全景鱼眼监控摄像机图像矫正核心算法

    【CPS中安网 cps.com.cn】一般来说鱼眼图像失真可分三种：径向失真、非正交失真与中心偏移。径向失真是由于鱼眼镜头径向曲率的不规则引起;非正交失真是由于鱼眼光轴与传感器平面不能完全正交所致;中心偏移是由于鱼眼镜头光轴不可能正好穿过传感器的中心产生的。失真让人难以辨别，不符合人类视觉习惯，所以校正技术显得尤为重要。但是，也不可否认不同品质的鱼眼镜头其畸变还是有着较大的差异，所以说全景摄像机鱼眼镜头的选择将非常重要，其将直接影响着摄像机图像源的效果。核心图像处理算法，直接影响系统资源占有率，直接影响码流、带宽和存储。核心算法的好坏直接影像图像边缘弯曲的矫正，场景的分割，虚拟PTZ、转动、放大，这些都是由核心算法带动的。

　　常说鱼眼镜头全景摄像机有四大关键技术：鱼眼镜头、高像素传感器、处理软件和虚拟PTZ。笔者认为上述四大技术中高像素传感器和虚拟PTZ技术基于近年高清传感器以及数字技术的迅猛发展可以说已经较好地解决了，而现在最具争议的乃是鱼眼镜头和处理软件。至于多路视频全景摄像机可以避免鱼眼镜头图像失真的缺点，但是或多或少也会存在融合边缘效果不真实、角度有偏差或分割融合后有"附加"感的缺撼。

　　鱼眼镜头所成的像，由于景深曲率的影响，图像的畸变十分严重，不符合正常视觉感受。故需要图像矫正技术消除鱼眼镜头畸变。图像矫正技术的思路并不复杂，一般是从原始饼图拉出一个单独扇形，再根据比例及透视等原理进行一定变形及校正处理，拼合这些分别处理好的扇形图像便可得到符合监控需求的图像。对于需求不高的产品，可直接对圆形饼图进行简单四角拉伸，也能取得适合人眼观看的图像效果。

　　虽然具体到每一个厂家其核心算法必然会有所不同，但图像矫正技术的中心思想都是采用一定算法把边缘畸变严重的图形拉伸整合为适合观看的正常比例图像。其中所用算法的合理性、编程水平的高低及最终系统资源占用率共同决定了此算法的优劣。至于虚拟PTZ，其实就是在图像内部进行像素抓取，以实现放大与旋转等功能，对比校正算法它主要的困难不是如何取得更为优秀的图片效果，而是如何更好地同时整合到前端固件与后端软件上，实现对事实与事后录像的双向虚拟控制。

　　针对鱼眼镜头全景摄像机，其鱼眼镜头是一种超广角的特殊镜头，这种镜头的前镜片呈抛物状向镜头前部凸出，是一种焦距在6-16mm之间的短焦距镜头，据光学成像原理，短焦距镜头才能呈现出大视场的监控效果，其三维视角可达到全景视角，但是其是以牺牲监控画面的真实感为前提，并且带来了被称之为"桶形畸变"的视觉上的严重变形，这种畸变会随着视场角的增大而趋严重，从而使得图像严重失真。

　　鱼眼镜头全景摄像机因采用的镜头和图像传感器与普通镜头的矩形传感器有着本质上的差异，因此其成像原理也不很相同，鱼眼镜头成像会形成一个异于人类视觉习惯的圆形图像，其图像边缘的像素点完全被拉伸，因此如何对圆形图像进行矫正，以及保证鱼眼图像的有效像素不丢失就是十分关键的技术，这不是一般厂商解决得了的。由此，对全景摄像机从镜头选型开始，就需要通过对镜头的曲率特征、光学折射线路以及结合透光亮度进行综合分析，由此才能取得一个比较好的图像源，以达到大景深、高分辨率，且画面周边和中心的解像力均衡的图像效果。其关键点是，除了严格筛选以确保镜头的高品质的同时，对于鱼眼展开算法需要做长期、深入的研究，而各全景摄像机厂商基于自身不同的技术源点考虑，采用的图像矫正技术也都不尽相同，其将直接地影响着图像矫正后的视觉效果。

　　现在业内的产品，针对鱼眼图像矫正，有两种处理方式，一种是前端摄像机内置软件处理，另外一种是后端PC机软件处理，其都是对图像边缘像素和水平展开进行矫正，图像矫正的关键在于图像边缘像素的还原完整度如何。前种方法节省了后端和网络资源，避免了带宽和存储的压力，即在前端就完成了对图像进行矫正处理压缩，最终将一个水平展开的图像传输到后端平台，使用者可根据需求选择全景画面或四画面显示，图像很具实时性。

　　全景摄像机技术特点

　　而后一种将图像矫正做到后端PC机上，其优势是借助PC硬件快速的处理能力和软件的完备性，其能很完美地实现全景图像展开和四画面显示，从处理能力来说无疑后端PC机更具突出表现，效果或更要好一些，但也缺实时性。现在的鱼眼摄像机图像矫正技术虽也会有像素遗失，但总体都可以保证图像的有效像素，都能满足正常的监控需求。

　　对于多镜头全景摄像机虽然不存在鱼眼图像变形矫正的问题，但如何保证多镜头拍摄画面的拼接实现无死角、无盲点、自然连贯也仍有可关注点。多镜头全景摄像机一般都由摄像机内置的专用处理软件来校正，之后将图像整合成视频流传到监控后端，现有的技术已经能做到可以比较好地满足全景和四画面的显示需求。需要注意的是为实现360度全景监控时，在安装时要避免正下方出现死角，其要根据不同的监视需求，对每个物理镜头要进行俯仰视角度的精细调节。

　　针对全景摄像机经常的话题是鱼眼镜头、校正软件、虚拟PTZ，而常常会忽略了其它功能。 

　　现在的全景摄像机技术特点可简略归纳为如下几点：

　　一、图像校正软件被嵌入到摄像机内或是当前技术市场的主流，其更符合用户即插即用的使用习惯，借助PC机的产品功能虽会很完美但未必会被用户接受;

　　二、低照度和宽动态功能已是各种类摄像机的常备功能，包括全景摄像机，其无疑其将大大拓展全景摄像机的使用范围，使回归到常规型摄像机的形态;

　　三、附加功能丰富，比如支持多码流输出、双向语音、POE供电、内置存储卡、日夜转换、数字降噪、隐私区遮掩、报警输入/出、智能视频分析等功能也都在当前的产品中有所应用。

　　全景摄像机作为一种特殊形态的产品，其有专用的应用领域和特色，但是现在技术的发展使其也不被特殊性和专用性所束缚，同样也表现出常规型摄像机应具有的功能，使得其环境适用性更强，更体现出应用价值。

　　全景摄像机的优点在于能以最少的装机量，达到最有效率的监控效果，即能减少护罩、布线与人员的施工费用等，能降低监控工程成本。但其毕竟发展时间短，有不可忽视的劣势，如摄像机的单价偏高、监控距离尚未突破，以及图像存储、还原等问题，都急需调整和改进。

　　因此，不能盲目追崇全景摄像机，其目前也不可能取代传统摄像机的作用与功能。所以如何搭配全景摄像机与常规型摄像机共同使用，使二者取长补短，以求监控效果最大化，才是现阶段除技术突破之外最应该考量的问题。