用于連續(xù)變焦距光學(xué)成像系統(tǒng)的數(shù)字圖像校正方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及數(shù)字圖像處理領(lǐng)域，特別地，涉及一種用于連續(xù)變焦距光學(xué)成像系統(tǒng) 的數(shù)字圖像畸變校正方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 連續(xù)變焦距光學(xué)系統(tǒng)具有在視場(chǎng)轉(zhuǎn)換過(guò)程中不丟失目標(biāo)的優(yōu)點(diǎn)，能對(duì)快速運(yùn)動(dòng)目 標(biāo)進(jìn)行搜索和捕獲，較好地實(shí)現(xiàn)大視場(chǎng)搜索目標(biāo)和小視場(chǎng)分辨目標(biāo)的功能，在航空攝影、跟 蹤與測(cè)量中得到了廣泛的應(yīng)用。由于系統(tǒng)制造與裝配誤差，變焦距鏡頭的非線性畸變特性 隨焦距的變化而變化，同時(shí)由于飛機(jī)姿態(tài)和攝像機(jī)視軸方位的變化，航空攝像機(jī)以一定傾 斜角度對(duì)地?cái)z影成像，產(chǎn)生了復(fù)雜的幾何變形，嚴(yán)重影響利用其影像進(jìn)行實(shí)時(shí)拼接的精度， 也導(dǎo)致拍攝到的目標(biāo)發(fā)生旋轉(zhuǎn)、縮放、甚至變形，極大地增大了對(duì)目標(biāo)進(jìn)行持續(xù)穩(wěn)定跟蹤的 難度。
[0003] 對(duì)于斜視攝影引起的梯形失真，校正方法有基于經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷膸缀涡Ｕ椒ǎǘ囗?xiàng) 式模型、有理函數(shù)模型、支持向量機(jī)等），與參考圖像配準(zhǔn)進(jìn)行校正的方法和基于構(gòu)象模型 的幾何校正方法（共線方程法、投影變換法），其中后者由于不需要人工采集地面控制點(diǎn)數(shù) 據(jù)或提供參考圖像，便于采用嵌入式系統(tǒng)自動(dòng)實(shí)現(xiàn)，在遙感圖像的幾何校正中得到了廣泛 的關(guān)注和應(yīng)用。目前多數(shù)遙感圖像幾何校正方法一般只校正斜視攝影引起的幾何變形，對(duì) 于長(zhǎng)焦距鏡頭其本身畸變較小，可以達(dá)到工程應(yīng)用所需的校正精度，而變焦距鏡頭在短焦 距狀態(tài)的鏡頭畸變較大，圖像邊緣處畸變率高達(dá)2%~5%，并且變焦距鏡頭的非線性畸變 特性隨焦距的變化而變化，因此必須對(duì)斜視變形和鏡頭非線性畸變都進(jìn)行校正。
[0004] 對(duì)于成像系統(tǒng)的非線性畸變，校正方法主要分為兩類：一類是攝像機(jī)標(biāo)定方法，包 括Tsai基于徑向約束的兩步法和張正友基于平面標(biāo)靶的標(biāo)定方法，這類方法基于攝像機(jī) 成像模型，同時(shí)考慮了攝像機(jī)的內(nèi)、外參數(shù)，求解精度高，但計(jì)算量大，在優(yōu)化搜索過(guò)程中畸 變模型參數(shù)與攝像機(jī)的內(nèi)、外參數(shù)耦合易導(dǎo)致求解過(guò)程不收斂或收斂于局部極小值，并且 通常需要采集多幅標(biāo)靶圖像提取大量標(biāo)定點(diǎn)的坐標(biāo)，由于變焦距鏡頭的非線性畸變隨焦距 的變化而變化，針對(duì)系統(tǒng)的特定焦距狀態(tài)，一般需要重新進(jìn)行標(biāo)定，操作繁瑣耗時(shí)；另一類 是基于射影幾何不變性或不變量（直線透視投影不變性、交比不變?cè)?、線段斜率、滅點(diǎn)和 平面約束等）的非量測(cè)校正方法，主要依據(jù)拍攝目標(biāo)上具有共同特征的點(diǎn)在理想圖像上依 然具有這一特征的性質(zhì)，在真實(shí)圖像上尋找并標(biāo)定符合特定特征的點(diǎn)，建立以畸變參數(shù)為 最優(yōu)解的線性泛函，采用優(yōu)化搜索的方法求解畸變參數(shù)，這類校正方法要預(yù)先獲得場(chǎng)景的 結(jié)構(gòu)信息，對(duì)在未知環(huán)境條件下（如偵察、情報(bào)等應(yīng)用）獲得的圖像不一定適用，例如圖像 中邊緣特征不顯著（如草原，沙漠，海洋等）或者同時(shí)包含鏡頭畸變引起的曲線和一些真實(shí) 世界中曲線時(shí)，利用直線透視投影不變性的優(yōu)化搜索方法可能無(wú)法實(shí)施或?qū)е洛e(cuò)誤的畸變 參數(shù)估計(jì)結(jié)果。
[0005] 目前尚無(wú)能夠?qū)Τ上裣到y(tǒng)的非線性畸變和斜視梯形失真同時(shí)進(jìn)行校正的方法，故 現(xiàn)有的校正方法難以滿足連續(xù)變焦距光學(xué)系統(tǒng)的成像需求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明提供了一種用于連續(xù)變焦距光學(xué)成像系統(tǒng)的數(shù)字圖像校正方法，以解決現(xiàn) 有的圖像校正方法無(wú)法對(duì)成像系統(tǒng)的非線性畸變和斜視梯形失真同時(shí)進(jìn)行校正的技術(shù)問(wèn) 題。
[0007] 本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：
[0008] 一種用于連續(xù)變焦距光學(xué)成像系統(tǒng)的數(shù)字圖像校正方法，包括：
[0009] 采集攝像機(jī)在若干離散焦距值拍攝的平面模板圖像，離線標(biāo)定出變焦距鏡頭各焦 距對(duì)應(yīng)的畸變參數(shù)；
[0010] 對(duì)各焦距對(duì)應(yīng)的畸變參數(shù)進(jìn)行曲線擬合得到擬合公式或建立畸變參數(shù)查找表；
[0011] 根據(jù)攝像機(jī)的實(shí)際工作焦距值，通過(guò)畸變參數(shù)查找表查找得到或者擬合公式計(jì)算 得到實(shí)際工作焦距值對(duì)應(yīng)的鏡頭畸變參數(shù)；
[0012] 根據(jù)攝像機(jī)成像時(shí)的位置姿態(tài)數(shù)據(jù)及鏡頭畸變參數(shù)構(gòu)造攝像機(jī)坐標(biāo)系到地圖坐 標(biāo)系的投影變換關(guān)系，將攝像圖像重投影到地圖坐標(biāo)系中，對(duì)坐標(biāo)變換后的像素亮度值進(jìn) 行重采樣得到校正斜視變形和鏡頭畸變后的正射投影圖像。
[0013] 進(jìn)一步地，畸變參數(shù)包括：畸變系數(shù)匕和畸變中心坐標(biāo)（u m V。）。
[0014] 進(jìn)一步地，若干離散焦距值根據(jù)變焦距鏡頭的焦距變化范圍相應(yīng)選擇，每個(gè)離散 焦距值對(duì)應(yīng)至少一副平面模板圖像，
[0015] 各焦距對(duì)應(yīng)的畸變參數(shù)采用畸變模型參數(shù)估計(jì)算法求解得到。
[0016] 進(jìn)一步地，畸變模型參數(shù)估計(jì)算法求解畸變參數(shù)包括以下步驟：
[0017] 根據(jù)一般變焦距鏡頭的畸變特性確定對(duì)應(yīng)的畸變參數(shù)的取值范圍，包括畸變系數(shù) Ii1的取值范圍和畸變中心坐標(biāo)（Utl, Vtl)的取值范圍；
[0018] 檢測(cè)平面模板圖像的邊緣像素點(diǎn)，得到對(duì)應(yīng)的邊緣圖像；
[0019] 根據(jù)畸變參數(shù)的取值范圍，選擇相應(yīng)的步長(zhǎng)得到畸變參數(shù)組合；
[0020] 對(duì)每組畸變參數(shù)計(jì)算邊緣圖像的校正圖像，并計(jì)算校正后邊緣像素點(diǎn)梯度，得到 各邊緣像素點(diǎn)的坐標(biāo)和梯度方向；
[0021] 對(duì)校正圖像中的每個(gè)邊緣像素點(diǎn)計(jì)算投票，求得投票之和最大值對(duì)應(yīng)的畸變參數(shù) 為最佳值。
[0022] 進(jìn)一步地，通過(guò)所述畸變模型參數(shù)估計(jì)算法離線標(biāo)定出若干離散焦距值下的畸變 參數(shù)，對(duì)各焦距對(duì)應(yīng)的畸變參數(shù)進(jìn)行曲線擬合得到擬合公式中，畸變系數(shù)h與焦距f的函 數(shù)關(guān)系包括：
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種用于連續(xù)變焦距光學(xué)成像系統(tǒng)的數(shù)字圖像校正方法，其特征在于，包括： 采集攝像機(jī)在若干離散焦距值拍攝的平面模板圖像，離線標(biāo)定出變焦距鏡頭各焦距對(duì) 應(yīng)的畸變參數(shù)； 對(duì)各焦距對(duì)應(yīng)的畸變參數(shù)進(jìn)行曲線擬合得到擬合公式或建立畸變參數(shù)查找表； 根據(jù)所述攝像機(jī)的實(shí)際工作焦距值，通過(guò)所述畸變參數(shù)查找表查找得到或者所述擬合 公式計(jì)算得到所述實(shí)際工作焦距值對(duì)應(yīng)的鏡頭畸變參數(shù)； 根據(jù)攝像機(jī)成像時(shí)的位置姿態(tài)數(shù)據(jù)及所述鏡頭畸變參數(shù)構(gòu)造攝像機(jī)坐標(biāo)系到地圖坐 標(biāo)系的投影變換關(guān)系，將攝像圖像重投影到地圖坐標(biāo)系中，對(duì)坐標(biāo)變換后的像素亮度值進(jìn) 行重采樣得到校正斜視變形和鏡頭畸變后的正射投影圖像。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于連續(xù)變焦距光學(xué)成像系統(tǒng)的數(shù)字圖像校正方法，其特征 在于， 所述畸變參數(shù)包括：畸變系數(shù)匕和畸變中心坐標(biāo)（U m Vtl)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的用于連續(xù)變焦距光學(xué)成像系統(tǒng)的數(shù)字圖像校正方法，其特征 在于， 所述若干離散焦距值根據(jù)所述變焦距鏡頭的焦距變化范圍相應(yīng)選擇，每個(gè)所述離散焦 距值對(duì)應(yīng)至少一副所述平面模板圖像， 所述各焦距對(duì)應(yīng)的畸變參數(shù)采用畸變模型參數(shù)估計(jì)算法求解得到。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的用于連續(xù)變焦距光學(xué)成像系統(tǒng)的數(shù)字圖像校正方法，其特征 在于， 所述畸變模型參數(shù)估計(jì)算法求解所述畸變參數(shù)包括以下步驟： 根據(jù)一般變焦距鏡頭的畸變特性確定對(duì)應(yīng)的所述畸變參數(shù)的取值范圍，包括畸變系數(shù) h的取值范圍和畸變中心坐標(biāo)（Utl, Vtl)的取值范圍； 檢測(cè)所述平面模板圖像的邊緣像素點(diǎn)，得到對(duì)應(yīng)的邊緣圖像； 根據(jù)所述畸變參數(shù)的取值范圍，選擇相應(yīng)的步長(zhǎng)得到畸變參數(shù)組合； 對(duì)每組畸變參數(shù)計(jì)算邊緣圖像的校正圖像，并計(jì)算校正后邊緣像素點(diǎn)梯度，得到各邊 緣像素點(diǎn)的坐標(biāo)和梯度方向； 對(duì)所述校正圖像中的每個(gè)邊緣像素點(diǎn)計(jì)算投票，求得投票之和最大值對(duì)應(yīng)的畸變參數(shù) 為最佳值。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的用于連續(xù)變焦距光學(xué)成像系統(tǒng)的數(shù)字圖像校正方法，其特征 在于， 通過(guò)所述畸變模型參數(shù)估計(jì)算法離線標(biāo)定出若干離散焦距值下的畸變參數(shù)，對(duì)各焦距 對(duì)應(yīng)的畸變系數(shù)進(jìn)行曲線擬合得到擬合公式中，所述畸變系數(shù)Ic1與焦距f的函數(shù)關(guān)系包 括： 當(dāng)f彡f2時(shí)， Ic1 (f) = P · f2+ σ · f+ τ , 當(dāng)f2< f彡f 3時(shí)， (，+ ") 式中參數(shù)P，〇，τ，δ，η，φ，fp f2,心的值隨不同鏡頭而不同，通過(guò)離線標(biāo)定與曲 線擬合相結(jié)合的方法得到。
6. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的用于連續(xù)變焦距光學(xué)成像系統(tǒng)的數(shù)字圖像校正方法，其特征 在于， 通過(guò)所述畸變模型參數(shù)估計(jì)算法離線標(biāo)定出若干離散焦距值下的畸變參數(shù)，對(duì)各焦距 對(duì)應(yīng)的畸變中心坐標(biāo)進(jìn)行曲線擬合得到擬合公式中，畸變中心坐標(biāo)（Uc^vtl)與焦距f的關(guān)系 為： u〇 (f) = λ J · f+μ V0(f) = λ2·?+μ2, 式中參數(shù)X1, μι，λ2, μ2的值隨不同鏡頭而不同，通過(guò)離線標(biāo)定與曲線擬合相結(jié)合的 方法得到。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于連續(xù)變焦距光學(xué)成像系統(tǒng)的數(shù)字圖像校正方法，其特征 在于， 所述攝像機(jī)的實(shí)際工作焦距值通過(guò)所述攝像機(jī)上的調(diào)焦機(jī)構(gòu)上的位置傳感器檢測(cè)得 到。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于連續(xù)變焦距光學(xué)成像系統(tǒng)的數(shù)字圖像校正方法，其特征 在于， 所述攝像機(jī)成像時(shí)的位置姿態(tài)數(shù)據(jù)通過(guò)GPS定位數(shù)據(jù)及所述攝像機(jī)內(nèi)部的角度傳感 器檢測(cè)的信息計(jì)算得到。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于連續(xù)變焦距光學(xué)成像系統(tǒng)的數(shù)字圖像校正方法，其特征 在于， 所述攝像機(jī)為航空變焦距攝像機(jī)。
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種用于連續(xù)變焦距光學(xué)成像系統(tǒng)的數(shù)字圖像校正方法，采集攝像機(jī)在若干離散焦距值拍攝的平面模板圖像，離線標(biāo)定出變焦距鏡頭各焦距對(duì)應(yīng)的畸變參數(shù)；對(duì)各焦距對(duì)應(yīng)的畸變參數(shù)進(jìn)行曲線擬合得到擬合公式或建立畸變參數(shù)查找表；根據(jù)攝像機(jī)的實(shí)際工作焦距值，通過(guò)畸變參數(shù)查找表得到或者擬合公式計(jì)算得到實(shí)際工作焦距值對(duì)應(yīng)的鏡頭畸變參數(shù)；根據(jù)攝像機(jī)成像時(shí)的位置姿態(tài)數(shù)據(jù)及鏡頭畸變參數(shù)構(gòu)造攝像機(jī)坐標(biāo)系到地圖坐標(biāo)系的投影變換關(guān)系，將攝像圖像重投影到地圖坐標(biāo)系中，對(duì)坐標(biāo)變換后的像素亮度值進(jìn)行重采樣得到校正斜視變形和鏡頭畸變后的正射投影圖像。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了變焦距成像系統(tǒng)中同時(shí)校正斜視梯形失真和變焦距鏡頭非線性畸變的目的。
【IPC分類】G06T7-00
【公開(kāi)號(hào)】CN104835159
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510229121
【發(fā)明人】劉晶紅, 周前飛
【申請(qǐng)人】中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所
【公開(kāi)日】2015年8月12日
【申請(qǐng)日】2015年5月7日