全景監控影像技術新突破:魚眼影像3D度量

全景監控影像技術新突破:魚眼影像3D度量
全景攝影機在安防市場上的應用愈趨普遍,然而卻幾乎找不到在小空間的應用及3D 度量的實例,原因為何?且讓AI 自由模式建模技術為您解答。


全景攝影機(亦稱360 度、魚眼攝影機)在安防市場發展已經超過10 年,早期因為影像攤平技術有專利開發限制、影像線條不準確等問題,影響市場使用意願。隨著影像感測器(sensor)解析度及影像攤平技術的不斷提升,全景攝影機的大範圍可視角特性、一台抵多台、多元操作方式等優勢,也讓市場應用更為普遍。

根據市場調查機構Market Research Future 所發表的全景攝影機市場報告指出,全球全景攝影機市場從2016 ∼ 2022 年將會有兩位數以上的成長率,並預估其市場總額將會達到360億美元。其中,北美市場因犯罪率問題,將帶動當地對於高解析、低功耗全景攝影機的需求。

全景攝影機特色、優勢及應用

以全景攝影機的技術來看,主要有兩大特點:
1、攤平方式:全景攝影機的攤平技術大致可分為硬體解析跟軟體解析兩種。早期軟體攤平技術因演算法龐大,非常消耗電腦CPU資源,反而容易造成監控軟體的不穩定。因此開始有晶片廠商投入硬體攤平技術的開發,包括:安霸、海思等廠商都有推出相關晶片。
2、照攝角度:搭配魚眼鏡頭,依據攝影機裝設位置進行180 度(牆面、走廊、接待處)或360度(天花板、地板) 視角的影像處理。魚眼鏡頭的立體視角往往大於半個球形視野,在設定攝影機原生光軸為攝影機方向前提下,除了可以觀察到前方的影像外,也可以看到包含上、下、左、右的影像視訊,以及任何選定的空間方向觀察視野景物。專利期限已過的USPTO 5185667 詳細揭露由理想投射模型來演繹選定參考特定方位角度的針孔正規影像的方法學,這是時下到處可及的360 度魚眼球形攝影機演繹模型的技術資料。

基於上述特點,全景攝影機也因而展現其較一般監控攝影機更為突顯的優勢,包括:
  • 超廣角監控:由於全景攝影機能提供180度甚至360度全視野的影像範圍,可以避免傳統固定鏡頭攝影機限定視角,而產生監控死角的問題。
  • 降低攝影機建置成本:一台全景攝影機能夠提供大範圍環場影像,可大幅降低固定鏡頭攝影機總體裝置成本。

此外,車用系統是另一個較普遍使用全景攝影機的場合,目前市場上的產品主要是利用大視角針孔攝影機取得影像,再進行簡單的影像調整,較未能發揮環周或環球場域的特性,也因此仍有失真影像的情況出現。

突破:如何完美呈現小空間全景影像?

事實上,目前的全景(魚眼)攝影機幾乎找不到在小空間(物件)的應用實例,這是來自現有成像的建模方法一般會把攝影機裝置當成一個參考點,而 了減低建構入射光路途徑的角度偏差,經常必須使用在比較大的空間,這也呼應了目前全景攝影機適合應用於廣大場域的特色。

然而,明志科技大學工程學院電子系暨智慧醫療研究中心「全景影像監控實驗室」(MOILAB)參考 I- 565735 及I- 565736實作MOIL-A 及MOIL-B 演算法的儀器裝置,以自行發展專用的AI 機械學習模組來對一般全景攝影機執行自由投射模式建模,能將低價位的魚眼相機影像映射成符合於理想核心模型的球形坐標表面,用來擴展全景攝影機的技術應用範疇。

MOIL-A:不限魚眼鏡頭,亦可呈現全景畫面
MOIL-A是根據I565735 所揭露的「離散式自由投射模型」為基礎,所開發出的全景(魚眼)影像成像系統。「離散式」意指任何的一個圖元(像素)點都能結合對應的入射光線路徑,來組成一具有虛擬焦距的單點針孔攝影機。「自由模型」是指影像平面的各個圖元的該單點與針孔單點攝影機互相獨立,而且規格是容許自由變異的。而基於上述理論製作的「MOIL-A」,是以外界一個實體絕對坐標為原點,藉由開發裝置及專屬用途的機械學習方法引導每個圖元尋找自己專屬的入射光路徑的空間絕對坐標,是跳脫一般將平面影像的組成,解釋 映射到專一圓形函數投射模式的建模方法。因此,MOIL-A不限於處理一般的魚眼裝置,而適合用來建模各類自由規格的鏡頭,例如:仿生(Bio-inspired)人體神經的非典型圓形函數瞳孔鏡頭。

MOIL-B:自創EPB 機械學習法
MOIL-B 是根據 I565736 內容並延申自創EPB(Emsembled Progressive Boost)機械學習方法學,用來評估常見的將圓形投射函數當成回歸模型的適用性質。實務檢測實驗室可及的全景攝影機,發現跟完美模型都有些不規則的差異。縱然如此,MOIL-B演繹得到的特性焦距卻可以非常接近規格書所公佈的規格。因此,MOILA-B 不受前面既有技術的限制, 即能處理到5cm紙盒或是管狀物件,且不需採用針孔模式出發的立體度量學(stereoscope)程式,直接以魚眼影像的視角編碼內容來執行3D 影像度量,能滿足更細微空間(例如:內視鏡)的全景影像攫取需求。




【張創然為明志科技大學工學院電子工程系助理教授,其帶領之「全景影像監控實驗室」10 多年來潛心研究「MOIL 全景(魚眼)影像技術,並取得多項重大成果。】
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