一種基于方靶模型和透視投影的相機(jī)畸變校正方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種基于方靶模型和透視投影的相機(jī)畸變校正方法，該方法首先建立以相機(jī)中心為原點(diǎn)的空間坐標(biāo)系，根據(jù)圖像中心部分靶點(diǎn)的坐標(biāo)，采用方靶模型計(jì)算出網(wǎng)格點(diǎn)靶標(biāo)平面在相機(jī)坐標(biāo)系內(nèi)的平面方程式；在上述平面上生成對應(yīng)于原圖像的網(wǎng)格，將網(wǎng)格點(diǎn)投影到成像面上，形成理想網(wǎng)格點(diǎn)；根據(jù)原圖像網(wǎng)格點(diǎn)和理想網(wǎng)格點(diǎn)之間的一一對應(yīng)關(guān)系，分塊地在圖像內(nèi)進(jìn)行插值，將原圖像上的每一個(gè)像素校正到理想位置。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明不使用畸變模型，計(jì)算過程簡單，同時(shí)能夠很好的克服相機(jī)元件和裝配誤差造成的圖像畸變。
【專利說明】一種基于方靶模型和透視投影的相機(jī)畸變校正方法【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種工業(yè)定焦相機(jī)圖像幾何畸變校正方法，尤其是涉及一種基于方靶模型和透視投影的相機(jī)畸變校正方法。
【背景技術(shù)】
[0002]由于相機(jī)鏡頭的物理非線性特征，在成像過程中不可避免的會(huì)造成實(shí)物形狀在圖像上的畸變。這種幾何畸變不僅影響采集圖像的視覺效果，而且如果直接應(yīng)用到工業(yè)近景測量上，將會(huì)降低相機(jī)測量精度，對結(jié)果產(chǎn)生不利的影響。相機(jī)在元件的加工和鏡頭裝配過程中還存在各種誤差，也將加劇圖像的幾何畸變結(jié)果。普通工業(yè)相機(jī)成本低，使用方便，但是在成像過程中存在畸變大、幾何失真嚴(yán)重等缺點(diǎn)。如果能夠較好地進(jìn)行圖像幾何畸變校正，成本低廉的普通工作相機(jī)在近景測量領(lǐng)域?qū)⒂兄鴺O大的應(yīng)用價(jià)值。
[0003]目前，相機(jī)的幾何畸變標(biāo)定方法可以分為兩大類，一類是基于專業(yè)光學(xué)儀器的方法，該方法需要專業(yè)人員在專用的儀器上進(jìn)行標(biāo)定，成本高昂，普適性差，限制了該方法的推廣；另一類是對生成的圖像進(jìn)行處理，不需要專門的儀器，只需要相機(jī)拍攝幾幅靶標(biāo)或者標(biāo)定物的圖像，通過計(jì)算機(jī)程序進(jìn)行計(jì)算處理，從而標(biāo)定出相機(jī)的幾何畸變參數(shù)。這種方法操作簡單，現(xiàn)階段被廣泛的研究和應(yīng)用。
[0004]現(xiàn)有的圖像畸變校正方法一般都是在成像面上進(jìn)行的，大多數(shù)方法是根據(jù)提出的幾何畸變模型對圖像進(jìn)行校正，還有一些方法是根據(jù)標(biāo)定物幾何特征的不變性來進(jìn)行校正的。
[0005]相機(jī)的幾何畸變模型被廣泛的認(rèn)為由三種組成:徑向畸變、離心畸變和薄棱畸變，分別可以用徑向畸變系數(shù)、離心畸變系數(shù)和薄棱畸變系數(shù)表示。離心畸變和薄棱畸變又由徑向分量和切向分量兩部分組成(J.Weng.P.Cohen, and M.Hemiou, Camera Calibrationwith Distortion Models and Accuracy Evaluation, IEEE Trans.Pattern Analysis andMachine Intelligence，vol.14，n0.10，pp.965-980，Oct.1992)。幾何畸變模型的不足是三種畸變參數(shù)互相耦合，模型復(fù)雜，帶來較大的計(jì)算工作量，并且不能克服裝配誤差等帶來的畸變情況。
[0006]還有的模型認(rèn)為徑向畸變是畸變的主要來源(Lili Ma, YangQuan Chen，andKevin L.Moore, Flexible camera calibration using a new analytical radialundistortion formula with application to mobile robot localization, in IEEEInternational Symposium On Intelligence Control，Houston，USA，0ctober2003)，利用多項(xiàng)式或者其他數(shù)學(xué)函數(shù)擬合幾何畸變。這種方法簡化了計(jì)算，但是用徑向畸變來代替全部的畸變必 定會(huì)使精度降低，而且使用的數(shù)學(xué)函數(shù)不能說明畸變的物理來源。
[0007]根據(jù)標(biāo)定物投影之后某些幾何特征不變的特性也可以對圖像進(jìn)行畸變校正，例如直線性或者截面比不變性(如:Guangjun Zhang, Junji He，Xianming Yang，Calibratingcamera radial distortion with cross-ratio invariability, Optics & LaserTechnology35 (2003) 457-461)。這種對圖像進(jìn)行校正的方法能夠解決元件或者裝配誤差造成的畸變，只使用透視投影原理，不考慮畸變的物理來源，方法精確度高，但是標(biāo)定過程和原理較為復(fù)雜，精度也依賴于標(biāo)定物的制作質(zhì)量。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷而提供一種基于方靶模型和透視投影的相機(jī)畸變校正方法，該方法不使用畸變模型，計(jì)算過程簡單，同時(shí)能夠很好的克服相機(jī)元件和裝配誤差造成的圖像畸變。
[0009]本發(fā)明的目的可以通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn):
[0010]一種基于方靶模型和透視投影的相機(jī)畸變校正方法，該方法包括以下步驟:
[0011]I)建立相機(jī)坐標(biāo)系:以相機(jī)中心為原點(diǎn)，相機(jī)光軸為Z軸，圖像水平方向?yàn)閄軸，圖像豎直方向?yàn)閅軸，建立相機(jī)坐標(biāo)系，Z軸垂直于成像面，并過成像面的中心:
[0012]2)計(jì)算網(wǎng)格點(diǎn)坐標(biāo):相機(jī)采集網(wǎng)格點(diǎn)靶標(biāo)的原圖像，提取圖像中的每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)，計(jì)算網(wǎng)格點(diǎn)在相機(jī)坐標(biāo)系中的空間坐標(biāo)；
[0013]3)計(jì)算網(wǎng)格點(diǎn)靶標(biāo)平面在相機(jī)坐標(biāo)系中的方程:選取圖像平面上圖像中心周圍構(gòu)成四邊形的4個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)，根據(jù)方靶模型，計(jì)算出網(wǎng)格點(diǎn)靶標(biāo)平面在相機(jī)坐標(biāo)系中的平面方程式，該平面方程式所對應(yīng)的面即為成像平面:
[0014]4)生成理想網(wǎng)格點(diǎn):采用透射投影，將網(wǎng)格點(diǎn)靶標(biāo)平面上的網(wǎng)格點(diǎn)投影到成像平面上，得到理想網(wǎng)格點(diǎn)，形成理想平面；
[0015]5)圖像分塊插值計(jì)算:根據(jù)原圖像網(wǎng)格點(diǎn)和理想網(wǎng)格點(diǎn)之間的一一對應(yīng)關(guān)系，分塊地在圖像內(nèi)進(jìn)行插值，將原圖像上的每一個(gè)像素校正到理想位置，得到校正映射表；
[0016]6)畸變校正:將原圖像上的每一個(gè)像素按照映射表移動(dòng)到一幅空的圖像中，生成畸變校正后的圖像。
[0017]所述的計(jì)算網(wǎng)格點(diǎn)靶標(biāo)平面在相機(jī)坐標(biāo)系中的方程具體為:
[0018]301)選取圖像中心周圍的4個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)(a，b，c，d)，其對應(yīng)的實(shí)物靶標(biāo)平面上的4個(gè)正方形靶點(diǎn)為(A，B, C，D)，其中對角線中心為O ;
[0019]302)固定正方形abed的對角線中心e，在0d，OB, 0C, OD射線上將a，b，c，d點(diǎn)調(diào)整到a'，b'，c' ,d'，使得a'，b'，c' ,d'構(gòu)成一個(gè)正方形，調(diào)整過程中a'，e，c'、b' , e, d'始終在一條直線上；
[0020]303)根據(jù)三角形Oa' b'和OAB的相似關(guān)系，得到
【權(quán)利要求】
1.一種基于方靶模型和透視投影的相機(jī)畸變校正方法，其特征在于，該方法包括以下步驟: 1)建立相機(jī)坐標(biāo)系:以相機(jī)中心為原點(diǎn)，相機(jī)光軸為Z軸，圖像水平方向?yàn)閄軸，圖像豎直方向?yàn)閅軸，建立相機(jī)坐標(biāo)系，Z軸垂直于成像面，并過成像面的中心； 2)計(jì)算網(wǎng)格點(diǎn)坐標(biāo):相機(jī)采集網(wǎng)格點(diǎn)靶標(biāo)的原圖像，提取圖像中的每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)，計(jì)算網(wǎng)格點(diǎn)在相機(jī)坐標(biāo)系中的空間坐標(biāo)； 3)計(jì)算網(wǎng)格點(diǎn)靶標(biāo)平面在相機(jī)坐標(biāo)系中的方程:選取圖像平面上圖像中心周圍構(gòu)成四邊形的4個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)，根據(jù)方靶模型，計(jì)算出網(wǎng)格點(diǎn)靶標(biāo)平面在相機(jī)坐標(biāo)系中的平面方程式，該平面方程式所對應(yīng)的面即為成像平面； 4)生成理想網(wǎng)格點(diǎn):采用透射投影，將網(wǎng)格點(diǎn)靶標(biāo)平面上的網(wǎng)格點(diǎn)投影到成像平面上，得到理想網(wǎng)格點(diǎn)，形成理想平面； 5)圖像分塊插值計(jì)算:根據(jù)原圖像網(wǎng)格點(diǎn)和理想網(wǎng)格點(diǎn)之間的一一對應(yīng)關(guān)系，分塊地在圖像內(nèi)進(jìn)行插值，將原圖像上的每一個(gè)像素校正到理想位置，得到校正映射表； 6)畸變校正:將原圖像上的每一個(gè)像素按照映射表移動(dòng)到一幅空的圖像中，生成畸變校正后的圖像。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于方靶模型和透視投影的相機(jī)畸變校正方法，其特征在于，所述的計(jì)算網(wǎng)格點(diǎn)靶標(biāo)平面在相機(jī)坐標(biāo)系中的方程具體為: 301)選取圖像中心周圍的4個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)(a，b，c，d)，其對應(yīng)的實(shí)物靶標(biāo)平面上的4個(gè)正方形靶點(diǎn)為(A，B，C，D)，其中對角線中心為O; 302)固定正方形81^(1的對角線中心6在(^，(》，0(:，00射線上將&，b，c，d點(diǎn)調(diào)整到a'，b'，c'，d'，使得a'，b'，c'，d'構(gòu)成一個(gè)正方形，調(diào)整過程中a'，e，c'、b'，θ，(Τ始終在一條直線上； 303)根據(jù)三角形Oa'b'和OAB的相似關(guān)系，得到
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于方靶模型和透視投影的相機(jī)畸變校正方法，其特征在于，所述的圖像分塊插值計(jì)算具體為: 理想平面相鄰四個(gè)點(diǎn)構(gòu)成四邊形abed，該四邊形abed為正方形，對應(yīng)的在原圖像平面上四邊形為a' b/ e' d'，對于理想平面上的一個(gè)像素點(diǎn)o(x，y)，其形函數(shù)為s和t，s、t分別代表該點(diǎn)在四邊形中的水平位置占比和豎直位置占比，通過ο點(diǎn)做水平和豎直兩條邊的平行線，分別交于m、η和p、q四點(diǎn)，則形函數(shù)表達(dá)公式為:
【文檔編號】G06T7/00GK103729841SQ201310698848
【公開日】2014年4月16日 申請日期:2013年12月18日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月18日
【發(fā)明者】袁勇, 艾青, 王輝, 歐飛奇 申請人:同濟(jì)大學(xué)