專利名稱：一種魚眼鏡頭的畸變校正方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種魚眼鏡頭的畸變校正方法。
背景技術(shù)：
魚眼鏡頭是模擬水下魚類仰視水面效果的一種超廣角鏡頭，其典型視場角為 180°，還有的超過180°、大于220°，甚至達到270°。魚眼鏡頭的好處很多視角大，可容納場景多，且可以適應(yīng)狹小空間拍攝，因此在虛實景技術(shù)、機器人導(dǎo)航、視覺監(jiān)控等許多計算機視覺領(lǐng)域中被廣泛應(yīng)用。從結(jié)構(gòu)上來說，魚眼鏡頭確實也是類似于魚眼的結(jié)構(gòu)，并且魚眼鏡頭派生出兩種類型，一種稱為為Circular Image Fisheye (圓形魚眼)，另外一種稱為Full Frame Fisheye (全幅魚眼)，其設(shè)計的視角基本是180°。采用魚眼鏡頭拍攝的圖像由于視角超廣，因此其桶形彎曲畸變非常大，畫面周邊的成像呈現(xiàn)嚴重變形，直線彎曲， 只有鏡頭中心部分的內(nèi)容可以保持原來的狀態(tài)。它超越了人眼日常習(xí)慣感覺到的透視效果，它把人眼觀察到的、景物原有的透視效果及相互關(guān)系，在轉(zhuǎn)變成記錄媒體可記錄的影像同時加以了夸張和改變。為了消除魚眼圖像的變形，人們提出各種成像模型和校正方法。其中最為典型的
是球面坐標模型，該模型的成像原理是當魚眼鏡頭視場達到180°，且被用于對近距離場景
照相時，物面實際為半球面，其球心在魚眼鏡頭的入瞳中心，此時實際上是要求將半球面場
景成像為底片上的平面圖像；參見圖1所示，對空間景物上任意一點P1，連坐標原點ο和P1
交半球面S于P2，過P2作ζ軸的平行線，交ox軸于P3點，P3點便是用魚眼鏡頭拍攝所成的
像，因此，魚眼鏡頭所拍攝的景物生成的像布滿一個圓，即圖中oxy平面上的大圓。依據(jù)上
述球面模型，人們在對魚眼圖像進行修正過程中，P2 P3是垂直于oxy平面的，于是目標視平
面上的一點P1，設(shè)P1的極坐標為P1 ( θ，α )，與目標成像點P1 —一對應(yīng)的在拍攝后落在oxy
平面上的魚眼圖像上的成像點P3的坐標(U、ν)通過如下方式獲得 u = r H=Cosa. ，r為Ρ3與坐標原點之間的距離； ν = r * sin αr = R*sin θ，R為魚眼鏡頭成像原理中球面坐標模型的球面半徑。該球面坐標模型中，通過r = RXsin θ對魚眼鏡頭成像關(guān)系進行表達，也就是說， 球面坐標模型默認的是物點光線進入魚眼后始終以與光軸平行的方向在鏡頭底片上成像的。但魚眼鏡頭的實際工作方式并非如此。如圖3所示是一個真實的魚眼鏡頭工作原理的光學(xué)示意圖。1234分別代表不同視場角的物點光線，進入魚眼鏡頭后，與光軸中心偏離不同的角度在鏡頭底片上成像。該偏離的角度與入射的視角有關(guān)。入射角越小，也就是說，物點越靠近光軸中心，偏離的角度也越小，物點越遠離光軸，偏離角度越大。僅當物點光線靠近光軸中心一定的范圍內(nèi)時，偏離角才能近似于0度，也就是說成像光線與光軸近似平行， r = RX sin θ的關(guān)系才能成立。當θ大于一定角度時，并不能合理的表達這種物像的映射關(guān)系。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是精度高、整體畸變校正效果較好的魚眼鏡頭的畸變校正方法，該方法還能適用于不同型號的魚眼鏡頭。本發(fā)明解決上述技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案為該魚眼鏡頭的畸變校正方法，其特征在于包括以下步驟步驟一、根據(jù)魚眼鏡頭成像原理中的球面坐標模型，建立標準坐標系，即建立一個標準坐標系，調(diào)整該標準坐標系方向和位置，將魚眼鏡頭的相機放在坐標原點0，拍攝方向沿OZ軸正方向，拍攝后的魚眼圖像落在OXY平面上；步驟二、建立目標視平面在標準坐標系OZ軸正方向上，將與成像面平行、并與成像面之間的距離為魚眼鏡頭物鏡球面半徑的平面作為目標視平面，這時目標視平面的中心位置0'的坐標即為(0，0，R)，其中R為魚眼鏡頭成像原理中球面坐標模型的球面半徑；步驟三、建立目標視平面上的目標圖像與拍攝后落在OXY平面上的魚眼圖像之間一一對應(yīng)的映射關(guān)系設(shè)目標視平面上任意一目標成像點P在標準坐標系內(nèi)的極坐標表示為Ρ( θ，α)；與目標成像點P—一對應(yīng)的在拍攝后落在OXY平面上的魚眼圖像上的成像點設(shè)為 Ρ2，設(shè)其坐標為(u、v)，則u = r氺cos αν = r氺sin αr = f(0)，其中r = f(e)滿足以下條件連接P1P2，角0P2P1大于等于90度， 且目標成像點P偏離中心越大，角0P2P1也越大；步驟四、根據(jù)步驟三建立的映射關(guān)系，將極坐標值已知的目標視平面上目標成像點P的像素值賦值成與其對應(yīng)的拍攝后落在oxy平面上的魚眼圖像中相對應(yīng)成像點的像素值。對離散數(shù)據(jù)的曲線擬合有多種方式，結(jié)合實測數(shù)據(jù)的規(guī)律，可采用三種方式對實測數(shù)據(jù)進行擬合試驗，分別為四階擬合、二階擬合、三角函數(shù)擬合，因此，步驟三中r =可以為 r = ae4+be3+ce2+d0+e，也可以為 r = f θ 2+g θ +h,也可以為 r =
χ氺sin (y氺 θ +ζ) 0上述a、b、c、d、e及f、g、h及χ、y、ζ均為與魚眼鏡頭參數(shù)相關(guān)的常值參數(shù)，可通過以下方式獲得根據(jù)球面坐標模型的原理，將步驟一中采用的魚眼鏡頭放置在標準坐標系的原點，將一張間距已知的標準方格圖像放置在目標視平面上，由該魚眼鏡頭拍攝一張上述間距已知的標準方格圖像的魚眼圖像；提取上述拍攝到的魚眼圖像上過圖像中心、且靠近中心部分的一些網(wǎng)格點的魚眼圖像面平坐標，然后測量出與上述網(wǎng)格點對應(yīng)的標準方格圖像上的網(wǎng)格點的極坐標，然后通過擬合四次方程的形式，獲得上述常值參數(shù)a、b、C、d、e的值；通過擬合二次方程的形式， 獲得上述常值參數(shù)f、g、h的值；通過擬合正弦函數(shù)方程的形式，獲得上述常值參數(shù)χ、y、ζ 的值。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點在于采用該方法修正的魚眼圖像法精度高、整體畸變校正效果較好。


圖1為現(xiàn)有魚眼圖像球面模型成像原理圖；圖2為本發(fā)明實施例中球面修正模型的原理圖。圖3為魚眼鏡頭工作原理的光學(xué)示意圖。
具體實施例方式以下結(jié)合附圖實施例對本發(fā)明作進一步詳細描述。實施例一本發(fā)明提供的一種魚眼鏡頭的畸變校正方法，其包括以下步驟步驟一、根據(jù)魚眼鏡頭成像原理中的球面坐標模型，建立標準坐標系，即建立一個標準坐標系，調(diào)整該標準坐標系方向和位置，將魚眼鏡頭的相機放在坐標原點0，拍攝方向沿OZ軸正方向，拍攝后的魚眼圖像落在OXY平面上；步驟二、建立目標視平面在標準坐標系OZ軸正方向上，將與成像面平行、并與成像面之間的距離為魚眼鏡頭物鏡球面半徑的平面作為目標視平面，這時目標視平面的中心位置0'的坐標即為(0，0，R)，其中R為魚眼鏡頭成像原理中球面坐標模型的球面半徑；步驟三、建立目標視平面A上的目標圖像與拍攝后落在OXY平面上的魚眼圖像之間一一對應(yīng)的映射關(guān)系設(shè)目標視平面上任意一目標成像點P在標準坐標系內(nèi)的極坐標表示為Ρ( θ，α)；與目標成像點P —一對應(yīng)的在拍攝后落在OXY平面上的魚眼圖像上的成像點設(shè)為 Ρ2，設(shè)其坐標為(u、v)，則u = r氺cos αν = r氺sin αr = f(0)，其中r = f(e)滿足以下條件連接P1P2，角0P2P1大于等于90度， 且目標成像點P偏離中心越大，角0P2P1也越大；本實施例中r = a θ 4+b θ 3+c θ 2+d θ +e上述a、b、C、d、e為與魚眼鏡頭參數(shù)相關(guān)的常值參數(shù)；步驟四、根據(jù)步驟三建立的映射關(guān)系，將極坐標值已知的目標視平面上目標成像點P的像素值賦值成與其對應(yīng)的拍攝后落在OXY平面上的魚眼圖像中相對應(yīng)成像點的像素值。上述步驟三中常值參數(shù)a、b、C、d、e通過以下方式獲得根據(jù)球面坐標模型的原理，將步驟一中采用的魚眼鏡頭放置在標準坐標系的原點，將一張間距已知的標準方格圖像放置在目標視平面上，由該魚眼鏡頭拍攝一張上述間距已知的標準方格圖像的魚眼圖像；提取上述拍攝到的魚眼圖像上過圖像中心、且靠近中心部分的一些網(wǎng)格點的魚眼圖像面平坐標，例如已知的最靠近坐標原點的20個網(wǎng)格點，然后測量出與上述網(wǎng)格點對應(yīng)的標準方格圖像上的網(wǎng)格點的極坐標，然后通過擬合四次方程的形式，獲得上述常值參數(shù) a、b、c、d、e 的值。本發(fā)明的核心是對球面模型進行修正，即采用球面斜投影的方式進行魚眼圖像的校正，如上所述，由于魚眼隨著與球面中心的偏離會逐漸產(chǎn)生畸變，并且畸變程度與偏離角的大小有關(guān)，偏角越大，畸變也越大，畸變與角度有關(guān)。也就是說，目標視平面上的目標成像點P在球面S上的投影點Pl與與目標成像點P —一對應(yīng)的在拍攝后落在OXY平面上的魚眼圖像上的成像點P2之間的連線，并不與OXY平面垂直，而是有一定的傾斜角度，偏離中心越大，傾斜角度也就越大，也就是說r = R^sin θ這個公式不再適用，本實施例通過一個四階的多項式對r進行擬合，即r = a θ 4+b θ 3+c θ 2+d θ +e，大大提高了校正效果。實施例二 本實施例一不同的是，所述r = f(e)為r = f02+ge+h，上述f、g、h為與魚眼鏡頭參數(shù)相關(guān)的常值參數(shù)。所述常值參數(shù)f、g、h通過以下方式獲得根據(jù)球面坐標模型的原理，將步驟一中采用的魚眼鏡頭放置在標準坐標系的原點，將一張間距已知的標準方格圖像放置在目標視平面上，由該魚眼鏡頭拍攝一張上述間距已知的標準方格圖像的魚眼圖像；提取上述拍攝到的魚眼圖像上過圖像中心、且靠近中心部分的一些網(wǎng)格點的魚眼圖像面平坐標，然后測量出與上述網(wǎng)格點對應(yīng)的標準方格圖像上的網(wǎng)格點的極坐標，然后通過擬合二次方程的形式，獲得上述常值參數(shù)f、g、h的值。實施例三所述r = f ( θ )為r = x*sin(y* θ +ζ)，上述χ、y、ζ為與魚眼鏡頭參數(shù)相關(guān)的常值參數(shù)。所述常值參數(shù)x、y、ζ通過以下方式獲得根據(jù)球面坐標模型的原理，將步驟一中采用的魚眼鏡頭放置在標準坐標系的原點，將一張間距已知的標準方格圖像放置在目標視平面上，由該魚眼鏡頭拍攝一張上述間距已知的標準方格圖像的魚眼圖像；提取上述拍攝到的魚眼圖像上過圖像中心、且靠近中心部分的一些網(wǎng)格點的魚眼圖像面平坐標，然后測量出與上述網(wǎng)格點對應(yīng)的標準方格圖像上的網(wǎng)格點的極坐標，然后通過擬合正弦函數(shù)方程的形式，獲得上述常值參數(shù)X、y> Z的值。
權(quán)利要求
1.一種魚眼鏡頭的畸變校正方法，其特征在于包括以下步驟步驟一、根據(jù)魚眼鏡頭成像原理中的球面坐標模型，建立標準坐標系，即建立一個標準坐標系，調(diào)整該標準坐標系方向和位置，將魚眼鏡頭的相機放在坐標原點0，拍攝方向沿 OZ軸正方向，拍攝后的魚眼圖像落在OXY平面上；步驟二、建立目標視平面在標準坐標系OZ軸正方向上，將與成像面平行、并與成像面之間的距離為魚眼鏡頭物鏡球面半徑的平面作為目標視平面，這時目標視平面的中心位置 0'的坐標即為(0，0，R)，其中R為魚眼鏡頭成像原理中球面坐標模型的球面半徑；步驟三、建立目標視平面上的目標圖像與拍攝后落在OXY平面上的魚眼圖像之間一一對應(yīng)的映射關(guān)系設(shè)目標視平面上任意一目標成像點P在標準坐標系內(nèi)的極坐標表示為Ρ( θ，α)；連坐標原點0和P交魚眼鏡頭物鏡球面于Pl ；與目標成像點P —一對應(yīng)的在拍攝后落在OXY平面上的魚眼圖像上的成像點設(shè)為Ρ2， 設(shè)其坐標為(u、v)，則 u = r*cosα ν = r氺sin αr = f(9)，其中r = f(e)滿足以下條件連接P1P2，角0P2P1大于等于90度，且目標成像點P偏離中心越大，角0P2P1也越大；步驟四、根據(jù)步驟三建立的映射關(guān)系，將極坐標值已知的目標視平面上目標成像點P 的像素值賦值成與其對應(yīng)的拍攝后落在oxy平面上的魚眼圖像中相對應(yīng)成像點的像素值。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的魚眼鏡頭的畸變校正方法，其特征在于所述r= f( θ )為r = a θ 4+b θ 3+c θ 2+d θ +e,上述a、b、c、d、e為與魚眼鏡頭參數(shù)相關(guān)的常值參數(shù)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的魚眼鏡頭的畸變校正方法，其特征在于所述常值參數(shù)a、b、 c、d、e通過以下方式獲得根據(jù)球面坐標模型的原理，將步驟一中采用的魚眼鏡頭放置在標準坐標系的原點，將一張間距已知的標準方格圖像放置在目標視平面上，由該魚眼鏡頭拍攝一張上述間距已知的標準方格圖像的魚眼圖像；提取上述拍攝到的魚眼圖像上過圖像中心、且靠近中心部分的一些網(wǎng)格點的魚眼圖像面平坐標，然后測量出與上述網(wǎng)格點對應(yīng)的標準方格圖像上的網(wǎng)格點的極坐標，然后通過擬合四次方程的形式，獲得上述常值參數(shù)a、b、c、d、e的值。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的魚眼鏡頭的畸變校正方法，其特征在于所述r= f( θ )為r = f θ 2+g θ +h,上述f、g、h為與魚眼鏡頭參數(shù)相關(guān)的常值參數(shù)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的魚眼鏡頭的畸變校正方法，其特征在于所述常值參數(shù)f、g、 h通過以下方式獲得根據(jù)球面坐標模型的原理，將步驟一中采用的魚眼鏡頭放置在標準坐標系的原點，將一張間距已知的標準方格圖像放置在目標視平面上，由該魚眼鏡頭拍攝一張上述間距已知的標準方格圖像的魚眼圖像；提取上述拍攝到的魚眼圖像上過圖像中心、且靠近中心部分的一些網(wǎng)格點的魚眼圖像面平坐標，然后測量出與上述網(wǎng)格點對應(yīng)的標準方格圖像上的網(wǎng)格點的極坐標，然后通過擬合二次方程的形式，獲得上述常值參數(shù)f、g、h的值。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的魚眼鏡頭的畸變校正方法，其特征在于所述r= f( θ )為r = x*sin (y* θ +ζ)，上述X、y、ζ為與魚眼鏡頭參數(shù)相關(guān)的常值參數(shù)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的魚眼鏡頭的畸變校正方法，其特征在于所述常值參數(shù)x、y、 ζ通過以下方式獲得根據(jù)球面坐標模型的原理，將步驟一中采用的魚眼鏡頭放置在標準坐標系的原點，將一張間距已知的標準方格圖像放置在目標視平面上，由該魚眼鏡頭拍攝一張上述間距已知的標準方格圖像的魚眼圖像；提取上述拍攝到的魚眼圖像上過圖像中心、且靠近中心部分的一些網(wǎng)格點的魚眼圖像面平坐標，然后測量出與上述網(wǎng)格點對應(yīng)的標準方格圖像上的網(wǎng)格點的極坐標，然后通過擬合正弦函數(shù)方程的形式，獲得上述常值參數(shù)χ、y> ζ的值。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種魚眼鏡頭的畸變校正方法，其特征在于包括如下步驟一、根據(jù)魚眼鏡頭成像原理中的球面坐標模型，建立標準坐標系；步驟二、建立目標視平面在標準坐標系OZ軸正方向上，將與成像面平行、并與成像面之間的距離為魚眼鏡頭物鏡球面半徑的平面作為目標視平面；步驟三、建立目標視平面上的目標圖像與拍攝后落在OXY平面上的魚眼圖像之間一一對應(yīng)的映射關(guān)系設(shè)目標成像點P的極坐標表示為P(θ，α)；與目標成像點P一一對應(yīng)的成像點設(shè)為P2坐標為(u、v)，則r＝f(θ)，其中r＝f(θ)滿足以下條件連接P1P2，角OP2P1大于等于90度，且目標成像點P偏離中心越大，角OP2P1也越大；步驟四、根據(jù)步驟三建立的映射關(guān)系，將目標成像點P的像素值賦值成與相對應(yīng)成像點的像素值。本發(fā)明修正魚眼圖像精度高、效果好。
文檔編號G06T5/00GK102509261SQ20111030426
公開日2012年6月20日 申請日期2011年10月10日 優(yōu)先權(quán)日2011年10月10日
發(fā)明者孟甜甜, 楊鳴, 王建宏, 章湖, 蔣金濤, 過森君, 邱元芳, 邵華 申請人:寧波大學(xué)