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全景魚眼監(jiān)控?cái)z像機(jī)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(xí)慣,所以校正技術(shù)顯得尤為重要。但是,也不可否認(rèn)不同品質(zhì)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(jī)魚眼鏡頭的選擇將非常重要,其將直接影響著攝像機(jī)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(chǔ)。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(zhuǎn)動(dòng)、放大,這些都是由核心算法帶動(dòng)的。
常說魚眼鏡頭全景攝像機(jī)有四大關(guān)鍵技術(shù):魚眼鏡頭、高像素傳感器、處理軟件和虛擬PTZ。筆者認(rèn)為上述四大技術(shù)中高像素傳感器和虛擬PTZ技術(shù)基于近年高清傳感器以及數(shù)字技術(shù)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(jī)可以避免魚眼鏡頭圖像失真的缺點(diǎn),但是或多或少也會(huì)存在融合邊緣效果不真實(shí)、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(yán)重,不符合正常視覺感受。故需要圖像矯正技術(shù)消除魚眼鏡頭畸變。圖像矯正技術(shù)的思路并不復(fù)雜,一般是從原始餅圖拉出一個(gè)單獨(dú)扇形,再根據(jù)比例及透視等原理進(jìn)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(duì)于需求不高的產(chǎn)品,可直接對(duì)圓形餅圖進(jìn)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(gè)廠家其核心算法必然會(huì)有所不同,但圖像矯正技術(shù)的中心思想都是采用一定算法把邊緣畸變嚴(yán)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(shí)就是在圖像內(nèi)部進(jìn)行像素抓取,以實(shí)現(xiàn)放大與旋轉(zhuǎn)等功能,對(duì)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(shí)整合到前端固件與后端軟件上,實(shí)現(xiàn)對(duì)事實(shí)與事后錄像的雙向虛擬控制。
針對(duì)魚眼鏡頭全景攝像機(jī),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(xué)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(dá)到全景視角,但是其是以犧牲監(jiān)控畫面的真實(shí)感為前提,并且?guī)砹吮环Q之為"桶形畸變"的視覺上的嚴(yán)重變形,這種畸變會(huì)隨著視場角的增大而趨嚴(yán)重,從而使得圖像嚴(yán)重失真。
魚眼鏡頭全景攝像機(jī)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(zhì)上的差異,因此其成像原理也不很相同,魚眼鏡頭成像會(huì)形成一個(gè)異于人類視覺習(xí)慣的圓形圖像,其圖像邊緣的像素點(diǎn)完全被拉伸,因此如何對(duì)圓形圖像進(jìn)行矯正,以及保證魚眼圖像的有效像素不丟失就是十分關(guān)鍵的技術(shù),這不是一般廠商解決得了的。由此,對(duì)全景攝像機(jī)從鏡頭選型開始,就需要通過對(duì)鏡頭的曲率特征、光學(xué)折射線路以及結(jié)合透光亮度進(jìn)行綜合分析,由此才能取得一個(gè)比較好的圖像源,以達(dá)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(guān)鍵點(diǎn)是,除了嚴(yán)格篩選以確保鏡頭的高品質(zhì)的同時(shí),對(duì)于魚眼展開算法需要做長期、深入的研究,而各全景攝像機(jī)廠商基于自身不同的技術(shù)源點(diǎn)考慮,采用的圖像矯正技術(shù)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(nèi)的產(chǎn)品,針對(duì)魚眼圖像矯正,有兩種處理方式,一種是前端攝像機(jī)內(nèi)置軟件處理,另外一種是后端PC機(jī)軟件處理,其都是對(duì)圖像邊緣像素和水平展開進(jìn)行矯正,圖像矯正的關(guān)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(luò)資源,避免了帶寬和存儲(chǔ)的壓力,即在前端就完成了對(duì)圖像進(jìn)行矯正處理壓縮,最終將一個(gè)水平展開的圖像傳輸?shù)胶蠖似脚_(tái),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(shí)時(shí)性。
全景攝像機(jī)技術(shù)特點(diǎn)
而后一種將圖像矯正做到后端PC機(jī)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(shí)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(jī)更具突出表現(xiàn),效果或更要好一些,但也缺實(shí)時(shí)性。現(xiàn)在的魚眼攝像機(jī)圖像矯正技術(shù)雖也會(huì)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(duì)于多鏡頭全景攝像機(jī)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(shí)現(xiàn)無死角、無盲點(diǎn)、自然連貫也仍有可關(guān)注點(diǎn)。多鏡頭全景攝像機(jī)一般都由攝像機(jī)內(nèi)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(shù)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(shí)現(xiàn)360度全景監(jiān)控時(shí),在安裝時(shí)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(duì)每個(gè)物理鏡頭要進(jìn)行俯仰視角度的精細(xì)調(diào)節(jié)。
針對(duì)全景攝像機(jī)經(jīng)常的話題是魚眼鏡頭、校正軟件、虛擬PTZ,而常常會(huì)忽略了其它功能。
現(xiàn)在的全景攝像機(jī)技術(shù)特點(diǎn)可簡略歸納為如下幾點(diǎn):
一、圖像校正軟件被嵌入到攝像機(jī)內(nèi)或是當(dāng)前技術(shù)市場的主流,其更符合用戶即插即用的使用習(xí)慣,借助PC機(jī)的產(chǎn)品功能雖會(huì)很完美但未必會(huì)被用戶接受;
二、低照度和寬動(dòng)態(tài)功能已是各種類攝像機(jī)的常備功能,包括全景攝像機(jī),其無疑其將大大拓展全景攝像機(jī)的使用范圍,使回歸到常規(guī)型攝像機(jī)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(nèi)置存儲(chǔ)卡、日夜轉(zhuǎn)換、數(shù)字降噪、隱私區(qū)遮掩、報(bào)警輸入/出、智能視頻分析等功能也都在當(dāng)前的產(chǎn)品中有所應(yīng)用。
全景攝像機(jī)作為一種特殊形態(tài)的產(chǎn)品,其有專用的應(yīng)用領(lǐng)域和特色,但是現(xiàn)在技術(shù)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(jī)應(yīng)具有的功能,使得其環(huán)境適用性更強(qiáng),更體現(xiàn)出應(yīng)用價(jià)值。
全景攝像機(jī)的優(yōu)點(diǎn)在于能以最少的裝機(jī)量,達(dá)到最有效率的監(jiān)控效果,即能減少護(hù)罩、布線與人員的施工費(fèi)用等,能降低監(jiān)控工程成本。但其畢竟發(fā)展時(shí)間短,有不可忽視的劣勢,如攝像機(jī)的單價(jià)偏高、監(jiān)控距離尚未突破,以及圖像存儲(chǔ)、還原等問題,都急需調(diào)整和改進(jìn)。
因此,不能盲目追崇全景攝像機(jī),其目前也不可能取代傳統(tǒng)攝像機(jī)的作用與功能。所以如何搭配全景攝像機(jī)與常規(guī)型攝像機(jī)共同使用,使二者取長補(bǔ)短,以求監(jiān)控效果最大化,才是現(xiàn)階段除技術(shù)突破之外最應(yīng)該考量的問題。
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