基于無縫拼接的全景泊車輔助系統(tǒng)的設(shè)計

作者 /謝毓 廣州致遠(yuǎn)電子有限公司(廣東 廣州 510660)

摘要：針對當(dāng)前市面上全景泊車輔助系統(tǒng)產(chǎn)品普遍存在拼接盲區(qū)的現(xiàn)象，本設(shè)計通過改進(jìn)的圖像拼接處理算法，實時呈現(xiàn)無縫拼接的全景畫面，使泊車過程的全景圖像不存在任何盲區(qū)，為駕駛員呈現(xiàn)真正的360度汽車四周的情況。本設(shè)計綜合了多種機器視覺和數(shù)字圖像處理算法，融合了機器視覺領(lǐng)域多項先進(jìn)技術(shù)，使汽車泊車過程具有更高的安全性和穩(wěn)定性，而且基于低成本、高性能及可移植性強等優(yōu)點，便于大面積推廣應(yīng)用。

引言

　　倒車一直是廣大司機頭疼的問題，再有經(jīng)驗的司機也有過刮碰經(jīng)歷。輔助駕駛產(chǎn)品從原來的超聲波探頭，到現(xiàn)在流行的可視倒車?yán)走_(dá)，都是只能看到車身正后方，無法同時看清車身四周狀況，存在視角盲區(qū)，因此有了車身周圍360度全景影像倒車需求，即全景泊車輔助系統(tǒng)，該系統(tǒng)可更加直觀和安全可靠地輔助倒車。全景泊車影像系統(tǒng)是近年來興起的一項熱門的汽車安全應(yīng)用，有效彌補了倒車?yán)走_(dá)和倒車影像存在盲區(qū)的不足^[1]。

　　當(dāng)前市面上全景泊車輔助系統(tǒng)產(chǎn)品普遍存在拼接盲區(qū)的現(xiàn)象，造成四個拼接區(qū)域過渡不連貫，泊車安全上存在盲區(qū)危險，如圖1所示。本系統(tǒng)支持矯正180度超廣角攝像頭，并且采用了圖像增強算法，包括直方圖均衡化算法和圖像融合算法，使系統(tǒng)實時呈現(xiàn)無縫拼接的全景畫面，泊車時全景圖像不存在任何盲區(qū)，為駕駛員呈現(xiàn)真正的360度汽車四周的情況，更加有效地避免了碰撞事故的發(fā)生。

1 整體系統(tǒng)設(shè)計

　　本系統(tǒng)提供一種更優(yōu)的全景汽車輔助系統(tǒng)，用于汽車泊車進(jìn)行全景成像及輔助駕駛，整體設(shè)計流程如圖2所示，包括：

　　(1)攝像頭輸入模塊，通過安裝于車體前后左右四個方向上的多個180度超廣角攝像頭對車體周圍狀況進(jìn)行拍攝，攝像頭參數(shù)為D1格式、PAL制式，分辨率為720x576，并將安裝的角度根據(jù)攝像頭輸出圖像的情況調(diào)節(jié)到一個合適的位置^[2];

　　(2)圖像校正模塊，根據(jù)攝像頭的內(nèi)部參數(shù)和畸變模型，將每個攝像頭的輸入視頻圖像進(jìn)行畸變校正;

　　(3)鳥瞰透視模塊，根據(jù)攝像頭的安裝角度和透視變換原理，將每個攝像頭畸變校正后的圖像進(jìn)行角度透視變換，生成俯視圖像;

　　(4)圖像拼接模塊，根據(jù)每個攝像頭安裝位置的三維坐標(biāo)和汽車的尺寸，借助于鋪設(shè)在車輛四周地面上的方格線，將每個方向上的俯視圖像拼湊在一個圖像中，組成一個全景俯視圖;

　　(5)圖像增強模塊(直方圖均衡化和圖像融合算法)，通過直方圖均衡化算法，將每個拼接區(qū)域之間存在的亮度不同的現(xiàn)象進(jìn)行消除，以達(dá)到更好的顯示效果^[2];通過圖像融合算法，使得拼接處過渡自然，并達(dá)到無縫拼接的效果;

　　(6)圖像顯示單元，將最終的全景俯視圖輸出給顯示設(shè)備，顯示設(shè)備可以是模擬顯示器，也可以是液晶顯示屏。

　　系統(tǒng)可以支持4個或8個攝像頭輸入，分別安裝于車身前部、后車廂尾部和車身兩側(cè)。由于車型和車的大小不一致，因此攝像頭安裝的角度也應(yīng)該根據(jù)車身的情況進(jìn)行調(diào)節(jié)，使對應(yīng)方向180度的圖像都能拍攝到，而且使得車身周圍的圖像能夠呈現(xiàn)在拍攝圖像的中間區(qū)域。

　　在現(xiàn)有的許多汽車可視設(shè)備中，由于采用的廣角攝像頭的視角有限，在車身45度角上會存在盲區(qū)。本系統(tǒng)由于最大可以校正180度的超廣角攝像頭，因此在車身四個角上的車身周圍的圖像也依然清晰可見，這樣就為得到一幅無盲點的全景圖像提供了條件。

　　本系統(tǒng)最大可以支持8路D1格式攝像頭的數(shù)據(jù)輸入，8個攝像頭分別安裝在車身四周，使得本系統(tǒng)能夠適用于大型貨車、客車、工程車等車身較大的車輛。

　　本系統(tǒng)所使用的主處理芯片為DSP芯片，它的主頻高，指令執(zhí)行效率高，有多個視頻輸入輸出接口，而且其強大的視頻處理能力能夠?qū)崟r地處理多路視頻數(shù)據(jù)。因此本系統(tǒng)可以實時地處理4路或8路D1格式、PAL制式(分辨率為720x576)的攝像頭的輸入圖像。

　　本系統(tǒng)的視頻輸出信號既可以支持CVBS信號輸出，也可以支持LVDS信號輸出。其中LVDS信號也是車載視頻信號中常用的信號格式。

2 算法原理分析

2.1 圖像畸變校正算法

　　為了攝像頭的拍攝角度更廣，為了不存在視野盲區(qū)，前后左右方向上安裝的攝像頭為180度的廣角攝像頭，因此各個方向上拍攝的影像必然存在很大的畸變，對畸變圖像的校正就成了算法的關(guān)鍵。

　　假設(shè)(x,y)是校正前圖像上的一點，采用多項式擬合算法，點(x,y)與校正后的對應(yīng)點(u,v)之間的關(guān)系如式(1)所示：

　(1)

　　其中，n為多項式擬合次數(shù)，a_ij、b_ij為系統(tǒng)需要的畸變校正調(diào)節(jié)參數(shù)。

　　為了求得最佳的a_ij、b_ij，按最小二乘法讓擬合誤差平方最小，以求得空間坐標(biāo)變換系數(shù)a_ij、b_ij。求取a_ij的公式如式(2)所示：

(2)

　　另外，由于校正后的整數(shù)點(u,v)通過計算得到一個浮點數(shù)點(x,y)，為了使像素值取值更加合理，這里使用了雙線性插值算法進(jìn)行像素的對應(yīng)。

2.2 鳥瞰透視變換算法

　　鳥瞰變換處理屬于空間透視變換，將攝像頭傾斜拍攝到的圖像轉(zhuǎn)換為垂直向下拍攝到的圖像[2]。在計算機視覺領(lǐng)域，空間同一平面的任意兩幅圖像被單應(yīng)矩陣聯(lián)系著(假設(shè)在針孔相機模型中)，即一個相機拍攝空間同一平面的兩張圖像，這兩張圖像之間的映射關(guān)系可以用單應(yīng)矩陣表示。這種特定的單應(yīng)性變換，可以將同一個三維物體分別投影到兩個不同投影平面下的兩幅圖像聯(lián)系起來。本系統(tǒng)的投影單應(yīng)性矩陣H如式(3)所示：

(3)

　　其中a為廣角攝像頭安裝的垂直夾度，b為廣角攝像頭安裝的水平角度。通常我們認(rèn)為攝像頭的水平方向夾角b為0，因此我們只需要確定攝像頭安裝的垂直傾角，就可以計算得到透視變換的單應(yīng)性矩陣H，也就能得到一幅對應(yīng)方向的鳥瞰圖。

2.3 直方圖均衡化和圖像融合算法

　　直方圖均衡化處理的中心思想是把原始圖像的灰度直方圖從比較集中的某個灰度區(qū)間變成在全部灰度范圍內(nèi)的均勻分布[3]，直方圖均衡化就是把給定圖像的直方圖分布改變成均勻分布直方圖分布。當(dāng)圖像的直方圖為一均勻分布時，圖像的信息熵最大，此時圖像包含的信息量最大，圖像看起來就顯得清晰，亮度也一致[4]。直方圖均衡化以累計分布函數(shù)為基礎(chǔ)，其變換函數(shù)取決于圖像灰度直方圖的累積分布函數(shù)。

　　圖像融合算法主要用于前后左右四個鳥瞰圖像之間的重合區(qū)域的過渡處理。通過兩兩圖像重合區(qū)域之間像素漸變的線性運算，即可得到一張過渡自然的圖像[5]。公式如式(4)所示：

　　g(x) = (1-α) f0(x)+ αf1(x) (4)

　　其中，g(x)為運算后的顏色值，f0(x)為圖像1的顏色值，f1(x)為圖像2的顏色值，α為根據(jù)位置而漸變的融合運算參數(shù)。兩幅圖像運算的因子根據(jù)圖像中融合位置的改變而改變，這樣才能使四個過渡區(qū)域融合過渡自然。

3 實際調(diào)試效果

　　經(jīng)過多年對本系統(tǒng)的實際裝車的調(diào)試和標(biāo)定，系統(tǒng)運行時全景顯示圖像實時不丟幀，圖像拼接效果良好，圖像融合后的圖像拼接過渡自然，實際測試不存在任何盲區(qū)，每次裝車都能得到用戶滿意的效果。本系統(tǒng)的實際裝車效果如圖3所示。

　　本設(shè)計在于提供一種顯示效果更優(yōu)的全景泊車輔助系統(tǒng)，能夠更直觀地為駕駛員呈現(xiàn)真正安全的汽車周圍狀況，避免盲區(qū)造成的泊車風(fēng)險，提高車輛泊車過程中的安全性和穩(wěn)定性。

4 結(jié)論

　　本設(shè)計的創(chuàng)新觀點是對市面上普通存在的全景泊車產(chǎn)品有拼接盲區(qū)的現(xiàn)象，進(jìn)行了算法的優(yōu)化和改進(jìn)，綜合了多種機器視覺和數(shù)字圖像處理的算法，為駕駛員呈現(xiàn)真正的360度汽車四周的情況，避免了泊車中拼接盲區(qū)的危險，使汽車泊車過程具有更高的安全性和穩(wěn)定性，便于大面積推廣應(yīng)用。

　　參考文獻(xiàn)：

　　[1]周猛，喬瑞萍,王效鵬,等.基于DaVinciTM的360°全景泊車影像系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].電子應(yīng)用技術(shù),2014

　　[2]徐杰.面向坦克的全景環(huán)視系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究[D].湘潭大學(xué),2013.

　　[3]李楠,劉永強,韓國華.直方圖均衡化在數(shù)字圖像處理中的應(yīng)用[J].甘肅科技,2010.

　　[4]趙軍.圖像灰度變換的研究及實現(xiàn)[D].陜西科技大學(xué),2008.

　　[ 5 ]周立功.一種全景泊車輔助系統(tǒng)[P].中國, CN102045546A. 2011-05-04.

　　本文來源于《電子產(chǎn)品世界》2017年第12期第46頁，歡迎您寫論文時引用，并注明出處。