[发明专利]基于Bayer图像的快速畸变校正方法

说明书

技术领域

本发明属于计算机视觉图像技术领域，涉及鱼眼图像畸变校正方法，特指一种基于Bayer图像的快速畸变校正方法。

背景技术

鱼眼镜头具有比普通摄像头更加广阔的视角，在全景视觉技术方面的应用越来越重，尤其是虚拟现实、全景漫游以及图像的三维重建等机器视觉领域中，鱼眼镜头更有着不可替代的位置。鱼眼镜头是一种超广角、焦距极短的镜头，其拍摄视角可以达到甚至超过180°，基于光的折射原理鱼眼镜头的制造与设计一般遵循某个特定的投影模型，通过鱼眼镜头对超广角视野或场景进行拍摄，得到超广角鱼眼图像。鱼眼图像存在严重的畸变，不符合人眼对图像的观察和浏览需求，因此需要对鱼眼图像进行畸变校正。

目前鱼眼图像畸变校正的方式主要分为基于投影变换模型的校正方法和基于标定的鱼眼镜头畸变校正方法。其中基于球面透视投影主要是通过拟合多项式以优化目标函数，从而估计校正模型参数，推导出校正后的图像，该方法研究较早，但计算复杂，实时性差。基于标定的校正方法，主要是借助外部设备对鱼眼图像的内外参数进行标定，通过真实坐标与语言成像平面坐标之间坐标转换，实现鱼眼图像畸变校正，该方法校正精度高，对实验设备要求较高。

为了简化传统校正方法复杂度，提高视觉效果，在这两类方法的基础上结合图像的具体应用领域提出了许多校正方法。如刘红军等人采用球面透视投影和柱面展开两种算法对鱼眼图像进行校正。廖士中等人则提出利用多项式表示校正前后像素点坐标之间的关系，并通过最小二乘法求得多项式参数，实现鱼眼图像校正。但这些方法多项式次数越高，校正效果越好，计算量越大，过程比较复杂，无法满足实际需求。

发明内容

针对现有方法的不足，本发明其目的在于提出一种基于Bayer图像的快速畸变校正方法。通过FPGA硬件模块实现Bayer图像的快速畸变校正，减轻ISP芯片的计算负担，增加成像系统设计的灵活性。

本发明的技术方案是：

一种基于Bayer图像的快速畸变校正方法，包括以下步骤：

第一步、将鱼眼镜头和CMOS传感器采集的Bayer图像输入FPGA模块，采用等距内参模型将鱼眼图像映射到三维球面上，利用经纬度方式对三维球面进行描述，得到鱼眼图像平面坐标点与三维球面对应映射点的经纬度坐标转换关系式；

采用等距内参模型将鱼眼图像映射到三维球面上，设鱼眼镜头位于三维球面的球心O_s处，半球面为鱼眼镜头180°视场角的覆盖面，α为入射光线O_sP_s与摄像机光轴O_sW之间的夹角，f为鱼眼镜头的等效焦距，在鱼眼图像平面内任一图像点P_d(x_d,y_d)与鱼眼图像中心O_d之间的距离为由等距投影模型可以得到r_d＝fα，为了方便计算，取三维球面的半径为f，则鱼眼图像内的点P_d(x_d,y_d)映射到三维球面上的对应点P_s(u_s,v_s,w_s)的坐标计算公式如(1)式所示。

采用经纬度方式对三维球面进行描述，即三维球面上任意点的三维坐标存在唯一的经纬度坐标与之对应，其中经度用θ表示，纬度用φ表示，则三维球面的球心O_s的经纬度坐标为(0,0)。设点P为三维球面上点P_s在平面UO_sW(如图2所示的三维球面坐标系中平面UO_sW)上的投影点，则点P_s的经纬度坐标可表示为(2)式所示。

联立(1)式和(2)式，得到鱼眼图像平面内的点P_d(x_d,y_d)映射到三维球面对应点P_s(θ,φ)的经纬度坐标计算公式(3)如下：

第二步、采用垂直鱼眼投影方法得到三维球面上映射点投影到二维平面内对应投影点的计算公式，将三维球面重新投影到二维平面；

三维球面上点P_s(θ,φ)投影到二维平面内点P_u(x_u,y_u)的计算公式如(4)式所示。