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基于全局運動估計的視頻圖像拼接在監(jiān)控系統(tǒng)中的應用
摘要：文章通過云臺控制攝像頭拍攝的序列圖像實現(xiàn)實時的全景視圖拼接，利用金字塔分層的塊匹配方式以及參數(shù)仿射模型，快速、精確地估算各幀之間的運動參數(shù)，實現(xiàn)了多幀圖像的自動拼接，達到了實時擴大視頻監(jiān)控范圍和視野的目的。關(guān)鍵詞：視頻監(jiān)控 全局運動估計 6參數(shù)仿射模型 全景圖
l引言
全景視圖在諸多領域有著非常廣泛的應用，在虛擬現(xiàn)實中，它是一種重要的場景表示方式。在MPEG中的動態(tài)Sprite編碼通過對視頻序列進行全局運動估計，可重構(gòu)背景的全景視圖。在基于內(nèi)容的視頻檢索中，用全景圖表示一段視頻，極大地壓縮了視頻數(shù)據(jù)量。本文結(jié)合上述文中提到的全景圖的優(yōu)點，提出了一種應用在視頻監(jiān)控中的全景圖拼接方法。通過云臺控制攝像頭左右往返運動實現(xiàn)實時的視頻序列圖像拼接，攝像頭所拍攝的幀之間的轉(zhuǎn)角和重疊區(qū)域并沒有嚴格限制，利用全局運動估計方法，估算幀間運動參數(shù)，實現(xiàn)多圖像的拼接融合，有效地擴大了監(jiān)視范圍和視野。
2全景圖生成思路
用攝像機采集得到一系列圖像，將首幀做為基準全景圖，將下一幀與已有全景圖做全局運動估計，得到該幀的運動參數(shù)，根據(jù)此參數(shù)對當前幀進行變換，然后將該幀變形圖與已有的全景圖進行拼接融合，重復上述步驟，即可生成該視頻序列的全景圖。其中，為了節(jié)約運行時間，保存每一幀的變形圖，當讀人一幀圖像時，將當前幀與前一幀的變形圖做全局運動估計，這樣得出的運動參數(shù)和每次與已有全景圖做運動估計得到的參數(shù)是一致的，并且由于單幀變形圖所占空間小，使得運算速度得以提高。
3全局運動估計
3．1全局運動的仿射模型
幀間全局運動分析是一種基于模型的運動分析方法，在這里宜采用6參數(shù)的仿射模型來估算幀間的運動關(guān)系。該模型可描述圖像的平移、縮放、旋轉(zhuǎn)、仿射等線性變換：
x'=ax by c
y'=dx ey f(1)
其中(w)代表k幀中像素的坐標，(x'，y')代表k l幀中像素的坐標，在該模型下定義參數(shù)矢量，其中分量e、f與平移運動有關(guān)，分量a、b、c、d與放縮、旋轉(zhuǎn)運動有關(guān)。
3．2參數(shù)矢量估計
要估計仿射模型的6個參數(shù)，至少必須獲得3 個非共線位置的運動矢量數(shù)據(jù)。通常情況下，可由塊匹西法、光流分析等方法來進行。本文采用可以適應較大缶移矢量塊匹配法來進行參數(shù)估計。將圖像分為16xl6一共n小塊，求出各個小塊在上一幀的位移矢量，根據(jù)(1)．有
其中i為每個小塊的編號，axi、ayj為幀小塊中心點對應與上一幀在x，y方向上的運動矢量。
此時定義能量函數(shù)pi，p’：
使得p，、p，，取得最小值，其中n表示塊匹配中的分塊數(shù)。
利用最小二乘法求解式(2)、(3)，使
可得到一組線性方程：
求解線性方程，即可得到參數(shù)矢量p。
3．3分層運動矢量估計
由于塊匹配計算量較大，故本文采用金字塔分層的塊匹配技術(shù)進行幀間運動估計，以提高運算速度，具體算法如下：
首先，將圖像分為三層，最底層為原始圖像，中間層為原始圖像經(jīng)過2：l的采樣，大小變?yōu)榈讓訄D像1／4大小(長、寬都減少一半)，最上層則為底層圖像1／16大小。這樣處理的好處是提高了后續(xù)運算的速度，且經(jīng)過兩次濾波有效消除了高頻噪聲對運動估計的影響。
通過計算最上層圖像的塊運動矢量，利用最小二乘估計法估算運動參數(shù)，由于塊匹配在有運動前景或者紋理不明顯的區(qū)域計算時不夠精確，故需要進行錯誤匹配點的剔除。計算所有運動矢量與用運動參數(shù)恢復出的運動矢量的平均誤差：
其中，Axi、△yi為第i小塊經(jīng)過塊匹配計算出的運動矢量，，為用運動參數(shù)恢復出的運動矢量。
剔除塊匹配運動矢量中所有平均誤差值大于此平均誤差的矢量，用更新的運動矢量集合再次進行參數(shù)估計。
再將最上層用參數(shù)估計恢復出的運動矢量擴大一倍，作為第二層的運動矢量初始值，重復與最上層計算運動矢量相同的步驟，直至計算出圖像最底層的運動參數(shù)。
所示見圖l為一段720x576大小的視頻序列中利用16x16的塊匹配在某幀最上層圖像上求出的相對其上一幀的運動矢量。
其中，白線表示迭代運算后的運動矢量，而黑線則麥示誤差計算后，被剔除的運動矢量。
4圖像拼接
確定了兩副待拼接圖像之間的變換關(guān)系，即可確定兩圖像的重疊部分。但由于兩圖像之間的光線強度差異，以及直接拼接造成明顯的拼接痕跡等原因使拼接效果受到影響，故拼接時還需做如下處理：
4．1均衡光差
在圖像間的重疊區(qū)域確定后，分別計算兩圖像在重疊區(qū)域的光照強度，將所有點的光強值相加，然后將兩個累加值相除得到光照強度的比例，然后照此比例，將光照強度較強的圖像亮度降低。如圖所示見圖2兩幀圖像在均衡光差前后的拼
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