TWI480578B

TWI480578B - 偵測廣角鏡頭之光學中心的方法以及光學中心偵測裝置

Info

Publication number: TWI480578B
Application number: TW101145880A
Authority: TW
Inventors: Ming Yang Wu
Original assignee: Avisonic Technology Corp
Priority date: 2012-12-06
Filing date: 2012-12-06
Publication date: 2015-04-11
Also published as: CN103852243B; TW201423146A; CN103852243A

Description

偵測廣角鏡頭之光學中心的方法以及光學中心偵測裝置

本發明係關於光學中心的偵測，尤指一種利用光徑改變元件來提昇受光均勻度以偵測廣角鏡頭之光學中心的方法以及其相關的光學中心偵測裝置。

在影像處理的範疇中，為了得到良好的成像品質，會需要準確地決定透鏡的光學中心(optical center)。對於廣角鏡頭(wide-angle lens)(例如，魚眼鏡頭(fisheye lens))來說，若能準確地決定出光學中心的位置，則影像補償及校正(例如，魚眼影像校正)的效果可大幅提昇。舉例來說，在透過影像縫合(image stitching)處理來產生全景影像(panorama)時，所找到的光學中心位置越準確，進而產生高品質的全景影像。

傳統上用來偵測光學中心的方法之一，係將鏡頭貼平於光源箱(Light Box)，再依據透過鏡頭所形成的影像來偵測光學中心。然而，在偵測魚眼鏡頭之光學中心的情形下，由於魚眼鏡頭具有凸形鏡面，所以在將凸面的魚眼鏡頭與平面光源箱貼合的步驟中，兩者並無法真正地平貼。一旦魚眼鏡頭與光源箱貼合的角度有所偏移，入射至魚眼鏡頭的光線會不夠均勻，導致所偵測之光學中心產生誤差。

因此，需要一種創新的光學中心偵測方法，來提昇偵測廣角鏡頭之光學中心的準確性。

有鑑於此，本發明的目的之一在於提供一種利用光徑改變元件來提昇受光均勻度以偵測廣角鏡頭之光學中心的方法以及其相關的光學中心偵測裝置，來解決上述問題。

依據本發明之一實施例，其揭示一種偵測一廣角鏡頭之一光學中心的方法。該方法包含下列步驟：將一光徑改變元件套接於該廣角鏡頭；該廣角鏡頭經由該光徑改變元件接收由一光源所產生之光線以產生一偵測影像；以及依據該偵測影像來決定該光學中心。

依據本發明之一實施例，其揭示一種光學中心偵測裝置。該光學中心偵測裝置包含一廣角鏡頭、一光徑改變元件以及一影像處理單元。該光徑改變元件係套接於該廣角鏡頭。該影像處理單元係耦接於該廣角鏡頭，用以透過該廣角鏡頭來經由該光徑改變元件接收由一光源所產生之光線以產生一偵測影像，以及依據該偵測影像來決定該廣角鏡頭之一光學中心。

請參閱第1圖，其係為本發明光學中心偵測系統100之一實施例的示意圖。光學中心偵測系統100包含一光源箱110以及一光學中心偵測裝置120，其中光學中心偵測裝置120包含一廣角鏡頭130、一光徑改變元件(optical path changing device)(於此實施例中，其係為一管套(sleeve)(或套筒(bushing))140)以及一影像處理單元150。管套140係套接於廣角鏡頭130。影像處理單元150係耦接於廣角鏡頭130，用以透過廣角鏡頭130來接收由光源箱110所產生之光線以產生一偵測影像，以及依據該偵測影像來決定廣角鏡頭130之一光學中心。於此實施例中，將廣角鏡頭130套上管套140，使得廣角鏡頭所接收的光線大多來自於管套140的內壁，不僅可使廣角鏡頭130受光均勻，所產生之該偵測影像中的成像區域也大致是廣角鏡頭130的感光範圍，因此，使用者可以不用準備可精準對位的治具，也無需將廣角鏡頭130緊貼著光源箱110，即可依據該偵測影像來得到精確的光學中心位置。進一步的說明如下。

請一併參閱第1圖與第2圖。第2圖係為由第1圖所示之光源箱110所產生之光線入射至廣角鏡頭130之一實施例的示意圖。於此實施例中，廣角鏡頭130所接收之光線係以光線L1~L3來代表，其中光線L1代表由光源箱110所產生而直接入射至廣角鏡頭130的光線，光線L2代表經由管套140內部的反射後才入射至廣角鏡頭130的光線，以及光線L3代表穿透管套140之後才入射至廣角鏡頭130的光線。由第2圖可知，由於管套140內壁可將光線反射至廣角鏡頭130，並且遮蔽管套140外來自於光源箱110的部份光線，因此，廣角鏡頭130於特定範圍VR1所接收的能量會大於感光範圍VR2所接收的能量，其中特定範圍VR1係對應於管套140的橫截面。於此實施例中，管套140係由可透光材質所構成。於另一實施例中，管套140也可以由不透光材質所構成(內壁可反光)。

由以上可知，管套140可改變光源箱所產生之光線入射至廣角鏡頭130的光徑，使得廣角鏡頭130之感光範圍VR2內所接收到的光線可來自經由管套140反射/折射後的光線。值得注意的是，管套140作為光徑改變元件係僅供說明之需，並非用來作為本發明之限制，換言之，只要是能夠套接至廣角鏡頭以使廣角鏡頭受光更為均勻的元件，均可用來作為光徑改變元件。

請連同第2圖來參閱第3圖。第3圖係為對應於第2圖所示之光徑而產生的一偵測影像IMG_D的示意圖。由第3圖可知，影像範圍R1係對應於廣角鏡頭130之特定範圍VR1，以及影像範圍R2係對應於廣角鏡頭130之感光範圍VR2，其中影像範圍R2之影像邊界係構成一對稱的幾何形狀(亦即，圓形)。因此，可以很容易地找出影像範圍R2之幾何中心(亦即，圓心)，進而決定出廣角鏡頭130之光學中心。

請參閱第4圖，其係為依據第3圖所示之偵測影像IMG_D來決定一二值化影像的示意圖。於此實施例中，第1圖所示之影像處理單元150係對偵測影像IMG_D進行一二值化操作(binary-conversion)以產生一二值化影像(binary image)IMG_B，以依據二值化影像IMG_B來決定廣角鏡頭130之光學中心。更具體地說，影像處理單元150可將偵測影像IMG_D之中各像素值(或亮度值)分別與一閥值(threshold)進行比較，來產生二值化影像IMG_B，其中該閥值可採用一預設值來設定之，也可以依照每次所得到的偵測影像之像素值來設定之。於此實施例中，在二值化影像IMG_B之可視範圍(對應於明亮/白色的影像物件RB)內，各像素的像素值均為一第一二元值(binary value)(例如，1)，而可視範圍外(陰暗/黑色區域)的其他像素的像素值均為一第二二元值(例如，0)，其中該第二二元值不同於該第一二元值。接下來，第1圖所示之影像處理單元150便藉由計算出影像物件RB之幾何中心，來決定廣角鏡頭130之光學中心。

請參閱第5圖，其係為本發明偵測一廣角鏡頭之一光學中心的方法之一實施例的流程圖。該方法可應用於第1圖所示之光學中心偵測裝置120，並可簡單歸納如下：

步驟500：開始。

步驟510：將一管套(亦即，一光徑改變元件)套接於該廣角鏡頭。

步驟520：透過該廣角鏡頭來經由該管套接收由一光源所產生之光線以產生一偵測影像(例如，一蔭蔽影像)。

步驟530：對該偵測影像進行一二值化操作以產生一二值化影像。

步驟540：計算該二值化影像之可視範圍(亦即，白色的影像物件)的幾何中心(例如，圓心)，以決定該光學中心。

步驟550：結束。

於步驟530中，可藉由適當的閥值來進行該二值化操作，以產生具有一最大可視範圍(例如，具有同一二元值的圓形)之該二值化影像。由於熟習技藝者經由閱讀第1圖~第4圖的相關說明之後，應可輕易地了解第5圖所示之步驟510~步驟530的操作細節，故進一步的說明在此便不再贅述。值得注意的是，於步驟540中，可對該二值化影像進行像素值的檢測，取得該二值化影像之可視範圍的邊界，進而決定出可視範圍之幾何中心。進一步的說明如下。

請參閱第6圖，其係為本發明檢測第4圖所示之二值化影像IMG_B之像素值以決定影像物件RB之幾何中心的一實施例的示意圖。於此實施例中，二值化影像IMG_B係具有複數個像素P_11~P_mn(亦即，m列乘以n行的像素陣列)。首先，針對二值化影像IMG_B中的每一列(row)像素，係以一像素為單位由左至右且由上往下地移動一水平檢測窗格DW_H，以檢測各列中的所有像素並產生相對應之一列檢測結果，進而得到該列中各像素的像素值的分佈情形；相似地，針對二值化影像IMG_B中的每一行(column)像素，係以一像素為單位由上往下且由左至右地移動一垂直檢測窗格DW_V，以檢測各行中的所有像素並產生相對應之一行檢測結果，進而得到該行中各像素的像素值的分佈情形。最後，再依據m列像素所對應之複數個列檢測結果以及n行像素所對應之複數個行檢測結果來決定影像物件RB之幾何中心。

實作上，可將水平檢測窗格DW_H設定為「1×2」的檢測窗格(亦即，可同時檢測同一列之中相鄰的兩個像素)。水平檢測窗格DW_H可先從第1列的像素(亦即，像素P_11與像素P_12)開始進行檢測，一次檢測兩個像素，並且以一像素為單位向右移動來持續檢測。當水平檢測窗格DW_H之中的像素具有不同的二元值時，代表水平檢測窗格DW_H目前正處於影像物件RB之邊界，因此，可將水平檢測窗格DW_H所對應之像素位置記錄下來，以供後續取得該列的像素值分佈情形之用。

於此實施例中，當水平檢測窗格DW_H移動至像素位置A_1P(以水平檢測窗格DW_H(A_1P)來表示)時，水平檢測窗格DW_H之中左側像素值為二元值「0」，右側像素值為二元值「1」，其代表水平檢測窗格DW_H在二值化影像IMG_B上正由黑色區域掃描至白色區域。第1圖所示之影像處理單元150會將目前水平檢測窗格DW_H所對應之像素位置A_1P記錄下來。另外，當水平檢測窗格DW_H持續移動至像素位置A_1Q(以水平檢測窗格DW_H(A_1Q)來表示)時，水平檢測窗格DW_H之中左側像素值為二元值「1」，右側像素值為二元值「0」，其代表水平檢測窗格DW_H在二值化影像IMG_B上正由白色區域掃描至黑色區域，因此，第1圖所示之影像處理單元150會將目前水平檢測窗格DW_H所對應之像素位置A_1Q記錄下來。在第1列所有的像素均已完成檢測之後，第1圖所示之影像處理單元150可計算所紀錄之像素位置(亦即，像素位置A_1P與像素位置A_1Q)的一平均位置，以作為列檢測結果DR_R1(亦即，列檢測結果DR_R1係為像素位置A_1P與像素位置A_1Q兩者的平均值)。接下來，水平檢測窗格DW_H會繼續檢測第2列中各像素的像素值，直到m列中所有的像素均完成檢測為止。

在m列中所有的像素均完成檢測之後，第1圖所示之影像處理單元150可對複數個列檢測結果DR_R1~DR_Rm所對應之平均位置的出現次數進行統計，以決定影像物件RB之幾何中心於水平方向的座標。請參閱第7圖，其係為第6圖所示之複數個列檢測結果DR_R1~DR_Rm的統計示意圖。於此實施例中，出現次數最多的位置係為像素位置A0，換言之，影像物件RB之幾何中心於水平方向的座標(亦即，圓心的水平座標)係為像素位置A0。

相似地，第1圖所示之影像處理單元150也可利用垂直檢測窗格DW_V(例如，「2×1」的檢測窗格)來檢測二值化影像IMG_B中的每一行像素、記錄垂直檢測窗格DW_V中出現不同二元值時所對應的像素位置，以及計算該行中所記錄之像素位置的一平均位置以作為該行檢測結果。最後，再統計所得到的複數個行檢測結果，以決定影像物件RB之幾何中心於垂直方向的座標。經由以上檢測步驟，便可偵測出廣角鏡頭130之光學中心的位置。

請注意，以上係以具有「1×2」之窗格尺寸的水平檢測窗格DW_H來說明之，因此，水平檢測窗格DW_H每次移動的距離係為一個像素。然而，水平檢測窗格DW_H的窗格尺寸並不限定是「1×2」，因此，水平檢測窗格DW_H每次移動的距離也可依據窗格尺寸來調整。相似地，垂直檢測窗格DW_V的窗格尺寸並不限定是「2×1」，以及垂直檢測窗格DW_V每次移動的距離也可依據窗格尺寸來調整。另外，水平檢測窗格DW_H移動的方向可以是由右至左，以及垂直檢測窗格DW_V移動的方向也可以是由下至上。

雖然第1圖所示之廣角鏡頭130係大致平貼於光源箱110，然而，本發明所提出之光學中心偵測裝置以及偵測方法並不對光源與廣角鏡頭之間的相對位置有所限定，也就是說，廣角鏡頭可以不用緊貼於光源箱，以及光源箱之入射光也不一定要平行於廣角鏡頭之光軸(optical axis)，甚至可以僅藉由大致均勻的環境光來偵測廣角鏡頭之光學中心(亦即，可以不需要光源箱)。

請參閱第8圖，其係為於第1圖所示之光學中心偵測裝置120依據環境光來產生一偵測影像IMG_D’之一實施例的示意圖。於此實施例中，偵測影像IMG_D’之可視範圍除了影像範圍R1’(對應於管套140之橫截面)與影像範圍R2’(對應於廣角鏡頭130之可視範圍)以外，另包含影像範圍R22’，其中影像範圍R22’係為環境光所造成的反光影像。另外，影像範圍R1’內也呈現亮度不均的現象。

為了確保所偵測之光學中心的準確性，可透過修正影像之像素值來降低/消弭反光影像或亮度不均所造成的影響。請一併參閱第9圖與第10圖。第9圖係為對第8圖所示之偵測影像IMG_D’進行二值化操作以及像素值修正之一實施例的示意圖。第10圖係為本發明偵測一廣角鏡頭之一光學中心的方法之另一實施例的流程圖，其中第10圖所示之方法係基於第5圖所示之方法。在對偵測影像IMG_D’進行二值化操作之後(如步驟530所示)，會產生二值化影像IMG_B’(如第9圖之上半部所示)，其中二值化影像IMG_B’包含一白色的影像物件RB’(對應於影像範圍R2’)以及一白色的影像物件RBB’(對應於影像範圍R22’)。於此實施例中，影像物件RB’/影像物件RBB’之中各像素的像素值均為一第一二元值(例如，「1」)。另外，影像物件RB’包圍了具有一第二二元值(例如，「0」)之空洞像素(hole pixel)(亦即，影像物件RB’所包圍之黑色區域)，其中該第二二元值不同於該第一二元值。

於步驟1032中，第1圖所示之影像處理單元150首先可經由影像物件RB’與RBB’的像素數量來判斷二值化影像IMG_B’中的一最大物件(亦即，影像物件RB’)；接下來，將除了該最大物件以外的其他物件(亦即，影像物件RBB’)中各像素的像素值修改為該第二二元值(例如，「0」)，以將其他物件設定為黑色背景(如第9圖之中間部份所示)。於步驟1036中，可將影像物件RB’所包圍之空洞像素的像素值修改為該第一二元值(例如，「1」)，以去除不想要的黑色影像(如第9圖之中間部份所示)；最後，再依據修改後的二值化影像IMG_B’(如第9圖之下半部所示)來決定光學中心(如步驟540所示)，舉例來說，可運用第6圖與第7所示之檢測方法來決定修改後的二值化影像IMG_B’的幾何中心，以決定光學中心的位置。

值得注意的是，由於影像物件RBB’的尺寸遠小於影像物件RB’的尺寸，故即便省略了將最大物件以外的其他物件設定成背景的步驟，所偵測到的廣角鏡頭130之光學中心仍是相當準確的。另外，影像物件RB’所包圍之黑色區域係遠小於影像物件RB’的尺寸，因此，去除最大物件所包圍之不想要的黑色影像的步驟也是可以省略的。換言之，在得到最大物件之後，直接依據該最大物件來決定光學中心亦是可行的。

另外，在得到最大物件之後，也可以只執行將其他物件設定成背景的步驟與去除空洞像素的步驟兩者的其中之一。於一實作範例中，在將影像物件RBB’設定為背景之後(如步驟1032所示)，也可以直接執行步驟540來決定光學中心。於另一實作範例中，在自二值化影像IMG_B’中得到影像物件RB’之後，也可以直接去除影像物件RB’所包圍之空洞像素(如步驟1036所示)，並接著執行步驟540以決定光學中心。

以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。

100‧‧‧光學中心偵測系統

110‧‧‧光源箱

120‧‧‧光學中心偵測裝置

130‧‧‧廣角鏡頭

140‧‧‧管套

150‧‧‧影像處理單元

500、510、520、530、540、550、1032、1036‧‧‧步驟

P_11、P_12、P_1n、P_m1、P_mn‧‧‧像素

DW_H、DW_V‧‧‧檢測窗格

RB、RB’、RBB’‧‧‧影像物件

第1圖為本發明光學中心偵測系統之一實施例的示意圖。

第2圖為由第1圖所示之光源箱所產生之光線入射至廣角鏡頭130之一實施例的示意圖。

第3圖為對應於第2圖所示之光徑而產生的一偵測影像的示意圖。

第4圖為依據第3圖所示之偵測影像來決定一二值化影像的示意圖。

第5圖為本發明偵測一廣角鏡頭之一光學中心的方法之一實施例的流程圖。

第6圖為本發明檢測第4圖所示之二值化影像之像素值以決定影像物件之幾何中心的一實施例的示意圖。

第7圖為第6圖所示之複數個列檢測結果的統計示意圖。

第8圖為於第1圖所示之光學中心偵測裝置依據環境光來產生一偵測影像之一實施例的示意圖。

第9圖為對第8圖所示之偵測影像進行二值化操作以及像素值修正之一實施例的示意圖。

第10圖為本發明偵測一廣角鏡頭之一光學中心的方法之另一實施例的流程圖。

500、510、520、530、540、550‧‧‧步驟

Claims

一種偵測一廣角鏡頭之一光學中心的方法，包含：將一光徑改變元件套接於該廣角鏡頭；該廣角鏡頭經由該光徑改變元件接收由一光源所產生之光線以產生一偵測影像；以及依據該偵測影像來決定該光學中心。
如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該光徑改變元件之內壁面為一光反射面，該廣角鏡頭接收該光源所產生並經由該光徑改變元件之光反射面所反射的光線，以產生該偵測影像。
如申請專利範圍第2項所述之方法，其中該光徑改變元件係由可透光材質或不透光材質所構成。
如申請專利範圍第1項所述之方法，其中依據該偵測影像來決定該光學中心的步驟包含：對該偵測影像進行一二值化操作以產生一二值化影像；在該二值化影像中沿水平方向移動一水平檢測窗格，以檢測該二值化影像中各列的所有像素並產生複數個列檢測結果；在該二值化影像中沿垂直方向移動一垂直檢測窗格，以檢測該二值化影像中各行的所有像素並產生複數個行檢測結果；以及依據該複數個列檢測結果以及該複數個行檢測結果來決定該光學中心。
如申請專利範圍第4項所述之方法，其中若該二值化影像包含複數個物件，每一物件中各像素的像素值為一第一二元值，則依據各物件的像素數量來判斷出該二值化影像中的一最大物件，並檢測該最大物件中各列、行的所有像素以產生該複數個列檢測結果及該複數個行檢測結果。
如申請專利範圍第5項所述之方法，其進一步將除了該最大物件以外的其他物件中各像素的像素值修改為一第二二元值，其中該第二二元值不同於該第一二元值。
如申請專利範圍第5項所述之方法，其中若該最大物件係包圍了具有一第二二元值之至少一像素，係進一步將具有該第二二元值之該至少一像素的像素值修改為該第一二元值。
如申請專利範圍第4、5、6或7項所述之方法，其中產生該複數個列檢測結果以及該複數個行檢測結果的步驟包含：當該水平檢測窗格所對應的像素具有不同的二元值時，記錄該水平檢測窗格所對應之像素位置；當該垂直檢測窗格所對應的像素具有不同的二元值時，記錄該垂直檢測窗格所對應之像素位置；以及在各列及各行的像素均已完成檢測之後，計算各列及各行中所記錄之像素位置的一平均位置，以作為相對應之列檢測結果及行檢測結果。
如申請專利範圍第8項所述之方法，其中依據該複數個列檢測結果以及該複數個行檢測結果來決定該光學中心的步驟包含：分別統計該複數個列檢測結果及該複數個行檢測結果所對應之平均位置的出現次數；以及依據該複數個列檢測結果中出現次數最多的像素位置以及該複數個行檢測結果中出現次數最多的像素位置來決定該光學中心。
一種光學中心偵測裝置，包含：一廣角鏡頭；一光徑改變元件，套接於該廣角鏡頭；以及一影像處理單元，耦接於該廣角鏡頭，用以透過該廣角鏡頭來經由該光徑改變元件接收由一光源所產生之光線以產生一偵測影像，以及依據該偵測影像來決定該廣角鏡頭之一光學中心。
如申請專利範圍第10項所述之光學中心偵測裝置，其中該光徑改變元件之內壁面為一光反射面，該影像處理單元係透過該廣角鏡頭接收該光源所產生並經由該光徑改變元件之光反射面所反射的光線，以產生該偵測影像。
如申請專利範圍第11項所述之光學中心偵測裝置，其中該光徑改變元件係由可透光材質或不透光材質所構成。
如申請專利範圍第10項所述之光學中心偵測裝置，其中該影像處理單元係對該偵測影像進行一二值化操作以產生一二值化影像；在該二值化影像中沿水平方向移動一水平檢測窗格，以檢測該二值化影像中各列的所有像素並產生複數個列檢測結果；在該二值化影像中沿垂直方向移動一垂直檢測窗格，以檢測該二值化影像中各行的所有像素並產生複數個行檢測結果；以及該影像處理單元係依據該複數個列檢測結果以及該複數個行檢測結果來決定該光學中心。
如申請專利範圍第13項所述之光學中心偵測裝置，其中若該二值化影像包含複數個物件，每一物件中各像素的像素值為一第一二元值，則該影像處理單元係依據各物件的像素數量來判斷出該二值化影像中的一最大物件，並檢測該最大物件中各列、行的所有像素以產生該複數個列檢測結果及該複數個行檢測結果。
如申請專利範圍第14項所述之光學中心偵測裝置，其中該影像處理單元另將除了該最大物件以外的其他物件中各像素的像素值修改為不同於該第一二元值的一第二二元值。
如申請專利範圍第14項所述之光學中心偵測裝置，其中若該最大物件係包圍了具有一第二二元值之至少一像素，則該影像處理單元另將具有該第二二元值之該至少一像素的像素值修改為該第一二元值。
如申請專利範圍第13、14、15或16項所述之光學中心偵測裝置，其中當該水平檢測窗格之中的像素具有不同的二元值時，該影像處理單元係記錄該水平檢測窗格所對應之像素位置；當該垂直檢測窗格所對應的像素具有不同的二元值時，該影像處理單元係記錄該垂直檢測窗格所對應之像素位置；以及在各列及各行的像素均已完成檢測之後，該影像處理單元係計算各列及各行中所記錄之像素位置的一平均位置，以作為相對應之列檢測結果及行檢測結果。
如申請專利範圍第17項所述之光學中心偵測裝置，其中該影像處理單元係分別統計該複數個列檢測結果及該複數個行檢測結果所對應之平均位置的出現次數，以及依據該複數個列檢測結果中出現次數最多的像素位置以及該複數個行檢測結果中出現次數最多的像素位置來決定該光學中心。