圖像拼接技術(shù)在案件現(xiàn)場全景重建領(lǐng)域的應(yīng)用研究

摘 要：本文將采集的幾組現(xiàn)場圖像進(jìn)行拼接得到整個(gè)場景的柱面、球面全景圖像，通過分析不同類型的全景圖像在原圖像的采集、圖像的拼接、覆蓋范圍等方面在案件偵查過程中的優(yōu)缺點(diǎn)，得出球面全景圖原圖像采集方法簡單，需要的原始圖像數(shù)量少，球面全景圖覆蓋范圍廣的優(yōu)勢更適合案件現(xiàn)場的全景重建，對案情分析階段的案件現(xiàn)場三維模擬仿真，案發(fā)過程的動(dòng)態(tài)反演提供很好的現(xiàn)實(shí)依據(jù)。

關(guān)鍵詞：案件現(xiàn)場；圖像拼接；全景重建

中圖分類號：TP751.1

由于犯罪的案件現(xiàn)場存在時(shí)間有限，這給案件的調(diào)查帶來較大困難，案件調(diào)查人員希望為后面的案情分析提供盡量多的現(xiàn)場信息，就必須快速全面的記錄案發(fā)現(xiàn)場，但是傳統(tǒng)的記錄方法不僅準(zhǔn)確性不高而且還容易遺漏重要信息，因此，尋找一種能夠既快捷又全面準(zhǔn)確的記錄案件現(xiàn)場的方法成為迅速偵破案件的關(guān)鍵。全景圖像技術(shù)可以將整個(gè)案件現(xiàn)場的信息集中到一張二維圖像中，它包含了整個(gè)案件現(xiàn)場上下、左右、前后360°視角范圍內(nèi)的信息。因此，快速得到案件現(xiàn)場的全景圖像可以為案件的快速順利偵破提供現(xiàn)實(shí)依據(jù)。由多幅圖像生成全景圖像最關(guān)鍵的是圖像的拼接技術(shù)，目前圖像拼接技術(shù)在醫(yī)學(xué)、遙感、數(shù)字校園、數(shù)字城市等領(lǐng)域的應(yīng)用十分廣泛[1]，但是在公安刑事偵查領(lǐng)域的應(yīng)用還很少。

本文利用圖像拼接技術(shù)得到不同案件現(xiàn)場的不同類型的全景圖，并對球面全景圖像拼接過程做了分析，通過對各種類型的場景的全景圖進(jìn)行分析，得出最適于案件偵查的案件現(xiàn)場全景圖生成形式，為案件的偵查保存完整的案發(fā)現(xiàn)場，給案件偵查人員提供觀察到每個(gè)細(xì)節(jié)的機(jī)會(huì)，使其能夠從整體上把握案件現(xiàn)場，為案件的順利偵破提供技術(shù)支持。

1 圖像拼接技術(shù)

全景圖像是指視角超過人的正常視角水平視域?yàn)?60°，垂直視域?yàn)?80°的圖像。全景圖像有三個(gè)特點(diǎn)：首先，它能夠全面的展示360°范圍內(nèi)的所有場景信息；其次，360°全景大部分是在圖像的基礎(chǔ)上拼合得到，能最大限度的保留場景的真實(shí)性；最后，360°環(huán)視的效果，雖然圖像都是平面的，但是經(jīng)過拼接處理之后得到的360°全景圖像，卻能給人三維立體的感覺，使觀察者如在場景之中。全景圖像根據(jù)投影面的不同主要分為柱面全景圖、球面全景圖和立方體全景圖三種類型。

柱面全景圖是把圖像投影到以視點(diǎn)為中心的有限高度的圓柱上，水平視角為360°，但是垂直方向的視角小于180°的圖像；球面全景圖是指將圖像投影到球面形成的圖像，其水平視角為360°，垂直視角為180°；立方體全景圖由前、后、左、右、上、下6張圖像無縫拼接而成的，相機(jī)位于立方體的中心，拼接好的圖像投影到立方體的內(nèi)表面，也是全視角，實(shí)際效果與球面全景圖相似。

1.1 球面圖像的拼接[2]

圖像拼接算法根據(jù)實(shí)現(xiàn)的原理分為兩類：一類是基于特征的方法，本文中柱面全景圖像的拼接采用的是這種方法；另一類是基于像素點(diǎn)對應(yīng)關(guān)系的方法，該方法通過算法優(yōu)化使兩幅圖像的對應(yīng)像素點(diǎn)之間的差別最小。這種方法根據(jù)初始的參數(shù)，對于每一對對應(yīng)點(diǎn)，計(jì)算當(dāng)前的誤差以及當(dāng)參數(shù)變化時(shí)誤差的變化率，根據(jù)總的誤差能量最小這一原則，通過優(yōu)化算法迭代求解求得參數(shù)的局部最優(yōu)解。

假設(shè)兩幅圖像上的對應(yīng)點(diǎn)表示的是場景中同一個(gè)方向的光線，因?yàn)樗鼈兊南袼刂祽?yīng)該相同，即使加上一些干擾因素的影響，對應(yīng)點(diǎn)的像素值也相似，由此可知算法的目標(biāo)是使所有對應(yīng)點(diǎn)像素值差異的總和最小，即算法在優(yōu)化過程中的目標(biāo)函數(shù)就是圖像對應(yīng)點(diǎn)誤差能量的總和。在計(jì)算誤差時(shí)，無論對彩色圖像還是黑白圖像，都只計(jì)算亮度的誤差，這樣即減少了計(jì)算量的也能夠滿足實(shí)際應(yīng)用的要求。

2 案件現(xiàn)場全景重建與分析

2.1 柱面全景圖像

本文首先利用普通相機(jī)采集了兩張有一定重合區(qū)域的室內(nèi)圖像如圖1所示，利用圖像拼接技術(shù)進(jìn)行了拼接，最終的拼接結(jié)果如圖2所示。其中圖1中的第一張圖像是手持相機(jī)拍攝的，相機(jī)旋轉(zhuǎn)30°拍攝得到第二張圖像，從圖中可以看出兩張圖像在水平位置有偏差，第二張圖像相機(jī)的水平位置略低，拼接圖像使兩幅圖像保持在了同一水平高度，但是由于旋轉(zhuǎn)角度的問題，水平直線部分有一定的彎曲。因此，在采集圖像的時(shí)候，一定要保證相機(jī)的位置固定，對于案件現(xiàn)場圖像的采集最好用帶有旋轉(zhuǎn)云臺的三腳架固定相機(jī)進(jìn)行圖像的采集，以保證圖像位置精度。

圖2是通過利用基于特征的圖像拼接方法得到的具有重疊區(qū)域的兩幅圖像拼接后的圖像，該方法首先在圖1中的兩幅圖像中尋找一系列的特征點(diǎn)，之后建立相應(yīng)特征點(diǎn)之間的對應(yīng)關(guān)系，并根據(jù)這個(gè)對應(yīng)關(guān)系計(jì)算出兩張圖像之間的坐標(biāo)變換關(guān)系，從圖1中可知這種方法比較適合特征點(diǎn)多且明顯的圖像中，缺乏適應(yīng)性。

從圖3中可以看出，柱面全景圖像能夠包含水平視角360°之內(nèi)的所有信息，但是其垂直視角有限，向上看不到頂，向下看不到底，對于案件現(xiàn)場來說，比較重要的物證、血跡、傷者等重要信息都是在低處，如果使用柱面全景圖像還原案件現(xiàn)場則有好的重要信息可能會(huì)看不清，甚至遺漏。圖2中的室內(nèi)圖像就是很好的證明，從圖像中無法看到桌子下面位置更低的信息。

2.2 球面全景圖像

圖4是一組魚眼鏡頭采集的圖像，相機(jī)型號為Canon EOS 5D Mark II，鏡頭的焦距為8mm，在采集這一組圖像時(shí)，利用三腳架和云臺對相機(jī)進(jìn)行了固定，并按每旋轉(zhuǎn)90°采集一張圖像的方法進(jìn)行拍攝，360°的場景共采集了4張圖像，從采集的4張圖像中可以看出，每兩張圖像的重合區(qū)域大約50%，這樣保證了一定的重合度，避免魚眼圖像校正后，邊緣部分的變形影響圖像的拼接質(zhì)量。從圖像還可以看出，每一張圖像的視域都很大，垂直視域大約180°，四張圖像的最下邊可以看到固定相機(jī)的三腳架，往上還能看到天空，這樣保證了圖像的覆蓋范圍的全面性。

圖5是圖4中的四張魚眼圖像經(jīng)過圖像校正[3]、圖像拼接以及圖像融合等步驟得到的全景圖像，其中魚眼圖像的校正在之前的論文中已做詳細(xì)的介紹，本文第二部分介紹了球面圖像的拼接過程。從拼接的后的圖像可以看出圖像覆蓋了整個(gè)場景的全部信息（注：圖4第一張圖像中的人物在拍攝圖像時(shí)位置發(fā)生了移動(dòng)）。圖5的最左邊和最右邊正好能夠完全相接，上能看到天空，下能看地面，這說明整個(gè)場景是真正的360°無死角的場景，并且所需原圖像數(shù)量少，減少了圖像拼接過程中的拼接誤差。圖6是模擬的交通事故現(xiàn)場的全景圖像，整個(gè)案發(fā)現(xiàn)場真實(shí)全面的以圖像的形式保存了下來，根據(jù)案件現(xiàn)場的全景圖像進(jìn)行三維模擬仿真，對案發(fā)過程進(jìn)行動(dòng)態(tài)反演都是很好的現(xiàn)實(shí)依據(jù)。

綜上所述，本文得出利用魚眼鏡頭采集案件現(xiàn)場圖像并利用球面投影的圖像拼接方式生成案件現(xiàn)場的全景圖具有圖像采集方便，所需圖像數(shù)量少，生成的全景圖像信息覆蓋全面等優(yōu)點(diǎn)，適合案件現(xiàn)場的全景重建。

3 結(jié)束語

本文通過分析柱面全景圖和球面全景圖在原圖像的采集、圖像拼接及全景圖像覆蓋范圍等方面在案件偵查過程中的優(yōu)缺點(diǎn)，得出球面全景圖因其簡便的采集方法，較少的原始圖像，更大的覆蓋范圍等特點(diǎn)更適合案件現(xiàn)場的快速偵查，對案情分析階段的案件現(xiàn)場三維模擬仿真，案發(fā)過程的動(dòng)態(tài)反演提供很好的現(xiàn)實(shí)依據(jù)。

參考文獻(xiàn)：

[1]李會(huì)平.圖像拼接技術(shù)研究與應(yīng)用[D].西安：西安科技大學(xué)，2010.

[2]傅軍棟，姚孝明.實(shí)景圖像拼接及其漫游控制技術(shù)[M].成都：西南交通大學(xué)出版社，2011：143-145.

[3]A Flexible Architecture for Fisheye Correction in Automotive Rear-View Cameras[Z].www.altera.com/literature/wp/wp-01073-flexible-architecture-fisheye-correction-automotive-rear-view-cameras.pdf.

作者簡介：霍薇薇（1987-），女，山東人，碩士研究生，主要研究方向：圖像處理。

作者單位：中國人民公安大學(xué)警務(wù)信息工程學(xué)院，北京 102623；北京華環(huán)電子有限公司，北京 100085

基金項(xiàng)目：中國人民公安大學(xué)校級項(xiàng)目，項(xiàng)目編號2013LG02。