CN104835117A - 基于重叠方式的球面全景图生成方法 - Google Patents
基于重叠方式的球面全景图生成方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种基于重叠方式的球面全景图生成方法,(1)以两幅鱼眼图像形成的两个半球面空间为基础,建立目标球面空间模型;(2)计算目标球面上点与半球面空间上点的映射关系;(3)根据鱼眼镜头投影模型,及球面空间上点与半球面空间上点的映射关系,计算球面O上点对应的像素值;(4)根据球面全景图生成原理,将球面空间上的点映射到球面全景图上。本发明实现的全景拼接使用的输入数据少,只用到了两幅鱼眼图像进行拼接,数据来源简单,成本低。在处理过程中,本发明有效的引入了重叠区域的位置关系,根据此关系,定量计算像素点的相对位置,简化了计算过程,加快了拼接处理的速度。最后通过灰度最大值的融合方式进行图像融合,提高了全景拼接的质量。
Description
技术领域
本发明属于计算机图形学领域,具体涉及一种基于重叠方式的球面全景图生成方法,即基于重叠方式采集两幅鱼眼图像,利用鱼眼图像成像空间与球面空间的映射关系,生成球面全景图。
背景技术
在智慧旅游、视频监控、增强现实、机器人导航等领域中,往往需要得到更大角度范围的图像,即使广角和鱼眼镜头的使用有时也无法满足需求,而全景图由于其可以达到全视角,能够满足以上领域的需求,因而得到了广泛的应用。将周围场景投影到以视点为球心的球面模型上,形成的以球心为视点,可以观看周围360度场景的虚拟空间称为球面全景,而将球面模型展开形成的全景图称为球面全景图。
由于球面全景能够很好的模拟周围360度范围的场景,因此在智慧旅游、视频监控等领域得到了广泛的应用。然而,目前球面全景图的生成方式主要有以下几种:
1、利用市场上已有的球面全景采集设备,如Point Grey公司的ladybug 3全景采集设备(Google公司的部分街景是通过此设备采集的)、Immesive Media公司的dodeca的全景采集设备(Google公司早期的街景都是通过ImmesiveMedia公司拍摄的)等。
由于这些设备的价格昂贵(价格均在20万左右),因此在实际应用中推广较难,尤其是在视频监控领域,需要很多这样的设备进行监控,成本过高。外,由于这些设备底部都有支架支撑,因此,容易在底部形成空洞,视域范围不能达到360度。
2、利用单反相机采集图像,然后对这些图像进行拼接。
这种方式需要特定拍摄支架的支持,且采集一幅球面全景图需要利用单反相机拍摄很多幅图像,拍摄时间过长。这种方式只适合对球面全景图的离线采集和生成、在视频监控、机器人导航等领域是不适合的。
3、基于鱼眼图像的拼接,形成球面全景图
鱼眼图像的视域范围可以达到180度,视域范围较大。按照理论推理,2幅图像即可拼接形成一幅球面全景图。
这种方式简单易实现,且成本较低,可以在智慧旅游、视频监控、机器人导航等领域得到应用。
本发明属于利用上述第3种方式生成球面全景图。鉴于其他球面全景图生成过程中,拼接痕迹过于明显、自动匹配时间过长等缺点,本发明提出了基于重叠方式的球面全景图生成方法。即利用朝向相反的方式采集两幅鱼眼图像,使鱼眼图像所对应两个半球空间形成重叠,将两个半球空间对应的场景映射到球面模型上,从而生成球面全景图。
发明内容
本发明是为了解决现有球面全景图生成方法受图像采集方式、图像拼接方式等影响,存在生成速度慢、成本高等问题,难以在视频监控、智慧旅游等领域中进行实际应用这一问题,提出了一种基于重叠方式的球面全景图生成方法。
本发明的内容如下:
一种基于重叠方式的球面全景图生成方法,采用朝向相反的方式采集两幅鱼眼图像,使鱼眼图像所对应两个半球空间形成重叠,将两个半球空间对应的场景映射到某球面模型上,对球面模型进行展开从而生成球面全景图,具体是按如下步骤进行:
(1)以两幅鱼眼图像形成的两个半球面空间为基础,建立目标球面空间模型:
1)记两幅鱼眼图像对应的半球面空间分别为Ω1和Ω2,Ω1与Ω2朝向相反,且存在重叠;记Ω1的球心为A,Ω2的球心为B,半径均为R,记A、B之间的距离为2d;
2)以AB的中心点O为球心,建立目标球面空间模型,目标球面与Ω1、Ω2相切,则球O的半径为R-d;
3)以球心O为坐标原点建立空间坐标系OXYZ,其中X轴垂直于AB,向量方向为Z轴正方向,Y轴垂直于XOZ面并满足右手定律;
4)以球心A为坐标原点建立空间坐标系AXYZ,以球心B为坐标原点建立坐标系BXYZ;AXYZ、BXYZ的X、Y、Z轴均与坐标系OXYZ中的X、Y、Z轴平行且方向相同;
(2)计算目标球面上点与半球面空间上点的映射关系
记球O上的某点为H,连接OH后交半球面(可以是半球面A或者B,计算方法相同)于H',则H'为H点在半球面上的对应点,即H点的像素值与H'点的像素值相同;假设H点在OXYZ坐标系下的极坐标为其中,R-d为球O的半径,θ为OH与Z轴正方向的夹角,为OH在XOY平面上的垂直投影与X轴正方向的夹角;则需要计算对应点H'在其所在球面坐标系下(若H'为半球面A上的点,则此时其所在球面坐标系为AXYZ;若H'为半球面B上的点,则此时其所在球面坐标系为BXYZ)的极坐标其中R为半球面的半径,θ'为AH'与Z轴正方向的夹角,为AH'在XOY平面上的垂直投影与X轴正方向的夹角;
计算过程如下:
点H'为点H的对应点,所以点O、H和H'三点共线;点O、H'和A构成空间上的三角形ΔAOH',OH'与Z轴正方向的夹角θ为ΔAOH'的外角,即θ等于AH'与Z轴正方向的夹角θ'加上OH'与AH'的夹角η;由三角形的余弦定理可知,结合鱼眼镜头的成像原理,入射光、反射光和透射光位于同一法平面内,因此AH'在XOY平面上的垂直投影与X轴正方向的夹角
综上,即可求得点H'在其所在球面坐标系下的球坐标为
(3)根据鱼眼镜头投影模型,及球面空间上点与半球面空间上点的映射关系,计算球面O上点对应的像素值:
1)根据鱼眼镜头投影模型计算H'成像到鱼眼图像上的对应点的像素值,将此像素值作为H'点的像素值;而H'为H在空间中对应的点,因此可获得H点的像素值;
2)针对两个半球空间的重叠区域,基于图像融合原理进行像素的融合;两个半球空间存在重叠区域,将重叠区域投影到球面O上,则在O上对应的区域为:π/2-α≤θ≤π/2+α(α=arctan(d/R));在重合区域,采用灰度最大值的融合方法计算最后的像素值;假设融合区域上某点Q,它在半球A和半球B上的对应点分别为M、N,分别计算出点M、点N对应的像素灰度值,取灰度值最大的点的像素值作为融合后的像素值;
(4)根据球面全景图生成原理,将球面空间上的点映射到球面全景图上(参照专利CN201210249093中的权利要求1(3)所示),即可生成球面全景图。
本发明的优点在于:
本发明实现的全景拼接使用的输入数据少,只用到了两幅鱼眼图像进行拼接,数据来源简单,成本低。在处理过程中,本发明有效的引入了重叠区域的位置关系,根据此关系,定量计算像素点的相对位置,简化了计算过程,加快了拼接处理的速度。最后通过灰度最大值的融合方式进行图像融合,提高了全景拼接的质量。
附图说明
图1为两个半球空间位置关系示意图。
图2为两个半球空间与球面空间模型位置关系示意图。
图3为球面上点与半球面上点的映射关系计算示意图。
图4为两个半球面形成的重叠区域示意图。
具体实施方式
本发明首先需要控制两次拍摄点之间的距离,然后将该距离与像素距离进行单位上的统一,最后进行相应的后续运算。
一种基于重叠方式的球面全景图生成方法,具体的处理方式如以下步骤所示:
(1)采集两幅鱼眼图像,通过鱼眼镜头在相反的方向上拍摄两幅鱼眼图像P1、P2,控制前后拍摄位置的间隔为2D;
(2)统一量纲,计算拍摄重合距离对应的像素值:
记鱼眼镜头的拍摄点相距的距离为2D(cm),在一张白纸上标记一点G,控制该点与鱼眼镜头拍摄的镜头距离为2D(cm),通过鱼眼镜头拍摄可知G点在鱼眼图像的投影点位M点,M点相对于鱼眼图像中心点O的坐标为(i,j),此时可根据鱼眼镜头投影模型可知:
K=Rθ
R为半径,θ为入射角,通过上式可知θ的值,此时可得2d(即重合区域像素长度)
2d=Rcosθ
这样在开始的时候既可以求出重合拍摄区域的长度为2D(cm)拍摄后重合的区域像素长度2d;多选取几个点重复上述操作,取平均值;
(3)建立球面空间模型
由鱼眼图像投影原理可知,两幅鱼眼图像分别对应两个半球空间,因步骤(1)中的拍摄方式,两幅鱼眼图像存在重叠部分,即两个半球空间存在重合。
如图1所示,鱼眼图像P1、P2分别对应Ω1和Ω2两个半球空间,Ω1和Ω2切面朝向相反,且存在重叠。设Ω1的球心为A,Ω2的球心为B,半径均为R,记A、B之间的距离为2d。如图2所示,取AB的中心点O,以点O为球心、R-d为半径构造目标球面空间。
以球心O为坐标原点建立空间坐标系OXYZ,其中X轴垂直于AB,向量方向为Z轴正方向,Y轴垂直于XOZ面并满足右手定律。
以球心A为坐标原点建立空间坐标系AXYZ,以球心B为坐标原点建立坐标系BXYZ。AXYZ、BXYZ的X、Y、Z轴均与坐标系OXYZ中的X、Y、Z轴平行且方向相同。
(4)计算目标球面上点与半球面空间上点的映射关系
如图3所示,任取球O上的某一点H,连接OH后交半球面(可以是半球面A或者B,计算方法相同)于H',则H'为H点在半球面上的对应点,即H点的像素值与H'点的像素值相同。假设H点在OXYZ坐标系下的极坐标为其中,R-d为球O的半径,θ为OH与Z轴正方向的夹角,为OH在XOY平面上的垂直投影与X轴正方向的夹角,则需要计算对应点H'在其所在球面坐标系下(若H'为半球面A上的点,则此时其所在球面坐标系为AXYZ;若H'为半球面B上的点,则此时其所在球面坐标系为BXYZ)的极坐标其中R为半球面的半径,θ'为AH'与Z轴正方向的夹角,为AH'在XOY平面上的垂直投影与X轴正方向的夹角。
计算过程如下:
点H'为点H的对应点,所以点O、H和H'三点共线。点O、H'和A构成空间上的三角形ΔAOH',OH'与Z轴正方向的夹角θ为ΔAOH'的外角,即θ等于AH'与Z轴正方向的夹角θ'加上OH'与AH'的夹角η。由三角形的余弦定理可知,结合鱼眼镜头的成像原理,入射光、反射光和透射光位于同一法平面内,因此AH'在XOY平面上的垂直投影与X轴正方向的夹角
综上,即可求得点H'在其所在球面坐标系下的球坐标为
(5)根据鱼眼镜头投影模型,及球面空间上点与半球面空间上点的映射关系,计算球面O上点对应的像素值。
根据鱼眼镜头投影模型计算H'成像到鱼眼图像上的对应点的像素值,将此像素值作为H'点的像素值。而H'为H在空间中对应的点,因此可获得H点的像素值。
针对两个半球空间的重叠区域,基于图像融合原理进行像素的融合。
如图4所示,两个半球空间存在重叠区域,将重叠区域投影到球面O上,由重叠方式和球面模型可知,重叠区域可以通过入射角θ的范围表示,则在O上对应的区域为:π/2-α≤θ≤π/2+α(α=arctan(d/R)。在重叠区域,采用灰度最大值的融合方法计算最后的像素值。假设融合区域上某点Q,它在半球A和半球B上的对应点分别为M、N,分别计算出点M、点N对应的像素灰度值,取灰度值最大的点的像素值作为融合后的像素值。
(6)计算全景图像与鱼眼图像像素位置的对应关系。
假设全景图的大小为panoWidth·panoHeight球面全景图上一点DD(xpano,ypano),它在球面空间O上的对应点H球坐标为两者对应关系如下,
点H在半球空间A、B上对应点H'的球坐标为由等距投影关系r=f·θ可知,半球空间到鱼眼图像像素点位置的对应关系为
因此,可以推导出全景图像与鱼眼图像像素位置的对应关系为
Claims (1)
1.基于重叠方式的球面全景图生成方法,其特征在于,基于重叠方式采集两幅鱼眼图像,即:两幅鱼眼图像所对应的半球面空间之间存在重叠,将两个半球面空间上的场景投影到一个球面上,生成球面全景图;包括以下步骤:
(1)以两幅鱼眼图像形成的两个半球面空间为基础,建立目标球面空间模型:
1)记两幅鱼眼图像对应的半球面空间分别为Ω1和Ω2,Ω1与Ω2朝向相反,且存在重叠,记Ω1的球心为A,Ω2的球心为B,半径均为R,记A、B之间的距离为2d;
2)以AB的中心点O为球心,建立目标球面空间模型,目标球面与Ω1、Ω2内切,则球O的半径为R-d;
3)以球心O为坐标原点建立空间坐标系OXYZ,其中X轴垂直于AB,向量方向为Z轴正方向,Y轴垂直于XOZ面并满足右手定律;
4)以球心A为坐标原点建立空间坐标系AXYZ,以球心B为坐标原点建立坐标系BXYZ,AXYZ、BXYZ的X、Y轴均与坐标系OXYZ中的X、Y轴平行且方向相同,Z轴重合且方向相同;
(2)计算目标球面上点与半球面空间上点的映射关系:
记球O上的某点为H,连接OH后交半球面A或者B于H',则H'为H点在半球面A或者B上的对应点,即H点的像素值与H'点的像素值相同;假设H点在OXYZ坐标系下的极坐标为其中,R-d为球O的半径,θ为OH与Z轴正方向的夹角,为OH在XOY平面上的垂直投影与X轴正方向的夹角,则需要计算对应点H'在其所在球面坐标系下的极坐标若H'为半球面A上的点,则此时其所在球面坐标系为AXYZ;若H'为半球面B上的点,则此时其所在球面坐标系为BXYZ;其中R为半球面的半径,θ'为AH'与Z轴正方向的夹角,为AH'在XOY平面上的垂直投影与X轴正方向的夹角;
计算过程如下:
点H'为点H的对应点,所以点O、H和H'三点共线;点O、H'和A构成空间上的三角形ΔAOH',OH'与Z轴正方向的夹角θ为ΔAOH'的外角,即θ等于AH'与Z轴正方向的夹角θ'加上OH'与AH'的夹角η;由三角形的余弦定理可知,结合鱼眼镜头的成像原理,入射光、反射光和透射光位于同一法平面内,因此AH'在XOY平面上的垂直投影与X轴正方向的夹角
综上,即可求得点H'在其所在球面坐标系下的球坐标为
(3)根据鱼眼镜头投影模型,及球面空间上点与半球面空间上点的映射关系,计算球面O上点对应的像素值:
1)根据鱼眼镜头投影模型计算H'成像到鱼眼图像上的对应点的像素值,将此像素值作为H'点的像素值;而H'为H在空间中对应的点,因此可获得H点的像素值;
2)针对两个半球空间的重叠区域,基于图像融合原理进行像素的融合;两个半球空间存在重叠区域,将重叠区域投影到球面O上,由重叠方式和球面模型可知,重叠区域可以通过入射角θ的范围表示,则在O上对应的区域为:π/2-α≤θ≤π/2+α(α=arctan(d/R));在重叠区域,采用灰度最大值的融合方法计算最后的像素值;假设融合区域上某点Q,它在半球A和半球B上的对应点分别为M、N,分别计算出点M、点N对应的像素灰度值,取灰度值最大的点的像素值作为融合后的像素值;
(4)根据球面全景图生成原理,将球面空间上的点映射到球面全景图上。
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