基于嵌入式系统的图像拼接算法研究

洪永健 王天安 谭海波 郭晶晶 刘东尧 明家辉 万豪

摘要

图像拼接技术可以实现通过算法将不同角度拍摄的多幅图像拼接成全景图像，常规图像拼接算法大多运行在计算机系统平台，存在体积庞大、便携性差等缺点。本文设计了基于嵌入式系统环境的图像拼接系统，实现了一种在嵌入式系统中对图像进行快速拼接的算法。具体算法中实现选用Canny边缘检测提取图像边缘，减弱噪声对拼接结果造成的影响；利用相位相关法实现对待拼接图像的配准，使用三角函数权重融合算法融合配准后的图像，实现了重叠区域的平缓过渡。

【关键词】图像拼接 相位相关 嵌入式处理系统

图像拼接实现将多幅具有重合部分的图像拼接成为一幅大尺寸，高分辨率的全景图。

研究图像拼接的意义就在于通过算法将输入的常规相机拍摄的一般分辨率的不同角度下的普通图像，拼接成为全景图像，从而降低对采集图像设备的过高要求，或者特殊环境下拍摄的图像拼接到一起，组成全景图像。本文结合实际需求，在嵌入式平台上对图像拼接算法进行研究，并完成图像在嵌入式系统环境下快速、准确的拼接。

1 嵌入式图像拼接算法设计

1.1 图像的预处理

本系统中使用的图像预处理方法为Canny边缘检测。具体的实现步骤为：

1.1.1 对图像进行高斯平滑

由于图像中的边缘信息对噪声比较敏感，因此使用滤波器来对噪声进行处理，这里使用的高斯平滑用来削弱图像中的噪声对边缘信息提取的影响。

1.1.2 求梯度的方向和幅值

对经过高斯平滑后的图像I（x，y）再求其偏导，得到图像的偏导数 ；对其求方向和幅值：

1.1.3 非极大值抑制

非极大值抑制实现起来就是将点P（x，y）与邻域的8个点按导数减小的方向进行幅值比较，若点P（x，y）小于该方向的两个邻域的点的值，那么该点不是极大值，在此处将该点梯度的幅值置0。

1.2 基于相位相关法的图像配准算法

由于图像能够等效为二维的信号，若一幅图像的尺寸为M×N，用函数f（x，y）表示，则它的离散傅里叶变换可表示为

其中u=0，l，2，……，M-l；v=0，l，2，……，N-1。

使用快速傅里叶变换方法进行变换，并且中心对齐后的效果图如图1所示。

若图像f2相对图像f1存在（dx，dy）的平移，可以表示为：

对图像做傅里叶变换，可得到：

由上式可知，相对丰移量为（dx，dy）的两幅图像在频率域中幅值相同，相位差为

计算的结果r是为虚数，对r进行傅里叶逆变换的结果含有狄莱克函数8，其峰值点的位置坐标就是（dx，dy），如图2所示。

1.3 图像融合算法

三角函数权重融合算法是基于渐入渐出法的改进算法，其权值的分布是按照三角函数分布的，

权重满足关系：

其中

，x是像素点的列数；L是重叠部分的左边界，R是重叠部分的右边界。

2 嵌入式图像拼接试验及分析

对于两幅待拼接的图像，当这两幅图像的相对旋转角度与重合率符合一定要求时使用本文的方法对其进行拼接。原始图像如图3所示。

利用相位相關法计算得到边缘检测后的图像的相对位置关系，根据结果对图像进行配准。使用三角函数权重融合算法对图像进行融合后裁掉图像上下的黑边得到最终图像拼接的结果如图4。

根据输出的信息图像拼接算法总用时为10.67s，可以满足系统实时性要求。

3 结论

本文重点讨论了嵌入式系统下的图像拼接算法，基于FPGA的嵌入式系统的硬件平台和软件系统设计流程，使用DEO-Nano-SoC构建嵌入式Linux系统。利用相位相关法实现对待拼接图像的配准，以满足系统的实时性要求；使用三角函数权重融合算法融合配准后的图像，实现了对拼接图像的重叠区域的平缓过渡，所研究算法通过实际试验验证了其有效性和实时性。

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