廣角鏡頭引起的圖像畸變校正方法

張輝 丁林（昆明船舶設備試驗研究中心，云南昆明 650051）

廣角鏡頭引起的圖像畸變校正方法

張輝 丁林
（昆明船舶設備試驗研究中心，云南昆明 650051）

廣角鏡頭在當前的圖像處理領域當中，具有十分廣泛的應用，例如超市、教室、銀行等公共場所的專用監視系統、車載監控系統、醫用電子內窺鏡系統等。雖然在成像系統中采用廣角鏡頭能夠使成像范圍得到擴大，但是同時產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。

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。隨著科技的發展，在軍事、醫療、交通、工業等領域當中，計算機視覺系統得到了很大的應用。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，對于產生非線性畸變的圖像，通常是引入反映畸變影響的參數到成像模型當中，然后對修正系數進行求解，最終實現圖像的校正。在上個世紀中后期，非線性優化技術的應用，使得圖像校正得到了一定的發展，當時的遙感攝影測量領域是其主要的應用領域。隨后，在圖像學術界當中，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研究。就當前的實際發展和應用情況來看，已經存在了很多方法，能夠對圖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已知的方法。但是，其中存在的一個問題就是，這些相關的處理和校正方法，都是在圖像采集之后，再對其進行后續的處理，并沒有實時校正動態圖象的算法［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格模板法，在隨后的不斷改進與優化過程中，又產生了同心圓模板法。在制作平面網格模板法的過程當中，首先應當制作平面網格模版，可以利用相關程序，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，對理想網格點和實際網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，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格模板法產生的，因此不但具有精度高等優點，在畸變系數求解的過程中，還更加方便?；兂煞挚梢苑譃槿齻€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。

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，但是在數學運算過程中十分復雜，有時甚至無法得到精確的結果，反而會使畸變校正的精度下降。等效球面模型法是以參數已知為基本條件，對等效的球面模型進行應用，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據，就能夠進行迅速的畸變校正。在實際應用當中，需要首先分析等效球面模型，然后建立相應的映射關系，再通過簡單的計算，就能夠得出最終結構，從而實現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于模板法的特點，在圖像畸變校正的實際應用中，取得了比較理想的效果。

3　球面模型算法改進

假設一個空間坐標系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，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，相對應的坐標系比例應當是相等的［3］。

根據球形的特征，以及同面投影的相關原理列出相應的方程式進行求解，就能夠建立相應的映射關系，以此就能夠實現畸變圖像的校正。通過具體的實踐觀察能夠發現，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。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　結語

廣角鏡頭是當前社會中應用十分廣泛的高科技產品之一，相比于傳統的普通鏡頭，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。

［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［J］.計算機應用與軟件，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的研究［J］.光學技術，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字校正算法［J］.長春理工大學學報（自然科學版），2012，11（02）：184-188.