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。