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一种多路实时全景视频拼接系统的设计与实现

一种多路实时全景视频拼接系统的设计与实现

作者：陈张新中国舰船研究院

学位级别：硕士

为解决单个摄像头在获取场景时存在的视野宽度不够的问题,视频拼接技术应运而生。这种技术可以将目标物体四周的场景进行无盲区显示,进而填补特定场所大范围、无盲区监控的市场空缺,可以预见,全景视频拼接系统在车(舰)载监控、公共场所... 详细信息

为解决单个摄像头在获取场景时存在的视野宽度不够的问题,视频拼接技术应运而生。这种技术可以将目标物体四周的场景进行无盲区显示,进而填补特定场所大范围、无盲区监控的市场空缺,可以预见,全景视频拼接系统在车(舰)载监控、公共场所安全监控、智能交通、全景地图绘制等军用和民用领域必将有着广泛的应用前景。为提高全景视频拼接系统的运算效率和资源利用率,有效的解决视频拼接的实时性问题,提出了一种改进的全景视频拼接系统的硬件构架,介绍了这种构架的硬件平台及环境搭建过程。针对视频拼接过程中的核心步骤,分别介绍了几种常用的算法,包括基于初始值法和基于特征点法的图像配准算法,基于最优缝合线法和基于拉普拉斯金字塔法的图像融合算法,并分析了它们之间在不同环境下的优点和缺点。最后描述整个视频拼接系统的设计与实现,其中包括基于DM8168实现的视频拼接算法的设计与优化,PCIe驱动程序设计,全景视频拼接系统的具体实现方法。在视频拼接算法的优化中,分别就实时性、配准精度以及视差等问题进行了研究与讨论。提出了一种基于SURF(Speeded Up Robust Feature)的特征点提取算法的改进算法,提高视频数据处理速度和配准精度;采用一种基于最优缝合线的多分辨率图像融合方法,解决视差而产生的匹配问题。为适应大量数据的实时传输,PCIe驱动程序利用EDMA实现搬运数据,使数据的传输速度达到图像数据实时处理的要求。基于所设计的全景视频拼接架构,对优化前和优化后的算法,进行了实验。优化后的算法在拼接效率和拼接效果上均有了明显的提高。此外,将拼接后的图像与原始图像进行对比,实验结果表明,算法具有较低的拼接延时,基本可以保持同步显示。拼接后整个视频的显示效果非常流畅,可以很好地满足监控市场的要求。

关键词：全景视频拼接图像融合 SURF算法 DM8168

基于FPGA的实时全景视频拼接算法研究与实现

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基于FPGA的实时全景视频拼接算法研究与实现

作者：胡晨曦武汉工程大学

学位级别：硕士

目前,视频图像技术已广泛运用于安防监控、医学影像及辅助驾驶等领域,但随着图像处理技术的高速发展,传统单视角及多视角图像难以满足视觉要求。为解决单幅视频图像中信息量少及视角杂乱问题,全景视频拼接技术应运而生。该技术主要包含... 详细信息

目前,视频图像技术已广泛运用于安防监控、医学影像及辅助驾驶等领域,但随着图像处理技术的高速发展,传统单视角及多视角图像难以满足视觉要求。为解决单幅视频图像中信息量少及视角杂乱问题,全景视频拼接技术应运而生。该技术主要包含配准和融合两部分,且配准融合大多基于通用串行处理器实现,受串行结构及自身算法复杂性限制,难以达到实时性要求。多核处理器、GPU及ASIC的硬件加速存在高功耗、高成本等问题,相对地,FPGA有着流水并行、灵活可配置、丰富I/O、低功耗等优势,因此本文基于FPGA研究并实现实时全景视频拼接算法。本文首先研究视频拼接流程及全景视频拼接中的关键技术,确定采用畸变矫正、灰度化及快速中值滤波算法完成预处理操作;在SIFT特征粗匹配阶段结合RANSAC算法,以实现特征精匹配。针对SIFT算法复杂且耗时久的问题,对其进行算法层改进及硬件计算架构优化。在算法层,将尺度空间简化成一组三层高斯差分图像;针对复杂的Hessian矩阵,用Prewitt算法和高斯卷积结合构成的M矩阵代替;将128维梯度描述子降维成32维二进制描述子;最后用基于异或运算的汉明距离代替距离比值式。在硬件架构层,充分利用FPGA流水并行结构,使SIFT算法各部分独立运算,为避免负数错误,将差分运算转换成绝对值运算;基于LUT和多bit与门完成极值检测的硬件优化设计;引入基于移位加法的CORDIC算法和绝对值之和法求解梯度角度及幅值;设计4个种子点并行流水线计算电路生成描述子,并基于移位优化的方式实现归一化。针对拼接重影及拼接缝现象,选用渐入渐出加权融合算法进行过渡平滑,并引入均匀分组移位方式优化其权值,最终整个拼接算法以更优方式映射到FPGA上。通过自顶向下模块化方式完成FPGA全景视频拼接总框架的搭建,包括视频图像采集与存储、拼接算法移植及HDMI显示三大模块。在Quartus II中完成Verilog拼接算法硬件电路设计,采用Modelsim完成波形仿真,最终在DE10-Nano开发板上对设计进行硬件验证。根据精度、实时性、资源消耗三方面的客观指标对配准融合及拼接结果进行对比评价,并结合主观感受进行分析。结果表明,本文基于FPGA的全景视频拼接满足高精度、高实时性及低资源消耗的要求,且具有较高的理论研究价值与应用价值。

关键词：全景视频拼接 FPGA SIFT 流水并行 CORDIC

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全景视频拼接技术在智能化综采工作面的应用

数字通信世界 2023年第7期 147-149页

作者：陈恒梁刘勇潘光浩兖矿能源集团南屯煤矿山东济宁273515 兖矿能源(鄂尔多斯)有限公司安全监察部内蒙古鄂尔多斯017004

打破解决采煤工作面地面远程操控生产技术壁垒,保证地面远程操控生产期间安全、高效、可视化,文章基于智能化开采技术,介绍了全景视频拼接技术的技术特点、建设效果及其在综采工作面的应用和取得的效果。

关键词：全景视频拼接地面远程操控无人化开采

面向全景视频拼接的图像融合算法及其GPU实现

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面向全景视频拼接的图像融合算法及其GPU实现

作者：林枝叶电子科技大学

学位级别：硕士

全景视频拼接是指采用视频流拼接技术将几段相互间有重合区域的视频流拼接成一整段分辨率更高的视频流,然后输出一个视域更宽的全景视频。全景视频拼接可用于虚拟现实、安全监控、辅助车载、远程桌面等。本文主要研究像机标定与颜色校... 详细信息

全景视频拼接是指采用视频流拼接技术将几段相互间有重合区域的视频流拼接成一整段分辨率更高的视频流,然后输出一个视域更宽的全景视频。全景视频拼接可用于虚拟现实、安全监控、辅助车载、远程桌面等。本文主要研究像机标定与颜色校正的图像融合算法及其GPU实现,研究工作包括以下方面:构建了一种基于几何校正与流场变换的全景图像拼接架构。常用图像配准是基于特征点匹配方法,这类方法对简单拼接效果很好,但在复杂场景如遮挡、视差等有鬼影和人工痕迹。本文采用的构架是使用几何标定获得单应矩阵并将图像投影到同一平面内,然后采用流场能量函数对图像的重合区域进行流场估计,从而可得到高效的高质量的拼接效果,并能很好地去除拼接时重合区域产生的鬼影。提出了一种基于融合区域的SURF自动标定方法,解决了摄像机参数不精准的问题。由于实际中获取或者间接计算得到的摄像机内外参数不准确,得到单应矩阵不精确,最终得到低质量的拼接图像。本文采用不准确的单应矩阵,计算得到粗略的重合区域,再增加阈值得到融合区域,并在该区域进行SURF特征点匹配,减少寻找特征点的区域大小,从而节省检测特征点时间。该方法不仅得到高精度的单应矩阵,而且减少了检测特征点所需的时间。提出了一种基于时空信息的在线颜色校正算法,解决了视频颜色不流畅问题。主要是在重叠区域进行颜色匹配,在整个拼接图像进行颜色平衡,而对于视频图像颜色校正需要加上前几帧图像的颜色信息即时空信息。该算法不仅使得视频图像帧内的颜色更加真实,而且帧与帧之间的颜色更加流畅。本文处理对象是高清视频(分辨率为1920?1080),运算量大,计算复杂度高,需要满足视频实时性,挑战很大。对本文的图像融合算法进行GPU优化,提升拼接过程的速度,从而达到系统的实时性。

关键词：全景视频拼接自动标定在线颜色校正 GPU加速

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基于改进ORB特征检测的全景视频拼接

计算机应用与软件 2017年第5期34卷 182-188页

作者：雍玖王阳萍雷晓妹王松兰州交通大学电子与信息工程学院甘肃兰州730070 兰州宇信信息技术有限责任公司甘肃兰州730070

针对全景视频拼接中算法复杂度高且拼接后的视频存在拼接裂缝和"GHOST"现象的问题,提出一种基于改进ORB特征检测的全景视频拼接方法。首先采用多尺度空间来检测特征点以及对检测参数进行设置,使得ORB算子具有尺度不变性且分布均匀;然后... 详细信息

针对全景视频拼接中算法复杂度高且拼接后的视频存在拼接裂缝和"GHOST"现象的问题,提出一种基于改进ORB特征检测的全景视频拼接方法。首先采用多尺度空间来检测特征点以及对检测参数进行设置,使得ORB算子具有尺度不变性且分布均匀;然后采用Hamming距离进行特征匹配并采用RANSAC算法去除误匹配点;最后通过采用复杂度较低的动态规划算法找到最佳缝合线,并对拼接后的图像采用泊松融合进行平滑处理。将Ladybug全景摄像机拍摄的1帧兰州西科站全景视频图像进行仿真实验。仿真结果表明,该全景视频拼接方法在实时性方面表现优异,对存在的拼接裂缝和"GHOST"现象有很好的抑制作用。

关键词： ORB算法全景视频拼接特征检测图像匹配动态规划泊松融合

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多应用环境下的全景视频实时拼接与推送研究

多应用环境下的全景视频实时拼接与推送研究

作者：易博桂林电子科技大学

学位级别：硕士

传统单摄像头监控系统拍摄视野范围小、存在盲区,随着监控应用场景不断的丰富,已无法有效满足当前市场需要,研究开发具有更大视野的多镜头全景视频监控系统成为当前发展趋势,其中视频拼接、推送速度是关键。本论文以全景视频监控涉及的... 详细信息

传统单摄像头监控系统拍摄视野范围小、存在盲区,随着监控应用场景不断的丰富,已无法有效满足当前市场需要,研究开发具有更大视野的多镜头全景视频监控系统成为当前发展趋势,其中视频拼接、推送速度是关键。本论文以全景视频监控涉及的视频编解码、流媒体传输及视频拼接技术为问题切入点,分别在PC平台和嵌入式平台设计了基于查找表的全景视频拼接及推送系统,主要完成的工作如下:(1)针对视频拼接效率问题,设计了一种将全景图像与源图像像素映射关系保存至预定义文件格式的全景视频拼接查找表,进而基于查找表实现视频实时拼接的算法。该算法通过CPU和GPU协同工作实现拼接速度的提升,其中:查找表数据读取在CPU端完成,视频拼接计算则用GPU加速框架实现。(2)以查找表为基础设计了全景视频拼接与推送系统框架。该系统框架基于FFmpeg开源库实现视频采集、解码及拼接后的全景视频编码,搭建Nginx流媒体服务器并采用RTMP协议实现全景视频网络传输。(3)以PC为平台实现全景视频拼接与推送。利用NVR获取视频流并进行解码,使用CUDA并行运算完成快速拼接,并通过GPU提供的NVENC编码器实现全景图像的实时编码,最后将全景视频通过流媒体服务器进行推送,可广泛应用于对性能和分辨率要求高的民用监控、智慧城市、云旅游、体育赛事直播等场景。(4)以海思Hi3559A芯片为嵌入式平台实现全景视频拼接与推送。视频采集由FFmpeg与海思媒体处理软件平台协同完成,视频拼接加速利用OpenCL在GPU端完成,视频传输则通过移植搭建Nginx服务器至嵌入式平台并利用RTMP协议实现,可被用于工业、农业等使用环境更为严格的场景。本文在保证全景视频拼接与推送效果的同时,还通过GPU的引入以及多线程技术的使用,加快了系统处理速度,PC平台和嵌入式平台的测试结果表明,本文不仅保证了良好的拼接质量,还满足视频实时性要求。

关键词：全景视频拼接 CUDA加速 OpenCL加速视频编解码视频实时推送

基于图像拼接的车载全景视频智能感知技术研究

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基于图像拼接的车载全景视频智能感知技术研究

作者：李树光青岛科技大学

学位级别：硕士

随着信息科学技术和计算机图形学的发展,全景视频拼接技术的应用也越来越广泛,如计算机视觉、虚拟现实、汽车领域等,在汽车领域的无人驾驶、车载终端监控和全景辅助泊车等系统中都有体现。视频拼接是图像拼接的扩展,是在原有维度基础上... 详细信息

随着信息科学技术和计算机图形学的发展,全景视频拼接技术的应用也越来越广泛,如计算机视觉、虚拟现实、汽车领域等,在汽车领域的无人驾驶、车载终端监控和全景辅助泊车等系统中都有体现。视频拼接是图像拼接的扩展,是在原有维度基础上增加了时间这一维度,要想输出流畅的全景视频,每一帧图像的拼接必须足够快,这就对单纯的图像拼接所用到的配准和融合算法有了更高的要求。现阶段车载全景视频拼接技术仍处于热门研究中,如何实现基于车载实时、高质量的全景视频拼接仍然是一项重大挑战。因此,对车载全景视频拼接技术进行深入研究有着重要的理论意义和应用价值。本文主要针对车载视频图像拼接算法的实时性、全景视频拼接图像的重影问题,进行了配准和融合算法方面的研究与改进,并且利用CPU与GPU的异构体系,设计了一个能够实时感知车载全景视频的系统。本文具体的研究内容和主要工作如下:1.为了解决车载全景视频拼接的实时性问题,提高图像配准融合的速度,本文提出了一种基于ORB改进SURF的图像配准算法(FSURF)。首先依据区域分块思想对待拼接的两幅图像进行分块,对每组子块对进行区域相关性验证求出最佳子块对,接着通过ORB中的FAST特征点检测算法对其进行特征点提取,同时采用Hessian矩阵消除不稳定的边缘响应,然后在为每个特征点分配描述符的同时加入灰度值差分,增强了算法对光照的鲁棒性,最后采用RANSAC算法进行误匹配点的剔除。实验结果和数据表明,该算法较传统的SURF算法有明显的速度优势,并且特征点描述时充分利用了灰度信息,配准融合结果对图像的模糊和光照差异等变化具有了更好的鲁棒性。2.对于融合阶段,因运动目标的存在可能导致拼接图像存在的重影现象,本文提出了一种基于最佳缝合线的多分辨率融合算法。首先利用曝光校正技术对因曝光问题产生的帧图像间过渡不平滑现象进行校正,然后在校正后的图像重叠区域内根据像素求得的颜色插值和依据Sobel算子求取的结构差值求得最佳缝合线,最后结合多分辨率融合算法在不同分辨率层上进行融合。拼接实验结果表明,使用该融合算法,融合图像既实现了平滑过渡,又消除了重影现象,得到了完整的清晰的全景视频图像。3.最后设计了一个能够实时感知车载全景视频的系统。本文虽然对传统SURF算法进行了改进,并且同时利用了区域分块思想对车载全景视频拼接算法进行了加速,但是单纯的依靠软件还没能达到实时输出流畅视频的效果,为解决该问题,本文提出在车载全景视频拼接系统中利用CPU与GPU的异构体系,通过高性能的显卡、GPU强大的浮点运算能力和CPU的多线程技术,将系统全面提速。实验验证,该方案基本解决了一开始提到的视频拼接的实时性问题,达到了每秒不少于15帧图像的拼接。

关键词：全景视频拼接 SURF ORB 区域分块最佳缝合线

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视频图像自动拼接的研究与实现

视频图像自动拼接的研究与实现

作者：王超北京理工大学

学位级别：硕士

全景图像拼接技术已成为虚拟现实和计算机视觉的重要场景表示方法。利用该技术对传统的视频监控系统进行升级,使其具有了全方位、立体性和实时性的优点。论文研究的系统在Linux环境下,使用视角重叠的六个摄像头和快速视频采集卡实时采... 详细信息

全景图像拼接技术已成为虚拟现实和计算机视觉的重要场景表示方法。利用该技术对传统的视频监控系统进行升级,使其具有了全方位、立体性和实时性的优点。论文研究的系统在Linux环境下,使用视角重叠的六个摄像头和快速视频采集卡实时采集视频流,然后对具有重叠区的相邻图像分别提取特征并进行特征匹配,最终融合生成YUV格式的全景视频流供后续实时编码和播放。本论文在汲取传统方法优点的基础上,对全景视频图像的实时自动拼接技术在以下几方面进行了深入的研究。视频图像的拼接过程可分为图像配准和融合处理两个部分。在图像配准方面,主要采用基于特征的SIFT算法进行图像特征提取和匹配,并使用稳健的随机抽样一致性优化算法对匹配特征进行过滤、提纯。在图像融合方面,为了消除曝光差异和减少“鬼影”影响,采用了改进的加权平均方法和多分辨率融合方法。由于系统对视频图像拼接的高实时性要求,本文还对特征点的提取算法、匹配算法和图像融合算法进行了优化,最终实现了全景视频图像的实时自动拼接,拼接后的视频图像能够真实反映场景特征。论文还将改进后的算法与传统方法进行了比较和评估,证明了改进算法的可行性。

关键词：全景视频拼接图像配准 SIFT RANSAC 多分辨率融合 Linux

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多路实时视频拼接技术的研究与实现

多路实时视频拼接技术的研究与实现

作者：岑陈北京工业大学

学位级别：硕士

计算机视觉技术的不断兴起和成长促进了视频拼接技术的进步。全景视频拼接的应用也越来越普及,在视频监控、旅游漫游和智能导航等领域具有广泛的应用远景。全景视频不仅能够进行大视角监控和取景,而且可以解决单个摄像机视频中存在的目... 详细信息

计算机视觉技术的不断兴起和成长促进了视频拼接技术的进步。全景视频拼接的应用也越来越普及,在视频监控、旅游漫游和智能导航等领域具有广泛的应用远景。全景视频不仅能够进行大视角监控和取景,而且可以解决单个摄像机视频中存在的目标遮挡、多视角显示凌乱等难题。获取更高质量和更好实时性的全景视频是实时视频拼接领域的研究热点与挑战。论文通过研究视频拼接技术,设计了一个基于多通道摄像机平台的实时全景视频拼接系统,在取得较好拼接效果的同时也保证了视频的实时性。论文的主要研究工作内容如下:针对传统摄像机标定过程中存在操作不灵活、繁琐等问题,论文首先对广角摄像头镜头的畸变模型进行分析研究,设计了基于棋盘格的视频流自动标定法。在相同时间间隔下采集视频流图像进行标定,并计算每幅图像标定后像素值的平均误差,剔除误差较大的图像重新标定,避免因移动带来模糊而产生的标定错误的情况。该标定方法可以实现单人快速地摄像头标定,更具实用性和简约性。视频拼接实现过程中,在图像配准阶段耗时较大,为了快速准确的提取图像特征,论文设计优化出一种基于BRISK+GMS的组合式图像配准算法。在BRISK算法快速特征提取特性的基础上,将特征提取范围限制在重叠区域,并利用网格化方法对重叠区域图像进行划分使特征点分布更加均匀,从而减少需要操作的特征点数量提高速率;在特征提取后的匹配环节中利用GMS算法剔除误匹配对,根据双向匹配策略进一步提高匹配准确率;实现了特征配准在速度和匹配效果方面的双重增强。图像融合的好坏体现在拼接视频的视觉效果上,为了图像融合的更加自然流畅,论文设计优化出一种区域化的渐入渐出加权融合算法。在融合之前采用基于非线性掩膜的局部颜色校正方法对待融合图像进行曝光补偿预处理;为了减少求解重叠区域存在的误差,构建出融合区域并进行区域化划分;利用最佳缝合线法求得拼接缝,在不同区域使用渐入渐出加权算法实现图像融合,获取融合质量更高的全景图像。论文最后设计出完整的全景视频拼接系统原型,利用CUDA并行架构引入系统GPU对算法优化,通过实验验证了系统方案的可行性和实用性。

关键词：全景视频拼接摄像机标定图像配准图像融合 CUDA并行加速