CN102509261A - 一种鱼眼镜头的畸变校正方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种鱼眼镜头的畸变校正方法，其特征在于：包括如下步骤：一、根据鱼眼镜头成像原理中的球面坐标模型，建立标准坐标系；步骤二、建立目标视平面：在标准坐标系OZ轴正方向上，将与成像面平行、并与成像面之间的距离为鱼眼镜头物镜球面半径的平面作为目标视平面；步骤三、建立目标视平面上的目标图像与拍摄后落在OXY平面上的鱼眼图像之间一一对应的映射关系：设目标成像点P的极坐标表示为P(θ，α)；与目标成像点P一一对应的成像点设为P2坐标为(u、v)，则

r＝f(θ)，其中r＝f(θ)满足以下条件：连接P1P2，角OP2P1大于等于90度，且目标成像点P偏离中心越大，角OP2P1也越大；步骤四、根据步骤三建立的映射关系，将目标成像点P的像素值赋值成与相对应成像点的像素值。本发明修正鱼眼图像精度高、效果好。

Description

一种鱼眼镜头的畸变校正方法

技术领域

本发明涉及一种鱼眼镜头的畸变校正方法。

背景技术

鱼眼镜头是模拟水下鱼类仰视水面效果的一种超广角镜头，其典型视场角为180°，还有的超过180°、大于220°，甚至达到270°。鱼眼镜头的好处很多：视角大，可容纳场景多，且可以适应狭小空间拍摄，因此在虚实景技术、机器人导航、视觉监控等许多计算机视觉领域中被广泛应用。从结构上来说，鱼眼镜头确实也是类似于鱼眼的结构，并且鱼眼镜头派生出两种类型，一种称为为Circular Image Fisheye(圆形鱼眼)，另外一种称为Full Frame Fisheye(全幅鱼眼)，其设计的视角基本是180°。采用鱼眼镜头拍摄的图像由于视角超广，因此其桶形弯曲畸变非常大，画面周边的成像呈现严重变形，直线弯曲，只有镜头中心部分的内容可以保持原来的状态。它超越了人眼日常习惯感觉到的透视效果，它把人眼观察到的、景物原有的透视效果及相互关系，在转变成记录媒体可记录的影像同时加以了夸张和改变。

为了消除鱼眼图像的变形，人们提出各种成像模型和校正方法。其中最为典型的是球面坐标模型，该模型的成像原理是当鱼眼镜头视场达到180°，且被用于对近距离场景照相时，物面实际为半球面，其球心在鱼眼镜头的入瞳中心，此时实际上是要求将半球面场景成像为底片上的平面图像；参见图1所示，对空间景物上任意一点p₁，连坐标原点o和p₁交半球面S于p₂，过p₂作z轴的平行线，交ox轴于p₃点，p₃点便是用鱼眼镜头拍摄所成的像，因此，鱼眼镜头所拍摄的景物生成的像布满一个圆，即图中oxy平面上的大圆。依据上述球面模型，人们在对鱼眼图像进行修正过程中，p₂ p₃是垂直于oxy平面的，于是目标视平面上的一点p₁，设p₁的极坐标为p₁(θ，α)，与目标成像点p₁一一对应的在拍摄后落在oxy平面上的鱼眼图像上的成像点p₃的坐标(u、v)通过如下方式获得：

$\begin{array}{c}u=r*\cos \mathrm{\α}\\ v=r*\sin \mathrm{\α}\end{array},$ r为p₃与坐标原点之间的距离；

r＝R*sinθ，R为鱼眼镜头成像原理中球面坐标模型的球面半径。

该球面坐标模型中，通过r＝R×sinθ对鱼眼镜头成像关系进行表达，也就是说，球面坐标模型默认的是物点光线进入鱼眼后始终以与光轴平行的方向在镜头底片上成像的。但鱼眼镜头的实际工作方式并非如此。如图3所示是一个真实的鱼眼镜头工作原理的光学示意图。1234分别代表不同视场角的物点光线，进入鱼眼镜头后，与光轴中心偏离不同的角度在镜头底片上成像。该偏离的角度与入射的视角有关。入射角越小，也就是说，物点越靠近光轴中心，偏离的角度也越小，物点越远离光轴，偏离角度越大。仅当物点光线靠近光轴中心一定的范围内时，偏离角才能近似于0度，也就是说成像光线与光轴近似平行，r＝R×sinθ的关系才能成立。当θ大于一定角度时，并不能合理的表达这种物像的映射关系。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是精度高、整体畸变校正效果较好的鱼眼镜头的畸变校正方法，该方法还能适用于不同型号的鱼眼镜头。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：该鱼眼镜头的畸变校正方法，其特征在于：包括以下步骤

步骤一、根据鱼眼镜头成像原理中的球面坐标模型，建立标准坐标系，即：建立一个标准坐标系，调整该标准坐标系方向和位置，将鱼眼镜头的相机放在坐标原点O，拍摄方向沿OZ轴正方向，拍摄后的鱼眼图像落在OXY平面上；

步骤二、建立目标视平面：在标准坐标系OZ轴正方向上，将与成像面平行、并与成像面之间的距离为鱼眼镜头物镜球面半径的平面作为目标视平面，这时目标视平面的中心位置O′的坐标即为(0，0，R)，其中R为鱼眼镜头成像原理中球面坐标模型的球面半径；

步骤三、建立目标视平面上的目标图像与拍摄后落在OXY平面上的鱼眼图像之间一一对应的映射关系：

设目标视平面上任意一目标成像点P在标准坐标系内的极坐标表示为P(θ，α)；

与目标成像点P一一对应的在拍摄后落在OXY平面上的鱼眼图像上的成像点设为P2，设其坐标为(u、v)，则

u＝r*cosα

v＝r*sinα

r＝f(θ)，其中r＝f(θ)满足以下条件：连接P1P2，角OP2P1大于等于90度，且目标成像点P偏离中心越大，角OP2P1也越大；

步骤四、根据步骤三建立的映射关系，将极坐标值已知的目标视平面上目标成像点P的像素值赋值成与其对应的拍摄后落在oxy平面上的鱼眼图像中相对应成像点的像素值。

对离散数据的曲线拟合有多种方式，结合实测数据的规律，可采用三种方式对实测数据进行拟合试验，分别为四阶拟合、二阶拟合、三角函数拟合，因此，步骤三中r＝f(θ)可以为r＝aθ⁴+bθ³+cθ²+dθ+e，也可以为r＝fθ²+gθ+h，也可以为r＝x*sin(y*θ+z)。

上述a、b、c、d、e及f、g、h及x、y、z均为与鱼眼镜头参数相关的常值参数，可通过以下方式获得：

根据球面坐标模型的原理，将步骤一中采用的鱼眼镜头放置在标准坐标系的原点，将一张间距已知的标准方格图像放置在目标视平面上，由该鱼眼镜头拍摄一张上述间距已知的标准方格图像的鱼眼图像；

提取上述拍摄到的鱼眼图像上过图像中心、且靠近中心部分的一些网格点的鱼眼图像面平坐标，然后测量出与上述网格点对应的标准方格图像上的网格点的极坐标，然后通过拟合四次方程的形式，获得上述常值参数a、b、c、d、e的值；通过拟合二次方程的形式，获得上述常值参数f、g、h的值；通过拟合正弦函数方程的形式，获得上述常值参数x、y、z的值。

与现有技术相比，本发明的优点在于：采用该方法修正的鱼眼图像法精度高、整体畸变校正效果较好。

附图说明

图1为现有鱼眼图像球面模型成像原理图；

图2为本发明实施例中球面修正模型的原理图。

图3为鱼眼镜头工作原理的光学示意图。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。

实施例一：

本发明提供的一种鱼眼镜头的畸变校正方法，其包括以下步骤

步骤一、根据鱼眼镜头成像原理中的球面坐标模型，建立标准坐标系，即：建立一个标准坐标系，调整该标准坐标系方向和位置，将鱼眼镜头的相机放在坐标原点O，拍摄方向沿OZ轴正方向，拍摄后的鱼眼图像落在OXY平面上；

步骤二、建立目标视平面：在标准坐标系OZ轴正方向上，将与成像面平行、并与成像面之间的距离为鱼眼镜头物镜球面半径的平面作为目标视平面，这时目标视平面的中心位置O′的坐标即为(0，0，R)，其中R为鱼眼镜头成像原理中球面坐标模型的球面半径；

步骤三、建立目标视平面A上的目标图像与拍摄后落在OXY平面上的鱼眼图像之间一一对应的映射关系：

设目标视平面上任意一目标成像点P在标准坐标系内的极坐标表示为P(θ，α)；

与目标成像点P一一对应的在拍摄后落在OXY平面上的鱼眼图像上的成像点设为P2，设其坐标为(u、v)，则

u＝r*cosα

v＝r*sinα

r＝f(θ)，其中r＝f(θ)满足以下条件：连接P1P2，角OP2P1大于等于90度，且目标成像点P偏离中心越大，角OP2P1也越大；本实施例中r＝aθ⁴+bθ³+cθ²+dθ+e

上述a、b、c、d、e为与鱼眼镜头参数相关的常值参数；

步骤四、根据步骤三建立的映射关系，将极坐标值已知的目标视平面上目标成像点P的像素值赋值成与其对应的拍摄后落在OXY平面上的鱼眼图像中相对应成像点的像素值。

上述步骤三中常值参数a、b、c、d、e通过以下方式获得：

根据球面坐标模型的原理，将步骤一中采用的鱼眼镜头放置在标准坐标系的原点，将一张间距已知的标准方格图像放置在目标视平面上，由该鱼眼镜头拍摄一张上述间距已知的标准方格图像的鱼眼图像；

提取上述拍摄到的鱼眼图像上过图像中心、且靠近中心部分的一些网格点的鱼眼图像面平坐标，例如已知的最靠近坐标原点的20个网格点，然后测量出与上述网格点对应的标准方格图像上的网格点的极坐标，然后通过拟合四次方程的形式，获得上述常值参数a、b、c、d、e的值。

本发明的核心是：对球面模型进行修正，即采用球面斜投影的方式进行鱼眼图像的校正，如上所述，由于鱼眼随着与球面中心的偏离会逐渐产生畸变，并且畸变程度与偏离角的大小有关，偏角越大，畸变也越大，畸变与角度有关。也就是说，目标视平面上的目标成像点P在球面S上的投影点P1与与目标成像点P一一对应的在拍摄后落在OXY平面上的鱼眼图像上的成像点P2之间的连线，并不与OXY平面垂直，而是有一定的倾斜角度，偏离中心越大，倾斜角度也就越大，也就是说r＝R*sinθ这个公式不再适用，本实施例通过一个四阶的多项式对r进行拟合，即r＝aθ⁴+bθ³+cθ²+dθ+e，大大提高了校正效果。

实施例二：

本实施例一不同的是，所述r＝f(θ)为r＝fθ²+gθ+h，上述f、g、h为与鱼眼镜头参数相关的常值参数。所述常值参数f、g、h通过以下方式获得：

根据球面坐标模型的原理，将步骤一中采用的鱼眼镜头放置在标准坐标系的原点，将一张间距已知的标准方格图像放置在目标视平面上，由该鱼眼镜头拍摄一张上述间距已知的标准方格图像的鱼眼图像；

提取上述拍摄到的鱼眼图像上过图像中心、且靠近中心部分的一些网格点的鱼眼图像面平坐标，然后测量出与上述网格点对应的标准方格图像上的网格点的极坐标，然后通过拟合二次方程的形式，获得上述常值参数f、g、h的值。

实施例三

所述r＝f(θ)为r＝x*sin(y*θ+z)，上述x、y、z为与鱼眼镜头参数相关的常值参数。所述常值参数x、y、z通过以下方式获得：

根据球面坐标模型的原理，将步骤一中采用的鱼眼镜头放置在标准坐标系的原点，将一张间距已知的标准方格图像放置在目标视平面上，由该鱼眼镜头拍摄一张上述间距已知的标准方格图像的鱼眼图像；

提取上述拍摄到的鱼眼图像上过图像中心、且靠近中心部分的一些网格点的鱼眼图像面平坐标，然后测量出与上述网格点对应的标准方格图像上的网格点的极坐标，然后通过拟合正弦函数方程的形式，获得上述常值参数x、y、z的值。

Claims (7)

1.一种鱼眼镜头的畸变校正方法，其特征在于：包括以下步骤

步骤一、根据鱼眼镜头成像原理中的球面坐标模型，建立标准坐标系，即：建立一个标准坐标系，调整该标准坐标系方向和位置，将鱼眼镜头的相机放在坐标原点O，拍摄方向沿OZ轴正方向，拍摄后的鱼眼图像落在OXY平面上；

步骤二、建立目标视平面：在标准坐标系OZ轴正方向上，将与成像面平行、并与成像面之间的距离为鱼眼镜头物镜球面半径的平面作为目标视平面，这时目标视平面的中心位置O′的坐标即为(0，0，R)，其中R为鱼眼镜头成像原理中球面坐标模型的球面半径；

步骤三、建立目标视平面上的目标图像与拍摄后落在OXY平面上的鱼眼图像之间一一对应的映射关系：

设目标视平面上任意一目标成像点P在标准坐标系内的极坐标表示为P(θ，α)；连坐标原点O和P交鱼眼镜头物镜球面于P1；

与目标成像点P一一对应的在拍摄后落在OXY平面上的鱼眼图像上的成像点设为P2，设其坐标为(u、v)，则

u＝r*cosα

v＝r*sinα

r＝f(θ)，其中r＝f(θ)满足以下条件：连接P1P2，角OP2P1大于等于90度，且目标成像点P偏离中心越大，角OP2P1也越大；

步骤四、根据步骤三建立的映射关系，将极坐标值已知的目标视平面上目标成像点P的像素值赋值成与其对应的拍摄后落在oxy平面上的鱼眼图像中相对应成像点的像素值。

2.根据权利要求1所述的鱼眼镜头的畸变校正方法，其特征在于：所述r＝f(θ)为r＝aθ⁴+bθ³+cθ²+dθ+e，上述a、b、c、d、e为与鱼眼镜头参数相关的常值参数。

3.根据权利要求2所述的鱼眼镜头的畸变校正方法，其特征在于：所述常值参数a、b、c、d、e通过以下方式获得：

根据球面坐标模型的原理，将步骤一中采用的鱼眼镜头放置在标准坐标系的原点，将一张间距已知的标准方格图像放置在目标视平面上，由该鱼眼镜头拍摄一张上述间距已知的标准方格图像的鱼眼图像；

提取上述拍摄到的鱼眼图像上过图像中心、且靠近中心部分的一些网格点的鱼眼图像面平坐标，然后测量出与上述网格点对应的标准方格图像上的网格点的极坐标，然后通过拟合四次方程的形式，获得上述常值参数a、b、c、d、e的值。

4.根据权利要求1所述的鱼眼镜头的畸变校正方法，其特征在于：所述r＝f(θ)为r＝fθ²+gθ+h，上述f、g、h为与鱼眼镜头参数相关的常值参数。

5.根据权利要求4所述的鱼眼镜头的畸变校正方法，其特征在于：所述常值参数f、g、h通过以下方式获得：

根据球面坐标模型的原理，将步骤一中采用的鱼眼镜头放置在标准坐标系的原点，将一张间距已知的标准方格图像放置在目标视平面上，由该鱼眼镜头拍摄一张上述间距已知的标准方格图像的鱼眼图像；

提取上述拍摄到的鱼眼图像上过图像中心、且靠近中心部分的一些网格点的鱼眼图像面平坐标，然后测量出与上述网格点对应的标准方格图像上的网格点的极坐标，然后通过拟合二次方程的形式，获得上述常值参数f、g、h的值。

6.根据权利要求1所述的鱼眼镜头的畸变校正方法，其特征在于：所述r＝f(θ)为r＝x*sin(y*θ+z)，上述x、y、z为与鱼眼镜头参数相关的常值参数。

7.根据权利要求6所述的鱼眼镜头的畸变校正方法，其特征在于：所述常值参数x、y、z通过以下方式获得：

根据球面坐标模型的原理，将步骤一中采用的鱼眼镜头放置在标准坐标系的原点，将一张间距已知的标准方格图像放置在目标视平面上，由该鱼眼镜头拍摄一张上述间距已知的标准方格图像的鱼眼图像；

提取上述拍摄到的鱼眼图像上过图像中心、且靠近中心部分的一些网格点的鱼眼图像面平坐标，然后测量出与上述网格点对应的标准方格图像上的网格点的极坐标，然后通过拟合正弦函数方程的形式，获得上述常值参数x、y、z的值。

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