基于椭圆形鱼眼图像的畸变校正方法技术

本发明专利技术公开了一种基于椭圆形鱼眼图像的畸变校正方法，其特征是首先在摄像机坐标系下使用椭圆抛物面建立椭圆鱼眼图像成像模型，然后使用像素坐标系对模型的参数进行近似的标定，最后使用建立的模型对得到的鱼眼图进行畸变校正。本发明专利技术提供一种针对１８０度视角的基于椭圆形鱼眼图像的畸变校正方法，尤其是在未知摄像机参数的情况下能快速简洁的得到椭圆形鱼眼图像校正后的透视图像。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及鱼眼图像的校正方法，更具体地说是一种椭圆形鱼眼图像的畸变校正方法。
技术介绍
在计算机视觉、虚拟现实、机器人导航及视觉监控等领域中，往往需要得到更大角 度范围的图像，即使广角镜头在使用上也会存在种种限制，然而鱼眼摄像机可以满足这些 要求，其视角范围可以很大甚至接近全视角范围，可以有效满足以上领域的需要，因此目前 能够得到大视角的鱼眼图像的鱼眼镜头得到广泛的使用。 鱼眼图像与现实中日常看到的透视图像有很大不同，在获得很大的视角的同时， 其得到的鱼眼图像存在着较大程度的变形和失真，所以在对鱼眼图像使用之前往往需要进 行畸变校正。通过已有的鱼眼图像校正算法可以实现对一些鱼眼图像的校正和部分校正， 得到各种可实际应用的大视角透视图像。 目前，我们通过鱼眼镜头产生的鱼眼图像往往都是圆形的鱼眼图像，而对这种圆 形鱼眼图像的畸变处理中往往使用球面模型或者其他一些模型。随着摄像机镜头技术的发 展，国外已经出现一种产生椭圆形鱼眼图像的鱼眼镜头，如ImmerVision公司生产的一系 列新型鱼眼镜头，其镜片组中使用两组柱面透镜，产生的鱼眼图像就是一种180度视角的 椭圆形鱼眼图像，图l所示为新型鱼眼镜头产生的椭圆形鱼眼图像。在一些领域中，使用新 型鱼眼镜头产生的椭圆形鱼眼图像远比普通镜头产生的圆形鱼眼图像有更大的优点，例如 视频监控中，往往监控区域形状是多样的，如要对一个长方形走廊进行监控，普通鱼眼摄像 机无法做到对某一方向或区域给予更多的关注，而新型鱼眼摄像机在使用中确定好方向， 可以通过对走廊的延伸方向区域采集更多的像素点而给予其更多的关注，再通过椭圆鱼眼 图像畸变校正程序，就能更有效的利用鱼眼摄像机得到更多更清晰的有用信息。 传统的鱼眼图像畸变校正方法都是针对圆形鱼眼图像的，迄今为止还没有一种用 于实现椭圆鱼眼图像校正的有效方法。
技术实现思路
本专利技术是为避免现有技术局限在处理圆形鱼眼图像的弊端，提供一种针对180度 视角的，尤其是在未知摄像机参数的情况下能快速简 洁的得到椭圆形鱼眼图像校正后的透视图像。 本专利技术解决技术问题采用如下技术方案 本专利技术椭圆形鱼眼图像的校正方法的特点是按如下步骤进行 步骤1、建立椭圆抛物面模型，并在所述椭圆抛物面模型上建立鱼眼成像变换关系 和鱼眼图像到透视图像的变换关系； 所述椭圆抛物面模型的建立过程为在空间直角坐标系0XYZ中建立一椭圆抛物 面，设置所述空间直角坐标系0XYZ的原点为0点，所述椭圆抛物面关于空间直角坐标系OXYZ中的X轴及Y轴对称，所述椭圆抛物面的顶点在Z轴的正半轴上，开口朝向空间直角坐 标系OXYZ中Z轴的负方向；令所述椭圆抛物面与空间直角坐标系OXYZ中X轴、Y轴和Z轴 的交点分别为& (ri， 0， 0) 、I (0， r2， 0) 、 (0， 0， r3)，则所述椭圆抛物面在所述空间直角坐标 系OXYZ中的椭圆抛物面模型为<formula>formula see original document page 5</formula> 式中X， y， Z分别为所述椭圆抛物面模型的三个未知参数； 所述鱼眼成像变换关系为所述空间直角坐标系OXYZ中任意一物点D(x〃 ， y〃 ， z〃 )点投影到空间直角坐标系OXYZ中XOY成像平面上的像点A(x，y)点的变换关系，连接 空间直角坐标系OXYZ的原点0与所述物点D(x〃 ， y〃 ， z〃 )点交所述椭圆抛物面于转换 点B(x， y， z)点，做所述转换点B(x， y， z)点到XOY成像平面的垂线，并与所述XOY成像平 面交于像点A(x， y)点；则所述鱼眼成像变换关系为<formula>formula see original document page 5</formula> 在所述空间直角坐标系OXYZ中指定z = z'表示的平面为透视图像平面f，所述 z = z'中的z'为任一正实数，所述鱼眼图像到透视图像的变换关系为所述空间直角坐标 系OXYZ中XOY成像平面上的像点A(x，y)点投影到空间直角坐标系OXYZ中透视图像平面上 的透视点C(x' ，y')点的变换关系；所述透视图像平面为连接原点O和所述转换点B(x， y， z)点并延长至与所述透视图像平面f相交，交点为所述透视点C(x' ，y')点；则所述 鱼眼图像到透视图像的变换关系为<formula>formula see original document page 5</formula> 步骤2、标定步骤1中所述椭圆抛物面模型的参数 设定鱼眼像机按正方形采集像素，拍摄一幅鱼眼图像，所述鱼眼图像椭圆面长半 轴与短半轴的像素数并分别记为a和b ; 在所述鱼眼图像上标记一条由被拍摄空间中直线映射在所述鱼眼图像中的映射 曲线，在所述映射曲线上间隔采集三个映射点，将所述三个映射点的像素坐标转换到空间 直角坐标系OXYZ中； 令<formula>formula see original document page 5</formula>，设定z = z'，由式(3)得到所述三个映射点和 原点0在透视图像上的坐标，根据所述三个映射点和原点0在透视图像上的坐标关系按修 改原则、以迭代的方式修改模型中参数1~3的数值，直至使所述三个映射点在透视图像上呈 一直线，并且与所述原点0在透视图像上的映射点不在一条直线上，记录此时的r3的数值； 所述修改原则为若所得透视图像上三个映射点和原点0形成为凸四边形，则增 大r3值；若形成为凹四边形，则减小r3的值； 步骤3、对鱼眼图像进行畸变校正 设定生成的透视图像分辨率，在所述空间直角坐标系OXYZ中任意指定一点做为 透视图像中心点0'，连接原点0与所述透视图像中心点0'，设定与00'垂直并过0'点 的平面为透视图像平面g; 在所述透视图像平面g上，以所述O'点为原点，以过0'点垂直于所述空间直角 坐标系OXYZ中的Y轴的直线为X'轴，以过0'点且垂直于X'轴的直线为Y'轴，建立以 像素为单位的平面直角坐标系X' 0' Y'，在所述平面直角坐标系X' 0' Y'上标记一整 数坐标点Q(x' 》，将所述整数坐标点Q(x' 》转换到空间直角坐标系OXYZ中，由式(2)得到像素点Q(x' 15y'》点在所述X0Y成像平面中的像点A0q， y》，在所 述X0Y成像平面中找到与像点A0q，y》相邻的四个整数像素点，对所述四个整数像素点使 用四点插值方法计算出像点AOq， y》的像素值，记所述像点AOq， yi)的像素值为所求的 X' 0' Y'坐标系上(；(x' 15y'》点的像素值；使用所求得X' 0' Y'坐标系上Q(x' 15 y'》点的像素值的方法求得所述透视图像平面g上每一像素点的像素值，得到透视中心 为0'的透视图像，完成鱼眼图像畸变的校正。 与已有技术相比，本专利技术有益效果体现在 1、在处理鱼眼图像过程中，由于摄像机镜头的光学成像模型大多是未知的，本发 明使用椭圆形抛物面成像垂直映像模型来对其进行建模，椭圆抛物面具有很多好的光学性 质，其参数可调范围很大，比其它的一些常用模型能更好的拟合光学镜头本文档来自技高网...

【技术保护点】
基于椭圆形鱼眼图像的畸变校正方法，其特征是按如下步骤进行：步骤１、建立椭圆抛物面模型，并在所述椭圆抛物面模型上建立鱼眼成像变换关系和鱼眼图像到透视图像的变换关系；所述椭圆抛物面模型的建立过程为：在空间直角坐标系ＯＸＹＺ中建立一椭圆抛物面，设置所述空间直角坐标系ＯＸＹＺ的原点为Ｏ点，所述椭圆抛物面关于空间直角坐标系ＯＸＹＺ中的Ｘ轴及Ｙ轴对称，所述椭圆抛物面的顶点在Ｚ轴的正半轴上，开口朝向空间直角坐标系ＯＸＹＺ中Ｚ轴的负方向；令所述椭圆抛物面与空间直角坐标系ＯＸＹＺ中Ｘ轴、Ｙ轴和透视图像上三个映射点和原点Ｏ形成为凸四边形，则增大ｒ↓［３］值；若形成为凹四边形，则减小ｒ↓［３］的值；步骤３、对鱼眼图像进行畸变校正设定生成的透视图像分辨率，在所述空间直角坐标系ＯＸＹＺ中任意指定一点做为透视图像中心点Ｏ′，连接原点Ｏ与所述透视图像中心点Ｏ′，设定与ＯＯ′垂直并过Ｏ′点的平面为透视图像平面ｇ；在所述透视图像平面ｇ上，以所述Ｏ′点为原点，以过Ｏ′点垂直于所述空间直角坐标系ＯＸＹＺ中的Ｙ轴的直线为Ｘ′轴，以过Ｏ′点且垂直于Ｘ′轴的直线为Ｙ′轴，建立以像素为单位的平面直角坐标系Ｘ′Ｏ′Ｙ′，在所述平面直角坐标系Ｘ′Ｏ′Ｙ′上标记一整数坐标点Ｃ↓［１］（ｘ′↓［１］，ｙ′↓［１］），将所述整数坐标点Ｃ↓［１］（ｘ′↓［１］，ｙ′↓［１］）转换到空间直角坐标系ＯＸＹＺ中，由式（２）得到像素点Ｃ↓［１］（ｘ′↓［１］，ｙ′↓［１］）点在所述ＸＯＹ成像平面中的像点Ａ↓［１］（ｘ↓［１］，ｙ↓［１］），在所述ＸＯＹ成像平面中找到与像点Ａ↓［１］（ｘ↓［１］，ｙ↓［１］）相邻的四个整数像素点，对所述四个整数像素点使用四点插值方法计算出像点Ａ↓［１］（ｘ↓［１］，ｙ↓［１］）的像素值，记所述像点Ａ↓［１］（ｘ↓［１］，ｙ↓［１］）的像素值为所求的Ｘ′Ｏ′Ｙ′坐标系上Ｃ↓［１］（ｘ′↓［１］，ｙ′↓［１］）点的像素值；使用所求得Ｘ′Ｏ′Ｙ′坐标系上Ｃ↓［１］（ｘ′↓［１］，ｙ′↓［１］）点的像素值的方法求得所述透视图像平面ｇ上每一像素点的像素值，得到透视中心为Ｏ′的透视图像，完成鱼眼图像畸变的校正。Ｚ轴的交点分别为Ｘ↓［１］（ｒ↓［１］，０，０）、Ｙ↓［１］（０，ｒ↓［２］，０）、Ｚ↓［１］（０，０，ｒ↓［３］），则所述椭圆抛物面在所述空间直角坐标系ＯＸＹＺ中的椭圆抛物面模型为：ｒ↓［３］×ｘ↑［２］／ｒ↓［１］↑［２］＋ｒ↓［３］×ｙ↑［２］...

【技术特征摘要】
基于椭圆形鱼眼图像的畸变校正方法，其特征是按如下步骤进行步骤1、建立椭圆抛物面模型，并在所述椭圆抛物面模型上建立鱼眼成像变换关系和鱼眼图像到透视图像的变换关系；所述椭圆抛物面模型的建立过程为在空间直角坐标系OXYZ中建立一椭圆抛物面，设置所述空间直角坐标系OXYZ的原点为O点，所述椭圆抛物面关于空间直角坐标系OXYZ中的X轴及Y轴对称，所述椭圆抛物面的顶点在Z轴的正半轴上，开口朝向空间直角坐标系OXYZ中Z轴的负方向；令所述椭圆抛物面与空间直角坐标系OXYZ中X轴、Y轴和Z轴的交点分别为X1(r1，0，0)、Y1(0，r2，0)、Z1(0，0，r3)，则所述椭圆抛物面在所述空间直角坐标系OXYZ中的椭圆抛物面模型为 <mrow><mfrac> <mrow><msub> <mi>r</mi> <mn>3</mn></msub><mo>&times;</mo><msup> <mi>x</mi> <mn>2</mn></msup> </mrow> <msup><msub> <mi>r</mi> <mn>1</mn></msub><mn>2</mn> </msup></mfrac><mo>+</mo><mfrac> <mrow><msub> <mi>r</mi> <mn>3</mn></msub><mo>&times;</mo><msup> <mi>y</mi> <mn>2</mn></msup> </mrow> <msup><msub> <mi>r</mi> <mn>2</mn></msub><mn>2</mn> </msup></mfrac><mo>=</mo><msub> <mi>r</mi> <mn>3</mn></msub><mo>-</mo><mi>z</mi><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>)</mo></mrow> </mrow>式中x，y，z分别为所述椭圆抛物面模型的三个未知参数；所述鱼眼成像变换关系为所述空间直角坐标系OXYZ中任意一物点D(x″，y″，z″)点投影到空间直角坐标系OXYZ中XOY成像平面上的像点A(x，y)点的变换关系，连接空间直角坐标系OXYZ的原点O与所述物点D(x″，y″，z″)点交所述椭圆抛物面于转换点B(x，y，z)点，做所述转换点B(x，y，z)点到XOY成像平面的垂线，并与所述XOY成像平面交于像点A(x，y)点；则所述鱼眼成像变换关系为 <mrow><mfenced open='{' close=''> <mtable><mtr> <mtd><mi>x</mi><mo>=</mo><mfrac> <mrow><msub> <mi>r</mi> <mn>1</mn></msub><msub> <mi>r</mi> <mn>2</mn></msub><msup> <mi>x</mi> <mo>&Prime;</mo></msup><msqrt> <msup><msub> <mi>r</mi> <mn>1</mn></msub><mn>2</mn> </msup> <msup><msub> <mi>r</mi> <mn>2</mn></msub><mn>2</mn> </msup> <msup><mi>z</mi><mrow> <mo>&Prime;</mo> <mn>2</mn></mrow> </msup> <mo>+</mo> <mn>4</mn> <msup><msub> <mi>r</mi> <mn>2</mn></msub><mn>2</mn> </msup> <msup><msub> <mi>r</mi> <mn>3</mn></msub><mn>2</mn> </msup> <msup><mrow> <mi>x</mi> <mo>&Prime;</mo></mrow><mn>2</mn> </msup> <mo>+</mo> <mn>4</mn> <msup><msub> <mi>r</mi> <mn>1</mn></msub><mn>2</mn> </msup> <msup><msub> <mi>r</mi> <mn>3</mn></msub><mn>2</mn> </msup> <msup><mi>y</mi><mrow> <mo>&Prime;</mo> <mn>2</mn></mrow> </msup></msqrt><mo>-</mo><msup> <msub><mi>r</mi><mn>1</mn> </msub> <mn>2</mn></msup><msup> <msub><mi>r</mi><mn>2</mn> </msub> <mn>2</mn></msup><msup> <mi>x</mi> <mo>&Prime;</mo></msup><msup> <mi>z</mi> <mo>&Prime;</mo></msup> </mrow> <mrow><mn>2</mn><msub> <mi>r</mi> <mn>3</mn></msub><mrow> <mo>(</mo> <msup><msub> <mi>r</mi> <mn>1</mn></msub><mn>2</mn> </msup> <msup><mi>y</mi><mrow> <mo>&Prime;</mo> <mn>2</mn></mrow> </msup> <mo>+</mo> <msup><msub> <mi>r</mi> <mn>2</mn></msub><mn>2</mn> </msup> <msup><mi>x</mi><mrow> <mo>&Prime;</mo> <mn>2</mn></mrow> </msup> <mo>)</mo></mrow> </mrow></mfrac> </mtd></mtr><mtr> <mtd><mi>y</mi><mo>=</mo><mfrac> <mrow><msub> <mi>r</mi> <mn>1</mn></msub><msub> <mi>r</mi> <mn>2</mn></msub><msup> <mi>y</mi> <mo>&Prime;</mo></msup><msqrt> <msup><msub> <mi>r</mi> <mn>1</mn></msub><mn>2</mn> </msup> <msup><msub> <mi>r</mi> <mn>2</mn></msub><mn>2</mn> </msup> <msup><mi>z</mi><mrow> <mo>&Prime;</mo> <mn>2</mn></mrow> </msup> <mo>+</mo> <mn>4</mn> <msup><msub> <mi>r</mi> <mn>2</mn></msub><mn>2</mn> </msup> <msup><msub> <mi>r</mi> <mn>3</mn></msub><mn>...

【专利技术属性】
技术研发人员：路强，徐刚强，
申请(专利权)人：合肥工业大学，
类型：发明
国别省市：34[中国|安徽]