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        廣角鏡頭引起的圖像畸變校正方法

        2015-11-03 05:16:20張輝丁林昆明船舶設(shè)備試驗(yàn)研究中心云南昆明650051
        中國(guó)科技縱橫 2015年20期
        關(guān)鍵詞:廣角鏡頭球面畸變

        張輝 丁林(昆明船舶設(shè)備試驗(yàn)研究中心,云南昆明 650051)

        廣角鏡頭引起的圖像畸變校正方法

        張輝 丁林
        (昆明船舶設(shè)備試驗(yàn)研究中心,云南昆明 650051)

        廣角鏡頭在當(dāng)前的圖像處理領(lǐng)域當(dāng)中,具有十分廣泛的應(yīng)用,例如超市、教室、銀行等公共場(chǎng)所的專用監(jiān)視系統(tǒng)、車載監(jiān)控系統(tǒng)、醫(yī)用電子內(nèi)窺鏡系統(tǒng)等。雖然在成像系統(tǒng)中采用廣角鏡頭能夠使成像范圍得到擴(kuò)大,但是同時(shí)產(chǎn)生的圖像畸變情況也十分嚴(yán)重,會(huì)增加對(duì)拍攝目標(biāo)的辨析難度。因此,為了能夠在保證大范圍成像的同時(shí),還原原始圖像的清晰程度,就需要對(duì)畸變的圖像進(jìn)行校正。

        廣角鏡頭 圖像畸變 校正方法

        在當(dāng)前的市面上,常用的普通鏡頭拍攝角度大約在30°左右,而廣角鏡頭能夠達(dá)到90°-120°的拍攝視角。隨著科技的發(fā)展,在軍事、醫(yī)療、交通、工業(yè)等領(lǐng)域當(dāng)中,計(jì)算機(jī)視覺(jué)系統(tǒng)得到了很大的應(yīng)用。因此,人們普遍使用了大視場(chǎng)的廣角鏡頭,從而獲得更大場(chǎng)景中的景物信息。但是,由于受到很多因素的影響,使得通過(guò)廣角鏡頭拍攝的畫(huà)面在成像過(guò)程中會(huì)發(fā)生一定程度上的畸變,從而影響圖像的清晰度和效果。為了能夠更好的發(fā)揮廣角鏡頭的作用,需要對(duì)這一問(wèn)題進(jìn)行校正和解決。

        1 廣角鏡頭圖像畸變校正的基本概述

        在通過(guò)廣角鏡頭拍攝的畫(huà)面中,對(duì)于產(chǎn)生非線性畸變的圖像,通常是引入反映畸變影響的參數(shù)到成像模型當(dāng)中,然后對(duì)修正系數(shù)進(jìn)行求解,最終實(shí)現(xiàn)圖像的校正。在上個(gè)世紀(jì)中后期,非線性優(yōu)化技術(shù)的應(yīng)用,使得圖像校正得到了一定的發(fā)展,當(dāng)時(shí)的遙感攝影測(cè)量領(lǐng)域是其主要的應(yīng)用領(lǐng)域。隨后,在圖像學(xué)術(shù)界當(dāng)中,將圖像非線性畸變校正作為當(dāng)時(shí)的熱點(diǎn)研究項(xiàng)目。我國(guó)在二十世紀(jì)末期開(kāi)始,逐漸加強(qiáng)了對(duì)廣角鏡頭圖像畸變校正的相關(guān)研究。就當(dāng)前的實(shí)際發(fā)展和應(yīng)用情況來(lái)看,已經(jīng)存在了很多方法,能夠?qū)D像畸變進(jìn)行有效的校正。不過(guò)從校正原理上來(lái)看,這些方法大致可以分為兩個(gè)方面,分別是基于模版的方法和基于參數(shù)已知的方法。但是,其中存在的一個(gè)問(wèn)題就是,這些相關(guān)的處理和校正方法,都是在圖像采集之后,再對(duì)其進(jìn)行后續(xù)的處理,并沒(méi)有實(shí)時(shí)校正動(dòng)態(tài)圖象的算法[1]。

        2 廣角鏡頭圖像畸變校正算法

        2.1模板法

        模板法過(guò)去指的就是平面網(wǎng)格模板法,在隨后的不斷改進(jìn)與優(yōu)化過(guò)程中,又產(chǎn)生了同心圓模板法。在制作平面網(wǎng)格模板法的過(guò)程當(dāng)中,首先應(yīng)當(dāng)制作平面網(wǎng)格模版,可以利用相關(guān)程序,對(duì)點(diǎn)陣圖進(jìn)行自動(dòng)生成,或是利用一些矢量繪圖軟件進(jìn)行制作。然后要提取特征點(diǎn),對(duì)理想網(wǎng)格點(diǎn)和實(shí)際網(wǎng)格點(diǎn)分別進(jìn)行計(jì)算和提取,得出畸變點(diǎn)和理想點(diǎn)之間的映射表。最后求解鏡頭畸變系數(shù),主要方法有畸變模型簡(jiǎn)化法、畸變模型法、多項(xiàng)式法等。

        同心圓模板法是基于平面網(wǎng)格模板法產(chǎn)生的,因此不但具有精度高等優(yōu)點(diǎn),在畸變系數(shù)求解的過(guò)程中,還更加方便?;兂煞挚梢苑譃槿齻€(gè)主要部分,分別為徑向畸變、離心畸變和薄棱鏡畸變。在具體的校正過(guò)程中,首先需要制作同心圓模板,然后提取圓半徑,最后求解畸變系數(shù)。

        2.2等效球面模型法

        模板法需要列出很多方程組進(jìn)行求解,雖然具有較高的精度,但是在數(shù)學(xué)運(yùn)算過(guò)程中十分復(fù)雜,有時(shí)甚至無(wú)法得到精確的結(jié)果,反而會(huì)使畸變校正的精度下降。等效球面模型法是以參數(shù)已知為基本條件,對(duì)等效的球面模型進(jìn)行應(yīng)用,模擬實(shí)際的圖像畸變,然后進(jìn)行校正[2]。在該方法當(dāng)中,不需要進(jìn)行模版的建立,也不需要進(jìn)行方程組求解,只需要得到鏡頭的焦距數(shù)據(jù),就能夠進(jìn)行迅速的畸變校正。在實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中,需要首先分析等效球面模型,然后建立相應(yīng)的映射關(guān)系,再通過(guò)簡(jiǎn)單的計(jì)算,就能夠得出最終結(jié)構(gòu),從而實(shí)現(xiàn)廣角鏡頭圖像畸變的校正。通過(guò)比較我們不難看出,在快捷性、便利性等方面,等效球面模型法都具有優(yōu)于模板法的特點(diǎn),在圖像畸變校正的實(shí)際應(yīng)用中,取得了比較理想的效果。

        3 球面模型算法改進(jìn)

        假設(shè)一個(gè)空間坐標(biāo)系X—Y—Z,在該空間坐標(biāo)系當(dāng)中,將球面模型用半球形進(jìn)行代替,球形半徑已知。在改進(jìn)算法當(dāng)中,關(guān)鍵性的問(wèn)題在于理想的成像位置上,使球面上的點(diǎn)進(jìn)行成像。通過(guò)不斷的實(shí)踐研究,可以假設(shè)一個(gè)半球形的投影面,該投影面平行于X—Y平面,球面半徑的長(zhǎng)度與相機(jī)的焦距相等。從坐標(biāo)系的原點(diǎn)出發(fā),在投影面當(dāng)中,進(jìn)行球面上點(diǎn)的投影,也就是同面投影。通過(guò)這種方式,就能夠有效的實(shí)現(xiàn)廣角鏡頭引起的圖像畸變校正。其中,理想點(diǎn)和畸變點(diǎn)之間,相對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)系比例應(yīng)當(dāng)是相等的[3]。

        根據(jù)球形的特征,以及同面投影的相關(guān)原理列出相應(yīng)的方程式進(jìn)行求解,就能夠建立相應(yīng)的映射關(guān)系,以此就能夠?qū)崿F(xiàn)畸變圖像的校正。通過(guò)具體的實(shí)踐觀察能夠發(fā)現(xiàn),球面模型算法改進(jìn),能夠有效的提升整體的矯正效果,所有直線都能夠得到完美的恢復(fù)。但是,仍然存在一個(gè)問(wèn)題,就是在校正之后的圖像當(dāng)中,四個(gè)角的清晰度還存在著一定的不足,對(duì)此可以進(jìn)行有選擇性的插值。

        4 結(jié)語(yǔ)

        廣角鏡頭是當(dāng)前社會(huì)中應(yīng)用十分廣泛的高科技產(chǎn)品之一,相比于傳統(tǒng)的普通鏡頭,廣角鏡頭具有更加廣闊的視角,能夠采集到更大的場(chǎng)景和更多的圖像信息。但是,通過(guò)廣角鏡頭所成的圖像,都會(huì)發(fā)生一定的圖像畸變,需要進(jìn)行校正才能清晰。對(duì)此,本文主要比較了模板法與球面模型法兩種校正方法,其中模板法精度高,但過(guò)程十分復(fù)雜。球面模型法過(guò)程簡(jiǎn)便,但精確度有限。對(duì)此采用改進(jìn)后的等效球形模型法,同時(shí)具有簡(jiǎn)便的過(guò)程和較高的精度,比較適用于廣角鏡頭引起的圖像畸變校正。

        [1]吳開(kāi)興,段馬麗,張惠民,王鵬.廣角圖像畸變校正算法的研究與實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用與軟件,2014,11(03):237-240.

        [2]王偉,鐘堰利,吳建坤.廣角鏡頭圖像畸變校正系統(tǒng)的研究[J].光學(xué)技術(shù),2011,10(04):489-490.

        [3]丁瑩,范靜濤,楊華民,姜會(huì)林.一種廣角鏡頭光學(xué)畸變的數(shù)字校正算法[J].長(zhǎng)春理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2012,11(02):184-188.

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