廣角鏡頭引起的圖像畸變校正方法

張輝 丁林（昆明船舶設(shè)備試驗(yàn)研究中心，云南昆明 650051）

廣角鏡頭引起的圖像畸變校正方法

張輝 丁林
（昆明船舶設(shè)備試驗(yàn)研究中心，云南昆明 650051）

廣角鏡頭在當(dāng)前的圖像處理領(lǐng)域當(dāng)中，具有十分廣泛的應(yīng)用，例如超市、教室、銀行等公共場(chǎng)所的專用監(jiān)視系統(tǒng)、車載監(jiān)控系統(tǒng)、醫(yī)用電子內(nèi)窺鏡系統(tǒng)等。雖然在成像系統(tǒng)中采用廣角鏡頭能夠使成像范圍得到擴(kuò)大，但是同時(shí)產(chǎn)生的圖像畸變情況也十分嚴(yán)重，會(huì)增加對(duì)拍攝目標(biāo)的辨析難度。因此，為了能夠在保證大范圍成像的同時(shí)，還原原始圖像的清晰程度，就需要對(duì)畸變的圖像進(jìn)行校正。

廣角鏡頭 圖像畸變 校正方法

在當(dāng)前的市面上，常用的普通鏡頭拍攝角度大約在30°左右，而廣角鏡頭能夠達(dá)到90°-120°的拍攝視角。隨著科技的發(fā)展，在軍事、醫(yī)療、交通、工業(yè)等領(lǐng)域當(dāng)中，計(jì)算機(jī)視覺(jué)系統(tǒng)得到了很大的應(yīng)用。因此，人們普遍使用了大視場(chǎng)的廣角鏡頭，從而獲得更大場(chǎng)景中的景物信息。但是，由于受到很多因素的影響，使得通過(guò)廣角鏡頭拍攝的畫(huà)面在成像過(guò)程中會(huì)發(fā)生一定程度上的畸變，從而影響圖像的清晰度和效果。為了能夠更好的發(fā)揮廣角鏡頭的作用，需要對(duì)這一問(wèn)題進(jìn)行校正和解決。

1　廣角鏡頭圖像畸變校正的基本概述

在通過(guò)廣角鏡頭拍攝的畫(huà)面中，對(duì)于產(chǎn)生非線性畸變的圖像，通常是引入反映畸變影響的參數(shù)到成像模型當(dāng)中，然后對(duì)修正系數(shù)進(jìn)行求解，最終實(shí)現(xiàn)圖像的校正。在上個(gè)世紀(jì)中后期，非線性優(yōu)化技術(shù)的應(yīng)用，使得圖像校正得到了一定的發(fā)展，當(dāng)時(shí)的遙感攝影測(cè)量領(lǐng)域是其主要的應(yīng)用領(lǐng)域。隨后，在圖像學(xué)術(shù)界當(dāng)中，將圖像非線性畸變校正作為當(dāng)時(shí)的熱點(diǎn)研究項(xiàng)目。我國(guó)在二十世紀(jì)末期開(kāi)始，逐漸加強(qiáng)了對(duì)廣角鏡頭圖像畸變校正的相關(guān)研究。就當(dāng)前的實(shí)際發(fā)展和應(yīng)用情況來(lái)看，已經(jīng)存在了很多方法，能夠?qū)D像畸變進(jìn)行有效的校正。不過(guò)從校正原理上來(lái)看，這些方法大致可以分為兩個(gè)方面，分別是基于模版的方法和基于參數(shù)已知的方法。但是，其中存在的一個(gè)問(wèn)題就是，這些相關(guān)的處理和校正方法，都是在圖像采集之后，再對(duì)其進(jìn)行后續(xù)的處理，并沒(méi)有實(shí)時(shí)校正動(dòng)態(tài)圖象的算法［1］。

2　廣角鏡頭圖像畸變校正算法

2.1模板法

模板法過(guò)去指的就是平面網(wǎng)格模板法，在隨后的不斷改進(jìn)與優(yōu)化過(guò)程中，又產(chǎn)生了同心圓模板法。在制作平面網(wǎng)格模板法的過(guò)程當(dāng)中，首先應(yīng)當(dāng)制作平面網(wǎng)格模版，可以利用相關(guān)程序，對(duì)點(diǎn)陣圖進(jìn)行自動(dòng)生成，或是利用一些矢量繪圖軟件進(jìn)行制作。然后要提取特征點(diǎn)，對(duì)理想網(wǎng)格點(diǎn)和實(shí)際網(wǎng)格點(diǎn)分別進(jìn)行計(jì)算和提取，得出畸變點(diǎn)和理想點(diǎn)之間的映射表。最后求解鏡頭畸變系數(shù)，主要方法有畸變模型簡(jiǎn)化法、畸變模型法、多項(xiàng)式法等。

同心圓模板法是基于平面網(wǎng)格模板法產(chǎn)生的，因此不但具有精度高等優(yōu)點(diǎn)，在畸變系數(shù)求解的過(guò)程中，還更加方便?；兂煞挚梢苑譃槿齻€(gè)主要部分，分別為徑向畸變、離心畸變和薄棱鏡畸變。在具體的校正過(guò)程中，首先需要制作同心圓模板，然后提取圓半徑，最后求解畸變系數(shù)。

2.2等效球面模型法

模板法需要列出很多方程組進(jìn)行求解，雖然具有較高的精度，但是在數(shù)學(xué)運(yùn)算過(guò)程中十分復(fù)雜，有時(shí)甚至無(wú)法得到精確的結(jié)果，反而會(huì)使畸變校正的精度下降。等效球面模型法是以參數(shù)已知為基本條件，對(duì)等效的球面模型進(jìn)行應(yīng)用，模擬實(shí)際的圖像畸變，然后進(jìn)行校正［2］。在該方法當(dāng)中，不需要進(jìn)行模版的建立，也不需要進(jìn)行方程組求解，只需要得到鏡頭的焦距數(shù)據(jù)，就能夠進(jìn)行迅速的畸變校正。在實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中，需要首先分析等效球面模型，然后建立相應(yīng)的映射關(guān)系，再通過(guò)簡(jiǎn)單的計(jì)算，就能夠得出最終結(jié)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)廣角鏡頭圖像畸變的校正。通過(guò)比較我們不難看出，在快捷性、便利性等方面，等效球面模型法都具有優(yōu)于模板法的特點(diǎn)，在圖像畸變校正的實(shí)際應(yīng)用中，取得了比較理想的效果。

3　球面模型算法改進(jìn)

假設(shè)一個(gè)空間坐標(biāo)系X—Y—Z，在該空間坐標(biāo)系當(dāng)中，將球面模型用半球形進(jìn)行代替，球形半徑已知。在改進(jìn)算法當(dāng)中，關(guān)鍵性的問(wèn)題在于理想的成像位置上，使球面上的點(diǎn)進(jìn)行成像。通過(guò)不斷的實(shí)踐研究，可以假設(shè)一個(gè)半球形的投影面，該投影面平行于X—Y平面，球面半徑的長(zhǎng)度與相機(jī)的焦距相等。從坐標(biāo)系的原點(diǎn)出發(fā)，在投影面當(dāng)中，進(jìn)行球面上點(diǎn)的投影，也就是同面投影。通過(guò)這種方式，就能夠有效的實(shí)現(xiàn)廣角鏡頭引起的圖像畸變校正。其中，理想點(diǎn)和畸變點(diǎn)之間，相對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)系比例應(yīng)當(dāng)是相等的［3］。

根據(jù)球形的特征，以及同面投影的相關(guān)原理列出相應(yīng)的方程式進(jìn)行求解，就能夠建立相應(yīng)的映射關(guān)系，以此就能夠?qū)崿F(xiàn)畸變圖像的校正。通過(guò)具體的實(shí)踐觀察能夠發(fā)現(xiàn)，球面模型算法改進(jìn)，能夠有效的提升整體的矯正效果，所有直線都能夠得到完美的恢復(fù)。但是，仍然存在一個(gè)問(wèn)題，就是在校正之后的圖像當(dāng)中，四個(gè)角的清晰度還存在著一定的不足，對(duì)此可以進(jìn)行有選擇性的插值。

4　結(jié)語(yǔ)

廣角鏡頭是當(dāng)前社會(huì)中應(yīng)用十分廣泛的高科技產(chǎn)品之一，相比于傳統(tǒng)的普通鏡頭，廣角鏡頭具有更加廣闊的視角，能夠采集到更大的場(chǎng)景和更多的圖像信息。但是，通過(guò)廣角鏡頭所成的圖像，都會(huì)發(fā)生一定的圖像畸變，需要進(jìn)行校正才能清晰。對(duì)此，本文主要比較了模板法與球面模型法兩種校正方法，其中模板法精度高，但過(guò)程十分復(fù)雜。球面模型法過(guò)程簡(jiǎn)便，但精確度有限。對(duì)此采用改進(jìn)后的等效球形模型法，同時(shí)具有簡(jiǎn)便的過(guò)程和較高的精度，比較適用于廣角鏡頭引起的圖像畸變校正。

［1］吳開(kāi)興，段馬麗，張惠民，王鵬.廣角圖像畸變校正算法的研究與實(shí)現(xiàn)［J］.計(jì)算機(jī)應(yīng)用與軟件，2014，11（03）：237-240.

［2］王偉，鐘堰利，吳建坤.廣角鏡頭圖像畸變校正系統(tǒng)的研究［J］.光學(xué)技術(shù)，2011，10（04）：489-490.

［3］丁瑩，范靜濤，楊華民，姜會(huì)林.一種廣角鏡頭光學(xué)畸變的數(shù)字校正算法［J］.長(zhǎng)春理工大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2012，11（02）：184-188.