专利名称：一种镜头成像畸变校正的方法
技术领域：
本发明涉及数字图像处理领域，尤其涉及一种镜头成像畸变校正的方法。
背景技术：
普通光学镜头在成像的时候一般会存在一定程度的畸变，具体表现可分为两种情况枕形畸变(pin-cushion distortion)，及桶形畸变(Barrel distortion)。由于畸变的存在，当镜头正对一个矩形拍摄时，成像不再是矩形，而是如图1所示的形状。大多数情况下人看到畸变后的图像后，大脑能对其进行自动校正，结果是基本上不影响对图象内容的感知，但对于计算机及很多软件而言，这会导致严重的后果。因此有必要对畸变的图象进行适当校正。
目前现有的补偿图像畸变的方法，如申请日为1998年11月26日的中国专利98122712.0，都是先读取一个校正片，此校正片上具有预定量的黑白相间条纹，黑条纹的精确位置为已知。校正片读取后，可得相应的预定量黑白相间条纹，经判断计算后可得黑条纹位置。然后，计算该预定量黑白相间条纹的精确位置与图像读取后计算位置的差值，即得各基准点的畸变量。将各基准点的畸变量存入存储器中结束校正片读取程序。每次进行图像读取时，存于存储器中的各畸变量被取出，以修正光学系统造成的图像畸变。
但是，此类方法存在一定的问题。首先，它计算黑白条纹后得到的是几个基准点的畸变量。这使得这种畸变校正的效果不是很准确，并不能得到完全符合要求的校正图像。其次，各基准点的畸变量是存储在存储器中的。而对于可变焦的镜头而言，在不同的焦距下畸变是不同的。在焦距范围的一端产生枕形畸变，在另一端则产生桶形畸变。显然预存下来的各基准点的畸变量不能适应焦距的变化带来的畸变，每次调节焦距后，需要重新读取校正片，对基准点的畸变量进行计算。对于经常进行焦距调节的场合，例如数字相机，或PC Camera，这显然是不现实的。另外，要解决光学系统畸变的问题，最根本的途径在于，对畸变的产生建立一个严格的数学模型，在此基础上研究其产生的原因并找到解决方法。在这样的情况下，新的光学系统畸变的解决方案被需求。
发明内容
为了解决现有技术中的问题和不足，本发明的目的在于提供一种灵活易用的对镜头成像畸变进行校正的方法。它可以方便的用于各种经常进行焦距调节的场合，而且可以得到准确的校正结果。
一种镜头成像畸变校正的方法，该方法包括下列步骤1)进行图像读取，产生一组对应的图像信息；2)根据经验或在人机交互的情况下由人对校正系数k1，k2，...kn，n为任意自然数，进行赋值；3)根据指定的校正系数值k1，k2，...kn，算出图像中每个点的畸变量，得到校正后的图像；
4)根据校正效果动态地修改校正系数值k1，k2，...kn，并执行步骤3)，直至得到满意的校正图像。
上述校正系数k1，k2，...kn由下列步骤定义设定畸变量对于聚焦点即圆心O是各向同性的，在某条半径OP上对畸变建立数学模型；设定校正后的点P位于OP之延长线上的Q点处，OP＝r，OQ＝R，畸变量dr＝R-r；畸变量dr可以表示为dr＝k1*R+k2*R3+k3*R5+…，k1，k2，...kn为畸变系数。
本发明还可以在进行步骤1)前对图像进行预先校正，所述预先校正的步骤为1)取得各基准点的畸变量ΔX(i)，i＝1，2，3，…，M；2)进行图像读取，产生一对应的图像信息；3)根据所述各畸变量ΔX(i)，对所述图像信息进行补偿。
上述预先校正还可以以如下步骤为进行1)进行图像读取，产生一对应的图像信息；2)取得各基准点的畸变量ΔX(i)，i＝1，2，3，…，M；3)根据所述各畸变量ΔX(i)，对所述图像信息进行补偿。
上述各基准点的畸变量ΔX(i)由下列步骤产生提供一校正片，校正片上具有预定量的黑白相间条纹，所述黑白条纹的精确位置为已知值，X(1)，X(2)，X(3)…X(M)，称之为基准点；使图像读取装置读取校正片上具有预定数量的黑白相间条文图案，产生一对应图像信息；由对应图像信息，计算后可得到所述条纹图案的位置X`(1)，X`(2)，X`(3)…X`(M)；计算该预定数量黑白相间条纹图案的精确位置与图像读取后位置的差值，得到各基准点的畸变量ΔX(1)，ΔX(2)，ΔX(3)…ΔX(M)；将各基准点的畸变量ΔX(1)，ΔX(2)，ΔX(3)…ΔX(M)存入一存储器。
由于本发明提出一种对针光学镜头图像畸变所建立的数学模型，以及对其进行校正的方法。使得本发明可以准确地对存在畸变的图像进行较正，而且可以根据需要随时对校正结果进行调整。它可以用读取黑白条纹校正片的方法对成像进行预先校正，也可以很容易地对事先未经任何校正的图像进行手工校正。本发明解决了现有技术中每次调节焦距后，需要重新读取校正片，对基准点的畸变量进行计算的问题。对于经常进行焦距调节的场合，例如数字相机，或PC Camera，可以方便的根据经验或在人机交互的情况下由人对畸变系数进行赋值，然后根据畸变系数的值对图像进行校正。它可以解决枕形畸变和桶形畸变，并且在应用上具有灵活易用的特点。
图1为镜头对矩形进行拍摄发生畸变的示意图；图2为本发明的工作流程图；图3为本发明建立数学模型的原理图。
具体实施例方式
参看图2，一种镜头成像畸变校正的方法，该方法包括下列步骤1)进行图像读取，产生一组对应的图像信息；
2)根据经验或在人机交互的情况下由人对校正系数k1，k2，...kn，n为任意自然数，进行赋值；3)根据指定的校正系数值k1，k2，...kn，算出图像中每个点的畸变量，得到校正后的图像；4)根据校正效果动态地修改校正系数值k1，k2，...kn，并执行步骤3)，直至得到满意的校正图像。
参看图3，上述校正系数k1，k2，...kn由下列步骤定义假设校正后点P应该位于OP之延长线上Q点处，令OP＝r，OQ＝R，则畸变量dr定义为dr＝R-rdr为正数时，表示桶形畸变，为负数时表示枕形畸变。
显然，某点处的畸变量随着其半径不同而不同。一般而言，越接近图像的边缘，畸变越厉害。
另外，当R变为-R时，即在相反方向延长线上的点，其畸变量dr也变为-dr。
于是，我们可以将dr表示为dr＝k1*R+k2*R3+k3*R5+…其中，k1，k2，k3等为待定的系数。为了说明的方便，假设只取前面三项来做近似dr＝k1*R+k2*R3+k3*R5本发明可以据经验或在人机交互的情况下由人对校正系数进行赋值。在这种情况下，根据指定的k1，k2，k3值，可以计算出校正后的图像，并根据校正效果动态地修改k1，k2，k3值，一般在修改几次之后就能达到较好的效果。
本发明在定出k1，k2，k3值之后，就可以对获取的图像进行校正。在计算校正图像时，由于参数或结果一般不会恰好为整数，为了避免校正后的图像里出现某些点永远不会被计算到的情况，这里提出一种“逆向求解”的方法。假设要计算校正后图像中的点(a，b)的亮度值或色彩值，其中a，b为整数。我们可以求出该点的半径R，将R代入上面的公式中，求出dr，进而根据r＝R-dr，求出r。注意到半径r是在校正前的图像中的值。这样就可以在校正前的图像中找到对应点(a’，b’)，因为a’和b’一般不是整数，我们可以通过插值算法求出该点的亮度值或色彩值。
本发明还可以在进行步骤1)前对图像进行预先校正，所述预先校正的步骤为1)取得各基准点的畸变量ΔX(i)，i＝1，2，3，…，M；2)进行图像读取，产生一对应的图像信息；3)根据所述各畸变量ΔX(i)，对所述图像信息进行补偿。
所述预先校正还可以以如下步骤进行1)进行图像读取，产生一对应的图像信息；2)取得各基准点的畸变量ΔX(i)，i＝1，2，3，…，M；3)根据所述各畸变量ΔX(i)，对所述图像信息进行补偿。
上述各基准点的畸变量ΔX(i)由下列步骤产生提供一校正片，校正片上具有预定量的黑白相间条纹，所述黑白条纹的精确位置为已知值，X(1)，X(2)，X(3)…X(M)，称之为基准点；使图像读取装置读取校正片上具有预定数量的黑白相间条文图案，产生一对应图像信息；由对应图像信息，计算后可得到所述条纹图案的位置X`(1)，X`(2)，X`(3)…X`(M)；计算该预定数量黑白相间条纹图案的精确位置与图像读取后位置的差值，得到各基准点的畸变量ΔX(1)，ΔX(2)，ΔX(3)…ΔX(M)；将各基准点的畸变量ΔX(1)，ΔX(2)，ΔX(3)…ΔX(M)存入一存储器。
权利要求
1.一种镜头成像畸变校正的方法，该方法包括下列步骤1)进行图像读取，产生一组对应的图像信息；2)根据经验或在人机交互的情况下由人对校正系数k1，k2，…kn，n为任意自然数，进行赋值；3)根据指定的校正系数值k1，k2，…kn，算出图像中每个点的畸变量，得到校正后的图像；4)根据校正效果动态地修改校正系数值k1，k2，…kn，并执行步骤3)，直至得到满意的校正图像。
2.按照权利要求1所述的镜头成像畸变校正的方法，其特征在于，所述校正系数k1，k2，…kn由下列步骤定义设定畸变量对于聚焦点即圆心O是各向同性的，在某条半径OP上对畸变建立数学模型；设定校正后的点P位于OP之延长线上的Q点处，OP＝r，OQ＝R，畸变量dr＝R-r；畸变量dr可以表示为dr＝k1*R+k2*R3+k3*R5+…，k1，k2，…kn为畸变系数。
3.按照权利要求1所述的镜头成像畸变校正的方法，其特征在于，还可以在进行步骤1)前对图像进行预先校正，所述预先校正的步骤为1)取得各基准点的畸变量ΔX(i)，i＝1，2，3，…，M；2)进行图像读取，产生一对应的图像信息；3)根据所述各畸变量ΔX(i)，对所述图像信息进行补偿。
4.按照权利要求3所述的镜头成像畸变校正的方法，其特征在于，所述各基准点的畸变量ΔX(i)由下列步骤产生提供一校正片，校正片上具有预定量的黑白相间条纹，所述黑白条纹的精确位置为已知值，X(1)，X(2)，X(3)…X(M)，称之为基准点；使图像读取装置读取校正片上具有预定数量的黑白相间条文图案，产生一对应图像信息；由对应图像信息，计算后可得到所述条纹图案的位置X`(1)，X`(2)，X`(3)…X`(M)；计算该预定数量黑白相间条纹图案的精确位置与图像读取后位置的差值，得到各基准点的畸变量ΔX(1)，ΔX(2)，ΔX(3)…ΔX(M)；将各基准点的畸变量ΔX(1)，ΔX(2)，ΔX(3)…ΔX(M)存入一存储器。
5.按照权利要求1所述的镜头成像畸变校正的方法，其特征在于，还可以在进行步骤1)前对图像进行预先校正，所述预先校正的步骤为1)进行图像读取，产生一对应的图像信息；2)取得各基准点的畸变量ΔX(i)，i＝1，2，3，…，M；3)根据所述各畸变量ΔX(i)，对所述图像信息进行补偿。
6.按照权利要求5所述的镜头成像畸变校正的方法，其特征在于，所述各基准点的畸变量ΔX(i)由下列步骤产生提供一校正片，校正片上具有预定量的黑白相间条纹，所述黑白条纹的精确位置为已知值，X(1)，X(2)，X(3)…X(M)，称之为基准点；使图像读取装置读取校正片上具有预定数量的黑白相间条文图案，产生一对应图像信息；由对应图像信息，计算后可得到所述条纹图案的位置X`(1)，X`(2)，X`(3)…X`(M)；计算该预定数量黑白相间条纹图案的精确位置与图像读取后位置的差值，得到各基准点的畸变量ΔX(1)，ΔX(2)，ΔX(3)…ΔX(M)；将各基准点的畸变量ΔX(1)，ΔX(2)，ΔX(3)…ΔX(M)存入一存储器。
全文摘要
本发明公开了一种镜头成像畸变校正的方法，属于数字图像处理领域。本发明可以方便的用于各种经常进行焦距调节的场合，而且可以得到准确的校正结果。本发明步骤包括1)进行图像读取，产生一组对应的图像信息；2)根据经验或在人机交互的情况下由人对校正系数k
文档编号G06T1/00GK1525396SQ0313770
公开日2004年9月1日 申请日期2003年6月20日 优先权日2003年6月20日
发明者王浩, 俞青, 王 浩 申请人:北京中星微电子有限公司