基于球面透視投影的魚眼圖像校正方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種校正方法，尤其是一種基于球面透視投影的魚眼圖像校正方法，屬于數(shù)字圖像處理的技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]魚眼鏡頭是一種視場角大于等于180°的短焦鏡頭。其比廣角鏡頭和超廣角鏡頭具有更大的視場角，在取景過程中可以達(dá)到遠(yuǎn)超于一般鏡頭的范圍。魚眼鏡頭的發(fā)明起初應(yīng)用于攝影的藝術(shù)創(chuàng)作，但隨著魚眼鏡頭光學(xué)結(jié)構(gòu)的發(fā)展和其在圖像采集方面的天然優(yōu)勢，其應(yīng)用已逐漸擴(kuò)展到天文、球幕電影、建筑測量、管道檢測、醫(yī)療內(nèi)窺檢查等領(lǐng)域。在全景監(jiān)控方面，魚眼鏡頭相較于多鏡頭式系統(tǒng)還具有結(jié)構(gòu)緊湊、體積較小、不易損壞、技術(shù)要求低等特點(diǎn)，所以在安全和軍事領(lǐng)域，由魚眼鏡頭為核心的全景監(jiān)控系統(tǒng)也成為了近年來全景監(jiān)控研宄的熱點(diǎn)之一。
[0003]魚眼鏡頭獲取的圖像稱為魚眼圖像。魚眼鏡頭具備遠(yuǎn)超一般鏡頭的取景范圍，也導(dǎo)致魚眼圖像中引入了大量的桶形畸變。桶形畸變即圖像的橫向放大率隨視場增大而減小的畸變。它使對稱于光軸的正方形物體呈桶形。魚眼圖像中，對應(yīng)于大視場角的邊緣的扭曲程度比中心嚴(yán)重得多，會(huì)出現(xiàn)明顯的失真?，F(xiàn)實(shí)世界中對象的直線特征，在魚眼圖像中往往不能維持。所以，為了更好地閱讀和魚眼圖像中的信息，就需要將魚眼圖像進(jìn)行校正，盡可能地消除圖像中的畸變，這也為進(jìn)一步的圖像拼接、場景建模、模式識別等工作提供了必要的支撐。
[0004]魚眼圖像的校正可以在一定程度上通過適當(dāng)?shù)耐哥R組合去進(jìn)行，但校正會(huì)受限于透鏡本身的折射、反射和透射特性。一般地，校正不考慮魚眼鏡頭的光學(xué)組成，而只針對于魚眼圖像本身，在此階段的校正在本質(zhì)上是圖像處理中的空間變換，這種校正也可以稱之為幾何校正。幾何校正的核心思想為構(gòu)建一種模型，將魚眼圖像中的點(diǎn)向后映射至目標(biāo)圖像，或從目標(biāo)圖像出發(fā)，向前映射到魚眼圖像，而后通過一定的約束條件，確定模型中的參數(shù)，完成校正。
[0005]目前，魚眼圖像校正模型構(gòu)建的思路主要可以分為以下幾類:
1、魚眼圖像的主要畸變?yōu)橥靶位儯渚哂性趶较蛏?，隨著遠(yuǎn)離圖像中心，空間圖像分辨率會(huì)非線性的降低的特點(diǎn)。根據(jù)這種非線性的特點(diǎn)，提出了很多直接的從魚眼圖像到目標(biāo)圖像的映射模型。此類模型中，多項(xiàng)式模型由于不會(huì)涉及到對數(shù)、三角函數(shù)的運(yùn)算，是相對來說較標(biāo)準(zhǔn)的模型
2、從魚眼鏡頭成像的成像投影進(jìn)行分析，魚眼鏡頭的成像面可以看作半球面或拋物面。此類建模方法首先將畸變的魚眼圖像圖像映射到成像面上。而后再處理球面或拋物面上的圖像。此類方法通常需要確定魚眼圖像的中心以及映射球面的半徑。
[0006]3、還有一類基于內(nèi)容的魚眼圖像校正模型，這是一類交互式地，考慮圖像內(nèi)容的方法。該方法由用戶標(biāo)注圖像中主要的直線特征，并同時(shí)根據(jù)圖像平滑性、各類約束構(gòu)建能量函數(shù)，最后通過求能量函數(shù)的最優(yōu)解得到校正結(jié)果。
[0007]但上述的魚眼圖像校正過程復(fù)雜，校正精度低，難以滿足校正要求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，提供一種基于球面透視投影的魚眼圖像校正方法，其可以有效消除魚眼圖像中的桶形畸變，提升魚眼圖像校正的準(zhǔn)確性以及靈活性。
[0009]按照本發(fā)明提供的技術(shù)方案，一種基于球面透視投影的魚眼圖像校正方法，所述魚眼圖像校正方法包括如下步驟:
步驟1、根據(jù)魚眼鏡頭成像的投影方式，建立魚眼圖像到校正圖像的關(guān)系，以得到所需的校正圖像模型；
步驟2、提供待校正的魚眼圖像，根據(jù)上述得到的校正圖像模型提供空白的校正圖像，所述空白的校正圖像與待校正的魚眼圖像相匹配；對空白的校正圖像內(nèi)的像素點(diǎn)采用向后映射，以確定空白校正圖像中的像素點(diǎn)在魚眼圖像中對應(yīng)的亞像素坐標(biāo)；對確定的亞像素坐標(biāo)進(jìn)行線性插值，以得到亞像素值，再將所述亞像素值賦予所述空白校正圖像內(nèi)的像素占.V，
步驟3、遍歷空白校正圖像內(nèi)的每個(gè)像素點(diǎn)，直至空白校正圖像內(nèi)每個(gè)像素點(diǎn)均賦予對應(yīng)的亞像素值，以得到所需的魚眼校正圖像。
[0010]所述步驟I包括如下步驟:
步驟1.1、根據(jù)魚眼鏡頭成像的投影方式，將魚眼圖像映射為球面圖像，且使得球面所在的球體半徑等于魚眼圖像的半徑R ；
步驟1.2、從上述球面圖像的球心觸發(fā)，沿半球底面法向量遠(yuǎn)離半球面方向的射線上任取一點(diǎn)作為虛擬成像孔，所述虛擬成像孔距離球心的距離為tR ;
步驟1.3、將上述球面圖像通過虛擬成像孔進(jìn)行小孔成像，以得到所需的校正圖像模型。
[0011]所述魚眼鏡頭成像的投影方式包括等距投影、等體積投影、正交投影以及體視投影。
[0012]所述空白校正圖像與待校正的魚眼圖像大小相一致；對于亞像素坐標(biāo)進(jìn)行雙線性插值，以得到亞像素值。
[0013]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn):根據(jù)魚眼鏡頭成像的投影方式，來建立魚眼圖像與校正圖像的關(guān)系，?是唯一的需要確定的參數(shù)(再確定魚眼鏡頭成像投影方式后)，使得相較于傳統(tǒng)的基于魚眼鏡頭成像投影的成像模型，在并沒有提高復(fù)雜度的情況下，具有了可以提升精度的靈活性，即在可以確定參數(shù)的場合，調(diào)整該參數(shù)提高校正精確性；在難以確定參數(shù)的場合，可以通過設(shè)定的默認(rèn)值進(jìn)行校正，提高了適用范圍。
【附圖說明】
[0014]圖1為本發(fā)明的流程圖。
[0015]圖2為本發(fā)明將魚眼圖像映射為球面圖像的示意圖。
[0016]圖3為本發(fā)明將選取虛擬成像孔且得到校正圖像的示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0017]下面結(jié)合具體附圖和實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
[0018]如圖1所示:為了能有效消除魚眼圖像中的桶形畸變，提升魚眼圖像校正的準(zhǔn)確性以及靈活性，本發(fā)明魚眼圖像校正方法包括如下步驟:
步驟1、根據(jù)魚眼鏡頭成像的投影方式，建立魚眼圖像到校正圖像的關(guān)系，以得到所需的校正圖像模型；
具體地，如圖2和圖3所示，所述步驟I包括如下步驟:
步驟1.1、根據(jù)魚眼鏡頭成像的投影方式，將魚眼圖像映射為球面圖像，且使得球面所在的球體半徑等于魚眼圖像的半徑R ；
步驟1.2、從上述球面圖像的球心觸發(fā)，沿半球底面法向量遠(yuǎn)離半球面方向的射線上任取一點(diǎn)作為虛擬成像孔，所述虛擬成像孔距離球心的距離為tR ;
步驟1.3、將上述球面圖像通過虛擬成像孔進(jìn)行小孔成像，以得到所需的校正圖像模型。
[0019]一般地，魚眼鏡頭通常采用等距投影、等體積投影、正交投影和體視投影四種投影方式。本發(fā)明在實(shí)施過程中采用體視投影的方式，其滿足關(guān)系式:
r - 2f tan ( ω /2)
式中，r為P點(diǎn)到魚眼圖像中心的距離，/為有效焦距，^為入射光線與主光軸夾角；當(dāng)ω = 90° 時(shí)，有 r = 2/。
[0020]令