基于几何成像模型的鱼眼镜头图像校正算法和技术研究

鱼眼镜头是一种具有广视场角的摄像机镜头,广泛应用于大场景视频监控领域,但其成像存在严重的非线性径向畸变,违反人类的视觉习惯,且为测量和模式识别等应用带来了不便.为了实现鱼眼镜头图像的校正,提出了一种基于几何成像模型的鱼眼镜头校正算法和技术,通过研究鱼眼镜头成像模型,根据鱼眼镜头类型采用了相应的几何模型校正图像;以“等距投影”模型为例提出了校正公式和实现方法.最后针对工程应用的实时性要求,提出了基于缓存的快速优化方法以及在保证一定精度的前提下快速实现双线性插值的优化方法.研究结果表明,这种新方法可以高效地完成鱼眼镜头图像校正,比传统方法适用面更广,更易实现.     

图像拼接中相机镜头非线性畸变的校正

为满足大尺寸图像无缝拼接的需要,提出了数字相机镜头非线性畸变的高精度校正方法.分析了现有棋盘格图像特征点检测算法的不足,提出了一种新的基于棋盘格图像结构特征的特征点检测算法.该算法巧妙地利用棋盘格图像的像素点相对于方格交点对称、相对于方格交线反对称这一特点,计算交点附近区域每一像素点的对称度和反对称度,并以此为依据来判定特征点的准确位置.将该算法与多项式变换技术以及双线性插值技术相结合,提出了数字相机图像非线性畸变的精确校正方法.实验结果表明,校正后图像的横向误差均值为0.43个像素,纵向坐标误差均值为0.36个像素.该方法精度高、计算简单,对噪声、透视、畸变等鲁棒性强,便于特征点检测的自动化处理.通过对实际地图图像的校正和拼接处理,证明了该方法的有效性.     

鱼眼图像校正软件的关键技术研究

为了满足全景监控工程的特殊要求,选用鱼眼镜头作为图像传感器的成像单元进行图像采集.提出了新的鱼眼图像校正区域的确定方法,并采用球面透视投影和柱面展开两种算法对鱼眼图像进行校正,同时实现虚拟PTZ控制.经测试,该软件对各种监控场合有很强的适应性,能够满足全视场无盲区的监控要求.     

非线性畸变分布椭圆鱼眼镜头成像建模和校正

非线性畸变分布椭圆鱼眼镜头是面向视频监控应用的一种新型鱼眼镜头,与传统的鱼眼镜头不同,非线性畸变分布椭圆鱼眼镜头采用非角对称光学系统设计原理,其有效成像面为椭圆,并且采用非线性畸变分布成像函数,能够实现对大视场中关键区域的增强畸变。通过对其非相似成像的研究,建立一种全方向光线跟踪下的镜头成像混合畸变模型,使用B样条曲面和曲线分别拟合径向和切向畸变函数,然后通过五面立体角度标定空间实现对镜头成像函数的精确标定,最后实现畸变图像的校正。     

鱼眼镜头径向畸变的校正方法

针对鱼眼图像存在的径向畸变,提出了一种通过计算鱼眼镜头径向畸变函数来校正鱼眼图像的方法。首先,根据鱼眼镜头本身的特性运用Hough变换获取鱼眼图像的圆心以及校正半径;运用所提出的圆柱形棋盘格模版来完成径向畸变的标定,通过多项式拟合出鱼眼图像直径上采样点到圆心的距离和实际该采样点像点对应的物点所在视角之间的关系,从而将鱼眼图像恢复到球形投影面上;最后运用平面投影模型矫正出符合人类视觉感官的平面透视图像,并用一个圆柱形的投影面校正出了360°全景图。最后的实验结果证明了此方法的有效性。     

基于极曲线几何和支持邻域的鱼眼图像立体匹配

提出了一种基于极曲线几何和变支持邻域的立体匹配算法来解决鱼眼立体视觉中图像变形导致的极曲线求取和匹配代价计算问题。首先,对鱼眼相机进行标定并获取相机的相关参数;针对鱼眼镜头的畸变问题,根据鱼眼镜头的优化投影模型推导出系统的极曲线方程,并利用得到的极线方程确定对应点的搜索范围。然后,根据同源像点在左右图像上的位置关系确定各中心像素点的支持邻域,并计算出不同视差条件下该支持邻域在另一幅图像上的对应支持邻域,利用获取的支持邻域计算出各点的匹配代价。最后,利用WTA(Winner Takes All)策略选取最佳匹配点得到最终的匹配结果。基于提出的极曲线和支持邻域对两组鱼眼图像进行了匹配实验并与传统方法进行了实验对比,结果表明:提出的方法的匹配准确度比传统方法分别提高了4.03%和4.64%。实验结果验证了极曲线的应用加快了匹配速度并减少了误匹配;支持邻域的使用使其对匹配代价计算的准确度优于传统方法。该算法满足了鱼眼图像立体匹配对信息获取速度、准确度和数量的要求。     

基于交比不变性的镜头畸变参数标定方法

在分析目前的畸变参数标定方法优缺点的基础上，提出了一种能克服现有技术缺点的简单快速的镜头畸变参数标定方法。该方法利用了透视投影中的交比不变性质，在畸变模型为一阶径向畸变的情况下，只需要空间共线的4个点的图像坐标和其交比，建立一元二次方程即可标定畸变参数。该方法的特点是算法简单，易于实施，需要已知条件少。对此标定方法进行了数字仿真实验和真实图像校正实验，证明该方法标定精度高，简单易行。     

基于椭球面模型的鱼眼图像校正方法

鱼眼镜头的大视角、短焦距等特点,使鱼眼图像校正算法成为目前图像研究的热点。提出一种椭球面校正模型,通过边缘检测算法获取特征点,运用伪特征点剔除法得到正确的特征点,利用这些真特征点得出校正模型的参数,并以网格图像为例进行研究。实验结果表明,特征点检测准确,得到的模型对网格图像的校正效果好,验证了该校正模型的准确性和有效性。     

航空变焦距斜视成像几何畸变的自动校正

针对变焦距航空摄像机斜视成像产生的几何变形,提出一种同时校正斜视梯形失真和变焦距镜头非线性畸变的自动校正方法。根据直线透视投影不变性原理,利用单参数除式模型通过变步长优化搜索方法得到不同焦距对应的镜头畸变系数和畸变中心坐标;研究了焦距变化对畸变的影响规律,校正了镜头畸变使其满足针孔成像模型;引入飞机位置、姿态和摄像机视轴指向方位等因素,将航空图像重投影到地图坐标系中,对坐标变换后的像素亮度值进行重采样得到校正斜视变形和镜头畸变后的正射投影图像。对不同焦距和位置姿态下拍摄的地面靶标畸变图像和实际航空变焦距斜视图像进行了校正。结果表明,该方法能够有效准确地校正图像的几何变形,当飞行高度为2 500m时,在文中给定的位置姿态精度下的图像几何校正均方误差约为2m,较好地满足了后续图像拼接需求。该方法效率高,便于自动化实现,对提高图像拼接精度和实现目标精确定位与实时稳定跟踪具有重要意义。     

一种数字图像几何畸变的自动校正方法

通过分析数字图像几何畸变产生的机制,提出一种数字图像几何畸变自动校正的方法.该方法首先利用大津算法和Radon变换提取几何畸变的图像边缘轮廓,利用轮廓顶点坐标,计算矩形的纵横比;然后求得畸变校正矩阵,对畸变图像进行校正;最后利用印刷体数字识别算法判断是否需要对校正后的图像进行旋转.实验表明,该方法能够快速有效地识别畸变图像轮廓,校正结果令人满意,鲁棒性强,具有较高的实用价值.     

鱼眼镜头后光组初值设计

在鱼眼镜头的设计过程中,设计者往往依赖设计经验选择专利作为初始结构,缺乏理论指导。在鱼眼镜头前光组结构和后光组的光焦度以及光学间隔的基础上,提出一种求解鱼眼镜头后光组曲率半径初始参数的方法。通过前、后光组球差和彗差的波像差平衡条件建立方程组,求解该方程组后得到后光组的各光学面曲率半径初值,并以曲率半径初值作为参考值,应用Zemax软件进一步优化,得到初始结构。研究表明,应用这种方法求解鱼眼镜头后光组的初始光学参数,能使优化算法在较短时间内搜索到最优的参数解。     

Image distortion correction for micromanipulation system based on SLM microscopic vision

Stereo light microscope (SLM) simulates stereo imaging principle of human eyes. Microscopic vision system based on SLM has become an important visual tool for micro measurement, micromanipulation, and microinjection. We develop a micromanipulation system based on SLM and present an image distortion correction method. We mainly correct two kinds of image distortions: lateral and vertical distortion. Distortion correction consists of two steps. First, a linear fitting algorithm for each row or column of target points is developed, and the fitting errors are calculated. If the fitting errors are smaller than a given threshold, the linear fitting results are kept and used. Otherwise polynomial fitting procedure will be used. Second, the parallelism of straight lines is corrected. The results show that a line in world coordinate frame (WCF) is not necessarily a straight line in image coordinate frame (ICF), or two parallel lines in WCF may be not parallel in ICF. Distortion correction can restore the parallel and linear relationship. For distorted left and right images, the magnitude of distortion exceeds 6 pixels and 4 pixels in the horizontal direction, and 1.2 pixels and 1.7 pixels in the vertical direction, respectively. After corrected, for left and right image, distortion can be reduced to 0.8 pixels and 0.7 pixels in the horizontal direction, and 0.96 pixels and 1.3 pixels in the vertical direction, respectively. The results show that distortion parameters obtained from the proposed method can effectively correct distorted images. Microsc. Res. Tech. 79:162–177, 2016. © 2016 Wiley Periodicals, Inc.     

基于视场分割的仿生复眼系统设计方法

针对传统大视场成像设备难以兼顾高分辨率和实时性的问题,通过模仿昆虫曲面多目复眼结构,提出一种基于多相机阵列的球面复眼设备设计方法.该方法利用相机原始矩形视场对预定视场进行分割,根据矩形视场存在水平、垂直 ２ 个视场角的特点,通过对球壳纬度层和经度层 ２ 个方向的分割,在无缝分割的前提下,最大限度地降低相邻相机间的重叠区域,提高相机的利用效率,降低系统复杂度.基于该设计方法,采用水平视场角、垂直视场角及分辨率为 ２００ 万的 ７ 个完全相同的相机制作了一款 ２ 层的仿生复眼,并利用该设备实现了视角为 ７９．５° ,分辨率为 １２００ 万的全景成像,证明了该设计方法的有效性.     

基于共线特征点的摄像机镜头畸变校正

提出一种基于未知世界坐标共线特征点的未标定摄像机畸变校正算法以及基于预计算模板的快速实现方法。利用直线的透视投影不变性来估计镜头的畸变参数,不需要知道摄像机的内外部参数,也不需要知道任何空间特征点的世界坐标,简化了镜头畸变校正的过程。该方法的特点是需要的已知条件少,算法简单,易于实施,算法的计算速度快。试验结果表明,该方法能准确快速校正由摄像机镜头畸变引起的图像几何畸变,对机器视觉系统是可行的,预计算模板实现方法大大地降低了计算量,为镜头畸变校正实时应用奠定了基础。     

基于新的成像模型的摄像机标定与三维重建

分析了镜头畸变的形成机理,将实际成像点视为理想成像点依序经过径向畸变与离心畸变作用后形成的图像点,据此建立了新的摄像机成像数学模型.利用该模型,结合投影变换中的交比不变性实现了各项畸变系数的线性标定.整个标定过程由3个独立步骤组成,降低了系数间的耦合误差.标定模板采用普通的电脑液晶显示屏,无需专门制作,且方便摆放和调整,更适于现场标定.在标定过程中保持摄像机与标定模板固定不动,避免了主动视觉方法对高精度控制平台的要求.结合相位测量系统实现了三维物体的高精度测量.     

混入逃逸函数的遗传算法优化超大视场光学系统

超大视场光学成像系统在各领域的应用越来越多,但却缺少能够对该类光学系统的像差进行参量化设计的方法。将遗传算法和逃逸函数相结合对超大视场光学系统进行了优化设计。首先,修正了基于平面对称像差理论的超大视场光学系统的评价函数;然后针对遗传算法在优化超多参量光学系统时,其优化解的鲁棒性较差的问题,采用在遗传算法中混入逃逸函数来改善算法的鲁棒性。最后应用改进的算法分别对鱼眼镜头和折反射全景成像系统进行了优化计算,结果表明,优化后光学系统的像质比参考设计有较大的改善。     

无人车鱼眼双目深度提取研究

对无人车鱼眼双目环境感知系统模型进行了研究,分析了鱼眼双目模型与针孔双目模型的转化关系。针对鱼眼图像变形大的特点,提出了一种用于鱼眼相机图像矫正的余弦相似方法插值算法,算法采用余弦相似方法衡量待插值点与周围灰度已知点的相似性,对因重投影产生的像素缺失进行了有效插值。最后,通过场景深度提取试验对该模型和算法进行了试验验证。研究结果表明,与传统双目模型相比,鱼眼双目模型能够获得更大范围的深度信息;对于鱼眼双目模型中的插值,所提出算法能更好地处理插值细节,从而更加有效地提取场景的深度信息。