大视场CMOS相机图像的畸变校正

大视场CMOS相机图像的畸变校正 大视场CMOS相机图像的畸变校正 第9卷第18期2009年9月 1671--1819(2009)18--5508--04 科学技术与工程 ScienceTechnologyandEngineering Vo1.9No.18Scp.2009 @2009Sci.Tech.Eng~ng. 大视场CMOS相机图像的畸变校正 林明汉胡贤龙黄星翁东山冯旗 (中国科学院上海技术物理研究所,上海200083) 摘要由于光学成像系统存在着非线性误差,大视场CMOS成像相机获取的图像会产生较严重的几何畸变.为了改善其 图像质量,必须对其进行畸交校正.了畸变校正的思路,建立了畸变校正的模型,并通过对正方形网格成像的办法 进行曲线拟合得到所需的校正系数,然后利用最近邻点法和双线性插值法分别对失真的网格进行校正.对比其校正效果,可 以看出采用双线性插值法时,网格的直线形状保持较好,图像质量比最近邻点法时有所改善.最后对CMOS获取的图像进行 校正,获得了较好的校正效果. 关键词CMOS相机图像畸变标准正方形网格图像校正 中图法分类号TN247;文献标志码A 图像畸变广泛存在于应用广角镜头的成像系 统中.在大视场光学系统中,采用高斯成像公式会 存在非线性误差,同时由于工艺水平限制,光学系 统在加工时可能会带来形变,此外探测器本身排列 存在不规则性,等等.所有这些都可能造成图像的 畸变…,其经典表现为图像中物体扭曲,远近比例 不协调等.解决这类失真问题的方法称为几何畸 变校正. 对于激光探测器来说,光学镜头的视场超过 110.,造成图像的畸变幅度比较大,对成像的几何位 置精度有较大影响,必须采取措施来消除畸变带来 的影响. 1畸变校正思路 1.1光学系统的畸变 一 般光学成像系统都存在一定的像差,几何畸 变是其中的一种.可定义畸变率D如式(1). D=×100%(1) 2009年6月17日收到 第一作者简介:林明汉(1985一),海南人,硕士研究生.研究方向 电路与系统. 式(1)中,'7为实际成像高度;日为理想成像高 度;D为畸变率.按此定义,畸变率为正时,实际成 像高度大于理想成像高度,在图像中表现为像素位 置被拉伸,发生了枕形畸变;当畸变率为负时,实际 成像高度小于理想成像高度,在图像中表现为图像 被压缩,像素位置向中心移动,发生了桶形畸变. 如图1所示. 口臼(a)标准方格Co)枕形畸变(c)桶形畸变 图1图像畸变效果示意图 大视场广角镜可以看成一个焦距随着目标离 光轴距离而变化的成像系统,即随着目标离光轴距 离的增加,焦距随着减小,也可以认为是边缘部分 的放大率大于中心部分的放大率,所成图像就产生 了桶形畸变J. 1.2畸变校正方法 从畸变的概念出发,可以知道消除畸变的途径 有两条:1)研制无畸变的镜头,这是从根本上解决 仪器的方法;2)设法找出仪器的实际畸变误差分 布,用数学的方法予以修正,即畸变校正,以达到提 18期林明汉,等:大视场CMOS相机图像的畸变校正 高数据处理结果精度的目的. 第一种途径虽然是从根本上解决问题的办法, 但是在实际制造加工和装调过程中,不可避免地出 现偏差,况且在大视场的光学系统中,畸变是不可 能做到很小,故而畸变校正就显得尤为重要. 几何校正是一种常用的畸变校正的方法,就是 通过几何变换来校正失真图像中的各像素位置以 重新得到像素间原来的空间关系.对图像的几何 校正主要包括以下两个步骤J: (1)空间变换:对图像平面上的像素进行重新 排列以恢复空间关系; (2)灰度插值:对空间变换后的像素赋予相应 的灰度值以恢复原位置的灰度值. 空间变换是关键性的一步,有二元二次多项式 法,高次多项式变形技术,曲面的高斯拟合方法;关 于具体问题,还需要讨论各种方法的适用性,以便 确定更简单有效的方法. 2畸变校正模型 将要采用的畸变校正模型,为极坐标模型J. 假设对于任一像元P,不失真成像在P0(.,Yo)点, 失真后成像在P.(,Y.)点,对应到轴心距离分别 r0,r,光轴在像面投影为原点o(o,0),如图2所示. 则失真前后满足以下两个关系: LP1OX=PoOX(2) r1=F(r0)(3) 式(2)中,PoOX为OP.与OX的角度, LPOX为OP,与OX的角度,失真前后角度不变 (即只有径向畸变,而无切向畸变,或者切向畸变很 小可以忽略).将F(ro)展开为幂级数如式(4). +? F(ro)=?口fr0i=口0+alr0+口2r02+a3r03(4) 实际上,在满足一定精度要求情况下,r0高次项 可以忽略,具体到几次为止视实际精度要求而定, 此处以三次为例.由此可得到: r0=F()(5) 而畸变校正实际上是已知r.求r.的过程,利用 式(5)可以完成对成像系统图像的畸变校正. y ',, : 图2极坐标模型示意图 3校正结果与分析 3.1参考图像校正 根据上述分析可知,要实现图像的校正,需要 知道r1和r0的系数关系.本文采用对标准正方形 网格成像的办法得到这些校正系数,具体过程如下: 把网格间距为0.5cm正方形网格测试图案,垂 直放置在相机前,利用相机对网格进行成像,如图3 所示. 图3标准正方形网格成像后图像 读取图像,选用合适的阈值,对图像进行二值 化.不同阈值二值化后的图像如图4所示. ??(a)阈值100(b)阈值8O 图4不同阈值时的二值化图像 5510科学技术与工程9卷 从图4中可以看出,网格交点处亮度比较明显, 可以通过简单的统计计算提取亮点坐标,提取到的 亮点坐标就是失真后网格交点的坐标.在图像网 格中心处,可以认为没有畸变,由此可以推算出网 格其他交点对应的非失真坐标.选取特殊点,如表 l所示. 表1失真点和校正后对应的非失真坐标 表1列出了部分特殊失真点及其对应的非失真 坐标,可据此推断其他网格交点的非失真坐标,即 校正后的点坐标.非失真坐标点的选取应涵盖不 同的特征点,如水平中心点,边缘点等.然后用校 正后点坐标对失真点进行曲线拟合,得到校正系 数,利用这些系数,就能对整幅图像进行校正.这 里,我们分别采用最近邻点法和双线性插值法对图 像进行校正,正方形网格图校正后图像如图5所示. ??(a)最近邻点法(b)双线性插值法 图5正方形网格校正后图像 3.2实际图像校正 对比上述两种方法的校正效果,从图5中可以 看出,采用双线性插值法时,图像的直线形状保持 较好,图像质量比最近邻点法时有所改善,故利用 上述拟合得到的校正系数,采用双线性插值法对实 际成像图像进行校正,校正后前后图像如图6所示. 可以看出,校正效果较好,图像得到了较好的恢复. 4结论 (a)校正前Co)校正后 图6校正前后图像 通过本文探讨可知,采用对标准正方形网格成 像后拟合出校正系数,分别用最近邻点法和双线性 插值法对畸变的网格进行校正,对比可知经双线性 插值校正后效果较好.经对大视场CMOS相机成像 得到的图像进行校正,能较好地纠正图像的几何畸 变,图像得到较好的恢复,从而能更准确地进行图 像的后续处理和定量分析. 参考文献 1WengJuyang,PaulCohen,MarcHernious.Cameracalibrationwitl1 distortionmodelsandaccuracyevaluation.IEEETransactionOilPat— telAnalysisandMachineIntelligence,1992;14(1O):965—980 2王雷,郭健,陈英革,等.图像桶形失真的一种校正方法.常 熟理工学院,2007;21(4):104—107 3王玉秀,李晓久.非接触式人体测量系统中图像几何畸变的校 正.天津工业大学,2003;22(4):33—36 4阮秋琦.数字图像处理学.北京:电子工业出版社,2007 5王欣刚,宋建中,顾海军.红外观察仪图像畸变的校正.光学精密 仪器,2001;9(1):39—42 (下转第5514页) 5514科学技术与工程9卷 TheDesignoftheAutoSwitchDeviceforWireless TelephoneInter—networkBasedonStateChart WUWen—Ping,ZHANGMing,ZHANGZhi?Sheng,LIUYan-Qing,PENGGang (Unit69046,ummuqi,830002,P.R.China;Unit69026,unlmqi830001,P.R.China) [Abstract]Wirelessfewroutesvoicecommunicationsystemsareusedinurgentcommunicati onareawidely.But therearemanyproblemsofcommunicationbecauseofthedifferentfrequencyandsystem.Th etelephoneautoswitch deviceprogrammedonstatusshiftwithsoundcardcanoffertherouteforvoicecommunicatio ninter-system.Itcan increasetheintegratedwirelesscommunicationcapabilityontheurgentcommunicationcondition.Actualuseshow thatthedevicehasautomatic,manualswitchingfunction,itCanswitchthetelephonebetweentheinner,between theoutside,betweeninsideandoutside.Itmeetsthedesignrequirements. [Keywords]soundcardautotelephoneswitchs~onddevelopKit (上接第5510页) ImageDistortionCorrectionofCMOSCamerawithLargeField LINMing-han,HUXian-long,HUANGXing,WENGDong-shan,FENGQi (ShanghaiInstituteofTechnicalPhysics,CAS,Shanghai200083,P.R.China) [Abstract]ImagesobtainedbyCMOScamerawithlargefieldhadseriousgeometricdistortionduetothenon— linearelrorofopticalimagingsystem.Inordertoimprovethequalityofimages,thedistortionmustbecorrected. Theideaofdistortioncorrectionisanalysedandestablishedadistortioncorrectionmodel,andthenobtainedthe correctioncoefficientbyimagingofstandardsquared.Afterthat,itachievesthedistortioncorrectionbyusing nearestneighborandbilinearinterpolationrespectively.Bycomparingtheresult,thequalityofimageisbeRerand thestraight— linemaintainsabettershapewhenusingthemethodofbilinearinterpolation.Atlast,itobtainsg0od resultbyusingthismethodtocorrecttheimagegetsbyCMOScamera. [Keywords]CMOScameraimagedistortionstandardsquaregridimagecorrection