CN117036156A - 一种单幅图像去畸变方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开的一种单幅图像去畸变方法，包括将畸变图像经二值化、连通域提取后，计算各个实心圆的重心坐标，使实心圆的中心坐标与标定板的实心圆阵列物理坐标一一对应；构建畸变图片与标定板间的透视变换，生成畸变图片与标定板之间的映射关系；将实心圆阵列区域内的畸变像素进行透视变换，将像素坐标转换为物理坐标，从而实现对实心圆阵列内畸变图像的校正；遍历实心圆阵列区域外的畸变像素点，将像素坐标转换为物理坐标，从而实现对全图的畸变校正。

Description

一种单幅图像去畸变方法

技术领域

本发明涉及工业机器视觉领域，更具体的，涉及一种单幅图像去畸变方法。

背景技术

在工业机器视觉技术领域，因制造工艺、拍照角度等因素限制，相机成像往往包含了各种畸变，导致匹配、定位、测量或缺陷检测错误，故需要对图像去畸变并实现像素坐标与物理坐标的转换，保证匹配、定位、测量或缺陷检测的正确性。另外，因空间限制相机成像也可能存在遮挡，因此需要设计易用的标定板应对各种复杂场景，保证特征提取的正确性。

发明内容

为了解决上述至少一个技术问题，本发明提出了一种单幅图像去畸变方法。

本发明第一方面提供了一种单幅图像去畸变方法，包括：

S1，将畸变图像经二值化、连通域提取后，计算各个实心圆的重心坐标，使实心圆的中心坐标与标定板的实心圆阵列物理坐标一一对应；

S2，构建畸变图片与标定板间的透视变换，生成畸变图片与标定板之间的映射关系；

S3，将实心圆阵列区域内的畸变像素进行透视变换，将像素坐标转换为物理坐标，从而实现对实心圆阵列内畸变图像的校正；

S4，遍历实心圆阵列区域外的畸变像素点，将像素坐标转换为物理坐标，从而实现对全图的畸变校正。

本发明一个较佳实施例中，所述实心圆包括四个大实心圆，四个大实心圆呈中心对称排列，其中2个大实心圆位于中间行，另外2个大实心圆位于中间列。

本发明一个较佳实施例中，设定图像坐标系的水平向右为X轴方向，竖直向下为Y轴方向，原点位于图像的左上角，设定标定板坐标系的水平向右为X轴方向，竖直向上为Y轴方向，原点位于标定板的中心。

本发明一个较佳实施例中，重心像素坐标计算公式如下：

其中(x_n，y_n)为畸变图像中实心圆区域内像素坐标，N为区域内像素个数，(x₀，y₀)为重心像素坐标。

本发明一个较佳实施例中，步骤S2中还包括：

构建畸变模型，将一个平面投影到一个新的平面，而畸变图片与标定板的实心圆阵列一一对应进行透视变换；

透视变换公式如下：

展开为：

其中，为畸变图片的像素坐标的其次表示，/>为标定平面的物理坐标，/>为去畸变后图像坐标的齐次表示，矩阵T为：

本发明一个较佳实施例中，畸变模型公式如下：

其中(x，y)为畸变图像的像素坐标，(x_u，y_u)为去畸变后的坐标，k₁、k₂、k₃为畸变系数，

r²＝x²+y²。

本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：

本发明通过实心圆阵列标定板，采用大实心圆和小实心圆设计，大实心圆和小实心圆共两种特征。四个大实心圆呈中心对称排列，其中2个位于中间行，另外2个位于中间列，可以快速确定标定板的中心点及中间行和中间列，从而实现快速自动排序，即使部分边缘区域的小实心圆被遮挡，完成正确的特征提取与排序。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的一些附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例畸变图像示意图；

图2是本发明实施例标定板实心圆阵列示意图。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。

实施例一

参见图1-2所示，本发明提出一种单幅图像去畸变方法，具体包括：约定图像坐标系的水平向右为X轴方向，竖直向下为Y轴方向，原点位于图像的左上角，约定标定板坐标系的水平向右为X轴方向，竖直向上为Y轴方向，原点位于标定板的中心。畸变图像与标定板的实心圆阵列一一对应，因此可以构建透视变换去除图像畸变，具体步骤如下：

S1：排序所有的实心圆。将畸变图像经二值化、连通域提取后，计算各个实心圆的重心，以大实心圆所在的行为中间行、大实心圆所在的列为中间列，原点为中间行与中间列的交点，然后自左至右、自上之下排序所有的实心圆的重心像素坐标，使之与标定板的实心圆阵列物理坐标一一对应；

重心像素计算公式如下：

其中(x_n，y_n)为畸变图像中实心圆区域内像素坐标，N为区域内像素个数，(x₀，y₀)为重心像素坐标。

S2：构建畸变图片与标定板间的透视变换。

S2-1：畸变模型。由于镜头透镜对光线传播的影响，使得光线穿过透镜投影到CMOS时，位置会发生变化，畸变模型公式如下：

其中(x，y)为畸变图像的像素坐标，(x_u，y_u)为去畸变后的坐标，k₁、k₂、k₃为畸变系数，r²＝x²+y²。

由公式可知，畸变模型是一种非线性变换。

S2-2：透视变换。透视变换可将一个平面投影到一个新的平面，而畸变图片与标定板的实心圆阵列一一对应。透视变换公式如下：

展开为：

其中，为畸变图片的像素坐标的其次表示，/>为标定平面的物理坐标，/>为去畸变后图像坐标的齐次表示，矩阵T为：

可知透视变换也是一种非线性变换，因此可以使用局部透视变换构建畸变图片与标定板之间的映射关系，达到去畸变的目的。矩阵T中共包含了8个未知数，需要8个方程就可以所有的未知数，又因每一对点可构建2个方程，共需4对点就可以求解出8个未知数。

S3：实心圆阵列内的局部区域划分与透视变换。对实心圆阵列按照自左至右、自上至下的顺序进行遍历，每4个相邻的实心圆阵列构造一个局部透视变换矩阵，然后对这4个相邻实心圆阵列区域内的畸变像素进行透视变换，将像素坐标转换为物理坐标，从而实现对实心圆阵列内畸变图像的校正。

S4：实心圆阵列外像素点的透视变换。实心圆阵列外的像素点通常位于畸变图像的边缘部分、遮挡部分，对于每个遍历实心圆阵列外的畸变像素点P，遍历最外围的实心圆阵列，寻找距离最近的2个点A和B，则P位于A和B之间，利用S3中包含A和B的透视变换，对P解畸变，将像素坐标转换为物理坐标，从而实现对全图的畸变校正。

本发明采用实心圆阵列标定板，采用大实心圆和小实心圆设计，大实心圆和小实心圆共两种特征，四个大实心圆呈中心对称排列，其中2个位于中间行，另外2个位于中间列，可以快速确定标定板的中心点及中间行和中间列，从而实现快速自动排序。就算部分边缘区域的小实心圆被遮挡，也依然可以完成正确的特征提取与排序。

当完成实心圆阵列排序后，利用相邻的4个实心圆将整幅图片划分为小的区域，对每个小区域进行透视变化，建立图片局部区域与标定板平面的透视关系，完成去畸变过程。去畸变后的图片可用于解决匹配、定位、测量或缺陷检测的等工程问题。

以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对上述实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的上述实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，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揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，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以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种单幅图像去畸变方法，其特征在于，包括：

S1，将畸变图像经二值化、连通域提取后，计算各个实心圆的重心坐标，使实心圆的中心坐标与标定板的实心圆阵列物理坐标一一对应；

S2，构建畸变图片与标定板间的透视变换，生成畸变图片与标定板之间的映射关系；

S3，将实心圆阵列区域内的畸变像素进行透视变换，将像素坐标转换为物理坐标，从而实现对实心圆阵列内畸变图像的校正；

S4，遍历实心圆阵列区域外的畸变像素点，将像素坐标转换为物理坐标，从而实现对全图的畸变校正。

2.根据权利要求1所述的单幅图像去畸变方法，其特征在于，所述实心圆包括四个大实心圆，四个大实心圆呈中心对称排列，其中2个大实心圆位于中间行，另外2个大实心圆位于中间列。

3.根据权利要求2所述的单幅图像去畸变方法，其特征在于,设定图像坐标系的水平向右为X轴方向，竖直向下为Y轴方向，原点位于图像的左上角，设定标定板坐标系的水平向右为X轴方向，竖直向上为Y轴方向，原点位于标定板的中心。

4.根据权利要求3所述的单幅图像去畸变方法，其特征在于，步骤S1具体为：

以大实心圆所在的行为中间行、大实心圆所在的列为中间列，原点为中间行与中间列的交点，然后自左至右、自上之下排序所有的实心圆的重心像素坐标，使之与标定板的实心圆阵列物理坐标一一对应。

5.根据权利要求4所述的单幅图像去畸变方法，其特征在于，重心像素坐标计算公式如下：

其中(x_n，y_n)为畸变图像中实心圆区域内像素坐标，N为区域内像素个数，(x₀，y₀)为重心像素坐标。

6.根据权利要求5所述的单幅图像去畸变方法，其特征在于，步骤S2中还包括：

构建畸变模型，将一个平面投影到一个新的平面，而畸变图片与标定板的实心圆阵列一一对应进行透视变换；

透视变换公式如下：

展开为：

其中，为畸变图片的像素坐标的其次表示，/>为标定平面的物理坐标，/>为去畸变后图像坐标的齐次表示，矩阵T为：

7.根据权利要求6所述的单幅图像去畸变方法，其特征在于，畸变模型公式如下：

其中(x，y)为畸变图像的像素坐标，(x_u，y_u)为去畸变后的坐标，k₁、k₂、k₃为畸变系数，

r²＝x²+y²。