專利名稱：一種基于同心圓算法的180度魚眼圖像展開方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及圖像處理和全向視覺領(lǐng)域，特指一種基于同心圓算法的180度魚眼圖像展開方法和裝置。
背景技術(shù)：
:全景圖像/視頻憑借180度全方位視角、能覆蓋大范圍場景的優(yōu)勢，在全景視頻監(jiān)控、機器人視覺導航、虛擬實景空間構(gòu)建等領(lǐng)域得到了越來越廣泛的研究和應用。魚眼全向成像是全景圖像獲取的重要途徑。但由于魚眼攝像頭的特殊設(shè)計，焦距越短，視角越大；視角越大，因光學原理產(chǎn)生的變形也就越強烈，魚眼鏡頭所拍攝的圖像除了畫面中心的景物保持不變，其他本應水平或垂直的景物都發(fā)生了相應的變化，這樣魚眼攝像機獲得的全方位圖像存在嚴重的扭曲現(xiàn)象。要有效的利用圖像信息進行導航跟蹤，需恢復還原圖像。傳統(tǒng)方法上，將圓形全向圖展開為矩形全景圖的基本思想是:根據(jù)全向圖和矩形全景圖之間的投影變換關(guān)系，將展開后的矩形全景圖中每一像素點正向投影到原始的全向圖中，獲取全向圖中相應點采樣的顏色值，再將該顏色值賦回給矩形全景圖中相應的像素點，直至生成一幅完整的矩形全景圖像。目前，魚眼圖像畸變校正的方法有很多，其中基于球面模型和基于柱面模型的魚眼鏡頭矯正方法最為常見。依據(jù)該模型，人們提出各種圖像展開校正模型，例如文獻《基于柱面模型的魚眼影像校正方法的研究》(2008年10月28日《計算機應用》雜志上公開)中描述的方法即為其中的一個典型方法，該文的作者為周輝、羅飛、李慧娟、馮炳樞，其核心內(nèi)容是從魚眼鏡頭球面成像模型出發(fā)，完成從像平面到物球面的坐標變換，用等弧長映射方法將球面的影像投影到柱面上。然而在實際應用中，由于鏡頭的安裝誤差以及畸變，基于球而模型和基于柱面模型的魚眼鏡頭矯正方法，雖然整體視角較廣，中心位置處的畸變校正效果比較好，但是對接近邊緣區(qū)域的像素校正后彎曲現(xiàn)象嚴重，對于一些全景圖像攝取應用，例如全景會議記錄儀等裝置，往往難以達到滿意的視覺效果，同時由于其變換的復雜性，在校正圖像生成速度方面仍有所欠缺，`難以滿足實時處理要求
發(fā)明內(nèi)容
:本發(fā)明要解決的技術(shù)問題在于:針對將魚眼全向圖像展開為全景圖像這個特定問題，為了消除全向成像裝置的鏡頭的安裝誤差以及畸變對全向圖展開過程中的不利影響，以及基于球面模型和基于柱面模型的魚眼鏡頭矯正方法邊緣處變形較大且變換處理復雜的問題，提出一種基于同心圓算法的180度魚眼圖像展開方法和裝置。方法包括兩個部分，第一魚眼攝像機標定，第二攝像機畸變校正。在第一個步驟中，假設(shè)從圖像傳感器得到的圖像是標準圓形的一部分，通過對圖像邊緣弧形區(qū)域的擬合，完成圖像的標定操作。算法的第二步驟忽略魚眼圖像在徑向方向的畸變，僅考慮圖像在切向方向的畸變，將魚眼圖像上一條圓心在中心線上的圓弧與展開矩形圖像上的一列相對應，將拍攝魚眼全向圖像展開為適合人眼瀏覽習慣的矩形全景圖像。本方法不需要傳統(tǒng)的棋盤標定，代擬合模型參數(shù)，復雜的計算操作等，符合實際應用的要求。同時由于算法無需任何額外的硬件資源，非常適合用于嵌入式攝像機平臺。為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采取的技術(shù)方案是:一種基于同心圓算法的180度魚眼圖像展開方法和裝置，其中方法特征是包括如下魚眼攝像機自標定和攝像機畸變校正兩個部分。魚眼攝像機自標定部分，本發(fā)明假設(shè)從圖像傳感器得到的圖像是標準圓形的一部分，通過對圖像邊緣弧形區(qū)域的擬合，完成圖像的標定操作。魚眼圖像校正的目的是估計魚眼圖像圓形的中心ο和半徑R。本發(fā)明假設(shè)魚眼圖像兩側(cè)的邊緣是圓周的一部分，由此魚眼攝像機自標定問題可以 轉(zhuǎn)換為標準的圓擬合問題，可用最小二乘算法或者霍夫變換等算法來解決。發(fā)明中的攝像機畸變校正部分是本方法的核心部分，包括如下步驟:I).對于校正后圖像的左邊第一列像素(OD)，它的每個像素值，由圓弧BDB’從上到下的每個像素來對應賦值；2).對于校正后圖像的第N列像素I。先求得一個過B，A，B'的圓，確定其半徑，然后求得其圓心ο’。然后第N列的每個像素，對應的是圓弧BAB'從上到下每個像素來對應賦值；3).由此可以遍歷整幅圖像，可以算出每一列所對應的各個圓弧。得到整個校正圖像所對應的像素值。其中原始的魚眼全向圖像不限定為標準圓形形狀，可以為橢圓或者是任意不規(guī)則形狀，可以消除以去除由于鏡頭安裝產(chǎn)生的遮擋區(qū)域，當原始圖像區(qū)域不是完整圓形時，矩形全景圖像上的一列對應于圓形圖像上的一條圓弧。步驟2)中將展開后的矩形全景圖像上的任意一列與魚眼全向圓形圖像上的一條圓弧相對應，僅考慮了魚眼鏡頭的切向畸變而忽略其徑向畸變，實際應用中可以達到較好的視覺效果，克服了一般柱面、球面展開算法邊緣處形變較大的缺點。步驟3)中全景空間任一點魚眼成像到全向圖中的正向投影公式和全向圖中任一點逆向投影到矩形全景圖像的坐標映射關(guān)系均是根據(jù)魚眼成像全向成像系統(tǒng)的面型參數(shù)和結(jié)構(gòu)尺寸，通過光學成像幾何分析推導得到的。在實際應用中，魚眼成像滿足等距條件，以及滿足單視點約束，正向投影公式及逆向映射關(guān)系都能很容易通過光學成像過程的簡單幾何推導，即光學成像幾何分析推導而成，因此，本發(fā)明對于不同的成像系統(tǒng)的正向和逆向映射關(guān)系推導過程不一作詳細描述。本發(fā)明在圖像采集方面采取的技術(shù)方案是:一套墻裝槍機式180度魚眼攝像機的全景圖像采集系統(tǒng)，其中包括墻裝槍機式全景攝像機、監(jiān)視器和外部控制設(shè)備，其中全景攝像機包括相互連接的全景成像器件和圖像處理電路板，所述圖像處理電路板上連接有網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通訊接口，電源接口和其它附加接口 ；圖像處理電路板經(jīng)網(wǎng)絡(luò)接口與監(jiān)視器連接，所述圖像處理電路板還經(jīng)數(shù)據(jù)通訊接口與外部控制設(shè)備的控制端連接。其中，所述全景成像器件采用的是魚眼鏡頭，所述成像組件可以為CCD成像組件或CMOS成像組件。本發(fā)明不依賴于魚眼鏡頭的成像模型，即適應于等距投影原理的魚眼鏡頭，也適用于其它投影原理的魚眼鏡頭。本發(fā)明的展開效果消除了其它恢復方法邊緣“拉扯”的現(xiàn)象，在邊緣也可以得到接近現(xiàn)實世界的效果。本發(fā)明算法原理簡單，速度較快，占用時間少利于硬件實現(xiàn)，在基于魚眼鏡頭的圖像跟蹤、監(jiān)控及視頻會議等領(lǐng)域都有積極的效果與廣泛的應用前景。


:圖1是發(fā)明所述基于徑向特征的全向魚眼圖像展開方法示意圖；其中SlOl是展開全景圖像上一點正向投影到全向圖成像平面的示意圖；S102是指全向圖中一點逆向投影到全景圖像的示意圖；圖2是本發(fā)明所述180度全景攝像機不意圖；圖3是本發(fā)明所述圖像采集系統(tǒng)示意圖；圖4是實施例中所述基于徑向特征的全向魚眼圖像展開方法的實驗效果圖。
具體實施方式
:以下結(jié)合附圖和具體實例對本發(fā)明做進一步詳細說明。全向魚眼圖像展開方法在本發(fā)明提出的系統(tǒng)中，有兩種方式實現(xiàn)，攝像機嵌入式系統(tǒng)實現(xiàn)變換和監(jiān)控計算機終端實現(xiàn)變換。攝像機工作原理和圖像變換的原理:全景成像器件采集周圍360視野的圖像，得到全向圖像，全向圖像輸入圖像處理電路板進行變換處理，變換后的數(shù)字圖像輸出至網(wǎng)絡(luò)輸出接口，網(wǎng)絡(luò)輸出接口連接終端監(jiān)視器進行視頻的顯示。外部控制設(shè)備通過網(wǎng)絡(luò)接口控制全景攝像機。圖像變換 在監(jiān)控計算機終端實現(xiàn)的原理:全景成像器件采集周圍360視野的圖像，得到全景圖像通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)接嬎銠C監(jiān)控終端之后通過計算機CPU進行計算全景圖像變換，并且在終端顯示出來。全向魚眼圖像展開是指將全景成像器件獲得的180度全向圖像變換成符合人眼觀察習慣的矩形全景的過程。如圖1所示。本發(fā)明提出的具體變換算法如下:首先通過標準圓擬合算法，估算出魚眼圖像的半徑R和圓心O?？捎米钚《怂惴ɑ蛘呋舴蜃儞Q等算法來解決，本發(fā)明實際使用的算法是Celestino等人于《IEEETransactions onlnstrumentation and Measurement》上提出的《On Implementing Kasaj sCircle Fitting Procedure》算法,其具體算法在本發(fā)明書中不做具體介紹。以下對算法的關(guān)鍵步驟，即攝像機畸變校正部分算法做詳細介紹。假設(shè)q是原始魚眼圓形圖像上的一點，過q作垂直于X軸的直線，設(shè)其焦點為T。求一條過BTB'的一條圓弧，設(shè)其圓心為o' (xo '，0)，而直徑為R’。過圓心的方程可以與為:(X-XO' )2+y2=R' 2將B，T，B'點的坐標帶入上式，可以求得O'和R'。然后魚眼全向圖像上一點q可以映射為矩形全景圖像上直線I上的一點q'，其映射關(guān)系可由下式求得:M = M
_4」|AT| |ET|由于魚眼圖像的對稱特性，在實際計算中可以只計算一個象限的映射關(guān)系，其他象限中的點的映射關(guān)系可以由簡單的對稱特性生成。由上述基于同心圓算法魚眼圖像全景展開方法得到的柱面全景展開圖如圖5所示，圖像質(zhì)量高，且展開速度快。本發(fā)明中提出的方法實際上可用于任意魚眼鏡頭全向成像系統(tǒng)。以上實施例僅起到解釋本發(fā)明技術(shù)方案的作用，本發(fā)明所要求的保護范圍并不局限于上述實施例所述的實現(xiàn)系統(tǒng)和具體實施步驟。因此，僅對上述實施例中具體的成像模型、公式及算法進行簡單替換，但其實質(zhì)內(nèi)容仍與本發(fā)·明所述方法相一致的技術(shù)方案，均應屬于本發(fā)明的保護范圍。
權(quán)利要求
1.一種基于同心圓算法的180度魚眼圖像展開方法，其特征是，包括魚眼攝像機自標定和攝像機畸變校正兩個部分。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述，魚眼攝像機自標定假設(shè)從圖像傳感器得到的圖像是標準圓形的一部分，通過對圖像邊緣弧形區(qū)域的擬合，完成圖像的標定操作。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述攝像機畸變校正部分包括如下步驟: 1).對于校正后圖像的左邊第一列像素(OD)，它的每個像素值，由圓弧BDB’從上到下的每個像素米對應賦值； 2).對于校正后圖像的第N列像素I。先求得一個過B，T，B’的圓，確定其半徑，然后求得其圓心ο’。然后第N列的每個像素，對應的是圓弧BTB’從上到下每個像素來對應賦值； 3).由此可以遍歷整幅圖像，可以算出每一列所對應的各個圓弧。得到整個校正圖像所對應的像素值。
4.根據(jù)權(quán)利要求1和3所述基于徑向特征的同心圓算法展開方法，其中的原始魚眼全向圖像不限定為標準圓形形狀，可以為橢圓或者是不規(guī)則形狀，可以去除由于鏡頭安裝產(chǎn)生的遮擋區(qū)域。
5.根據(jù)權(quán)利要求1和3所述基于徑向特征的同心圓算法展開方法，其特征是，所述步驟2)中將展開后的矩形全景圖像上的任意一列與魚眼全向圓形圖像上的一條圓弧相對應，僅考慮了魚眼鏡頭的切向畸變而忽略其徑向畸變，實際應用中可以達到較好的視覺效果，克服了一般柱面、球面展開算法邊緣處形變較大的缺點。
6.本發(fā)明同時公開了一種基于同心圓算法的180度魚眼成像裝置。裝置包括:墻裝槍機式全景攝像機、監(jiān)視器和外部控制設(shè)備，其中墻裝槍機式全景攝像機包括相互連接的全景成像器件和圖像處理電路板，所述圖像處理電路板上連接有網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通訊接口，電源接口和其它附加接口。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于同心圓算法的180度魚眼圖像展開方法和裝置。方法包括兩個部分一是魚眼攝像機標定，二是攝像機畸變校正。在第一個步驟中，假設(shè)從圖像傳感器得到的圖像是標準圓形的一部分，通過對圖像邊緣弧形區(qū)域的擬合，完成圖像的標定操作。算法的第二步忽略魚眼圖像在徑向方向的畸變，僅考慮圖像在切向方向的畸變，將魚眼圖像上一條圓心o′在中心線上的圓弧BTB′與展開矩形圖像上的一列相l(xiāng)對應，將拍攝魚眼全向圖像展開為適合人眼瀏覽習慣的矩形全景圖像。本發(fā)明同時公開了一種基于同心圓算法的180度魚眼成像裝置。設(shè)備包括墻裝槍機式全景攝像機、監(jiān)視器和外部控制設(shè)備。
文檔編號G06T7/00GK103247024SQ20121002377
公開日2013年8月14日 申請日期2012年2月3日 優(yōu)先權(quán)日2012年2月3日
發(fā)明者詹萬政 申請人:蘇州科澤數(shù)字技術(shù)有限公司