CN105354808A - 鱼眼图像的矫正方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种鱼眼图像的矫正方法，通过摄像机用鱼眼镜头采集坐标图像，建立鱼眼镜头成像模型和三维球形模型，根据球形纹理映射算法初步矫正畸变，再用关键点匹配寻找对应的特征点，手动调整修正图像的进一步改善畸变，最后细分插件减少矫正时的误差。能更快捷有效修正图像的畸变，主要针对常见的径向畸变矫正。可以适用于各种形式的球幕电影制作或广告作品创作。

Description

鱼眼图像的矫正方法

技术领域

本发明涉及一种鱼眼成像技术和矫正技术，尤其涉及一种鱼眼图像的矫正方法。

背景技术

在许多项目的实际制作过程中，光有数字虚拟镜头模型是不够的，为了得到最好的图像效果，我们需要实拍某些真实场景，这时就需要建立光学玻璃镜头模型。

如图1所示，光学镜头模型既要求与播放机镜头的光学特性和材质特性完全一致，又要求其色差、透过率、像散、杂光系数、像面照度均匀度等性能参数高，与高清摄像机配合良好，接口规格一致，成像范围与尺寸完全符合播放机要求。

光学玻璃镜头的性能要求如下：

全场视角	180度
		色差	在投影面横向尺寸2米的距离观看，应看不到明显色边。
像差	在投影面横向尺寸2米的距离观看，应看不到明显像差。
		透过率	不低于75％
杂光系数	不大于2.5％
		像面照度均匀度	不低于63％

现有技术中，由于镜头制作工艺中，经常会在镜头里出现像点发出的光线经鱼眼镜头透镜折射后，在理想像点与摄像机实际成像面上所成的像点之间，存在光学的误差，即产生了物理的畸变，这种畸变主要有：径向畸变、偏心畸变(切向畸变)和薄棱镜畸变。其中径向变形为最常见的，且无法避免。光学镜头的径向曲率变化是引起径向变形的主要因素。这种变形会引起图像像素点沿着径向移动，离中心越远，图像的畸变量越大。正的径向变形量会引起像素点向远离图像中心的方向移动，该比例系数会增大；负的径向变形量会引起像素点向靠近图像中心的方向移动，其比例系数较小。

发明内容

本发明的目的是提供一种更快捷有效的鱼眼图像的矫正方法。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

本发明的鱼眼图像的矫正方法，通过摄像机用鱼眼镜头采集坐标图像，建立鱼眼镜头成像模型和三维球形模型，根据球形纹理映射算法初步矫正畸变，再用关键点匹配寻找对应的特征点，手动调整修正图像的进一步改善畸变，最后细分插件减少矫正时的误差。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明实施例提供的鱼眼图像的矫正方法，通过摄像机用鱼眼镜头采集坐标图像，根据球形纹理映射算法，在三维软件中用关键点匹配寻找对应的特征点，修正图像的畸变，更快捷有效。可以适用于各种形式的球幕电影制作或广告作品创作，主要针对常见的径向畸变矫正。

附图说明

图1为本发明实施例中光学玻璃镜头模型示意图；

图2为本发明实施例中鱼眼镜头采集带畸变的图片；

图3为本发明实施例中鱼眼镜头成像模型；

图4为本发明实施例中球形纹理映射模型示意图；

图5为本发明实施例中三维软件中标准映射纹理；

图6为本发明实施例中纹理插值细分；

图7为本发明实施例中矫正鱼眼镜头畸变后效果；

图8为本发明实施例中图像畸变的原素材；

图9为本发明实施例中鱼眼实拍素材校正后的图；

图10为本发明实施例中在三维软件里模拟出的正常空间效果。

具体实施方式

下面将对本发明实施例作进一步地详细描述。

本发明的鱼眼图像的矫正方法，其较佳的具体实施方式是：

通过摄像机用鱼眼镜头采集坐标图像，建立鱼眼镜头成像模型和三维球形模型，根据球形纹理映射算法初步矫正畸变，再用关键点匹配寻找对应的特征点，手动调整修正图像的进一步改善畸变，最后细分插件减少矫正时的误差。

根据权利要求1所述的鱼眼图像的矫正方法，其特征在于，在通过摄像机用鱼眼镜头采集坐标图像时，首先建立度量坐标，然后再通过摄像机鱼眼镜头采集。

在建立鱼眼镜头成像模型时，首先建立鱼眼的镜头坐标系OXYZ，以主轴OZ为轴，整个空间的中心对称性，鱼眼图像180度的视场，选择以视点O为中心，半径为R的一个半球，每个空间点L0在球面透视投影图像L1，在鱼眼照片上成像点为L2；

在所述鱼眼镜头成像模型中，鱼眼照片上的成像点L2坐标为(u,v),鱼眼镜头的球形纹理映射满足：

$u=0.5+\frac{0.5\×i}{\sqrt{i^2+j^2+k^2}};$

$v=0.5+\frac{0.5\×j}{\sqrt{i^2+j^2+k^2}}.$

在建立所述三维球形模型时，此模型满足：与鱼眼的镜头坐标系OXYZ同一个空间中心O和空间坐标轴，R＝R1，生成与所述鱼眼镜头成像模型一样大小的标准球形纹理。

在进行所述球形纹理映射算法初步矫正畸变时，首先根据鱼眼镜头成像模型，建立标准球形纹理与鱼眼照片之间的映射关系。

在用关键点匹配寻找对应的特征点时，所述关键点指此点一旦改变能带动其它点的连锁变动，所述特征点包括点、线段和/或曲线。

所述手动调整修正图像的进一步改善畸变，即通过人为手动选择点，进行调整位置，再运行纹理特征点调整程序，根据这个调整后的点来整体自动调整其它点的相对位置。

所述最后细分插件减少矫正时的误差，是通过三维软件的模型里Divisions属性对纹理进行细分插值，这样减少误差，进一步修正图像的畸变。

本发明的鱼眼图像的矫正方法，通过摄像机用鱼眼镜头采集坐标图像，根据球形纹理映射算法，在三维软件中用关键点匹配寻找对应的特征点，修正图像的畸变，更快捷有效。可以适用于各种形式的球幕电影制作或广告作品创作。

本发明要解决的技术问题在于，如何获取鱼眼镜头的各项光学参数，量化玻璃镜头的成像畸变。找到一种不但灵活高效，而且实时直观的方法来处理鱼眼镜头拍摄图像里存在严重畸变问题。

本发明更直观高效灵活的鱼眼镜头矫正方法的原因，是鱼眼镜头具有光能损失底，体积小，成本低，较大的视觉范围等优点，以被广泛应用到各种领域，如鱼眼实拍，航拍，视频会议，监视和虚拟现实，脸部捕捉等，但传统的鱼眼镜头矫正方法比较复杂，计算量大，且不直观，并不方便于实拍加三维的影片制作和立体球幕影片的制作。因此如果能找到一种不但方法高效灵活，又跟球幕影片三维制作接合的比较好的，更直观的鱼眼矫正的技术方案，将会减少不少的时间和制作成本，大大提高影片的质量和效率。

具体实施例：

因为鱼眼镜头光路设计信息无法从公开渠道获得，且每个鱼眼镜头在制造时会造成光学参数的差异，导致变形结果的差异，因此，本实施例只能就具体某只镜头，通过实验测定的方法获取畸变特性。

首先建立度量坐标，例如，每10度做一个标记，再通过摄像机用鱼眼镜头采集坐标图像，如图2所示，会发现鱼眼镜头出现了径向畸变。

建立鱼眼镜头成像模型：根据以主轴OZ为轴，整个空间的中心对称性，鱼眼图像180度的视场，选择以视点O为中心，半径为R的一个半球作为还原模型，鱼眼镜头的成像过程如图3所示。

OXYZ为鱼眼的镜头坐标系，每个空间点L0，可被映射为投影中心0与L0的射线OL0；将射线OL0线性地映射到单位球面上，得到球面透视投影图像L1；再将球面上的L1非线性地投影到平面XOY平面上，得到最后鱼眼照片上成像点L2，假设其坐标为(u,v)；

根据半球的方程为x²+y²+z²＝R²，其中z≧0，设空间中L0(i，j，k)，得到直线OL0的方程：

$\frac{x}{i}=\frac{y}{j}=\frac{z}{k}$

此时L0点的坐标可得：

$(\frac{i\×R}{\sqrt{i^2+j^2+k^2}},\frac{j\×R}{\sqrt{i^2+j^2+k^2}},\frac{k\×R}{\sqrt{i^2+j^2+k^2}})$

根据鱼眼镜头的成像过程，整个半球在XOY平面上的投影部分就是镜头生成的鱼眼照片，而L2就是L1在鱼眼照片上对应的点。由于UV坐标的范围是[0,1]，因此我们可以得到鱼眼镜头的球形纹理映射函数：

$u=0.5+\frac{0.5\×i}{\sqrt{i^2+j^2+k^2}}$

$v=0.5+\frac{0.5\×j}{\sqrt{i^2+j^2+k^2}}$

在三维软件(Maya，3DSMax，Houdini)里建立三维球形模型，此模型应满足：R＝R1，同一个空间中心O和空间坐标轴，如图4所示，生成鱼眼成像模型一样大小的标准球形纹理，如图5所示，相当于把定做成一个同中心，同半径大小，坐标空间一致的球形纹理模型。

为了让映射出来的纹理跟照片中的像素对应的更准确，通过三维软件中，在球形纹理里找到关键点匹配寻找对应的特征点，其中关键点指此点一旦改变能带动其它点的连锁变动，特征点包括：点，线段，曲线等。

通过球形纹理分布，根据鱼眼镜头映射函数，通过python编程语言，开发了一个纹理特征点调整程序,功能如下：通过人为手动选择点，进行调整位置，再运行程序，根据这个调整后的点来整体自动调整其它点的相对位置，此算法满足以下公式：

左半球： $S=1+M\×\frac{0.5-W}{0.5-T}$

右半球： $S=1+M\×\frac{0.5+W}{0.5+T}$

其中S为总调整增益值；M为间隔系数，值越小越精细；W为一圈的uv点集；T为手动选择的调整点；

调整特征点后，再通过三维软件，如Maya里的PolySmoothFace节点里的Divisions属性对纹理进行细分插值，这样减少误差，进一步修正图像的畸变，如图6所示。

矫正后的鱼眼镜头如图7所示，最后把图片替换成现场鱼眼镜实拍回来的图片，图8为有图像畸变的原素材，图9为鱼眼实拍素材通过此矫正方法处理后的效果，三维软件里模拟出正常空间效果如图10所示。

本鱼眼图像矫正的方法比传统方法，更加简便灵活，矫正速度快，方便三维软件或后期软件里进行制作球幕影片。

本发明是根据特定实施例进行描述的，但本领域的技术人员应明白在不脱离本发明范围时，可进行各种变化和等同替换。此外，为适应本发明技术的特定场合或材料，可对本发明进行诸多修改而不脱离其保护范围。因此，本发明并不限于在此公开的特定实施例，而包括所有落入到权利要求保护范围的实施例。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种鱼眼图像的矫正方法，其特征在于，包括：

通过摄像机用鱼眼镜头采集坐标图像，建立鱼眼镜头成像模型和三维球形模型，根据球形纹理映射算法初步矫正畸变，再用关键点匹配寻找对应的特征点，手动调整修正图像的进一步改善畸变，最后细分插件减少矫正时的误差。

2.根据权利要求1所述的鱼眼图像的矫正方法，其特征在于，根据权利要求1所述的鱼眼图像的矫正方法，其特征在于，在通过摄像机用鱼眼镜头采集坐标图像时，首先建立度量坐标，然后再通过摄像机鱼眼镜头采集。

3.根据权利要求2所述的鱼眼图像的矫正方法，其特征在于，在建立鱼眼镜头成像模型时，首先建立鱼眼的镜头坐标系OXYZ，以主轴OZ为轴，整个空间的中心对称性，鱼眼图像180度的视场，选择以视点O为中心，半径为R的一个半球，每个空间点L0在球面透视投影图像L1，在鱼眼照片上成像点为L2；

在所述鱼眼镜头成像模型中，鱼眼照片上的成像点L2坐标为(u,v),鱼眼镜头的球形纹理映射满足：

$u=0.5+\frac{0.5\×i}{\sqrt{i^2+j^2+k^2}};$

$v=0.5+\frac{0.5\×j}{\sqrt{i^2+j^2+k^2}}.$

4.根据权利要求3所述的鱼眼图像的矫正方法，其特征在于，在建立所述三维球形模型时，此模型满足：与鱼眼的镜头坐标系OXYZ同一个空间中心O和空间坐标轴，R＝R1，生成与所述鱼眼镜头成像模型一样大小的标准球形纹理。

5.根据权利要求4所述的鱼眼图像的矫正方法，其特征在于，在进行所述球形纹理映射算法初步矫正畸变时，首先根据鱼眼镜头成像模型，建立标准球形纹理与鱼眼照片之间的映射关系。

6.根据权利要求5所述的鱼眼图像的矫正方法，其特征在于，在用关键点匹配寻找对应的特征点时，所述关键点指此点一旦改变能带动其它点的连锁变动，所述特征点包括点、线段和/或曲线。

7.根据权利要求6所述的鱼眼图像的矫正方法，其特征在于，所述手动调整修正图像的进一步改善畸变，即通过人为手动选择点，进行调整位置，再运行纹理特征点调整程序，根据这个调整后的点来整体自动调整其它点的相对位置。

8.根据权利要求7所述的鱼眼图像的矫正方法，其特征在于，所述最后细分插件减少矫正时的误差，是通过三维软件的模型里Divisions属性对纹理进行细分插值，这样减少误差，进一步修正图像的畸变。