求取相机光学投射参数的方法技术

本发明专利技术为一种求取相机光学投射参数的方法，是利用失真影像具有中心对称的特性，借由一只具有复数个对称且同心的几何图形的校正物件来定出相机镜头的光学轴，进而在光学轴上以试误法找出其投影中心点，并同时求出其等效焦距与归类出其原生的投射模式；由于本发明专利技术可以确切地定出相机的内、外部参数，而且校正的方法简单、成本低，可适用于任何一种投射模式，并且影像失真越大敏感度越佳，因此可以轻易地将失真影像转换为符合中心投射机制下的正常影像，更可应用在鉴定鱼眼镜头特性方面与立体影像定位的领域。（*该技术在2021年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术是有关于一种数位影像处理与呈现的方法，且特别是一种借助于找出相机镜头的投射中心(viewpoint)与等效焦距(focal length)等光学投射参数，而恢复失真影像为正常透视影像的方法。其中，鱼眼镜头是应用于捕捉非常广角的影像，通常装有鱼眼镜头的相机可以摄取到180度、甚至以上的视野且只要攫取一次影像，无须移动相机本身多次拍摄，但是伴随著视角的增加，其原始影像也有严重的失真问题，故通常需要经由影像校正技术，以输出较接近真实世界的透视影像。而影像校正的精确度影响到鱼眼镜头可以应用到的范围；以一般的监视系统来说，若只要求能够看到监视范围内的人或物的动向即可，那么还可以忍受画面部分失真的情况；若是为拍摄虚拟实境(Virtual Reality)的图片，则只要影像“看起来”正常清晰即可；但若是要应用到影像定位的领域，例如，内视镜或机器人视觉，则在目前鱼眼镜头许多光学参数未明的情况之下，难以精确地定出影像于空间中的真实位置。无论如何，对于消费者而言，若是镜头能够兼具大视角、影像正确清晰又能精确地定位就最有市场竞争力。况且鱼眼镜头又其有无限景深的优点，这是其他种类镜头所无法比拟的，因此如何对鱼眼镜头所产生的影像进行校正，更是一个重要的课题。现有的公知技术中，已出现许多校正失真影像的方法。R.Y.Tsai(1987)利用空间中已知不共面的五个点以及一旋转矩阵与一转换矩阵的操作，来求取镜头的投影中心(viewpoint)与焦距(focal length)等参数，虽然经由其模拟所计算出来的结果已经相当地准确，但因其理论推导的基础是线性投射，应用在象鱼眼镜头这种严重非线性投射机制时，运算等效焦距的误差相当地大，所以无法直接沿用而成为一通用的校正方式。之后，出现一种针对鱼眼镜头的简单校正方式，请参照附图说明图1A与图1B，其中图1B是对应图1A的半球体空间投射模式，假设影像平面1为椭圆形(或圆形)的情形下，其长轴11与短轴12的交点13刚好是影像中心(图中C点)，此外也相信鱼眼镜头摄取到的视野刚好是180度，基于上述的几个前提之下，推断影像平面1边缘处的入射方位角(zenithal angle)为π/2，中心点13的方位角为0，其余的点依照其与C点13和边缘间的相对位置而个别推测其方位角θ。例如，图1A中的A点，应该对应于图1B中的A点。上述这种鱼眼镜头影像的校正方式，简单且不需额外的校正物件(calibration target)辅助。这是许多直接以平面影像校正鱼眼相机所使用的相机描述模式。但是它的假设前提具有相当的不确定性，首先实际上画面的失真中心点13未必刚好是影像实际的中心点，而且鱼眼镜头影像边缘处模糊，难以定出所谓180度的边界；最重要的是无法定位半球体的半径和中心，这种以影像为基础的解析模式其校正影像的传真度很难评估。很明显地，这样的校正方式不适用于立体影像定位的领域。在专利的揭露上，TeleRobotic International Inc.提出几个关于鱼眼镜头相机的专利(美国专利号5185667、5313306、5359363、5384588)，大体上来说，其
技术实现思路
是根据前述的相机模式，利用一个鱼眼镜头拍摄整个半球形视野，然后利用电脑控制一专门设计的电子线路，以数字转换的方式将原始的失真影像转换为正常的透视影像，并将其显示于荧光屏中，该技术被应用在全方位显示、监视、内视镜与远端控制等方面。之后，Interactive Pictures Corporation根据前述TeleRoboticInternational Inc.的技术，更提出一系列改良后的新方案(美国专利号5764276、5877801、5903319、5990941、6002430、6147709、6201574B1)。但是，无论是上述哪一种
技术实现思路
，皆是利用固定的投射模式来校正影像，并没有确切地定出鱼眼镜头相机的参数-投影中心(viewpoint)与焦距(focal length)，对于投射模式也都假设是如图1A与图1B描述的投射模式-“等距离投射”(EquidistantProjection)-最常见的鱼眼镜头投射模式。在这种精确的参数未定、投射模式未明的情形下，只能将原始影像展开与还原，无法考虑校正影像的准确度，应用在立体影像定位的领域必受限制。事实上，目前公知的鱼眼镜头投射模式，除了“等距离投射”(Equidistant Projection)之外，还有“立体影像投射”(Stereographic Projection)与“直角投射”(OrthographicProjection)等，其光学投射的数学关系式分别表示如下1.等距离投射IH＝fθ2.立体影像投射IH＝2f×tan(θ/2)3.直角投射IH＝f×sinθ其中，IH影像点与镜头光学轴的距离(像高)； f鱼眼镜头的等效焦距；θ物体点对于焦平面的入射角，即为入射光与光学轴的夹角。理论上，“立体影像投射”是最佳的鱼眼镜头投射模式；但是由于光学上设计的原因，符合“等距离投射”理论的鱼眼镜头是最容易生产制造的，这也使得目前公知的校正技术都有一假说所有鱼眼镜头的投射模式都是“等距离投射”，但事实上并非必然。从另一方面来说，虽然镜头在制造时是依照一定的设计，但在制造完成后是否还是原设计的规格则难以验证；此外，鱼眼镜头在组装入一个真实系统(如照相机)之后，其有效焦距与可观察视角更可能会跟着变动，因此若是能有一简单又通用的技术，可以检验鱼眼镜头或是其组成影像攫取装置的规格，使得其出货时有较确定的规格，则可以大幅地增加鱼眼镜头的附加价值。对于鱼眼镜头，本领域普通技术人员认为没有“实际”投影中心，这是以直线投射的观点而言。如能归纳出其对应的投影模式且找到其投射中心与等效焦距等光学投射参数，不但可以轻易地校正出正确的投射影像、应用于立体影像定位的领域，更可应用在产品质量管理方面。本专利技术的另一目的为定出相机的投影中心与有效焦距，使之可以更精确地校正影像及应用在立体影像定你的领域。本专利技术的又一目的为提供一种可以检验鱼眼镜头或其取影装置的空间投射机制的方法，以做为订定产品规格或出货前的质量管理。根据上述本专利技术的目的，提供一种。首先，将一具有测试图案的平面形式的校正物件放置于鱼眼镜头相机视野，调整校正物件的方向及位置，使得其形成的对应影像亦是相似的几何图案，此时连接测试图案与对应影像的中心，可以定出该鱼眼镜头的光学轴；之后，以试误法沿着光学轴寻找一定点，使得测试图案的对应影像像高以及被寻找到的定点至测试图案的方向角(zenithal angle)之间，符合一投射模式(projection mode)。上述的投射模式可以是“等距离投射”(EquidistantProjection)、“立体影像投射”(Stereographic Projection)或“直角投射”(Orthographic Projection)等目前已知的鱼眼镜头投射模式的其中之一。找到的该定点即为该鱼眼镜头相机的投影中心(viewpoint)，至于其等效焦距可以由其投射模式的数学关系式得到。由于本专利技术可以精确地定出鱼眼镜头相机的投影中心与等效焦距，且可找到其原生的投射模式，因此可以轻易地校正失真影像并找本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种求取相机光学投射参数的方法，用于获得相机的投射中心及等效焦距，其中所应用的相机具有一轴对称非线性失真的镜头，该方法包含有：提供具有一测试图案的一校正物件，该测试图案是由至少一几何图形所组成；将该测试图案的中心对准该镜头的一光学轴 ；以及沿着该光学轴寻求一定点，使得该几何图形在一影像平面上所形成的至少一对应该几何图形的像高以及该几何图形的入射光与该光学轴的夹角之间，符合一投射模式。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：詹国祯，张创然，
申请(专利权)人：欧普罗科技股份有限公司，
类型：发明
国别省市：71[中国|台湾]