CN110197466A - 一种广角鱼眼图像矫正方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种广角鱼眼图像矫正方法，包括以下步骤：S101：制作棋盘格标定模板，获得鱼眼镜头的内参数；S102，将广角鱼眼图像转化为典型圆形轮廓；S103，将目标图像中的像素坐标进行归一化；S104，确定输出图像在原始鱼眼图像中的视野范围；S105，计算目标图像像素点对应的球面三维坐标；S106，调整目标图像像素点对应的球面三维坐标；S107，采用非均匀变化的同心圆找到像素与空间位置之间的对应关系；S108，获得目标图像像素坐标对应的鱼眼图像坐标。本发明提供的一种广角鱼眼图像矫正方法，能够对广角鱼眼镜头采集的图像经过处理转化为矫正好的图像，改善图像的视觉效果，将具有明显畸变的图像矫正为符合人眼视觉习惯的图像，便于后续对图像内容的识别与分析。
Description
技术领域
本发明具体涉及一种广角鱼眼图像矫正方法，属于图像处理技术领域。
背景技术
鱼眼镜头是一种特殊的广角镜头，具有180°或者大于180°的视角，镜头的构造精密、体积小、稳固性强。鱼眼镜头模仿了鱼眼的特殊功能构造，利用了光波在光密介质和光疏介质的传播折射原理。鱼眼镜头相对于广角镜头的视角更大，但同时产生的畸变也就越严重，鱼眼图像一般呈圆形，视角越大，图像越偏向椭圆形，拍摄的物体产生近大远小的效果，具有强烈的透视汇聚感。鱼眼镜头的应用领域广泛，如智能交通、机器人导航、视频会议、医疗、视频监控等。由于鱼眼镜头采集的图像会产生很严重的畸变，需要对其进行畸变校正。但是，广角鱼眼图像轮廓不是典型的圆形，图像轮廓不完整且传统算法矫正后，图像仍存在较大的畸变且视觉效果不佳。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，克服现有技术的缺陷，提供一种能够对广角鱼眼镜头采集的图像经过处理转化为矫正好的图像，改善图像的视觉效果，将具有明显畸变的图像矫正为符合人眼视觉习惯的图像，便于后续对图像内容的识别与分析的广角鱼眼图像矫正方法。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
一种广角鱼眼图像矫正方法，包括以下步骤：
S101：制作棋盘格标定模板，使用鱼眼镜头拍摄多张棋盘格图像进行标定，获得鱼眼镜头的内参数；
S102：将广角鱼眼图像的轮廓进行规整，转化为典型圆形轮廓；
S103：将目标图像中的像素坐标进行归一化，与半球模型的经纬对应；
S104：根据实际应用场景确定输出图像在原始鱼眼图像中的视野范围，根据需要调整目标图像的显示区域；
S105：将目标图像视为一个半球体，计算目标图像坐标点在半球体上的经度及纬度，根据经纬度定义及球体几何关系，计算目标图像像素点对应的球面三维坐标；
S106：将球坐标系根据相机的安装角度进行校正，调整目标图像像素点对应的球面三维坐标；
S107：将球面上一圈一圈的像素以非线性同心圆模式展开，采用非均匀变化的同心圆找到像素与空间位置之间的对应关系，不同同心圆之间的变化程度不同；
S108：基于双线性插值原理利用周围像素点计算出当前坐标处的像素值，获得目标图像像素坐标对应的鱼眼图像坐标。
S101中，鱼眼镜头的六个内参数包括相机焦距f、径向畸变量级k、光学中心cx,cy及相邻像素在图像传感器的水平、垂直方向上之间的距离sx,sy。
S102中，设原始鱼眼镜头采集图像轮廓椭圆方程为，
Au2+Buv+Cv2+Du+Ev+1＝0
式中，u、v是鱼眼图像轮廓上点的水平坐标与垂直坐标，A、B、C、D、E为方程未知参数，使用扫描线法，对原始图像每列的像素亮度进行扫描，记录亮度发生变化的采样点，基于最小二乘法利用采样点对椭圆方程进行拟合，使得，
min||Au2+Buv+Cv2+Du+Ev+1||＝0用N表示采样点的个数，则上式可以表示为，
求得椭圆几何中心及长短半轴，令标准圆的半径为a，则像素点的变化表示为，
其中，(u,v)是原始图像轮廓坐标点，(u',v')是鱼眼图像转化为标准圆后的图像坐标点，ε＝a/width，width为原始鱼眼图像的宽。
S03中，设置输出图像Iout为180°的全景图，在三维坐标系中，半球投影平面的视角为180°，其中，水平范围是[0,180°]，垂直范围是[-90°,90°]。
S04中，引入三个变量每个像素对应的角度θpixel，输出图像成像角度θimage以及输出图像显示起始角度θview确定成像范围，在原始输出的全景图中截取部分图像显示，计算输出图像中归一化后的像素对应角度step，映射关系就是以该对应角度为间隔，将整个球面投影到一个正方形上，求得输出图像的宽高分别为widthout、heightout；
由此，任意一点(i,j)对应的坐标(m,n)为，
式中，Iout(0,0)(0)、Iout(0,0)(1)分别表示输出图像的(0,0)点所对应的原始全景图中的横坐标及纵坐标。
S05中，在三维坐标系中设置一个半径为1的半球，根据经纬度定义将图像中一点(m,n)映射到三维坐标中的投影点P(x,y,z)，则目标图像像素点(m,n)在球面上的经纬度为：
式中，PI是视野范围为180°时，所对应的经纬度最大值。由经纬度可以得到球坐标方程为，
S06中，在三维球坐标系中，仅考虑镜头绕X轴的旋转，设δx表示在相机坐标系中，沿X轴逆时针的旋转角度，则单位球坐标轴的旋转矩阵M为，
校正后的虚拟球坐标方程(x,y,z)为，
S07中，根据鱼眼镜头的焦距f，非线性畸变系数由P点与Z轴正方向的夹角，即光线的入射角及等距投影模型，可以得到P点所在同心圆的半径。S08中，据校正后的球面坐标，可以得到XOY平面上的投影点与X轴正方向的夹角theta，在二维平面上，根据角度theta和P点所在同心圆半径，可以得到P点所在同心圆的坐标，再根据鱼眼圆心的坐标(Cx,Cy)进行平移，得到输入点(i,j)在标准圆鱼眼图像上对应的图像坐标点(u',v')，
式中，r是P点所在同心圆的半径。
本发明的有益效果：本发明提供的一种广角鱼眼图像矫正方法，根据标定得到的镜头内参及扫描线法对广角鱼眼图像进行规整化，适用范围更广，能够根据实际应用场景调节成像范围设定视野范围，根据镜头的角度进行垂直性约束，调整球面三维坐标，矫正后图像中主要特征符合垂直不变性与水平方向的直线性，根据非线性畸变系数进行非线性等距投影，改善了视野较大的水平方向的直线存在的弯曲的现象，符合人眼视觉习惯且图像矫正精度较高。
附图说明
图1为本发明中一种广角鱼眼图像矫正方法的实施步骤流程图；
图2为本发明中输出图像视野范围示意图；
图3为本发明中步骤五中球坐标系经纬度定义示意图；
图4为本发明中步骤六中球坐标系的角度修正及相机坐标系定义示意图；
图5为本发明中步骤七中非线性经纬映射示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述，以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
本发明提供一种广角鱼眼图像矫正方法，该方法对广角鱼眼图像进行规整，基于经纬映射进行非线性等距投影矫正，图像保持较好的垂直性，图像中主要特征符合垂直不变性与水平方向的直线性，改善了视野较大的水平方向的直线存在的弯曲的现象，符合人眼视觉习惯。
如图1所示，为本发明中一种广角鱼眼图像矫正方法的实施步骤流程图，包括以下几个步骤。
步骤一，广角鱼眼镜头棋盘格标定，由于平面模板标定法易于操作，且标定模板制作简便，综合考虑计算的复杂度及标定精度，选用棋盘格模板对鱼眼镜头进行标定。拍摄棋盘格图像过程需要改变标定模板距相机的距离，将标定模板放置在相机景深范围之内且有发光均匀背光光源，避免阴影，相机标定的图像数量不少于20张。标定时，为了保证棋盘格标定布的平整性，将棋盘格显示在显示屏上，通过改变摄像机与显示屏的位置采集不同角度的多幅图像，根据模板中角点的世界坐标及图像坐标转换关系进行标定。通过确定角点在图像平面与标定物棋盘格平面的单应性，利用约束条件求解得到鱼眼镜头的内方位参数，得到内参矩阵。
步骤二，鱼眼图像规整化，由于鱼眼镜头制作工艺及镜头参数的不同，采集到的鱼眼图像区域一般不是规整的圆形，而是椭圆形，而且鱼眼镜头的成像范围会限制图像最终的显示形状不是完整的椭圆形。因此在进行映射前，将获取的鱼眼图像进行规整，转化为标准圆。
鱼眼图像规整化根据扫描线法得到原始图像轮廓上的多个采样点，扫描线法为对原始图像每列的像素亮度进行扫描，若该扫描线上有两次亮度变化，则该扫描线位于轮廓内部，若该扫描线上有一次亮度变化，则该扫描线是图像轮廓切线，若该扫描线上没有亮度变化，则该扫描线位于图像轮廓外部，记录亮度发生变化的采样点。将原始鱼眼图像轮廓设为椭圆，以鱼眼图像轮廓上点的水平与垂直坐标方向作为椭圆的长短轴方向，根据最小二乘法拟合椭圆方程，求得椭圆方程的未知参数，进而得到图像轮廓，设置标准圆半径，对原始图像轮廓坐标点进行变换，得到规整化后的图像轮廓，具体过程如下：
设原始鱼眼镜头采集图像轮廓椭圆方程为，
Au2+Buv+Cv2+Du+Ev+1＝0
式中，u、v是鱼眼图像轮廓上点的水平坐标与垂直坐标，A、B、C、D、E为方程未知参数。使用扫描线法，对原始图像每列的像素亮度进行扫描，记录亮度发生变化的采样点，基于最小二乘法利用采样点对椭圆方程进行拟合，使得，
min||Au2+Buv+Cvw+Du+Ev+1||＝0用N表示采样点的个数，则上式可以表示为，
求得椭圆几何中心及长短半轴，令标准圆的半径为a，则像素点的变化表示为，
其中，(u,v)是原始图像轮廓坐标点，(u',v')是鱼眼图像转化为标准圆后的图像坐标点，ε＝a/width，width为原始鱼眼图像的宽。
步骤三，目标图像坐标归一化，将目标图像像素点水平与垂直坐标归一化到区间[0,1]。设置输出图像Iout为180°的全景图。在三维坐标系中，半球投影平面的视角为180°，其中，水平范围是[0,180°]，垂直范围是[-90°,90°]，如图2为输出图像视野范围示意图。
步骤四，设定视野范围，引入三个变量每个像素对应的角度θpixel，输出图像成像角度θimage以及输出图像显示起始角度θview确定成像范围，在原始输出的全景图中截取部分图像显示，使得输出图像更加符合实际需要。计算输出图像中归一化后的像素对应角度step，映射关系就是以该对应角度为间隔，将整个球面投影到一个正方形上。进而求得输出图像的宽高以及输出图像的任意一点在180度的原始全景图中的坐标，从而在原始输出的180°全景图中截取部分图像显示，使得输出图像更加符合实际需要。
求得输出图像的宽高分别为widthout、heightout。
由此，任意一点(i,j)对应的坐标为，
式中，Iout(0,0)(0)、Iout(0,0)(1)分别表示输出图像的(0,0)点所对应的原始全景图中的横坐标及纵坐标。
步骤五，转化为球面三维坐标，在右手坐标系下，建立三维坐标系。在三维坐标系中设置一个半径为1的半球，根据经纬度定义将图像中一点(m,n)映射到三维坐标中的投影点P(x,y,z)。图3为球坐标系经纬度定义示意图，则目标图像像素点(m,n)在球面上的经纬度为，
式中，PI是视野范围为180°时，所对应的经纬度最大值。由经纬度可以得到球坐标方程为，
步骤六，球面三维坐标调整，由于实际场景中，摄像头拍摄时，镜头的传感器平面存在不垂直于地面的情况，而所拍摄的图像平面平行于相机的传感器平面，因此将球坐标系根据相机的安装角度进行垂直性校正，以相机为球心，构建虚拟相机三维球坐标系，如图4为球坐标系的角度修正及相机坐标系定义示意图。
在三维球坐标系中，仅考虑镜头绕X轴的旋转，设δx表示在相机坐标系中，沿X轴逆时针的旋转角度，则单位球坐标轴的旋转矩阵为，
校正后的虚拟球坐标方程为，
步骤七，非线性经纬映射，根据鱼眼相机的等距投影模型，将球面三维点映射到鱼眼上的圆中，根据像素点的位置获得畸变系数，获得非均匀同心圆，从而进行非线性等距投影。由于鱼眼镜头的畸变是非线性的，采用非均匀同心圆模型，引入畸变系数，随着同心圆半径的增加，畸变程度增加，图5为非线性经纬映射示意图，当目标像点与图像中心的距离越大，对应原始图像的坐标变化率越高，即图像边缘畸变越严重。
根据鱼眼镜头的焦距f，非线性畸变系数由P点与Z轴正方向的夹角，即光线的入射角及等距投影模型，可以得到P点所在同心圆的半径。步骤八，获得鱼眼图像坐标，根据校正后的球面坐标，可以得到XOY平面上的投影点与X轴正方向的夹角theta，在二维平面上，根据角度theta和P点所在同心圆半径，可以得到P点所在同心圆的坐标，再根据鱼眼圆心的坐标(Cx,Cy)进行平移，得到输入点(i,j)在标准圆鱼眼图像上对应的图像坐标点(u',v')，
式中，r是P点所在同心圆的半径。
由于计算过程中像素点坐标为浮点数，在得到目标图像点与原始鱼眼图像坐标点的转换关系后，为了提高鱼眼图像矫正的效果，采用双线性插值算法实现鱼眼图像的精确矫正，通过加权内插原理，由目标图像像点在鱼眼图像上对应的像点周围的四个邻点计算对应点的灰度值。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种广角鱼眼图像矫正方法，其特征在于，包括以下步骤：
S101，制作棋盘格标定模板，使用鱼眼镜头拍摄多张棋盘格图像进行标定，获得鱼眼镜头的内参数；
S102，将广角鱼眼图像的轮廓进行规整，转化为典型圆形轮廓；
S103，将目标图像中的像素坐标进行归一化，与半球模型的经纬对应；
S104，根据实际应用场景确定输出图像在原始鱼眼图像中的视野范围，根据需要调整目标图像的显示区域；
S105，将目标图像视为一个半球体，计算目标图像坐标点在半球体上的经度及纬度，根据经纬度定义及球体几何关系，计算目标图像像素点对应的球面三维坐标；
S106，将球坐标系根据相机的安装角度进行校正，调整目标图像像素点对应的球面三维坐标；
S107，将球面上一圈一圈的像素以非线性同心圆模式展开，采用非均匀变化的同心圆找到像素与空间位置之间的对应关系，不同同心圆之间的变化程度不同；
S108，基于双线性插值原理利用周围像素点计算出当前坐标处的像素值，获得目标图像像素坐标对应的鱼眼图像坐标。
2.根据权利要求1所述的一种广角鱼眼图像矫正方法，其特征在于：S101中，鱼眼镜头的六个内参数包括相机焦距f、径向畸变量级k、光学中心cx,cy及相邻像素在图像传感器的水平、垂直方向上之间的距离sx,sy。
3.根据权利要求1所述的一种广角鱼眼图像矫正方法，其特征在于：S102中，设原始鱼眼镜头采集图像轮廓椭圆方程为，
Au2+Buv+Cv2+Du+Ev+1＝0
式中，u、v是鱼眼图像轮廓上点的水平坐标与垂直坐标，A、B、C、D、E为方程未知参数，使用扫描线法，对原始图像每列的像素亮度进行扫描，记录亮度发生变化的采样点，基于最小二乘法利用采样点对椭圆方程进行拟合，使得，
min||Au2+Buv+Cv2+Du+Ev+1||＝0用N表示采样点的个数，则上式可以表示为，
求得椭圆几何中心及长短半轴，令标准圆的半径为a，则像素点的变化表示为，
其中，(u,v)是原始图像轮廓坐标点，(u',v')是鱼眼图像转化为标准圆后的图像坐标点，ε＝a/width，width为原始鱼眼图像的宽。
4.根据权利要求1所述的一种广角鱼眼图像矫正方法，其特征在于：S103中，设置输出图像Iout为180°的全景图，在三维坐标系中，半球投影平面的视角为180°，其中，水平范围是[0,180°]，垂直范围是[-90°,90°]。
5.根据权利要求1所述的一种广角鱼眼图像矫正方法，其特征在于：S104中，引入三个变量每个像素对应的角度θpixel，输出图像成像角度θimage以及输出图像显示起始角度θview确定成像范围，在原始输出的全景图中截取部分图像显示，计算输出图像中归一化后的像素对应角度step，映射关系就是以该对应角度为间隔，将整个球面投影到一个正方形上，求得输出图像的宽高分别为widthout、heightout；由此，任意一点(i,j)对应的坐标(m,n)为，
式中，Iout(0,0)(0)、Iout(0,0)(1)分别表示输出图像的(0,0)点所对应的原始全景图中的横坐标及纵坐标。
6.根据权利要求5所述的一种广角鱼眼图像矫正方法，其特征在于：S105中，在三维坐标系中设置一个半径为1的半球，根据经纬度定义将图像中一点(m,n)映射到三维坐标中的投影点P(x,y,z)，则目标图像像素点(m,n)在球面上的经纬度为：
式中，PI是视野范围为180°时，所对应的经纬度最大值；由经纬度可以得到球坐标方程为，
7.根据权利要求6所述的一种广角鱼眼图像矫正方法，其特征在于：S106中，在三维球坐标系中，仅考虑镜头绕X轴的旋转，设δx表示在相机坐标系中，沿X轴逆时针的旋转角度，则单位球坐标轴的旋转矩阵M为，
校正后的虚拟球坐标方程(x,y,z)为，
8.根据权利要求7所述的一种广角鱼眼图像矫正方法，其特征在于：S107中，根据鱼眼镜头的焦距f，非线性畸变系数由P点与Z轴正方向的夹角，即光线的入射角及等距投影模型，可以得到P点所在同心圆的半径。
9.根据权利要求8所述的一种广角鱼眼图像矫正方法，其特征在于：S108中，据校正后的球面坐标，可以得到XOY平面上的投影点与X轴正方向的夹角theta，在二维平面上，根据角度theta和P点所在同心圆半径，可以得到P点所在同心圆的坐标，再根据鱼眼圆心的坐标(Cx,Cy)进行平移，得到输入点(i,j)在标准圆鱼眼图像上对应的图像坐标点(u',v')，
u'＝r×cos(theta)+Cx
v'＝-1.0×r×sin(theta)+Cy
式中，r是P点所在同心圆的半径。
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