用于連續變焦距光學成像系統的數字圖像校正方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及數字圖像處理領域，特別地，涉及一種用于連續變焦距光學成像系統 的數字圖像畸變校正方法。
【背景技術】
[0002] 連續變焦距光學系統具有在視場轉換過程中不丟失目標的優點，能對快速運動目 標進行搜索和捕獲，較好地實現大視場搜索目標和小視場分辨目標的功能，在航空攝影、跟 蹤與測量中得到了廣泛的應用。由于系統制造與裝配誤差，變焦距鏡頭的非線性畸變特性 隨焦距的變化而變化，同時由于飛機姿態和攝像機視軸方位的變化，航空攝像機以一定傾 斜角度對地攝影成像，產生了復雜的幾何變形，嚴重影響利用其影像進行實時拼接的精度， 也導致拍攝到的目標發生旋轉、縮放、甚至變形，極大地增大了對目標進行持續穩定跟蹤的 難度。
[0003] 對于斜視攝影引起的梯形失真，校正方法有基于經驗模型的幾何校正方法（多項 式模型、有理函數模型、支持向量機等），與參考圖像配準進行校正的方法和基于構象模型 的幾何校正方法（共線方程法、投影變換法），其中后者由于不需要人工采集地面控制點數 據或提供參考圖像，便于采用嵌入式系統自動實現，在遙感圖像的幾何校正中得到了廣泛 的關注和應用。目前多數遙感圖像幾何校正方法一般只校正斜視攝影引起的幾何變形，對 于長焦距鏡頭其本身畸變較小，可以達到工程應用所需的校正精度，而變焦距鏡頭在短焦 距狀態的鏡頭畸變較大，圖像邊緣處畸變率高達2%~5%，并且變焦距鏡頭的非線性畸變 特性隨焦距的變化而變化，因此必須對斜視變形和鏡頭非線性畸變都進行校正。
[0004] 對于成像系統的非線性畸變，校正方法主要分為兩類：一類是攝像機標定方法，包 括Tsai基于徑向約束的兩步法和張正友基于平面標靶的標定方法，這類方法基于攝像機 成像模型，同時考慮了攝像機的內、外參數，求解精度高，但計算量大，在優化搜索過程中畸 變模型參數與攝像機的內、外參數耦合易導致求解過程不收斂或收斂于局部極小值，并且 通常需要采集多幅標靶圖像提取大量標定點的坐標，由于變焦距鏡頭的非線性畸變隨焦距 的變化而變化，針對系統的特定焦距狀態，一般需要重新進行標定，操作繁瑣耗時；另一類 是基于射影幾何不變性或不變量（直線透視投影不變性、交比不變原理、線段斜率、滅點和 平面約束等）的非量測校正方法，主要依據拍攝目標上具有共同特征的點在理想圖像上依 然具有這一特征的性質，在真實圖像上尋找并標定符合特定特征的點，建立以畸變參數為 最優解的線性泛函，采用優化搜索的方法求解畸變參數，這類校正方法要預先獲得場景的 結構信息，對在未知環境條件下（如偵察、情報等應用）獲得的圖像不一定適用，例如圖像 中邊緣特征不顯著（如草原，沙漠，海洋等）或者同時包含鏡頭畸變引起的曲線和一些真實 世界中曲線時，利用直線透視投影不變性的優化搜索方法可能無法實施或導致錯誤的畸變 參數估計結果。
[0005] 目前尚無能夠對成像系統的非線性畸變和斜視梯形失真同時進行校正的方法，故 現有的校正方法難以滿足連續變焦距光學系統的成像需求。
【發明內容】
[0006] 本發明提供了一種用于連續變焦距光學成像系統的數字圖像校正方法，以解決現 有的圖像校正方法無法對成像系統的非線性畸變和斜視梯形失真同時進行校正的技術問 題。
[0007] 本發明采用的技術方案如下：
[0008] 一種用于連續變焦距光學成像系統的數字圖像校正方法，包括：
[0009] 采集攝像機在若干離散焦距值拍攝的平面模板圖像，離線標定出變焦距鏡頭各焦 距對應的畸變參數；
[0010] 對各焦距對應的畸變參數進行曲線擬合得到擬合公式或建立畸變參數查找表；
[0011] 根據攝像機的實際工作焦距值，通過畸變參數查找表查找得到或者擬合公式計算 得到實際工作焦距值對應的鏡頭畸變參數；
[0012] 根據攝像機成像時的位置姿態數據及鏡頭畸變參數構造攝像機坐標系到地圖坐 標系的投影變換關系，將攝像圖像重投影到地圖坐標系中，對坐標變換后的像素亮度值進 行重采樣得到校正斜視變形和鏡頭畸變后的正射投影圖像。
[0013] 進一步地，畸變參數包括：畸變系數匕和畸變中心坐標（u m V。）。
[0014] 進一步地，若干離散焦距值根據變焦距鏡頭的焦距變化范圍相應選擇，每個離散 焦距值對應至少一副平面模板圖像，
[0015] 各焦距對應的畸變參數采用畸變模型參數估計算法求解得到。
[0016] 進一步地，畸變模型參數估計算法求解畸變參數包括以下步驟：
[0017] 根據一般變焦距鏡頭的畸變特性確定對應的畸變參數的取值范圍，包括畸變系數 Ii1的取值范圍和畸變中心坐標（Utl, Vtl)的取值范圍；
[0018] 檢測平面模板圖像的邊緣像素點，得到對應的邊緣圖像；
[0019] 根據畸變參數的取值范圍，選擇相應的步長得到畸變參數組合；
[0020] 對每組畸變參數計算邊緣圖像的校正圖像，并計算校正后邊緣像素點梯度，得到 各邊緣像素點的坐標和梯度方向；
[0021] 對校正圖像中的每個邊緣像素點計算投票，求得投票之和最大值對應的畸變參數 為最佳值。
[0022] 進一步地，通過所述畸變模型參數估計算法離線標定出若干離散焦距值下的畸變 參數，對各焦距對應的畸變參數進行曲線擬合得到擬合公式中，畸變系數h與焦距f的函 數關系包括：
【主權項】
1. 一種用于連續變焦距光學成像系統的數字圖像校正方法，其特征在于，包括： 采集攝像機在若干離散焦距值拍攝的平面模板圖像，離線標定出變焦距鏡頭各焦距對 應的畸變參數； 對各焦距對應的畸變參數進行曲線擬合得到擬合公式或建立畸變參數查找表； 根據所述攝像機的實際工作焦距值，通過所述畸變參數查找表查找得到或者所述擬合 公式計算得到所述實際工作焦距值對應的鏡頭畸變參數； 根據攝像機成像時的位置姿態數據及所述鏡頭畸變參數構造攝像機坐標系到地圖坐 標系的投影變換關系，將攝像圖像重投影到地圖坐標系中，對坐標變換后的像素亮度值進 行重采樣得到校正斜視變形和鏡頭畸變后的正射投影圖像。
2. 根據權利要求1所述的用于連續變焦距光學成像系統的數字圖像校正方法，其特征 在于， 所述畸變參數包括：畸變系數匕和畸變中心坐標（U m Vtl)。
3. 根據權利要求2所述的用于連續變焦距光學成像系統的數字圖像校正方法，其特征 在于， 所述若干離散焦距值根據所述變焦距鏡頭的焦距變化范圍相應選擇，每個所述離散焦 距值對應至少一副所述平面模板圖像， 所述各焦距對應的畸變參數采用畸變模型參數估計算法求解得到。
4. 根據權利要求3所述的用于連續變焦距光學成像系統的數字圖像校正方法，其特征 在于， 所述畸變模型參數估計算法求解所述畸變參數包括以下步驟： 根據一般變焦距鏡頭的畸變特性確定對應的所述畸變參數的取值范圍，包括畸變系數 h的取值范圍和畸變中心坐標（Utl, Vtl)的取值范圍； 檢測所述平面模板圖像的邊緣像素點，得到對應的邊緣圖像； 根據所述畸變參數的取值范圍，選擇相應的步長得到畸變參數組合； 對每組畸變參數計算邊緣圖像的校正圖像，并計算校正后邊緣像素點梯度，得到各邊 緣像素點的坐標和梯度方向； 對所述校正圖像中的每個邊緣像素點計算投票，求得投票之和最大值對應的畸變參數 為最佳值。
5. 根據權利要求4所述的用于連續變焦距光學成像系統的數字圖像校正方法，其特征 在于， 通過所述畸變模型參數估計算法離線標定出若干離散焦距值下的畸變參數，對各焦距 對應的畸變系數進行曲線擬合得到擬合公式中，所述畸變系數Ic1與焦距f的函數關系包 括： 當f彡f2時， Ic1 (f) = P · f2+ σ · f+ τ , 當f2< f彡f 3時， (，+ ") 式中參數P，〇，τ，δ，η，φ，fp f2,心的值隨不同鏡頭而不同，通過離線標定與曲 線擬合相結合的方法得到。
6. 根據權利要求4所述的用于連續變焦距光學成像系統的數字圖像校正方法，其特征 在于， 通過所述畸變模型參數估計算法離線標定出若干離散焦距值下的畸變參數，對各焦距 對應的畸變中心坐標進行曲線擬合得到擬合公式中，畸變中心坐標（Uc^vtl)與焦距f的關系 為： u〇 (f) = λ J · f+μ V0(f) = λ2·?+μ2, 式中參數X1, μι，λ2, μ2的值隨不同鏡頭而不同，通過離線標定與曲線擬合相結合的 方法得到。
7. 根據權利要求1所述的用于連續變焦距光學成像系統的數字圖像校正方法，其特征 在于， 所述攝像機的實際工作焦距值通過所述攝像機上的調焦機構上的位置傳感器檢測得 到。
8. 根據權利要求1所述的用于連續變焦距光學成像系統的數字圖像校正方法，其特征 在于， 所述攝像機成像時的位置姿態數據通過GPS定位數據及所述攝像機內部的角度傳感 器檢測的信息計算得到。
9. 根據權利要求1所述的用于連續變焦距光學成像系統的數字圖像校正方法，其特征 在于， 所述攝像機為航空變焦距攝像機。
【專利摘要】本發明公開了一種用于連續變焦距光學成像系統的數字圖像校正方法，采集攝像機在若干離散焦距值拍攝的平面模板圖像，離線標定出變焦距鏡頭各焦距對應的畸變參數；對各焦距對應的畸變參數進行曲線擬合得到擬合公式或建立畸變參數查找表；根據攝像機的實際工作焦距值，通過畸變參數查找表得到或者擬合公式計算得到實際工作焦距值對應的鏡頭畸變參數；根據攝像機成像時的位置姿態數據及鏡頭畸變參數構造攝像機坐標系到地圖坐標系的投影變換關系，將攝像圖像重投影到地圖坐標系中，對坐標變換后的像素亮度值進行重采樣得到校正斜視變形和鏡頭畸變后的正射投影圖像。本發明實現了變焦距成像系統中同時校正斜視梯形失真和變焦距鏡頭非線性畸變的目的。
【IPC分類】G06T7-00
【公開號】CN104835159
【申請號】CN201510229121
【發明人】劉晶紅, 周前飛
【申請人】中國科學院長春光學精密機械與物理研究所
【公開日】2015年8月12日
【申請日】2015年5月7日