基于魚眼相機的圖像校正算法研究

師佳佳 薛賽飛 李小龍 張旭 韓芳

摘要：魚眼鏡頭作為一種超廣角鏡頭，具有魚眼鏡頭焦距小，視角開闊等特點，使得魚眼鏡頭在獲得大信息量圖像的同時，也帶來嚴(yán)重的畸變，需要經(jīng)過校正才能達(dá)到更好的視覺效果，因此研究魚眼圖像校正問題具有重要的現(xiàn)實意義。本文主要介紹了魚眼圖像的不同校正方法，并重點研究了基于等距投影模型的魚眼圖像校正算法，最后通過對比實驗，驗證了等距投影模型的校正算法在魚眼校正中的優(yōu)勢。

關(guān)鍵詞：魚眼圖像;等距投影;校正算法

中圖分類號：TP18 ? ? ?文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2022）02-0076-03

魚眼相機由于具有超廣角鏡頭，視覺范圍廣闊，信息量大，對于近距離拍攝大范圍景物非常便捷，易于實現(xiàn)大范圍的180°全向無死角監(jiān)控，在虛擬現(xiàn)實、智能交通、安防監(jiān)控、智能機器人視覺導(dǎo)航等眾多領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。但是，由于魚眼鏡頭是采用多鏡組結(jié)構(gòu)設(shè)計，這些鏡組在獲得超大視場成像的同時，也帶來了嚴(yán)重的徑向畸變。為了達(dá)到更好的視覺效果，同時適應(yīng)特定的應(yīng)用場合，通常需要對魚眼圖像進行校正，校正方法通常包括兩個步驟[1，2]：坐標(biāo)變換和魚眼圖像插值，前者是建立失真圖像與校正圖像之間的坐標(biāo)變換關(guān)系，后者是對坐標(biāo)變換后產(chǎn)生的空像素進行插值填充。

基于魚眼相機的圖像校正算法有不同的分類方法，按照校正算法是否涉及點的空間信息，分為2D校正和3D校正算法[3，4，5]，其中，2D校正算法不涉及點的空間信息，直接確定魚眼圖像與校正圖像之間的對應(yīng)點的坐標(biāo)變換關(guān)系，而3D校正算法是從3D空間的角度來考慮魚眼圖像的校正。按照是否借助外部設(shè)備進行標(biāo)定，分為基于投影變換的校正方法和基于標(biāo)定的校正方法[6]，基于投影變換的校正算法是基于已有投影模型，采用多項式擬合優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)的方法，估計模型參數(shù)，導(dǎo)出校正圖像;基于標(biāo)定的校正算法，主要借助于標(biāo)定設(shè)備如標(biāo)定板對魚眼圖像內(nèi)外參數(shù)進行標(biāo)定等。對于圖像校正算法，目前已有很多相關(guān)的研究。鄭亮等[7]基于已有的九點非迭代優(yōu)化算法，提出一種自標(biāo)定算法，利用核密度估計方法選擇最優(yōu)參數(shù)代入畸變模型，實現(xiàn)魚眼自標(biāo)定和自動校正。何向東等[8]提出一種基于拼接算法的魚眼圖像畸變校正方法，楊晶晶等[9]根據(jù)投影的不變性原理，推導(dǎo)出畸變直線的斜率，提出一種基于幾何性質(zhì)的魚眼鏡頭成像的校正算法。本文研究基于投影變換模型的3D校正分析方法，并使用不同的校正算法對魚眼鏡頭圖像進行校正，對校正結(jié)果進行對比分析。

1 基于投影變換的魚眼圖像的3D校正方法

1.1 魚眼鏡頭的設(shè)計模型

根據(jù)投影函數(shù)的不同，魚眼相機的設(shè)計模型一般分為5種[6]：透視投影等積投影、等距投影、體視投影和正交投影。

魚眼鏡頭標(biāo)定中使用最多的是等距投影模型，其投影函數(shù)如公式（1）所示：

[r=fθ] ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （1）

其中，r是像高（魚眼圖像上像點與鏡頭主軸之間的距離）， f是鏡頭的焦距，[θ]是入射角（景物入射光線與主軸的夾角）。

由于實際的魚眼鏡頭并不會精確的符合定義的投影模型，在實際標(biāo)定中，一般會使用取 r關(guān)于θ泰勒展開式的前5項來近似魚眼鏡頭的實際投影函數(shù)，如公式（2）所示：

[rθ=ikiθ2i+1≈i=04kiθ2i+1=k0θ+k1θ3+k2θ5+k3θ7+k4θ9] （2）

1.2 魚眼鏡頭的校正算法

魚眼鏡頭結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在研究其成像過程時，通常將其簡化為單位球面。如圖1所示：

假定OcXcYcZc為相機坐標(biāo)系，OXY為成像面，其中OOc=f。

A為相機坐標(biāo)系中的一點，入射角為θ，若按針孔模型投影其像點為A0（a，b），不存在畸變。

令OA’=rd， OA0=r，根據(jù)圖中幾何關(guān)系可得式（3）。

[θ=atan （r/f）] ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （3）

由于魚眼鏡頭的畸變，實際的成像點將為[A']

由等距投影模型公式（1）得：

[rd=fθ] ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （4）

設(shè)校正后的圖像的寬度和高度分別為w和h，P[（x，y）]是其中的任一點，其對應(yīng)的魚眼圖像中的點為[P'x'，y']，其中中心點分別為O， [O']。假設(shè)校正后的圖像的光學(xué)中心與圖像的幾何中心O重合。

[θ=arctanrdf] ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（5）

下面分析P對應(yīng)像點的位置：

由于圖像的坐標(biāo)系統(tǒng)與實際讀取像素時的坐標(biāo)系統(tǒng)具有不同的原點，因此，首先需要平移坐標(biāo)，并得到P與原點的距離如下：

[OP=x?w22+y??22] ? ? ? ? ? ? （6）

根據(jù)式（5），得到P點的入射角為：

[θ=arctanOPf=arctanx?w22+y??22f] ? ? （7）

由（4）可得：

[OP'=farctanx?w22+y??22f] ? ? ? ?（8）

根據(jù)極坐標(biāo)變換公式，可得[P']點對應(yīng)的坐標(biāo)值，由于相機坐標(biāo)系和圖像坐標(biāo)系具有不同的原點，這里也要進行坐標(biāo)的平移。式（8）中的f可表示為：f=2r/π

當(dāng)圖像是單位球時，變換后的圖像的尺寸要大于原始的魚眼圖像。在這里我們采用反向計算的方法，從校正好的目標(biāo)圖像出發(fā)，對于目標(biāo)圖像每一點[P（x，y）]，反向計算出魚眼圖像上對應(yīng)點的[P']的坐標(biāo)，取出該坐標(biāo)對應(yīng)的像素值作為P點的像素值即可。

綜上，算法的流程如下所示：

設(shè)校正后的圖像的寬度和高度分別為w和h，取R=max（w，h）/2

對每一個像素A（x，y）執(zhí)行如下操作

Step1 坐標(biāo)平移 x=x-w/2， y=y-h/2

Step2 計算A到原點的距離：[r=x2+y2]

Step3 計算A點的入射角：[θ=arctanrf]

Step4 計算像點[A']到原點的距離：[r'=fθ]

Step5 計算像點[A']的坐標(biāo)：[x'=x×r'r]， [y'=y×r'r]

Step6坐標(biāo)平移[x'=x+w/2y'=y+?/2]

算法中，筆者直接使用了理想的等距投影模型對魚眼圖像的成像進行分析，沒有采用式（2），一方面會降低校正的精度，但另一方面減少了計算的復(fù)雜度。在后面的驗證實驗中發(fā)現(xiàn)，僅使用理想的等距投影模型，校正結(jié)果還是比較滿意的。

2 魚眼圖像校正實驗

本文采用pycharm工具，基于python語言，在Intel（R） Core（TM） i5-7200U CPU @ 2.50GHz處理器上完成算法的仿真實驗。實驗選用經(jīng)緯度映射法作為參照，實驗中不使用標(biāo)定設(shè)備。

實驗中首先對魚眼圖像進行預(yù)處理，提取有效圖像區(qū)域，如圖2所示（第一列為直接從魚眼相機讀取的圖像，第二列為提取的圖像有效區(qū)域）

對圖（2）中預(yù)處理后圖像分別執(zhí)行本文的算法和經(jīng)緯度映射校正算法，結(jié)果如圖3所示：

對比圖3中兩個算法的運行結(jié)果，不難發(fā)現(xiàn)，在本文的校正算法中，校正后圖中的桌子各邊均為直線，標(biāo)定板各邊也為直線（標(biāo)定板在文中僅僅是為了對比二個校正算法的執(zhí)行結(jié)果），而執(zhí)行經(jīng)緯度校驗算法的執(zhí)行結(jié)果圖中桌子的兩邊、標(biāo)定板的四條邊仍然彎曲比較嚴(yán)重。顯然，文中的算法要明顯優(yōu)于經(jīng)緯度樣驗算法。

3 結(jié)論

本文主要研究采用等距投影模型的校正算法，該算法運用了圖像中點、線元素的空間變換的原理，可以更簡便、快速地得到校正圖像，從文中對算法的描述上看，該種算法計算量較小，校正過程簡單快速，相比于2D 校正在精度方面優(yōu)勢比較明顯，本文中我們直接采用了等距投影的理想模型，因此在校正精度上還有一定的提升空間，這也是作者下一步繼續(xù)研究的方向。

參考文獻：

[1] Ngo H T，Asari V K.A pipelined architecture for real-time correction of barrel distortion in wide-angle camera images[J].IEEE Transactions on Circuits and Systems for Video Technology，2005，15（3）：436-444.

[2] 杭鵬程，余艷梅，陶青川.基于空間索引搜索的魚眼圖像校正方法[J].現(xiàn)代計算機，2020（32）：38-42.

[3] 張偉.魚眼圖像校正算法研究[D].南京：南京郵電大學(xué)， 2011.

[4] 趙紅旭.魚眼圖像校正算法的研究與實現(xiàn)[D].上海：上海交通大學(xué)，2011.

[5] 劉鵬，肖斌，鄒丕振，等.魚眼圖像畸變的2D校正[J].魯東大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2020，36（2）：137-141.

[6] 劉金亮.基于魚眼相機實時全景拼接算法的研究[D].北京：中國人民公安大學(xué)，2019.

[7] 鄭亮，陶乾.魚眼鏡頭自標(biāo)定和畸變校正的實現(xiàn)[J].計算機工程，2016，42（9）：252-256.

[8] 何志東，張建偉，梁斌斌.一種基于拼接算法的魚眼圖像畸變校正方法[J].現(xiàn)代計算機，2020（3）：57-62.

[9] 楊晶晶，陳更生，尹文波.一種基于幾何性質(zhì)的魚眼圖像校正算法[J].計算機工程，2012，38（3）：203-205.

【通聯(lián)編輯：唐一東】

1561501705235