广角镜头引起的图像畸变校正方法

张辉 丁林（昆明船舶设备试验研究中心，云南昆明 650051）

广角镜头引起的图像畸变校正方法

张辉 丁林
（昆明船舶设备试验研究中心，云南昆明 650051）

广角镜头在当前的图像处理领域当中，具有十分广泛的应用，例如超市、教室、银行等公共场所的专用监视系统、车载监控系统、医用电子内窥镜系统等。虽然在成像系统中采用广角镜头能够使成像范围得到扩大，但是同时产生的图像畸变情况也十分严重，会增加对拍摄目标的辨析难度。因此，为了能够在保证大范围成像的同时，还原原始图像的清晰程度，就需要对畸变的图像进行校正。

广角镜头 图像畸变 校正方法

在当前的市面上，常用的普通镜头拍摄角度大约在30°左右，而广角镜头能够达到90°-120°的拍摄视角。随着科技的发展，在军事、医疗、交通、工业等领域当中，计算机视觉系统得到了很大的应用。因此，人们普遍使用了大视场的广角镜头，从而获得更大场景中的景物信息。但是，由于受到很多因素的影响，使得通过广角镜头拍摄的画面在成像过程中会发生一定程度上的畸变，从而影响图像的清晰度和效果。为了能够更好的发挥广角镜头的作用，需要对这一问题进行校正和解决。

1　广角镜头图像畸变校正的基本概述

在通过广角镜头拍摄的画面中，对于产生非线性畸变的图像，通常是引入反映畸变影响的参数到成像模型当中，然后对修正系数进行求解，最终实现图像的校正。在上个世纪中后期，非线性优化技术的应用，使得图像校正得到了一定的发展，当时的遥感摄影测量领域是其主要的应用领域。随后，在图像学术界当中，将图像非线性畸变校正作为当时的热点研究项目。我国在二十世纪末期开始，逐渐加强了对广角镜头图像畸变校正的相关研究。就当前的实际发展和应用情况来看，已经存在了很多方法，能够对图像畸变进行有效的校正。不过从校正原理上来看，这些方法大致可以分为两个方面，分别是基于模版的方法和基于参数已知的方法。但是，其中存在的一个问题就是，这些相关的处理和校正方法，都是在图像采集之后，再对其进行后续的处理，并没有实时校正动态图象的算法［1］。

2　广角镜头图像畸变校正算法

2.1模板法

模板法过去指的就是平面网格模板法，在随后的不断改进与优化过程中，又产生了同心圆模板法。在制作平面网格模板法的过程当中，首先应当制作平面网格模版，可以利用相关程序，对点阵图进行自动生成，或是利用一些矢量绘图软件进行制作。然后要提取特征点，对理想网格点和实际网格点分别进行计算和提取，得出畸变点和理想点之间的映射表。最后求解镜头畸变系数，主要方法有畸变模型简化法、畸变模型法、多项式法等。

同心圆模板法是基于平面网格模板法产生的，因此不但具有精度高等优点，在畸变系数求解的过程中，还更加方便。畸变成分可以分为三个主要部分，分别为径向畸变、离心畸变和薄棱镜畸变。在具体的校正过程中，首先需要制作同心圆模板，然后提取圆半径，最后求解畸变系数。

2.2等效球面模型法

模板法需要列出很多方程组进行求解，虽然具有较高的精度，但是在数学运算过程中十分复杂，有时甚至无法得到精确的结果，反而会使畸变校正的精度下降。等效球面模型法是以参数已知为基本条件，对等效的球面模型进行应用，模拟实际的图像畸变，然后进行校正［2］。在该方法当中，不需要进行模版的建立，也不需要进行方程组求解，只需要得到镜头的焦距数据，就能够进行迅速的畸变校正。在实际应用当中，需要首先分析等效球面模型，然后建立相应的映射关系，再通过简单的计算，就能够得出最终结构，从而实现广角镜头图像畸变的校正。通过比较我们不难看出，在快捷性、便利性等方面，等效球面模型法都具有优于模板法的特点，在图像畸变校正的实际应用中，取得了比较理想的效果。

3　球面模型算法改进

假设一个空间坐标系X—Y—Z，在该空间坐标系当中，将球面模型用半球形进行代替，球形半径已知。在改进算法当中，关键性的问题在于理想的成像位置上，使球面上的点进行成像。通过不断的实践研究，可以假设一个半球形的投影面，该投影面平行于X—Y平面，球面半径的长度与相机的焦距相等。从坐标系的原点出发，在投影面当中，进行球面上点的投影，也就是同面投影。通过这种方式，就能够有效的实现广角镜头引起的图像畸变校正。其中，理想点和畸变点之间，相对应的坐标系比例应当是相等的［3］。

根据球形的特征，以及同面投影的相关原理列出相应的方程式进行求解，就能够建立相应的映射关系，以此就能够实现畸变图像的校正。通过具体的实践观察能够发现，球面模型算法改进，能够有效的提升整体的矫正效果，所有直线都能够得到完美的恢复。但是，仍然存在一个问题，就是在校正之后的图像当中，四个角的清晰度还存在着一定的不足，对此可以进行有选择性的插值。

4　结语

广角镜头是当前社会中应用十分广泛的高科技产品之一，相比于传统的普通镜头，广角镜头具有更加广阔的视角，能够采集到更大的场景和更多的图像信息。但是，通过广角镜头所成的图像，都会发生一定的图像畸变，需要进行校正才能清晰。对此，本文主要比较了模板法与球面模型法两种校正方法，其中模板法精度高，但过程十分复杂。球面模型法过程简便，但精确度有限。对此采用改进后的等效球形模型法，同时具有简便的过程和较高的精度，比较适用于广角镜头引起的图像畸变校正。

［1］吴开兴，段马丽，张惠民，王鹏.广角图像畸变校正算法的研究与实现［J］.计算机应用与软件，2014，11（03）：237-240.

［2］王伟，钟堰利，吴建坤.广角镜头图像畸变校正系统的研究［J］.光学技术，2011，10（04）：489-490.

［3］丁莹，范静涛，杨华民，姜会林.一种广角镜头光学畸变的数字校正算法［J］.长春理工大学学报（自然科学版），2012，11（02）：184-188.