CCD图像拼接的快速算法

关键词 : CCD 图像 ; 图像拼接 ; 局部计算 ; 多分辨率 中图分类号 : TN911. 73 文献标识码 : A 文章编号 : 1001 - 5868 (2006) 02 - 0206 - 04
Fast Mosa icing Arithmetic Method f or Multi2CCD Image
E( x , y) = Cc Ec ( x , y) + Cg Eg ( x , y) (8)
其中 , Ec ( x , y) 为相邻像素的色差 (灰度差) , Eg ( x ,
y) 为相邻像素的结构差 , Cc 、Cg 是权系数 ,可以根据
图像的性质加以调整 。Cg 可以通过对边界上的像
素进行 So bel 模板运算来获得 。So bel 计算在 x 方
向和 y 方向的梯度分别采用模板 :
- 1 0 1
- 1- 2- 1
S x = - 2 0 2 , S y = 0 0 0 (9)
- 1 0 1
1 2 1
由于该模板仅用于相邻边界上相似点的结构描
述 ,在左部图像 A 与右部图像 B 拼接的情况下 x 方 向上模板必然要跨越到对应的另一幅图像上 。为了 便于处理先将图像 A 、B 作粗拼接 ,然后在拼接边界 上做上述模板运算 。对于 CCD 多区输出的情况 ,可 以不考虑图像的几何形变 ,那么可以根据上述图像 内容差别最小原则 ,对预拼接图像做从上至下的滑 动以寻找最优匹配位置 ,如图 2 。
2. 2 多分辨率分解的拉普拉斯金字塔算法 Burt 等人[7] 最早提出了多分辨率分解的拉普
拉斯金字塔算法 。其经典的算法描述如下 : (1) 原图像的高斯滤波分解 。对原始图像 G0
进行隔行 、隔列的降采样得到高一层低通滤波图像
G1 ,其中第 G1 层图像的像素值是对应的前一层图 像 ,即第 G0 层对应像素的 5 ×5 过渡区域内像素的 加权平均 ,如此反复叠代得到一系列的低通滤波图 像 G0 …Gn ,即高斯低通滤波图像系列 ,其中第 l 层 图像的像素定义为
Key words : CCD image ; image mo saicing ; localizatio n calculatio n ; multi2resolutio n
1 引言
CCD 器件的成像质量和像素水平已经有了很 大的提高 。但是在工艺上受限于器件的尺寸 ,单位 像素的面积和总像素数的矛盾依然存在 。这就使得 在图像分辨率和成像能力 (响应速度 、信噪比) 在一 些重要的应用中往往不能兼顾 。因此在现有 CCD 器件的工艺水平下 ,采用多 CCD 分区域成像 ,然后 进行多幅 CCD 图像拼接成为一种现实的解决思路 。 另一方面 ,随着总像素的提高 , CCD 器件的输出数 据量剧增 ,这对器件的输出带宽提出了非常苛刻的 要求 。因此在实时性要求的应用中不得不采用分区 输出[1] 。但由于噪声 、暗电流水平的差异等原因 ,分 区输出的图像亮度基础和灰度变化并不一致 ,这导 致多区图像拼接后残留有明显的拼接线 。对于多 CCD 器件进行图像场景拼接时 ,由于位置光照条件
5
6 6 Gl ( i , j) =
w ( m , n) Gl- 1 (2 i + m , 2 j + n)
m,n=1
(1) 其中加权系数 w ( m , n) 又称为生成核或高斯核 ,必 须满足约束条件 :
2
6 w i ( i - m2i , j - n2 j ) = 1
(2)
m,n= - 2
(2) 拉普拉斯金字塔的建立 。拉普拉斯金字塔
年来取得了显著的进展 。在发展基于多分辨率小波 分解的图像融合的同时 ,经典的多分辨率金字塔分 解算法仍然在不断的改进之中[1 ,2 ,4 ] 。这些研究使 得拼接效果有了很大的提高 ,但在拼接算法的效率 上还不能满足一些应用领域的要求 。拼接效率对于 CCD 图像获得和 CCD 的应用无疑具有重要的意 义 。本文在经典的多分辨率金字塔算法的基础上 , 基于拼接计算局部化的思想 ,在保证不降低拼接质 量的前提下 ,提出了一种快速算法 。
目前基于多分辨率分解的图像融合的主要方法 有 : (1) 经典的基于拉普拉斯金字塔分解的方法 。该 方法简单 、有效 、易于实现 ,但其层间分解量之间具 有相关性并且缺乏严格的数学理论的支持 ; (2) 基于 小波分解的方法[4] 。该方法有较严密的理论支持 , 从理论上说可以达到更好的融合效果 。本文提出的 图像拼接计算局部化的思路实际上对基本的图像多 分辨率分解方法没有限制 ,故为了阐述的简单性 ,以 经典的拉普拉斯金字塔分解作为研究的基础 。
·206 ·
© 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.
《半导体光电》2006 年 4 月第 27 卷第 2 期
王长缨 等 : 一种多 CCD 图像拼接的快速算法
情况 ,假设将左部图像 A 与右部图像 B 拼接 ,如图 1 所示 。那么 ,拼接图像金字塔 L C 就可以通过下式 得到 :
L C ( x) = h( x) L A ( x) + [1 - h( x) ]LB ( x) ,
x = 0 ～ w1 + w2 - r
(6)
其中 , w1 、w2 分别为图像 A 、B 的宽度 , r 为图像重
是通过计算两层高斯滤波图像之间的差所得到的带
通滤波图像层构成的 ,这就需要把低分辨率图像扩 充至与高分辨率的图像一样尺寸 。令 L k 代表拉普 拉斯金字塔的第 k 层 ,则
L k = Gk - EXPAND ( Gk+1 )
(3)
若用 Gl, k表示对 l 层图像扩充 k 次 ,则
L l , k = EXPAND ( Gl , k- 1 )
据非重叠图像拼接的特点 ,给出算法如下 : (1) 图像的拼接定位 。对于 CCD 分区输出的图
像拼接 ,拼接位置可以根据拼接位置附近两幅图像 内容的相似程度来确定 ,这种相似程度表现为两个 方面 :1) 被拼接图像相邻区域的亮度差 (颜色差) 最 小 ;2) 被拼接图像相邻区域的像素结构最为接近 。 因此由灰度差和结构差构成的拼接位置的像素差异 可以描述为
收稿日期 :2006 - 03 - 03.
基金项目 :国家自然科学基金项目 (30371171) .
的不一致和器件电气性能的不一致 ,拼接后的图像 不仅存在着亮度上的不一致 ,甚至存在边界内容上 的误差突变 。这就是 CCD 图像拼接的接缝问题 ,即 边界内容误差突变和边界灰度误差突变[2] 。这个问 题的解决涉及两个方面 :一是拼接的准确性问题 ,二 是算法的效率问题 。一直以来这一领域主要关注的 是拼接效果的提升 。
图像拼接包含了图像的配准及拼接 。在 CCD 图像分区输出的情况下 ,可以不考虑图像配准和重 叠情况 ,也可暂不考虑被拼接图像的几何校正问题 。 对于图像配准可以从图像的拼接边缘起 ,按从粗到 细的次序 ,对相应的边界过渡区域的点或点集逐步 进行差值比较 ,以此为准则确定图像的拼接位置 。
本文主要讨论 CCD 图像的高效率拼接 。图像 拼接的方法主要有基于被拼接图像的全局亮度统计 的方法 、基于特征的方法[3] 和基于多分辨率分解的 方法[4] 等 。实践中一般用图像融合的方法进行图像 拼接 。其中基于多分辨率分解的像素级图像融合近
叠宽度 ,权函数 h( x) 随 x 单调递减至 0 。
1 , x < w1 - r
h( x) = h( x) , w1 - r < x < w1
(7)
0 , xபைடு நூலகம்> w1
·207 ·
© 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.
SEMICOND UCTOR OPTOEL ECTRONICS Vol. 27 No. 2
Apr. 2006
作为一种经典的多分辨率分解结构 ,拉普拉斯 金字塔法仍然是许多新的融合算法的重要基 础[4 ,5] 。下面讨论图像非重叠拼接的情况 ,即 r = 0 。
图 1 拼接图像的叠加区域
2. 3 非重叠图像的快速拼接算法 CCD 的分区输出的一般是非重叠图像 ,所以根
SEMICOND UCTOR OPTOEL ECTRONICS Vol. 27 No. 2
光电技术应用
Apr. 2006
一种多 CCD 图像拼接的快速算法
王长缨 , 周明全
( 西北大学 可视化研究所 ,陕西 西安 710069)
摘 要 : 描述了一种用于多 CCD 图像拼接的快速多分辨率算法 。该方法在不损害拼接质量 的前提下 ,通过计算局部化减小了拉普拉斯金字塔分解 、多尺度样条拟合和图像重构的计算量 。实 验表明该算法在不降低拼接质量的前提下在算法效率上比传统算法有明显的提高 。
2 CCD 图像拼接的多分辨率方法
2. 1 基于多分辨率的图像融合( 拼接) 解决被融合 (拼接) 图像的内容误差和灰度误差
最直观的思路是进行拟合过渡[5] 。但是不同尺度的 内容拟合过渡的尺度是不同的 ,因此很难用统一的 尺度兼顾不同空间分辨率的图像内容的拟合过渡 。 多分辨率图像融合的思路是首先对融合对象进行空 间多分辨率分解 ,然后分别对各频率分量进行不同 尺度的拟合 。这样就兼顾了图像的不同频率分量对 拟合过渡尺度的不同要求 。但是多分辨率分解在某 些实时 性 要 求 较 高 的 应 用 中 的 计 算 代 价 仍 然 太 高[6] 。
(4)
其中 EXPAND 函数定义为
2
6 6 Gl , k ( i , j) = 4
Gl , k- 1
m,n= - 2