廣角鏡頭引起的圖像畸變校正方法

張輝 丁林

【摘 要】廣角鏡頭在當前的圖像處理領(lǐng)域當中，具有十分廣泛的應(yīng)用，例如超市、教室、銀行等公共場所的專用監(jiān)視系統(tǒng)、車載監(jiān)控系統(tǒng)、醫(yī)用電子內(nèi)窺鏡系統(tǒng)等。雖然在成像系統(tǒng)中采用廣角鏡頭能夠使成像范圍得到擴大，但是同時產(chǎn)生的圖像畸變情況也十分嚴重，會增加對拍攝目標的辨析難度。因此，為了能夠在保證大范圍成像的同時，還原原始圖像的清晰程度，就需要對畸變的圖像進行校正。

【關(guān)鍵詞】廣角鏡頭 圖像畸變 校正方法

在當前的市面上，常用的普通鏡頭拍攝角度大約在30°左右，而廣角鏡頭能夠達到90°-120°的拍攝視角。隨著科技的發(fā)展，在軍事、醫(yī)療、交通、工業(yè)等領(lǐng)域當中，計算機視覺系統(tǒng)得到了很大的應(yīng)用。因此，人們普遍使用了大視場的廣角鏡頭，從而獲得更大場景中的景物信息。但是，由于受到很多因素的影響，使得通過廣角鏡頭拍攝的畫面在成像過程中會發(fā)生一定程度上的畸變，從而影響圖像的清晰度和效果。為了能夠更好的發(fā)揮廣角鏡頭的作用，需要對這一問題進行校正和解決。

1廣角鏡頭圖像畸變校正的基本概述

在通過廣角鏡頭拍攝的畫面中，對于產(chǎn)生非線性畸變的圖像，通常是引入反映畸變影響的參數(shù)到成像模型當中，然后對修正系數(shù)進行求解，最終實現(xiàn)圖像的校正。在上個世紀中后期，非線性優(yōu)化技術(shù)的應(yīng)用，使得圖像校正得到了一定的發(fā)展，當時的遙感攝影測量領(lǐng)域是其主要的應(yīng)用領(lǐng)域。隨后，在圖像學術(shù)界當中，將圖像非線性畸變校正作為當時的熱點研究項目。我國在二十世紀末期開始，逐漸加強了對廣角鏡頭圖像畸變校正的相關(guān)研究。就當前的實際發(fā)展和應(yīng)用情況來看，已經(jīng)存在了很多方法，能夠?qū)D像畸變進行有效的校正。不過從校正原理上來看，這些方法大致可以分為兩個方面，分別是基于模版的方法和基于參數(shù)已知的方法。但是，其中存在的一個問題就是，這些相關(guān)的處理和校正方法，都是在圖像采集之后，再對其進行后續(xù)的處理，并沒有實時校正動態(tài)圖象的算法[1]。

2廣角鏡頭圖像畸變校正算法

2.1模板法

模板法過去指的就是平面網(wǎng)格模板法，在隨后的不斷改進與優(yōu)化過程中，又產(chǎn)生了同心圓模板法。在制作平面網(wǎng)格模板法的過程當中，首先應(yīng)當制作平面網(wǎng)格模版，可以利用相關(guān)程序，對點陣圖進行自動生成，或是利用一些矢量繪圖軟件進行制作。然后要提取特征點，對理想網(wǎng)格點和實際網(wǎng)格點分別進行計算和提取，得出畸變點和理想點之間的映射表。最后求解鏡頭畸變系數(shù)，主要方法有畸變模型簡化法、畸變模型法、多項式法等。

同心圓模板法是基于平面網(wǎng)格模板法產(chǎn)生的，因此不但具有精度高等優(yōu)點，在畸變系數(shù)求解的過程中，還更加方便。畸變成分可以分為三個主要部分，分別為徑向畸變、離心畸變和薄棱鏡畸變。在具體的校正過程中，首先需要制作同心圓模板，然后提取圓半徑，最后求解畸變系數(shù)。

2.2等效球面模型法

模板法需要列出很多方程組進行求解，雖然具有較高的精度，但是在數(shù)學運算過程中十分復(fù)雜，有時甚至無法得到精確的結(jié)果，反而會使畸變校正的精度下降。等效球面模型法是以參數(shù)已知為基本條件，對等效的球面模型進行應(yīng)用，模擬實際的圖像畸變，然后進行校正[2]。在該方法當中，不需要進行模版的建立，也不需要進行方程組求解，只需要得到鏡頭的焦距數(shù)據(jù)，就能夠進行迅速的畸變校正。在實際應(yīng)用當中，需要首先分析等效球面模型，然后建立相應(yīng)的映射關(guān)系，再通過簡單的計算，就能夠得出最終結(jié)構(gòu)，從而實現(xiàn)廣角鏡頭圖像畸變的校正。通過比較我們不難看出，在快捷性、便利性等方面，等效球面模型法都具有優(yōu)于模板法的特點，在圖像畸變校正的實際應(yīng)用中，取得了比較理想的效果。

3球面模型算法改進

假設(shè)一個空間坐標系X—Y—Z，在該空間坐標系當中，將球面模型用半球形進行代替，球形半徑已知。在改進算法當中，關(guān)鍵性的問題在于理想的成像位置上，使球面上的點進行成像。通過不斷的實踐研究，可以假設(shè)一個半球形的投影面，該投影面平行于X—Y平面，球面半徑的長度與相機的焦距相等。從坐標系的原點出發(fā)，在投影面當中，進行球面上點的投影，也就是同面投影。通過這種方式，就能夠有效的實現(xiàn)廣角鏡頭引起的圖像畸變校正。其中，理想點和畸變點之間，相對應(yīng)的坐標系比例應(yīng)當是相等的[3]。

根據(jù)球形的特征，以及同面投影的相關(guān)原理列出相應(yīng)的方程式進行求解，就能夠建立相應(yīng)的映射關(guān)系，以此就能夠?qū)崿F(xiàn)畸變圖像的校正。通過具體的實踐觀察能夠發(fā)現(xiàn)，球面模型算法改進，能夠有效的提升整體的矯正效果，所有直線都能夠得到完美的恢復(fù)。但是，仍然存在一個問題，就是在校正之后的圖像當中，四個角的清晰度還存在著一定的不足，對此可以進行有選擇性的插值。

4結(jié)語

廣角鏡頭是當前社會中應(yīng)用十分廣泛的高科技產(chǎn)品之一，相比于傳統(tǒng)的普通鏡頭，廣角鏡頭具有更加廣闊的視角，能夠采集到更大的場景和更多的圖像信息。但是，通過廣角鏡頭所成的圖像，都會發(fā)生一定的圖像畸變，需要進行校正才能清晰。對此，本文主要比較了模板法與球面模型法兩種校正方法，其中模板法精度高，但過程十分復(fù)雜。球面模型法過程簡便，但精確度有限。對此采用改進后的等效球形模型法，同時具有簡便的過程和較高的精度，比較適用于廣角鏡頭引起的圖像畸變校正。

參考文獻：

[1]吳開興，段馬麗，張惠民，王鵬.廣角圖像畸變校正算法的研究與實現(xiàn)[J].計算機應(yīng)用與軟件，2014，11（03）：237-240.

[2]王偉，鐘堰利，吳建坤.廣角鏡頭圖像畸變校正系統(tǒng)的研究[J].光學技術(shù)，2011，10（04）：489-490.

[3]丁瑩，范靜濤，楊華民，姜會林.一種廣角鏡頭光學畸變的數(shù)字校正算法[J].長春理工大學學報（自然科學版），2012，11（02）：184-188.