一种简易快速实现镜头桶形畸变矫正的方法、应用和计算机程序

技术领域

本发明属于监控摄像机图像处理技术领域，具体涉及一种简易快速实现镜头桶形畸变矫正的方法、应用和计算机程序。

背景技术

监控摄像机为了获得宽视场，常选用带有一定广角特性的镜头。进而使画面产生了桶形畸变(如图1所示)。这种畸变是由镜头引起的成像画面呈桶形膨胀状的畸变现象。桶形畸变虽然不影响成像清晰度，但却影响成像的位置精度，这会给图像分析、图像测量空间建模等方面带来误差，甚至误判。

针对桶形畸变的矫正方法，目前常用的是“张氏相机标定法”。如图2所示，该方法需要对一张国象棋盘样子的黑白矫正板拍摄十张以上不同角度的照片，再进行参数拟合。如果是生产高精度像机，可能只需要在产品设计时做一次矫正测算，而对于普通监控像机生产线，每台设备的镜头安装都会产生一些位移与角度偏差，从而需要对每台设备都进行单独测算，而此时“张氏相机标定法”并不实用。

发明内容

本发明目的就是为了空间建模、角度测算等用途，在生产线上快速实现桶形畸变矫正参数的测算；本发明的目的在于提供一种简易快速实现镜头桶形畸变矫正的方法，该方法简化桶形畸变与现实空间向量的拟合公式，并计算出拟合参数。

为了实现上述的目的，本发明采用了以下的技术方案：

一种简易快速实现镜头桶形畸变矫正的方法，该方法采用的矫正模型如下：

其中w、h为图像的宽和高；

所述的矫正模型的获取方法如下：

通过对空间方向分量(u,v)进行归一化处理；三维空间里，坐标为(u，v，1)，归一化(u’，v’)计算公式为：

为了限制参数范围，对像素坐标进行归一化，作为t’；

x″＝(x-x

y″＝(y-y

选取所有参照点的方向分量作为

将所有选定参照点归一化像素坐标转为向量

对于水平分布参照点为

对于垂直分布参照点为

一共2m+2n+1个向量；

即G×M′

根据最小二乘法：G

拟合后得到M′

其中M

最终矫正模型为：

进一步，本发明还公开了一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序以实现所述方法。

进一步，本发明还公开了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序或指令，该计算机程序或指令被处理器执行时实现所述方法。

进一步，本发明还公开了一种计算机程序产品，包括计算机程序或指令，该计算机程序或指令被处理器执行时实现所述方法。

本发明由于采用了上述的技术方案，本发明目标是通过拍摄特定的矫正板，获取处于画面中心的十字区域里(如图3所示)，水平与垂直分布的一系列等间距参照点的位置，再通过公式计算、修正，然后在满足工程精度的前提下，简化桶形畸变与现实空间向量的拟合公式，并计算出拟合参数。

附图说明

图1为桶形畸变示意图。

图2为张氏矫正法测算照片。

图3为参照点区域图。

图4为十字点阵中心对准示意图。

图5为原始参考点示意图。

图6为旋转偏斜(Rotate)示意图。

图7为Rotate修正后的参考点示意图。

图8为光轴偏转修正后的参考点示意图。

图9为方向向量定义示意图。

图10为参照点与方向分量的关系示意图。

图11为实施例2透视画面成像示意图。

图12为实施例2矫正画面示意图。

图13为实施例2透视投影变换结果示意图。

图14为实施例3矫正画面示意图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

实施例1矫正模型的建立

a)设计一个合适的参照矫正板。测量图中各参照点，水平相邻距离DotInt

b)拍摄十字点阵图尽量将中心参照点放置在画面中心，水平与垂直分布线尽量不要旋转，镜头尽量放正，不要倾斜。由图4可以看出，实际操作是允许一定误差的。拍照时，首先测量镜头与点阵中心点的直线距离Distance

c)对图像进行自适应增强，并进行阈值分割，得到点阵二值图。进而由中心参照点向水平、垂直四个方向搜寻，最终完成所有参照点的自动检测；图5为原始参考点。

d)矫正需要一张光轴垂直于参考版，点阵分布也呈现为标准水平与垂直分布。但实际拍摄中，肯定会存在旋转偏斜Rotate，如图6。

选取水平参考点估测Rotate，因为水平参照点分布更宽。

某参照点像素坐标为(x

再对所有偏斜率进行平方平均。

Rotate＝atan(K)

修正Rotate得到新的点阵位置，如图7。

e)根据中心点左右两个参考点估测镜头的光轴与镜头——中心点连线的水平偏角Pan，近似消除误差，选取相对中心左右对称的两点(x

x′

x′

据此修正水平分布的参照点位置。

同样方法，选取相对中心上下的两点(x

y′

y′

修正垂直分布的参照点位置(如图8)。

最终选取与中心对称的水平参照点{i|i∈[-m,m]}，以及垂直参照点{j|j∈[-n,n]}

f)参考桶形畸变的矫正拟合函数可以简化为r′＝a+br+cr

这里通常取x

x′＝ax/r+bx+cxr

合并拟合参数并简化，最终确定：

x′＝a′+b′x+c′xr

y′＝a′+b′y+c′yr

于是，创建向量

g)定义空间方向分量(u,v)，如图9。以镜头位置L为原点构建极坐标系(pan,tilt)，(此极坐标系可以等价于云台极坐标系，镜头光轴云台水平角0°俯仰角0°的位置)。设置虚拟投影平面原点为C，OC为光轴方向，长度为1。投影片上某点P的空间方向分量为

u＝tan(pan)；

因为镜头是普通镜头或广角镜头，视场角范围小于180°，所以上述对应关系不会触及tan(90°)问题。

像机拍摄参照板时，参照板与虚拟投影片面共轴，参考图10。可以根据参照点现实间隔以及镜头到中心参照点的距离，计算所有水平分布参照点的空间方向分量

h)为了限制参数范围，对像素坐标进行归一化，作为

x″＝(x-x

y″＝(y-y

选取所有参照点的方向分量作为t′。

将所有选定参照点归一化像素坐标转为向量

对于水平分布参照点为

对于垂直分布参照点为

一共2m+2n+1个向量。

则存在：

即G×M′

根据最小二乘法：G

拟合后得到M′

其中M

i)参考步骤h，得到方向分量(u,v)

根据试验，为了是参数针对模型体现更强的线性关系，对(u,v)进行归一化处理。实际上三维空间里，该坐标为(u,v,1)，归一化(u′,v′)计算公式为：

为了限制参数范围，对像素坐标进行归一化，作为t′

x″＝(x-x

y″＝(y-y

选取所有参照点的方向分量作为

将所有选定参照点归一化像素坐标转为向量

对于水平分布参照点为

对于垂直分布参照点为

一共2m+2n+1个向量。

即G×M′

根据最小二乘法：G

拟合后得到M′

其中M

最终矫正模型为

其中

实施例2画面畸变矫正

采用实施例1的模型将畸变图像转换为无畸变的透视图像，两画面分辨率一致。

方法如下：

a)选取原始画面左右两边的中点像素位置(0,h/2)、(w,h/2)。根据拟合矩阵M

透视画面水平视场角A

b)参考图11，创建一个虚拟投影平面，镜头光轴作为C轴垂直于平面原点。设置一个矩形窗，宽高与原画面(w,h)一致。

c)透视画面虚拟距离

d)透视画面的某个像素(x′,y′)，计算其客观世界角分量(u,v)。有：

u＝(x′-x

e)根据拟合矩阵M

f)对透视图的所有像素进行如上操作，得到各个像素在原画面中的位置，再经过插值计算，便生成一张畸变矫正后的透视图像。

举例说明：

拍摄矫正图片，如图12，根据图中参考点进行校正得到矩阵：

透视投影解算步骤如下：

原始画面宽高为(1920,1080)。

选取原始画面左右两边的中点像素相对中心位置(x′,y′)分别为，(-960,540)、(960,540)。根据拟合矩阵M

透视画面水平视场角A

透视画面虚拟距离

以透视画面的某个像素(360,200)为例，计算其客观世界角分量(u′,v′)。有：

u＝(360-960)/1200.85＝-0.500

v＝(200-540)/1200.85＝-0.283

u′＝-0.4333；v′＝-0.2455

根据公式

(274.69,151.66)即为透视画面像素(360,200)在原始画面中的位置，通过差值算法变可得到该像素的颜色信息。对透视画面中的所有像素进行操作变生成了一张透视矫正图，如图13。

实施例3枪球联动

采用实施例1的模型实现在广角枪机画面中检测目标，并调换长焦球机进行跟拍的功能。

为球机构建客观极坐标系，水平转角Pan∈[-180,180]，俯仰转角Tilt∈[-90,90]。

广角枪机镜头正对前方，光轴对应的极坐标角度(0,0)。

通过人工点选、运动检测、AI识别等方法，在广角枪机中找到关注目标，并确定其画面质心(x

根据拟合矩阵M

其中

x″＝(x-x

y″＝(y-y

该角分量对应的极坐标计算方法为：

Pan

Tilt

最后控制球机转到(Pan

举例说明：

拍摄枪机矫正图片，如图14，根据图中参考点进行校正得到矩阵：

联动计算步骤如下：

以枪机画面(分辨率为(1920,1080))中某个中心像素为(360,280)的参照物为例。

x″＝(360-960)/1920＝-0.3125

y″＝(280-540)/1920＝-0.1354

根据公式

Pan

Tilt

调转长焦球机至水平角-22.43°俯仰角-9.52°，便可对该参照物进行详细观察。

以上为对本发明实施例的描述，通过对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的。本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施列，而是要符合与本文所公开的原理和新颖点相一致的最宽的范围。