(biāo)定時(shí)，對環(huán)境光的限制、標(biāo)志點(diǎn)的布置都要求比較高，否則可能無法實(shí)現(xiàn)標(biāo)定過程。

遙感圖像鑲嵌一般由安裝在飛機(jī)或衛(wèi)星上的全景相機(jī)獲取對地的一系列具有部分重疊的圖像，然后經(jīng)過圖像幾何校正、圖像預(yù)處理、圖像特征點(diǎn)匹配和圖像融合后拼接形成覆蓋大范圍地面區(qū)域的高分辨率圖像。遙感圖像鑲嵌經(jīng)過多年的發(fā)展，現(xiàn)已成熟的應(yīng)用于遙感圖像處理、CIS、行星科學(xué)研究等。由于圖像特殊采集方式，通常會(huì)受到大氣、太陽光角度、地形地貌、飛機(jī)或衛(wèi)星的運(yùn)動(dòng)等影響，遙感圖像通常會(huì)有系列圖像光照不均、紋理特征不豐富、反差較低、成像反差大等特點(diǎn)，但經(jīng)過遙感圖像鑲嵌預(yù)處理技術(shù)后，能較好地完成圖像拼接。

與車載環(huán)視系統(tǒng)拼接相比，遙感影像鑲嵌雖然在數(shù)據(jù)量、運(yùn)算能力方面處于不同數(shù)量級(jí)，但都以相鄰圖像拼接為根本目的，具有原始圖像內(nèi)容復(fù)雜、畫質(zhì)不穩(wěn)定等共同特點(diǎn)。本文詳細(xì)分析了遙感影像鑲嵌預(yù)處理過程和方法，探討了將遙感影像預(yù)處理的流程和方法引入車載環(huán)視系統(tǒng)中的可能性，并進(jìn)行了正常原始圖像質(zhì)量下和較差原始圖像質(zhì)量情況下的對比實(shí)驗(yàn)，給出了引入遙感影像預(yù)處理和沒有引入遙感影像預(yù)處理時(shí)環(huán)視系統(tǒng)的拼接結(jié)果。

2 遙感影像預(yù)處理

為提升遙感影鑲嵌效果，減小或消除遙感圖像采集過程中由傳感器內(nèi)部噪聲、大氣、太陽光角度、地形地貌、飛機(jī)或衛(wèi)星的運(yùn)動(dòng)等引起對圖像噪聲或畸變，一般在進(jìn)行遙感影像鑲嵌前必須進(jìn)行預(yù)處理。遙感影像預(yù)處理主要包含幾何校正、輻射校正和圖像增強(qiáng)，其處理流程圖1所示：

幾何校正主要包含鏡頭扭曲校正、中心投影變換為正射投影和其他外方位元素校正。鏡頭扭曲校正主要對鏡片組的物理成像性質(zhì)造成的圖像扭曲進(jìn)行校正。所用的校正參數(shù)來源于鏡頭組的物理規(guī)格;對于同一個(gè)鏡頭組，校正參數(shù)總是不變的。中心投影變換為正射投影主要讓圖像上各個(gè)點(diǎn)的視角，從“錐形”變?yōu)椤熬匦巍保聪送敢曣P(guān)系。其他外方位元素校正（外方位元素即傳感器的空間位置參數(shù)和姿態(tài)參數(shù)）一般指在空間中的XYZ三軸坐標(biāo)對外方位元素造成的其他幾何變形進(jìn)行校正，例如由于傳感器視角偏置，造成圖像左右不對稱。

輻射校正主要包含低通濾波降噪和傳感器內(nèi)部輻射誤差校正。低通濾波降噪消除暗部噪點(diǎn)、傳感器熱噪點(diǎn)等符合高斯分布零均值特征的噪點(diǎn)。傳感器內(nèi)部輻射誤差校正主要校正傳感器內(nèi)部輻射誤差：由于相機(jī)采用超廣角鏡片組、很小的法蘭距（鏡片組中心平面，到感光元件平面的距離），所以中心與邊緣光線入射角度差別很大;導(dǎo)致同樣的光強(qiáng)，在中心和邊緣對應(yīng)像素的輻射強(qiáng)度卻不同，從而引起的輻射誤差。

圖像增強(qiáng)主要包括直方圖線性變換、直方圖均衡、密度分割和帶有閾值的鄰近區(qū)域銳化。直方圖線性變換主要擴(kuò)大原始圖像的亮度范圍，以便最大化地利用圖像處理設(shè)備的動(dòng)態(tài)范圍。通過直方圖線性變換，能夠更明顯地體現(xiàn)亮部和暗部的細(xì)節(jié)，進(jìn)而減弱圖像中小范圍的高光和低光造成的畫而特征丟失。直方圖均衡將原始圖像隨機(jī)分布的直方圖，變換為均勻分布的直方圖，使得各個(gè)亮度的分布頻率基本相等。能夠增強(qiáng)圖像中大面積地物與其周圍地物的明暗反差。密度分割將原始圖像中，連續(xù)的亮度值范圍，按照出現(xiàn)的密度、分割為若干區(qū)間，使得亮度相近的區(qū)域能夠合并。帶有閾值的鄰近區(qū)域銳化即增強(qiáng)原始圖像中的高頻部分，從而提高圖像細(xì)節(jié)的反差，通過設(shè)置閾值，能夠削弱銳化過程中引入的隨機(jī)噪點(diǎn)。

3 遙感影像預(yù)處理技術(shù)引入分析

遙感影像鑲嵌與車載環(huán)視系統(tǒng)雖然在圖像采集方式、圖像處理數(shù)據(jù)量、運(yùn)算能力、圖像內(nèi)容上有較大的區(qū)別，但最終目的都是實(shí)現(xiàn)圖像拼接，其圖像噪聲也有相似之處，因此遙感影像鑲嵌的預(yù)處理技術(shù)應(yīng)可以引入車載環(huán)視系統(tǒng)中以提高環(huán)視系統(tǒng)拼接能力和效果。本節(jié)將對比遙感影像預(yù)處理和車載環(huán)視系統(tǒng)圖像與處理的不同之處，并將傳統(tǒng)環(huán)視全景拼接中不具備的預(yù)處理技術(shù)結(jié)合車載環(huán)視系統(tǒng)的實(shí)際情況進(jìn)行分析，討論引入車載環(huán)視全景拼接預(yù)處理的可能。

如圖1所示，兩者預(yù)處理技術(shù)的不同之處主要體現(xiàn)在輻射校正和圖像增強(qiáng)環(huán)節(jié)中，車載環(huán)視系統(tǒng)的圖像預(yù)處理沒有傳感器內(nèi)部輻射誤差校正、直方圖線性變換、直方圖均衡、密度分割等。

車載環(huán)視系統(tǒng)要求一般采用170°（有些甚至達(dá)到195°）魚眼攝像頭，其法蘭距也小，也存在傳感器內(nèi)部輻射誤差，需要對齊進(jìn)行處理。

通過直方圖線性變換，能夠更明顯地體現(xiàn)亮部和暗部的細(xì)節(jié)，進(jìn)而減弱圖像中小范圍的高光和低光造成的畫面特征丟失，而在車載環(huán)視系統(tǒng)中高光、低光是引起拼接質(zhì)量下降甚至失敗的重要原因，因此需要引入。

直方圖均衡將原始圖像隨機(jī)分布的直方圖，變換為均勻分布的直方圖，使得各個(gè)亮度的分布頻率基本相等。能夠增強(qiáng)圖像中大面積地物與其周圍地物的明暗反差，對于采用高對比網(wǎng)格的車載環(huán)視系統(tǒng)標(biāo)定，能夠更好地突出畫面中黑格與白格的分布區(qū)域。

密度分割將原始圖像中，連續(xù)的亮度值范圍，按照出現(xiàn)的密度、分割為若干區(qū)間，使得亮度相近的區(qū)域能夠合并。對于采用高對比網(wǎng)格的車載環(huán)視系統(tǒng)標(biāo)定，能夠?qū)嬅嬷泻诟?、白格區(qū)域分別合并，消除光源角度和材料反射造成的亮度偏差。

由上述理論分析可知，在車載環(huán)視系統(tǒng)圖像預(yù)處理中引入傳感器內(nèi)部輻射誤差校正、直方圖線性變換、直方圖均衡、密度分割可改善圖像質(zhì)量，提升拼接效果。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

4.1實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

為驗(yàn)證遙感影像鑲嵌的預(yù)處理技術(shù)引入車載環(huán)視系統(tǒng)的可行性，特選取符合標(biāo)定場地要求的標(biāo)準(zhǔn)光照條件下、與帶有環(huán)境光干擾的條件下環(huán)視系統(tǒng)的攝像頭采集的圖像，前者如圖2，后者如圖3。

分別直接送人環(huán)視控制器處理、嘗試進(jìn)行拼接標(biāo)定;經(jīng)過輻射誤差校正、直方圖線性變換、直方圖均衡、密度分割等遙感影像預(yù)處理技術(shù)后再送入環(huán)視控制器、嘗試進(jìn)行拼接標(biāo)定。

4.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

未引入遙感影像鑲嵌的預(yù)處理技術(shù)時(shí)，若存在環(huán)境光干擾，則處理失敗，標(biāo)定無法進(jìn)行。需依據(jù)標(biāo)定場地要求、布置標(biāo)準(zhǔn)光照后，拼接標(biāo)定處理成功，能夠正確得到周圍3600的鳥瞰畫面，如圖4，圖像四角接縫處的矩形標(biāo)記可用于評(píng)估拼接誤差，可見拼接后邊長誤差小于10%，符合環(huán)視系統(tǒng)拼接的要求。結(jié)果與工廠生產(chǎn)中的實(shí)際情況相符。

引入遙感影像鑲嵌的預(yù)處理技術(shù)后，對于符合要求的標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)定環(huán)境，能夠成功進(jìn)行拼接標(biāo)定，結(jié)果與未引入預(yù)處理一致;此外，對于存在環(huán)境光干擾、以往無法標(biāo)定的圖像，同樣能夠成功處理，并得到與標(biāo)準(zhǔn)光照下一致的拼接標(biāo)定結(jié)果。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比如表1?？梢姡簩⑦b感影像鑲嵌的預(yù)處理技術(shù)引入到傳統(tǒng)的車載環(huán)視系統(tǒng)標(biāo)定的拼接算法，不僅能達(dá)到原有的標(biāo)定性能，而且能夠適應(yīng)以往無法進(jìn)行拼接的環(huán)境，算法性能得到提升。

由此可降低對車載環(huán)視系統(tǒng)標(biāo)定場地的要求，不再需要嚴(yán)格控制場地的光照等條件，從而降低對場地建設(shè)和維護(hù)的要求，對于工廠生產(chǎn)可減少成本、簡化操作工藝、提升工作效率。

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