JP2006059270A - Method for correcting distortion of image - Google Patents

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Toyohisa Tanijiri
豊寿 谷尻
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To easily and accurately perform distortion correction of an image resulting from aberration of a lens of a camera even in case that the optical axis of the lens is not arranged vertically to a deviation correction drawing. <P>SOLUTION: The distortion correction drawing having a plurality of sets of auxiliary points consisting of three or more linearly arranged auxiliary points on different straight lines is photographed by the camera to acquire an actual distortion correction image, a correction expression for giving an ideal center-of-gravity position of auxiliary points such that actual auxiliary points constituting each actual auxiliary point set are arranged substantially on a straight line in the image, and the distortion of the image is corrected by use of the correction expression. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、カメラによって撮影された画像の歪みを補正する方法、特にカメラのレンズの歪曲収差に起因する歪みの補正に関する。なお、本発明における画像とは、複数の画素が二次元平面上に配列されることにより構成されるデジタル静止画像又はデジタル動画のことを指す。   The present invention relates to a method for correcting distortion of an image photographed by a camera, and particularly to correction of distortion caused by distortion aberration of a camera lens. Note that the image in the present invention refers to a digital still image or a digital moving image formed by arranging a plurality of pixels on a two-dimensional plane.

近年、デジタルカメラ等によって撮影された画像のデータを処理解析することにより、被写体の寸法を計測したり、物体や人物を照合する技術が開発されている。画像に基づいた解析であれば、直接計測できない物体の長さ等を安全且つ迅速に計測することが可能であり、また、照合等の技術分野においては、従来であれば人力に頼るしかなく、手間を要していた照合作業が自動化されるため、極めて短時間で結果を得ることが可能である。   2. Description of the Related Art In recent years, techniques for measuring the size of a subject or collating an object or a person by processing and analyzing data of an image taken by a digital camera or the like have been developed. If it is an analysis based on images, it is possible to safely and quickly measure the length of an object that cannot be directly measured, and in the technical field such as collation, conventionally, there is no choice but to rely on human power, Since the collation work which required time and effort is automated, the result can be obtained in a very short time.

しかし、カメラによって撮影された画像を用いて上記のような解析を行う場合、カメラのレンズに存在する歪みが問題となる。レンズに歪みが存在すれば、レンズを通して撮影された画像は、実際の被写体と相似形にはならず、歪みを有してしまう。この歪みの主要な原因として、ディストーションとも呼ばれるレンズの歪曲収差があり、これは、レンズ中心部よりもレンズの周辺部分において歪みが大きくなる傾向を有する。レンズに歪曲収差があると、撮影された画像における被写体の像が現実の被写体の像の形状と異なるため、長さ等の数値や正しい解析結果を得ることができなくなる。特に、ある対象に対して画像照合を行う場合には、人間の目では明らかに同一又は異なると判断可能な、ごく僅かな程度にしか画像の歪みや画素位置のずれが存在しなかったとしても、コンピュータに自動的に異同識別を行わせる時には、識別を誤らせることになり、不都合である。従って、この歪曲収差は可能な限り補正され、除去されることが望ましい。   However, when the above analysis is performed using an image photographed by a camera, distortion existing in the camera lens becomes a problem. If there is distortion in the lens, the image taken through the lens will not be similar to the actual subject and will have distortion. The main cause of this distortion is the distortion of the lens, also called distortion, which tends to be greater at the periphery of the lens than at the center of the lens. If the lens has distortion, the image of the subject in the captured image is different from the shape of the actual image of the subject, so that it is impossible to obtain a numerical value such as a length or a correct analysis result. In particular, when image matching is performed on a certain target, even if there is only a slight degree of image distortion or pixel position deviation that can be clearly judged to be the same or different by the human eye. This is inconvenient when the computer automatically performs the identification of the difference. Therefore, it is desirable that this distortion is corrected and removed as much as possible.

歪曲収差を除去するためには、歪曲収差の小さなレンズを使用すればよいが、このようなレンズは高価であるという問題がある。または、複数枚のレンズ構成とすることにより、歪曲収差を補正することも可能である。しかし、これには単レンズのカメラと比較して高価になるだけでなく、サイズや重量が増加してしまうという問題がある。   In order to remove the distortion, a lens having a small distortion may be used. However, such a lens has a problem that it is expensive. Alternatively, it is possible to correct distortion by using a plurality of lens configurations. However, this is not only expensive as compared with a single lens camera, but also increases the size and weight.

そこで、レンズを通して撮影され、取得された画像が、歪みの存在しない、現実の被写体と相似形である理想画像となるように画像処理をし、歪曲収差を補正する技術が開発されてきた。この画像処理による歪曲収差補正は、一般に、複数の格子点や多角形の頂点等の点に基づき、レンズ固有の歪み特性を表す歪曲収差補正式を得て行う。そして、この格子点や多角形の頂点等の座標値に基づいて歪曲補正式を得る場合には、歪みが存在しないとする補正後の理想座標値の設定が重要である。この理想座標値を適切に決定すれば、歪みを有する画像を構成する各画素を、理想的な位置に移動させることにより、画像全体の歪みを修正することが可能な補正式を得ることができる。このような補正式の一例として、非特許文献1では、ピンホールカメラモデルを用い、歪み補正を幾何学変換と考えて得る補正式が提案されている。   In view of this, a technique has been developed in which distortion is corrected by performing image processing so that an image captured and acquired through a lens becomes an ideal image having no distortion and similar to an actual subject. This distortion correction by image processing is generally performed by obtaining a distortion aberration correction expression representing distortion characteristics specific to a lens based on a plurality of points such as a plurality of lattice points and polygonal vertices. When obtaining a distortion correction formula based on the coordinate values of the lattice points and polygonal vertices, it is important to set the corrected ideal coordinate values so that no distortion exists. If this ideal coordinate value is appropriately determined, a correction formula capable of correcting the distortion of the entire image can be obtained by moving each pixel constituting the image having distortion to an ideal position. . As an example of such a correction formula, Non-Patent Document 1 proposes a correction formula that uses a pinhole camera model and obtains distortion correction as geometric transformation.

従来の補正方法の例として、特許文献1では、像計測における計測精度を向上させることを目的とする、歪曲収差の補正方法に関する技術が開示されている。座標値が既知である複数のターゲットマークが表示されたキャリブレーション板をデジタルカメラにより撮影し、取得した撮影画像の計測座標値と、既知である座標値とに基づいて多次元補正式を求め、補正を行う。   As an example of a conventional correction method, Patent Document 1 discloses a technique related to a distortion aberration correction method for the purpose of improving measurement accuracy in image measurement. A calibration board on which a plurality of target marks with known coordinate values are displayed is photographed with a digital camera, and a multidimensional correction formula is obtained based on the measured coordinate values of the obtained photographed image and the known coordinate values, Make corrections.

上記特許文献1では、ターゲットマークの座標値が既知であるとしている。しかし、ターゲットマークを撮影した後、撮像画面上の像高計測値と実測に基づく像高座標値とを比較する時に、これらの値は同一の座標系においてでなければ比較することができないため、画素単位で得られる撮影画面上の像高計測値を実際の長さに、またはその逆に変換しなければならない。この変換は、例えば、撮影画面のターゲットマークを構成する画素数と、既知の座標値との関係に基づいて行われるが、撮影画面には歪みが存在しているため、撮影画像の座標値を実測の座標系へ換算する時に誤差が含まれてしまう。   In Patent Document 1, it is assumed that the coordinate value of the target mark is known. However, after shooting the target mark, when comparing the image height measurement value on the imaging screen and the image height coordinate value based on the actual measurement, these values can only be compared in the same coordinate system, The image height measurement value on the photographing screen obtained in pixel units must be converted into the actual length or vice versa. This conversion is performed based on, for example, the relationship between the number of pixels constituting the target mark on the shooting screen and the known coordinate value. Since there is distortion on the shooting screen, the coordinate value of the shot image is changed. An error will be included when converting to the actual coordinate system.

このように、画像の歪み補正方法は従来より各種提案されてきたが、いずれも理想座標値の設定が煩雑であったり、補正の精度が低かったりするという課題があった。そこで、本願発明者は本願に先立って出願した特許文献2において、これらの両課題を解決して補正を有効に行う手法を開示した。この技術は、等間隔に配置された複数の格子点及び中央に配置された円を有する歪曲補正図を撮影して歪曲補正画像をデジタルデータとして取得し、その中心円の径を基準とすることにより、等間隔に配置された各格子点の理想の位置を適切に決定し、歪み補正を行う。この技術を用いることにより、適切な理想格子点の位置を簡便に設定することができ、画像の歪み補正を高精度で行うことが可能となる。   As described above, various image distortion correction methods have been proposed in the past. However, there are problems in that setting of ideal coordinate values is complicated and correction accuracy is low. Therefore, the inventor of the present application has disclosed a technique for effectively correcting by solving both of these problems in Patent Document 2 filed prior to the present application. This technology takes a distortion correction diagram having a plurality of lattice points arranged at equal intervals and a circle arranged at the center, acquires a distortion correction image as digital data, and uses the diameter of the center circle as a reference. Thus, the ideal positions of the lattice points arranged at equal intervals are appropriately determined, and distortion correction is performed. By using this technique, the position of an appropriate ideal lattice point can be easily set, and image distortion correction can be performed with high accuracy.

特開2001-133223号公報([0008])JP 2001-133223 A ([0008]) 特願2004-191078号Japanese Patent Application No. 2004-191078 関海克,他2名,「画像処理による歪曲収差補正とパノラマ画像」"Ricoh Technical Report No.23,SEPTEMBER,1997", pp.47-49.Katsumi Kankai and two others, “Distortion correction and panoramic images by image processing”, “Ricoh Technical Report No.23, SEPTEMBER, 1997”, pp.47-49.

特許文献2に記載の発明では、歪曲補正図の格子点が等間隔に配置されているという拘束条件を保持するために、歪曲補正図を撮影する時に、カメラのレンズの光軸とカメラの正面に配置される歪曲補正図の中央から立てた法線が一致するように調整を行う。しかし、この調整は厳密に行わなければならないため、作業に一定の時間や手間が必要とされる。   In the invention described in Patent Document 2, in order to maintain the constraint that the lattice points of the distortion correction diagram are arranged at equal intervals, the optical axis of the camera lens and the front of the camera are taken when the distortion correction diagram is photographed. Adjustments are made so that the normals set from the center of the distortion correction diagram arranged in FIG. However, since this adjustment must be performed strictly, a certain amount of time and labor are required for the work.

そこで、本発明が解決しようとする課題は、歪曲補正図の撮影時に、レンズの光軸と歪曲補正図の法線とを一致させる調整を厳密に行うことなく、高精度の歪曲補正を行うことを可能とする画像の歪み補正方法を提供することである。   Therefore, the problem to be solved by the present invention is to perform highly accurate distortion correction without strictly adjusting the optical axis of the lens and the normal of the distortion correction diagram when photographing the distortion correction diagram. It is an object to provide a distortion correction method for an image that enables the above.

上記課題を解決するために、本願発明者は、歪曲補正図がレンズの光軸に対して傾いて撮影されたとしても、歪曲補正図において一直線上に描かれた補助点は、歪みが補正された画像においては一直線上に配置されることを条件として各補助点の理想の位置を適切に決定し、歪み補正を高精度で行うことに想到した。   In order to solve the above problem, the inventor of the present application has corrected the distortion of the auxiliary points drawn on a straight line in the distortion correction diagram even if the distortion correction diagram is photographed with an inclination with respect to the optical axis of the lens. It was conceived that the ideal position of each auxiliary point is appropriately determined on the condition that the images are arranged on a straight line, and distortion correction is performed with high accuracy.

この条件について図6を用いて説明する。真正面から見ると図6(A)のように複数の直線が描かれた図を、歪みが存在しない理想的なレンズを用いて撮影する場合を考える。この図の中央から立てた法線がレンズの光軸と一致するように配置される場合には、図6(A)のような画像が取得される。一方、図の中央から立てた法線がレンズの光軸と一致しない場合、すなわち図が傾いて配置された場合には、例えば図6(B)のような画像が取得される。本例では、図の中心に対して上側が手前に(すなわち下側が奥に)、図の左側が手前に(すなわち右側が奥に)傾いて配置されている。しかし、図6(B)の各直線は図6(A)に描かれた直線と比較して傾きは変化しているが、いずれも曲線になることなく直線性を保持している。このことより、歪曲補正図が光軸に対して垂直に配置されず、傾いた状態で撮影されたとしても、歪曲補正図で直線性を有しているものは、歪みが存在しない理想画像においても直線性を保持することがわかる。   This condition will be described with reference to FIG. Consider a case where a diagram in which a plurality of straight lines are drawn as shown in FIG. 6 (A) is photographed using an ideal lens without distortion. When the normal line set from the center of this figure is arranged so as to coincide with the optical axis of the lens, an image as shown in FIG. 6A is acquired. On the other hand, when the normal line set from the center of the figure does not coincide with the optical axis of the lens, that is, when the figure is arranged at an inclination, an image such as that shown in FIG. 6B is acquired. In this example, the upper side of the figure is inclined toward the front (that is, the lower side is at the back), and the left side of the figure is inclined toward the front (that is, the right side is at the back). However, each straight line in FIG. 6B has a change in slope as compared with the straight line depicted in FIG. 6A, but none of the straight lines is linear and maintains linearity. As a result, even if the distortion correction diagram is not arranged perpendicular to the optical axis and is photographed in an inclined state, the distortion correction diagram that has linearity is an ideal image without distortion. It can also be seen that the linearity is maintained.

このような考察に基づいてなされた本発明に係る画像の歪み補正方法は、直線上に配置される3点以上の補助点からなる補助点組をそれぞれ異なる直線上に複数組有する歪曲補正図をカメラで撮影することにより実写歪曲補正画像を取得し、該実写歪曲補正画像において、前記各補助点に対応する画像上の点である各実写補助点の重心位置を取得し、前記各補助点組に対応する各実写補助点組を構成する実写補助点が略一直線上に配置されるような理想補助点の重心位置を与える補正式を求めることを特徴とする。   The image distortion correction method according to the present invention based on the above consideration is a distortion correction diagram having a plurality of auxiliary point sets each including three or more auxiliary points arranged on a straight line on different straight lines. A live-action distortion correction image is obtained by photographing with a camera, and in the live-action distortion correction image, a gravity center position of each live-action auxiliary point which is a point on the image corresponding to each auxiliary point is acquired, and each auxiliary point set A correction formula that gives the center of gravity position of the ideal auxiliary point such that the actual shooting auxiliary points constituting each set of actual shooting auxiliary point pairs corresponding to is arranged on a substantially straight line is obtained.

なお、本発明に係る歪み補正は、レンズが光軸に関して軸対称であり、同様に歪曲収差も光軸に関して対称であると仮定する。すなわち、歪曲収差は中心からの距離にのみ依存するものとする。そして、本発明に係る補正式は、レンズ固有のものであるため、一度補正式を算出すれば、以後は常にその補正式を適用することができる。   In the distortion correction according to the present invention, it is assumed that the lens is axially symmetric with respect to the optical axis, and similarly, the distortion is also symmetric with respect to the optical axis. That is, the distortion aberration depends only on the distance from the center. Since the correction formula according to the present invention is unique to the lens, once the correction formula is calculated, the correction formula can always be applied thereafter.

本発明に係る画像の歪み補正方法によれば、歪曲補正図がレンズ光軸に対して垂直に配置されていない状態で歪曲補正図を撮影しても、歪曲補正画像において適切な理想補助点の位置を簡便に設定することができ、しかも画像の歪み補正精度はほとんど低下しない。従って、厳密な調整が必要であった作業を省略することができるため、従来の補正方法と比較して、時間や手間を大幅に短縮することができるという効果を得ることができる。   According to the image distortion correction method of the present invention, even if the distortion correction diagram is photographed in a state where the distortion correction diagram is not arranged perpendicular to the lens optical axis, an appropriate ideal auxiliary point in the distortion correction image is obtained. The position can be easily set, and the distortion correction accuracy of the image hardly decreases. Therefore, since an operation requiring strict adjustment can be omitted, it is possible to obtain an effect that time and labor can be greatly reduced as compared with the conventional correction method.

以下、本発明に係る画像の歪み補正方法に関して説明を行う。なお、本発明では、歪曲補正図を撮影して得られる画像を実写歪曲補正画像とし、実写歪曲補正画像における補助点を実写補助点と呼ぶ。また、補正後の歪みがない理想画像における補助点を理想補助点と呼ぶ。更に、歪曲補正図における補助点組に対応する、実写歪曲補正画像における実写補助点の組を実写補助点組と呼ぶ。   Hereinafter, an image distortion correction method according to the present invention will be described. In the present invention, an image obtained by photographing a distortion correction diagram is referred to as a live-action distortion correction image, and an auxiliary point in the real-life distortion correction image is referred to as a live-action auxiliary point. An auxiliary point in an ideal image without distortion after correction is referred to as an ideal auxiliary point. Further, a set of live-action auxiliary points in the live-action distortion corrected image corresponding to the auxiliary point set in the distortion correction diagram is referred to as a live-action auxiliary point set.

まず、歪曲補正図について説明する。歪曲補正図には、複数の補助点が描かれる。そして、歪曲補正図には描かれない複数の直線の各直線上毎に、少なくとも3つの補助点からなる補助点組が形成されるように歪曲補正図が構成される。また、1個の補助点が複数の補助点組に属しても構わない。図1は本発明に係る歪曲補正図の一例である。この歪曲補正図1には、複数の補助点P11、P12、…P67が格子点状に配置されており、水平方向及び垂直方向に複数の補助点組を構成する。この歪曲補正図1においては、水平方向に一直線上に配置される複数の補助点組であるP11、P12、…、P17や、P21、P22、…、P27等を水平方向補助点組とし、垂直方向に一直線上に配置される複数の補助点組であるP11、P21、…、P61等を、垂直方向補助点組とする。すなわち、各補助点は水平方向補助点組及び垂直方向補助点組の両方に属することになる。歪曲補正図1における各補助点の水平方向と垂直方向の間隔比はa:bであるが、全ての補助点が一定間隔比を有するように配置される必要はなく、補助点の間隔が一定でなくても構わない。 First, the distortion correction diagram will be described. A plurality of auxiliary points are drawn in the distortion correction diagram. Then, the distortion correction diagram is configured such that an auxiliary point set including at least three auxiliary points is formed on each of a plurality of straight lines not drawn in the distortion correction diagram. One auxiliary point may belong to a plurality of auxiliary point sets. FIG. 1 is an example of a distortion correction diagram according to the present invention. In this distortion correction FIG. 1, a plurality of auxiliary points P 11 , P 12 ,... P 67 are arranged in the form of lattice points, and a plurality of auxiliary point sets are formed in the horizontal and vertical directions. In this distortion correction FIG 1, P 11, P 12 is a plurality of auxiliary point set disposed on a straight line in the horizontal direction, ..., P 17 and, P 21, P 22, ... , the horizontal direction P 27 etc. A plurality of auxiliary point sets P 11 , P 21 ,..., P 61, etc. arranged on a straight line in the vertical direction are set as auxiliary point sets in the vertical direction. That is, each auxiliary point belongs to both the horizontal direction auxiliary point set and the vertical direction auxiliary point set. Distortion correction The horizontal and vertical spacing ratio of each auxiliary point in FIG. 1 is a: b, but it is not necessary that all the auxiliary points have a constant spacing ratio, and the auxiliary point spacing is constant. It doesn't have to be.

補助点は、歪曲補正画像において各補助点の位置を特定することができれば、線分の交点等、いかなるものでも利用することが可能であるが、好適には、実写補助点が複数の画素により構成されるような、所定の面積を有する点とすることができる。この場合、このような補助点を点として扱うために、補助点を形成する複数の画素の重心を補助点の位置とする。また、補助点は大きくなるとその点自体に歪みを多く含むことになるため、実写歪曲補正画像において重心位置を取得することが可能な程度の大きさとする。例えば、画像全体の大きさが480×640画素(すなわち307200画素)の場合、実写補助点が60〜100画素で構成される程度が好適である。また、歪曲補正図に含まれる補助点の数は、多いほど補正の精度が向上するが、同時に演算時間が増加するため、画像データの大きさや、処理装置の能力等に応じて適宜決定する。   Any auxiliary point can be used, such as the intersection of line segments, as long as the position of each auxiliary point can be specified in the distortion corrected image. It can be a point having a predetermined area as configured. In this case, in order to treat such an auxiliary point as a point, the center of gravity of a plurality of pixels forming the auxiliary point is set as the position of the auxiliary point. In addition, since the auxiliary point includes a large amount of distortion when the auxiliary point becomes large, the size of the auxiliary point is set to such a size that the center-of-gravity position can be acquired in the live-action distortion corrected image. For example, when the size of the entire image is 480 × 640 pixels (that is, 307200 pixels), it is preferable that the actual shooting auxiliary point is composed of 60 to 100 pixels. In addition, the accuracy of correction increases as the number of auxiliary points included in the distortion correction diagram increases, but at the same time, the calculation time increases.

上記のように構成された歪曲補正図をカメラで撮影する。歪曲補正図がカメラのレンズ光軸に対して垂直である必要はなく、歪曲補正図がいずれの方向に傾きを有していても構わない。また、レンズ光軸が歪曲補正図の中央を通過していなくても構わない。   The distortion correction diagram configured as described above is taken with a camera. The distortion correction diagram does not need to be perpendicular to the lens optical axis of the camera, and the distortion correction diagram may have an inclination in any direction. The lens optical axis may not pass through the center of the distortion correction diagram.

レンズの光学設計の中心とCCD等の受光素子の中心が一致していないことがある。この補正を行うためには、歪曲補正図の中央に所定の面積を有する中心円を描いておき、カメラのレンズの光軸が、歪曲補正図の中央(つまり、中心円の中心)を通過するように調節を行い、その後撮影を行う。この中心円は補助点の一つであってもよい。そして、実写歪曲補正画像において、実写中心円の重心が受光素子の中心、すなわち座標系の原点となるように画像全体を平行移動することにより、実写歪曲補正画像の座標を補正する。   The center of the optical design of the lens may not match the center of the light receiving element such as a CCD. In order to perform this correction, a center circle having a predetermined area is drawn at the center of the distortion correction diagram, and the optical axis of the camera lens passes through the center of the distortion correction diagram (that is, the center of the center circle). Make adjustments as follows, and then shoot. This central circle may be one of the auxiliary points. Then, in the real image distortion correction image, the coordinates of the real image distortion correction image are corrected by translating the entire image so that the center of gravity of the real image center circle becomes the center of the light receiving element, that is, the origin of the coordinate system.

こうして座標系が適切に補正された実写歪曲補正画像において、実写補助点D11、D12、…の重心座標を取得する。 In this way, the center-of-gravity coordinates of the live-action auxiliary points D 11 , D 12 ,... Are acquired in the live-action distortion corrected image in which the coordinate system is appropriately corrected.

図2は歪曲補正図1が、カメラの光軸に対して垂直ではなく、右側が光軸方向奥側へ傾いた状態で撮影された場合の実写歪曲補正画像2において、実写補助点D11、D12、…上に理想補助点Q11、Q12、…を重ね合わせたものである(図2において補助点同士を結ぶ直線は、実写歪曲補正画像及び理想補助点の構成要素ではない。)。 FIG. 2 shows distortion correction. FIG. 2 shows a live-action auxiliary point D 11 in the real-image distortion correction image 2 when the right-hand side is tilted to the back side in the optical axis direction, rather than perpendicular to the optical axis of the camera. D 12 ,... Are superimposed on ideal auxiliary points Q 11 , Q 12 ,... (The straight line connecting the auxiliary points in FIG. 2 is not a component of the real image distortion corrected image and the ideal auxiliary point.) .

歪曲補正図に描かれた直線は、撮影時に歪曲補正図がいかなる方向に傾いていたとしても、歪みが補正された後の理想画像において直線となる。この条件に基づき、全ての実写補助点組において、各組を構成する実写補助点D11、D12、…が一直線上に配置されるような理想補助点Q11、Q12、…の理想座標値を与える式を得れば、その式に基づき、実写画像から、歪曲収差を除去した各画素の理想とする座標を求めることができ、歪みが補正された画像を作成することができる。 The straight line drawn in the distortion correction diagram becomes a straight line in the ideal image after the distortion is corrected, regardless of the direction in which the distortion correction diagram is tilted during shooting. Based on this condition, the ideal coordinates of ideal auxiliary points Q 11 , Q 12 ,... Where the actual shooting auxiliary points D 11 , D 12 ,. If an expression that gives a value is obtained, the ideal coordinates of each pixel from which distortion aberration has been removed can be obtained from the photographed image based on the expression, and an image with corrected distortion can be created.

本発明においては、この歪曲補正式は、上記非特許文献1で提案されている以下の数式1〜4を好適に用いることができる。

Figure 2006059270
Figure 2006059270
Figure 2006059270
Figure 2006059270
ここで、
F:レンズの焦点距離
θ:レンズの中心点と補正前の画素の座標を結ぶ直線が光軸となす角度
θ0:レンズの中心点と補正後の画素の座標を結ぶ直線が光軸となす角度
A、B:パラメータ In the present invention, the following formulas 1 to 4 proposed in Non-Patent Document 1 can be suitably used as the distortion correction formula.
Figure 2006059270
Figure 2006059270
Figure 2006059270
Figure 2006059270
here,
F: Lens focal length θ: Angle that the straight line connecting the center point of the lens and the coordinates of the pixel before correction is the optical axis θ 0 : Straight line connecting the center point of the lens and the coordinates of the corrected pixel is the optical axis angle
A, B: Parameter

上記数式1〜4について、ピンホールカメラのモデル図である図4に基づき説明する。Cはピンホールカメラのピンホール点であり、Pは三次元空間における物点である。Pd、P0はそれぞれ、実写であり歪みがある場合と、理想であり歪みがない場合のPの結像点であり、それらと光軸(Z軸)となす角度をθ及びθ0とする。そして、レンズの歪曲収差を数式1の多項式でモデル化し、歪曲補正式とする。また、数式2〜4は図3に描かれたモデル図の幾何学的特徴によって明らかに成立する関係式である。すなわち、数式1〜4において、数式1のパラメータA及びBが適切に決定されれば、歪曲補正式を得ることができる。この二個のパラメータの求め方については後述する。 Formulas 1 to 4 will be described with reference to FIG. 4 which is a model diagram of a pinhole camera. C is a pinhole point of the pinhole camera, and P is an object point in a three-dimensional space. P d and P 0 are the image forming points of P when there is a real image and there is distortion and when it is ideal and there is no distortion, and the angles formed by these and the optical axis (Z axis) are θ and θ 0 . To do. Then, the distortion aberration of the lens is modeled by the polynomial expression 1 to obtain a distortion correction formula. Equations 2 to 4 are relational expressions clearly established by the geometric features of the model diagram depicted in FIG. That is, in Equations 1 to 4, if parameters A and B in Equation 1 are appropriately determined, a distortion correction equation can be obtained. A method for obtaining these two parameters will be described later.

数式1〜4を用い、次のようにして画像の歪曲補正を行う。まず、歪曲収差を有する画像において、ある画素の座標が(x,y)であるとき、これらx、yを数式2に代入し、θを得る。このθを数式1に代入すれば、θ0の値が求まる。そして、このθ0及びx、yの値を数式3、4にそれぞれ代入することにより、補正後の座標である(x0,y0)が決定される。この操作を画像の全画素に関して行うことにより、歪曲収差が補正された画像を得ることができる。理想座標値が整数とならない場合には、ニアレストネイバー法、バイリニア法、バイキュービック法等による画素補完を行うことにより、各画素の輝度を決定する。画像がカラー画像の場合には、各画素毎に色情報も含めて補完を行う。 Using Equations 1 to 4, image distortion correction is performed as follows. First, in an image having distortion, when the coordinates of a certain pixel are (x, y), these x and y are substituted into Equation 2 to obtain θ. If this θ is substituted into Equation 1, the value of θ 0 can be obtained. Then, by substituting the values of θ 0 and x and y into Equations 3 and 4, respectively, the corrected coordinates (x 0 , y 0 ) are determined. By performing this operation for all the pixels of the image, an image with corrected distortion can be obtained. When the ideal coordinate value is not an integer, the pixel complement is performed by the nearest neighbor method, the bilinear method, the bicubic method, or the like, thereby determining the luminance of each pixel. When the image is a color image, interpolation is performed for each pixel including color information.

以下、実施例として補正式の求め方について具体的に説明する。ピンホールカメラモデルに基づき決定された数式2〜4、及び歪曲収差をモデル化した数式1を用いて歪曲収差補正を行う。数式1のパラメータA、Bの決定方法の一例について説明する。本例では、水平方向×垂直方向に7×6個の補助点が描かれた歪曲補正図1を使用するものとする。なお、本実施例では以下、歪曲補正図1において水平方向に一直線上に配置されているP11、P12、…、P67やP21、P22、…、P27等の補助点組を水平方向補助点組と呼び、垂直方向に一直線上に配置されているP11、P21、…、P61やP12、P22、…、P62等の補助点組を垂直方向補助点組と呼ぶ。図5にA、Bの決定方法のフローチャートを示す。 Hereinafter, a method for obtaining the correction formula will be specifically described as an example. Distortion correction is performed using Equations 2 to 4 determined based on the pinhole camera model and Equation 1 modeling distortion. An example of a method for determining the parameters A and B in Expression 1 will be described. In this example, it is assumed that the distortion correction FIG. 1 in which 7 × 6 auxiliary points are drawn in the horizontal direction × vertical direction is used. In the present embodiment below, P 11, P 12, which are arranged in alignment in the horizontal direction in the distortion correction FIG 1, ..., P 67 and P 21, P 22, ..., an auxiliary point set such P 27 referred to as the horizontal auxiliary point set, P 11, P 21 which vertically are disposed on a straight line, ..., P 61 and P 12, P 22, ..., the auxiliary point set vertical auxiliary point set such P 62 Call it. FIG. 5 shows a flowchart of a method for determining A and B.

まず、実写歪曲補正画像2において、実写補助点D11、D12、…、D67の各重心座標を取得する(ステップS10)。 First, in the live-action distortion corrected image 2, the center-of-gravity coordinates of the live-action auxiliary points D 11 , D 12 ,..., D 67 are acquired (step S10).

以後行う演算の実行回数を設定する(ステップS11)。この実行回数を多くすれば、より適切なA、Bの値が得られる可能性が増すため、可能な限り多く設定することが望ましいが、演算時間等によって適宜決定すればよい。   Thereafter, the number of executions of the calculation to be performed is set (step S11). Increasing the number of executions increases the possibility that more appropriate values of A and B can be obtained. Therefore, it is desirable to set as many as possible.

適当な値のパラメータA、Bの組をステップS11で設定した実行回数個設定し、数式1に代入する(ステップS12)。これらのパラメータ値は自動的に設定されるようにしてもよいし、作業者が任意の値を設定することもできる。レンズの焦点距離Fは既知であり、実写補助点D11、D12、…、D67の各重心座標のx、y値はステップS10において既知であるので、これらを数式2に代入することにより、θの値を得ることができる。このθを数式1に代入してθ0を求め、数式3、4を用いて補正された全実写補助点(以下、補正補助点とする)R11、R12、…、R67の座標値x0、y0を算出する(ステップS13)。 A set of parameters A and B having appropriate values is set for the number of executions set in step S11, and is substituted into Equation 1 (step S12). These parameter values may be set automatically, or an operator can set arbitrary values. The focal length F of the lens is known, and the x and y values of the barycentric coordinates of the actual shooting auxiliary points D 11 , D 12 ,..., D 67 are known in step S 10. , Θ can be obtained. By substituting this θ into Equation 1, θ 0 is obtained, and the coordinate values of R 11 , R 12 ,..., R 67 are all shooting assistance points corrected using Equations 3 and 4 (hereinafter referred to as correction assistance points). x 0 and y 0 are calculated (step S13).

S13において得られた補正補助点の各水平方向補助点組及び各垂直方向補助点組において、回帰直線を求める(ステップS14)。そして、前記各組において各補正補助点とその回帰直線との距離の二乗の和を求める。次に、これら全組の距離の二乗の総和を算出し、その総和を保存する(ステップS15)。   A regression line is obtained for each horizontal auxiliary point set and each vertical auxiliary point set of the correction auxiliary points obtained in S13 (step S14). Then, the sum of the squares of the distances between each correction auxiliary point and its regression line is obtained in each group. Next, the sum of the squares of the distances of all the sets is calculated, and the sum is stored (step S15).

上記S14及びS15の処理の一例について説明する。まず、水平方向補正補助点組の一つであるR11、R12、…、R17に関して、これらの補正補助点の回帰直線M1を求める(図3(A))。回帰直線の算出方法として、ここでは最小二乗法を用いる。これらのR11、R12、…、R17の各点から回帰直線M1へ降ろした垂線の距離をそれぞれ求め、それらの距離の二乗の和であるdM1を算出する。残りの5つの水平方向補正補助点組のそれぞれについてもM2〜M6を求め、これらに基づき距離の二乗の和dM2〜dM6を求める。垂直方向に関しても同様に、まず垂直方向補正補助点組の一つであるR11、R21、…、R61の回帰直線L1を求め(図3(B))、R11、R21、…、R61からL1に降ろした垂線の距離の二乗の和であるdL1を求める。残りの6つの垂直方向補正補助点組のそれぞれについても、L2〜L7を求め、これらに基づき距離の二乗の和dL2〜dL7を求める。こうして求めたdM1〜dM6及びdL1〜dL7の総和を算出し、保存する。 An example of the processing of S14 and S15 will be described. First, with respect to R 11 , R 12 ,..., R 17 which is one of the horizontal correction auxiliary point sets, a regression line M 1 of these correction auxiliary points is obtained (FIG. 3A). Here, the least square method is used as a method of calculating the regression line. The distances of the perpendiculars dropped from the respective points R 11 , R 12 ,..., R 17 to the regression line M 1 are obtained, respectively, and dM 1 that is the sum of the squares of these distances is calculated. M 2 to M 6 are also obtained for each of the remaining five horizontal direction correction auxiliary point sets, and sums dM 2 to dM 6 of distance squares are obtained based on these. Similarly in the vertical direction, first, a regression line L 1 of R 11 , R 21 ,..., R 61 which is one of the vertical correction auxiliary point sets is obtained (FIG. 3 (B)), R 11 , R 21 , ..., find dL 1 which is the sum of the squares of the distances of the perpendiculars dropped from R 61 to L 1 . For each of the remaining six vertical correction auxiliary point set also determine the L 2 ~L 7, the sum dL 2 through DL 7 of the square of the distance based on these. The sum total of dM 1 to dM 6 and dL 1 to dL 7 thus determined is calculated and stored.

設定回数に達するまで、新たな組のパラメータA、Bの値を数式2に与え、同様の処理を繰返す(ステップS16)。   Until the set number of times is reached, a new set of parameters A and B are given to Equation 2 and the same processing is repeated (step S16).

上記処理を設定回数実行した後、保存されている実行回数個の距離の二乗の総和のうち、最小の値を与えたA、Bの組を数式1のパラメータA、Bとして採用する(ステップS17)。このときの補正補助点R11、R12、…、R67が、理想補助点Q11、Q12、…、Q67となる。そして、上述したように、実写画像を構成する各画素に対して補正式である数式1〜4を適用し、各画素の位置を理想の画素位置へ移動することにより、歪みが補正された画像を得ることができる。 After the above process is executed a set number of times, a set of A and B giving the minimum value among the sum of squares of the distances of the number of execution times stored is adopted as the parameters A and B of Equation 1 (step S17). ). The correction auxiliary points R 11 , R 12 ,..., R 67 at this time become ideal auxiliary points Q 11 , Q 12 ,. Then, as described above, by applying Equations 1 to 4 that are correction equations to each pixel constituting the photographed image and moving the position of each pixel to the ideal pixel position, an image in which distortion is corrected Can be obtained.

また、補正式の精度を上げることを目的として、補正式において数式1の次数を上げた式を用いることもできる。この場合、パラメータの数が増加するが、上記と同様の決定方法を用いればパラメータ値の算出は可能である。   For the purpose of increasing the accuracy of the correction formula, a formula obtained by increasing the order of Formula 1 in the correction formula can also be used. In this case, the number of parameters increases, but the parameter value can be calculated using the same determination method as described above.

本発明に係る歪曲補正図の一例。An example of the distortion correction figure which concerns on this invention. 本発明に係る実写歪曲補正画像の一例。An example of the real image distortion correction image which concerns on this invention. 本発明に係る(A)水平方向補正補助点組の回帰直線及び(B)垂直方向補正補助点の回帰直線の一例。An example of the regression line of the (A) horizontal direction correction auxiliary point group and (B) vertical direction correction auxiliary point which concern on this invention. ピンホールカメラのモデル図。Model of pinhole camera. 本発明に係る補正式のパラメータA、Bの決定方法のフローチャート。6 is a flowchart of a method for determining parameters A and B of a correction formula according to the present invention. 歪曲補正図がレンズの光軸に対して(A)垂直に配置された場合、及び(B)傾いて配置された場合の理想画像の一例。An example of an ideal image when a distortion correction figure is arrange | positioned with respect to the optical axis of a lens (A) perpendicular | vertical, and (B) inclining.

符号の説明Explanation of symbols

1…歪曲補正図
2…実写歪曲補正画像
1 ... Distortion correction Fig. 2 Real-life distortion correction image

Claims (4)

直線上に配置される3点以上の補助点からなる補助点組をそれぞれ異なる直線上に複数組有する歪曲補正図をカメラで撮影することにより実写歪曲補正画像を取得し、
該実写歪曲補正画像において、
前記各補助点に対応する画像上の点である各実写補助点の位置を取得し、
前記各補助点組に対応する各実写補助点組を構成する実写補助点が略一直線上に配置されるような理想補助点の位置を与える補正式を求める
ことを特徴とする画像の歪み補正方法。
By capturing a distortion correction diagram having a plurality of auxiliary point sets each including three or more auxiliary points arranged on a straight line on different straight lines, a live-action distortion correction image is obtained,
In the live-action distortion corrected image,
Obtaining the position of each live-action auxiliary point that is a point on the image corresponding to each auxiliary point;
An image distortion correction method characterized by obtaining a correction expression that gives a position of an ideal auxiliary point such that the actual shooting auxiliary points constituting each actual shooting auxiliary point group corresponding to each of the auxiliary point sets are arranged on a substantially straight line .
前記歪曲補正図において、前記補助点が所定の面積を有する点であり、
前記実写歪曲補正画像において、実写補助点の位置が実写補助点を形成する複数の画素の重心である
ことを特徴とする請求項1に記載の画像の歪み補正方法。
In the distortion correction diagram, the auxiliary point is a point having a predetermined area,
The image distortion correction method according to claim 1, wherein, in the live-action distortion corrected image, the position of the live-action auxiliary point is the center of gravity of a plurality of pixels forming the real-life auxiliary point.
前記歪曲補正図において、前記補助点が格子点状に配置されている
ことを特徴とする請求項1又は2に記載の画像の歪み補正方法。
3. The image distortion correction method according to claim 1, wherein the auxiliary points are arranged in a grid pattern in the distortion correction diagram.
下記数式1乃至数式4においてパラメータA及びBを決定することにより前記補正式とし、
歪み補正前の画像における画素の座標(x,y)から、歪み補正後の座標(x0,y0)を該補正式によって求めることにより、画像の歪みを補正する
ことを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の画像の歪み補正方法。
Figure 2006059270
Figure 2006059270
Figure 2006059270
Figure 2006059270
ここで、
F:レンズの焦点距離
θ:レンズの中心点と補正前の画素の座標を結ぶ直線が光軸となす角度
θ0:レンズの中心点と補正後の画素の座標を結ぶ直線が光軸となす角度
A、B:パラメータ
By determining the parameters A and B in the following formulas 1 to 4, the correction formula is obtained.
The distortion of the image is corrected by obtaining the coordinates (x 0 , y 0 ) after distortion correction from the coordinates (x, y) of the pixels in the image before distortion correction using the correction equation. The image distortion correction method according to any one of 1 to 3.
Figure 2006059270
Figure 2006059270
Figure 2006059270
Figure 2006059270
here,
F: Lens focal length θ: Angle that the straight line connecting the center point of the lens and the coordinates of the pixel before correction is the optical axis θ 0 : Straight line connecting the center point of the lens and the coordinates of the corrected pixel is the optical axis angle
A, B: Parameter
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