一种基于多透镜系统的相机畸变校正方法技术方案

一种基于多透镜系统的相机畸变校正方法，包括如下步骤：1)为采集数据做准备，选用要进行校正的相机。2)将样本图像固定，取样本图像的A点为图像中心点，调整相机高度进行拍摄3)采用本算法训练畸变系数，4)根据相机成像原理和模数转化建立方程组，代入畸变系数对图像进行畸变校正。本发明专利技术降低了运算复杂度。本发明专利技术降低了运算复杂度。本发明专利技术降低了运算复杂度。

【技术实现步骤摘要】
一种基于多透镜系统的相机畸变校正方法


[0001]本专利技术涉及视觉领域的目标跟踪、定位、测量及重建，特别涉及一种基于多透镜系统的畸变校正方法属于计算机视觉相机畸变校正领域。

技术介绍

[0002]近年来，计算机视觉技术已经广泛应用在智能监控、机器人、无人机和无人驾驶汽车等方面。而计算机视觉的基础是相机成像技术，只有好的相机成像技术，才可能有进一步的工程应用。
[0003]相机成像一般分为小孔成像和透镜成像。小孔成像也称为针孔成像，即光穿越小孔时呈直线传播方式而产生的像，但由于小孔不具有聚光功能，因此，小孔成像难以保证图像的清晰度。由于凸透镜具有聚光功能，当光穿越透镜时会往焦点聚集，因此，现代相机成像往往采用凸透镜方式进行图像采集。
[0004]目前的现代相机可以单一凸透镜相机和多透镜相机，如手机相机普通属于单透镜相机，而专门用于摄影艺术的相机却属于多透镜相机，其由若干个凸透镜和凹透镜组成。
[0005]由于制造不精确或广角镜头的性质，不管是单凸透镜相机还是多透镜相机，在成像过程中，或多或少会产生某种畸变。当我们谈论图像中的失真时，通常假定标准的未失真图像是由针孔镜头拍摄的图像。而相机畸变将直接影响目标跟踪、3D定位及目标测量的精度，因此，相机畸变已经成为计算机视觉专家的高度关注问题。
[0006]相机畸变模型主要包括径向畸变和投影畸变二种模型。径向畸变是中央单视图相机系统中的主要畸变，它会导致图像平面上的点从透视相机模型下投影的理想位置沿径向轴从畸变中心偏移。而投影畸变的指在广角镜头中，球体在平面上的投影不可避免地会使表面变形。
[0007]径向畸变的畸变模型可以看作是径向距离的非线性函数。Ahmed and Farag提出了奇多项式模型，这种畸变模型可以描述小的畸变，但不足以描述鱼眼镜头引入的大畸变。因此，Santana
‑
Cedr
é
s et al提出了一个更通用的多项式模型，同时使用奇数项和偶数项。多项式模型在失真较小时可以很好地工作，但当失真变大时，参数的数量和模型的阶数会迅速增加，导致计算量大，不适合实际应用。相比之下，Fitzibbon提出了除法模型，这种模型可以使用更少的参数来处理较大的失真，这通常用于图像校正。
[0008]捕获射线失真模型(Capturing rays
‑
based distortion models)是使用径向距离与入射角之间的关系来获得的模型。为了解决这个问题，针对宽视场摄像机(wide field
‑
of
‑
view,FOV)提出了不同的基于光线捕获的失真模型，如1)Stevenson and Fleck提出的立体模型(stereographic model)，保留圆形并将3D局部对称投影到2D局部对称上；2)Ray提出的正交模型(orthogonal modes)；3)Miyamoto提出的等立体角模型(equi
‑
solid angle model)；4)Kannala and Brandt提出的多项式模型(polynomial model)。
[0009]为了获得完整的360
°
FOV，通常将单视图宽FOV图像投影到球体表面。但在实际应用中，图像在显示在屏幕上之前必须进行“扁平化”。球体在平面上的投影不可避免地会使
表面变形。这种变形被称为投影失真模型。根据目标可展面，投影失真可分为三类，即圆柱投影、圆锥投影和方位投影。在圆柱投影中，经线映射到等距的垂直线，纬度圆映射到水平线。圆锥投影可以按比例保留沿经线的距离(conic projection can preserve the distances along the meridians proportionately.)。方位投影将球面直接映射到平面。
[0010]现有的失真模型主要聚焦于模型的参数确定上，而缺少影响畸变的关键因素(法矢量和折射率)展开研究折射率。我们前期对单凸透镜相机系统畸变原因分析的基础上，进一步对多透镜相机系统畸变原因进行了分析，对单凸透镜相机与多透镜相机的数据进行了分析，单凸透镜系统数据靠近主光轴(向内折射)，而多透镜系统的数据远离主光轴(向外折射)，进而推导出多透镜系统的折射率计算方法。并从客观评价和主观评价二个方面开展了实验，实验结果表明了我们理论的有效性。

技术实现思路

[0011]为了解决现有相机畸变校正的失真模型主要聚焦于模型的参数确定上，而缺少影响畸变的关键因素(法矢量和折射率)展开研究折射率的问题。本专利技术提出了基于多透镜系统的一种新颖的畸变校正方法。
[0012]本专利技术提出了多透镜系统的相机畸变校正方法，根据摄像机成像原理以及模数转换的基本原理，在单凸透镜相机系统畸变的研究基础上，进一步对多透镜相机系统畸变展开了研究，对多透镜系统的光路进行了模拟简化，构建了新的成像模型为基于多透镜系统的相机畸变校正等提供了理论依据。
[0013]本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：
[0014]用相机拍摄用于相机标定的图像，训练学习得到校正参数，然后引入已知的外参，根据摄像机成像原理，进行畸变校正。所述方法包括以下步骤：
[0015]步骤1.凸透镜成像模型简化：将凸透镜简化成一条线段，记为V1V2，线段的长度为凸透镜的直径(2r)，过光心O且垂直于的线段V1V2为主光轴，假设一条射线R
α
射向凸透镜，且R
α
与主光轴的夹角为α，对射线角度α与凸透镜的半径r进行角
‑
线仿射变换：
[0016][0017]在(1)式中，当α＝0时，x＝0。当α＝π/2时，x＝r。由于式(1)是一种均匀变换，称之为角
‑
线均匀仿射。
[0018]假设凸透镜两边为均匀媒介，而凸透镜上每点的法方向不相同，根据平行于主光轴的射线必汇聚于焦点性质，可以得到凸透镜的折射率n及法矢量θ方程：
[0019][0020][0021]式(3)中θ(x)表示变量为x的法矢量函数，k为焦比，且k＝f/r，式(3)中的ρ＝tan
‑1(f/x)。θ为法矢量与光轴反方向的夹角。很明显有：
[0022]步骤2.获得相机标定所需的图像：设计了一张相机标定图片，将成像的中心位置固定到图片上的某个点上，假设为A点，即A为参考点，并用相机对图片进行拍摄，获得的一幅相机标定所需的图像。
[0023]步骤3.相机标定，获得所需参数：读取步骤2所获得的标定图像头文件，获得的相机焦距、图像大小等信息，我们采用式(4)进行数模转换，计算得到各点到图像中心(A点)距离d
a
(mm)
[0024][0025]式(4)中(M,N)为图像尺寸，(w,l)为感光元件大小，(X
i
,Y
i
)为点i的在像平面的坐标(Pixels)，(u
i
,v
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)为点本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于多透镜系统的相机畸变校正方法，包括以下步骤：步骤1.凸透镜成像模型简化：将凸透镜简化成一条线段，记为V1V2，线段的长度为凸透镜的直径(2r)，过光心O且垂直于的线段V1V2为主光轴，假设一条射线R
α
射向凸透镜，且R
α
与主光轴的夹角为α，对射线角度α与凸透镜的半径r进行角
‑
线仿射变换：在(1)式中，当α＝0时，x＝0；当α＝π/2时，x＝r；由于式(1)是一种均匀变换，称之为角
‑
线均匀仿射；假设凸透镜两边为均匀媒介，而凸透镜上每点的法方向不相同，根据平行于主光轴的射线必汇聚于焦点性质，可以得到凸透镜的折射率n及法矢量θ方程：射线必汇聚于焦点性质，可以得到凸透镜的折射率n及法矢量θ方程：式(3)中θ(x)表示变量为x的法矢量函数，k为焦比，且k＝f/r，式(3)中的ρ＝tan
‑1(f/x)；θ为法矢量与光轴反方向的夹角；很明显有：步骤2.获得相机标定所需的图像：设计了一张相机标定图片，将成像的中心位置固定到图片上的某个点上，假设为A点，即A为参考点，并用相机对图片进行拍摄，获得的一幅相机标定所需的图像；步骤3.相机标定，获得所需参数：读取步骤2所获得的标定图像头文件，获得的相机焦距、图像大小等信息，采用式(4)进行数模转换，计算得到各点到图像中心(A点)距离d
a
(mm)式(4)中(M,N)为图像尺寸，(w,l)为感光元件大小，(X
i
,Y
i
)为点i的在像平面的坐标(Pixels)，(u
i
,v
i
)为点在感光元件的坐标(mm)；通过测量获得实际空间中各点到A点的距离，记为d
s
(mm)；利用式(2)获得针孔成像模型下的，各点离图像中心点距离，记为d
p
(mm)式(5)中f为相机焦距，m为拍摄距离；采用单透镜模型进行计算，获得各点离A点距离记为d
sl
(mm)；设穿越光心射线的入射角为α，折射角为β，多透镜系统的折射率为n，那么有：采用式(6)，利用步骤1推导的数学模型和步骤3计算得到的数据计算样本图像中各个点的多透镜的折射率及折射角，然后对这些折射角与折射率的关系进行了分析，折射角与折射率之间关系趋近于一条直线：n＝k1β+n0ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(7)式(7)中，k1直线斜率，n0为初始折射率；称式(7)为角度
‑
折射率之间的仿射变换；
步骤4.畸变校正：设图像尺寸为M
×
N(像素...

【专利技术属性】
技术研发人员：毛家发，潘涵彧，李艳艳，许金山，
申请(专利权)人：浙江工业大学，
类型：发明
国别省市：