基于薄板样条与自由形变的非刚体图像拼接系统设计与实现

摘要:非刚体图像拼接是计算机视觉领域的重要研究方向,广泛应用于场景重建、医学影像对齐、全景生成等任务。传统刚体或透视变换难以处理由于视角变化、镜头畸变或场景形变所引起的局部非线性位移,因此需要更柔性的非刚体配准方法。针对以上问题,本文设计并实现了一个基于薄板样条(Thin Plate Spline, TPS)与自由形变(Free-Form Deformation, FFD)的非刚体图像拼接系统 Neural Warp Studio。

作者:Bob(原创)

项目概述

非刚体图像拼接旨在处理由于视角变化、成像畸变或场景形变所导致的结构不一致问题,是图像配准与图像融合领域的重要研究内容。与传统基于刚体或仿射变换的拼接方法相比,非刚体方法能够更有效地描述局部非线性形变,从而提高拼接图像的几何一致性和融合质量。本文针对现有方法在局部形变表达不足、融合边界不自然等问题,设计并实现了一种结合薄板样条(Thin Plate Spline, TPS)与自由形变(Free-Form Deformation, FFD)的非刚体图像拼接系统。

本研究首先采用特征点检测与 RANSAC 筛选策略获取可靠的初始对应点对,并分别构建 TPS 全局光滑变形模型与 FFD 控制网格局部弹性变形模型实现非刚体配准。为进一步提升拼接区域的光照一致性与边缘连续性,本文引入亮度漂移校正及拉普拉斯金字塔多尺度图像融合方法,有效抑制了传统拼接方法中常见的边缘断裂与亮度突变现象。此外,系统集成峰值信噪比(PSNR)和结构相似性指数(SSIM)对拼接结果进行客观量化评价,以验证方法有效性。

实验结果表明,TPS 模型在大多数自然场景图像中能够获得更高的 PSNR 和 SSIM,形变场更平滑,融合边界更自然;FFD 模型在局部结构对齐方面具有一定优势,但整体一致性略逊于 TPS。综合实验结果表明,本文提出的系统能够稳定实现多场景下的非刚体图像拼接,具有良好的鲁棒性和应用价值。

系统设计

本系统采用特征匹配、非刚体配准与多尺度融合相结合的设计,实现了对输入图像的精确对齐与高质量拼接。

图1 系统整体流程图

硬件配置

该系统硬件配置如上,如果您的电脑配置低于下述规格,运行速度可能会与本系统的存在差异,请注意。

表1 惠普(HP)暗影精灵10台式整机配置(系统硬件配置)

软件环境

对本实验所需的各类软件及工具的基本信息进行了清晰汇总。

表2 系统软件配置(真实运行环境)

运行展示

运行login.py

图2 登录界面

图3 注册界面

图4 注册成功

图5 系统主界面

图6 原始图像1、原始图像2、拼接结果(TPS 配准)

说明:TPS 配准效果较好,图像拼接较为平滑,但可能有轻微的失真或接缝问题。

图7 原始图像1、原始图像2、拼接结果(TPS 配准)

说明:TPS 配准效果优秀,图像融合非常好,接缝几乎不可见,质量较高。

图8 原始图像1、原始图像2、拼接结果(TPS 配准)

说明:TPS 配准效果非常好,图像细节保留较好,接缝很自然。

图9 原始图像1、原始图像2、拼接结果(TPS 配准)

说明:TPS 配准效果理想,图像对比度较高,整体拼接质量极佳。

图10 原始图像1、原始图像2、拼接结果(TPS 配准)

说明:TPS 配准效果很好,接缝处处理得较好,图像保真度较高。

图11 原始图像1、原始图像2、拼接结果(FFD 配准)

说明:FFD 配准效果较差,接缝较为明显,图像质量相对较低。

图12 原始图像1、原始图像2、拼接结果(FFD 配准)

说明:FFD 配准效果有所改进,图像细节较好,但接缝问题仍然存在。

图13 原始图像1、原始图像2、拼接结果(FFD 配准)

说明:FFD 配准效果一般,图像质量适中,接缝较为明显。

图14 原始图像1、原始图像2、拼接结果(FFD 配准)

说明:FFD 配准效果尚可,接缝较为自然,整体图像质量中等。

图15 原始图像1、原始图像2、拼接结果(FFD 配准)

说明:FFD 配准效果较好,图像接缝较为自然,质量较为中等。

根据不同的拼接模式,TPS 适用于大多数情况,提供了更为平滑和自然的拼接效果,而 FFD 则更适合局部的弹性配准,但效果上稍显不足,尤其在大面积图像拼接时可能会遇到更多的接缝问题。

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