参数可调图像畸变校正技术

参数可调图像畸变校正技术

参数可调图像畸变校正技术参数可调国像畸变敕正技市

杨锋/华中光电技术讲究所一武汉光电国家试验室［摘耍］伴随数字图像畸变校

正处理口勺应用领域口勺不停扩大,其处理技术也成为研

究的热点.大视场成像光学系统中的畸变会减少

图像质量，必须预以校正.本文提出了•种新H勺校正措施,根据畸变率H勺定义推

导

出畸变校正公式,给出了建立畸变模型的措施.实践证明.这种模型可以满足大

多数镜头日勺畸变校正规定.［关键字］几何畸变畸变模型崎变校.

畸变的产生

图像几何畸变就是在不一样H勺摄入条件下得到图像时,一.物体H勺图像常会发生

几何畸变出现歪斜变形II勺现象.例如从.空宇航器拍摄的地球上等距平行线,其图像

会变为歪斜或虽.行而不等间距,用光学和电子扫描仪摄取的图像常常会有桶.畸变

和枕型畸变,用一般的光学摄影与测试雷达拍摄的同一.区的景物在几何形状上有较

大H勺差异.以上此类现象统称为.何畸变.实际T作中常需以某一幅图像为基准,去校

正另一.摄入方式的图像，以期校正其几何畸变,这就叫做图像的几.畸变复员或几何

畸变校正.

□□口匿髓a原图像b枕形畸变c桶形畸变

图1畸变口勺产生

数字图像的畸变是由于采用了广角镜头而引入的，一般来说，伴随视场时变化，

畸变值也变化,越靠近视场的边缘，畸变值就越大.例如一种垂直于光轴的物体，如

图1中⑸所示，它通过有畸变时光学系统成像后，会出现如图(b)或图(C)所示

的成像状况.其中(bi称为枕形畸变，(C)称为桶形畸变.枕.畸变乂称为正畸变，

桶形畸变称为负畸变.畸变产生的原因.由于系统H勺实际放大率随视场而变化,不再

是一种常数.对.正畸变,实际放大率不小于理想的放大率,而负畸变则相反..变对成

像日勺影响使像产生较为严重日勺失真.

二,畸变的校正及发展现实状况

从数字图像处理H勺观点来看:畸变校正实际上是一种.像恢复的问题，即对一•幅

退化图像日勺恢复.畸变重要表目前.像中像素点发生位移,从而使图像中物体扭曲变

形.畸变校.分为两步，第一步是对原图像进行像素坐标空间的几何变换.这样做的目

日勺是使像素点落在对日勺日勺位置上;第二步是重新.定新像素点的灰度值.由于通过上

面的坐标变换后,有些像.点也许会被挤压在一起,有时又分散开，使校正叫像素不落.

离散口勺整数坐标位置上，因此需要确定这些像素点口勺灰度值.目前，国内外有关畸变

校正算法日勺研究已经比较多，详.来讲重要分为二大类:运用原则样板校正和拟合镜

头畸变曲.校正措施.其中拟合镜头畸变曲线的措施是对几种不一样视场.行畸变il

算,通过这些计算值拟合视场角随畸变变化的曲线.然后通过这条曲线计算镜头在

CCD上所成图形的每一点.畸变值,进而计算出图像上每一点的理想位置.完全的拟

合.变曲线需要懂得光学系统的设计参数,并且要拆装已制造好.光学系统,也许全带

来装配误差.而样板标定措施就是运用.制的原则样板,使其通过待校正光学系统成

像.由于光学系.臼身存在着畸变，从而使像发生变形，根据样板理想设计参.和光学

系统H勺放大率,计算m样板理想的无失真的像，比较.行人员提高调整水平,在启停磨

负荷点附近及时启停磨,在.组升降负荷过程中启停磨并控制好压力和温度，防止出

现负.跟不上和降不下来的现象,防止协调系统退血

2.2通信传播通道H勺改善

采用基于SDH网络H勺光纤传播系统,通过接人ATM设.可将多种速率的信号映射

进SDH帧构造中，处理通信信道颈〃问题.

采用2M专用通道或基于104规约的网络接人模式的传.已可以实现,这样既可

减少中间转接环节，义大大提高了信.的传播速度和信息的容量,可以使远动信息日勺

抗干扰能力大.增强，传播安全得到深入保障.

3运行参照提议

,电,热工，电气二次，AGC机组的可靠运行,是机,炉

远动,通信等各专业设备都安全可靠运行，在网调H勺统一指挥下互相协调良好

日勺成果，同步它也是整个电网自动化水平的综合体现，它既大大减轻运行人员和调

度人员的劳动强度，又使网和发电厂构成的整个电网的安全稳定水平大大增长.根

据运行经验，提出AGC运行中的几点参照提议：

机组开机并网后,应按规定将负荷尽快升至300MW,.缩短A信号投入时间.

负荷在?300MW时，如机，炉等正常，不容许解除机.炉H勺投白动，以免影响AGC日勺

可投入率.

接调度令迅速加,减负荷时,不容许解除机,炉的投自动.只退出M信号.

处理如跳磨,捞渣机缺陷等事件时，如负荷未降至

300MW如下,机，炉可投自动时,不容许解除机，炉的投自动.只退出M信号.

调度下发负荷指令异常时，如负荷指令突降至300MW.运行应及时发现,并退出

AGC（只退M信号），采用限负.措施立即联络调度查明原因，待负荷指令正常后,投入

AGC.期间不容许解除机，炉啊投自动，以免影响AGC/J可投入率.出现负荷指令不跟

踪等状况导致A信号无法投入时,应.时联络热工，电气二次人员，由运行,热工,电气

二次人员.

切配合,联络调度，自动化查明原因，如无外部原因,应由.工人员强制A信号,及

时投入AGC.

运行人员应加强运行工况调整,尽量减少南于协调不稳.出AGCH勺状况.

电气二次应加强传播通道和远动设备日勺检查,维护，使.息传播和信号变换对口勺.

热工应加强协调系统(CCS)的检杳,维护，保证机,.自动状态的可靠投入和机炉

协调口勺正常.

运行人员应按规定及时填写AGC投退登记表，时间和.退原因一定要填清晰,每

一值无论与否有AGC投退,都应.值长签字，以便每月及时记录AGC投退状况及原因,

及时.总调自动化杳对，掌握本厂机组AGC运行状况.注.

A信号一机组容许AGC运行

M信号一机组AGC投入/退出

科课时代一第21期91

盈专题研究1ZHUANUYANJ1U

和实际像H勺差异，就可以得到它们之间的函数关系.校正日勺.程就是运用这种函

数关系来完毕有畸变H勺实际像到无畸变的.想像的转换.运用点阵样板校正畸变,不

需要其他光学测量.器和光学系统构造参数，只是根据系统畸变特性进行校正,.计算

其样点对应口勺坐标时也会带来误差.

三,迫近畸变曲线校正法

对于光学参数求畸变曲线校正法，需要懂得光学系统的结构参数,还需要用专

用T具对己经装配好H勺光学系统进行拆装，这样很也许会引入较大的装配误差,影

响校正日勺精度.而原则样板标定法得首先建立好校正的硬件平台，要采集摄像头捕

捉到原则样板的的畸变图像,并且在用重心法求对应点的坐标过

程中也许会引入误塞在总结上面二种畸变校正措施的基础上，提1叶J了一

种新H勺参数以便可调H勺咬正措施:迫近畸变曲线校正法

此计算措施包括了如下三个计算过程.第一,规定了每.像素理想像高H勺坐标表

达法.第二,存坐标系中确定理想像.相时畸变系数的一般表达.第三,运用光学系统

日勺对称性,.过合适日勺坐标变换,逐点计算jU整幅画面实际像高的坐标表达.图2为

光学系统口勺成像示意图.图中理想像高为Y,镜.焦距为f,半视场角为,则畸变量?Y

可用下式表达,.?Y=fo-fta.

式中，flan为理想像高Y;fo是视场角为时引起町际像高Ys.

,r；

J

k------------------------------f-------------------------

图2光学系统成像示意图

显然,伴随视场角的变化,畸变量也伴随变化.换句话说，在视场内，每一种像点

对应一种不一样H勺畸变量，离光轴越远畸变量越大,此处定义Ys与Y的比值为相对

畸变，用s表达，即

S=Y/Ys=tan01e

图3给出了摄像机画面空问采样间隔口勺网格图.画面的.宽比为4:3,X,Y方向均

分255等份,共256x256个网格点.网格点的标号可南直角坐标系和极坐标系分别给

出.在直角.标系中，左上角为直角位标系原点,X轴的正方向向左，Y.正方向向下.在

极坐标系中，其原点在画面的中点(d),且.光轴重叠,图中，有向线段0E落在第一象

限,它代表了任..

个子午面内时理想像高,其极点位汽恰好在网格点上.该点

在x'V方向H勺投影分别用Rx和Rv表达.为讨论问题的以便起见.把直角坐标系

向左和向下平移127.5个网格H勺距离，使直角.标系的原点恰好与极坐标的原点重叠,

并使Y轴反向.因此.把平移前H勺直角坐标系称为实际坐标系,把平移后H勺直角坐.系

(x,y)称为参照坐标系.

10Ikl26j27{2$lk2532542IjcJ!lJ

.-iE-r—|.一〃

1:7—

L_125-J

…一LI\[.1/?)

jO7…一{

IL-i{-r一')

53=1{7;-1I\)I

?

图3网格点日勺坐标表达法

下面我们通过详细口勺例子来阐明一下这种畸变校正措施.详细环节,首先假设焦

距f=2.6mm,半视场角二60,整个画.向长宽比为4:3.

(1)有向线段OAH勺长度表达了由光学系统的视场角所决.的最大理想像高，用

Rmax来表达.

Rmax=flg0=2.6tg60=4.5033(2)在画面H勺第一象限内H勺任何一种网格点在x,Y

方向口勺分量:

Rxi=(2i+l)?Rx=(2i+l)Rxmax/255=(2i+l)(0.8/255)Rmax

Ryj=(2j+l)?Ry=(2j+l)Rymax/255=(2j+l)(0.6/255)Rmax

(3)计算网格点到原心的距离Rij:

R岛二(Rxl.R'=【(2i—rr(08)'一(一1九0.6r]{Rmax'255)

(4)计算理想像高对应的视场角

0ij=arctan(Rij/f)

(5)网格点对应於J畸变系数

Sij=aretan(Rij/f)/(Rijm(6)实际像高在x,Y方向分量

RRxi=SijRxi

RRyj=SijRyi

(7)由于实际像高的极点并不一定恰好落在网格点上,所以上式的左边H勺分量

也并不一定是i,1日勺整数倍.于是畸变像高的坐标标号I,J可由下式导m,计算实

际像高啊网格位置一

255R

xiSij—

1

，:Q：塑丛

2

J=

255R

yjSij—

1

0.6Rmax

2

(8)计算畸变像高的坐标度量,若I,J都为整数,则实.像高恰好落在网格点上；

若I,J都为非负整数,则实际像高.然落在(I,J)(I+1,J)(I,J+1)和(1+1,J+D四个网

格点内.

若网格点上存储口勺坐标系数就是网格点自身口勺网格标号(光.系统无畸变)，则由

相对于参照坐标系来说，这些网格标号.得在原有的标号上再各自加0.5个单位，只

有这样才能把它.的数据影射到参照坐标系来进行度量，另首先，由于光学.统的成像

质量是轴对称H勺，因此其他二个象限与第一象限也.轴对称的.

xl=I+0.5;yl一(J十0.5)［第一象限】

x2=一(J+0.5);y2二一fJ+0.5)［第二象限］

x3=-(I+0.5);y3=J+0.5【第i象限】

x4=I+0.5;y4=J+0.5f第四象限］

f919直角坐标变换，假如把所有H勺网格点逐一作为存储.中H勺一种存储单元,并

按实际直角坐标系按续排列，则只有.第一象限导出的坐标标号作合适地变换,才能

使四个象限内.各自坐标标号统一在同一种直角坐标系内.为此必须进行如.日勺坐标

变换.设x,Y为参照坐标系的坐标轴,x,Y为实际.标系的坐标轴.

X=X+127.5

Y=y+127.5

(10)确定校正数据

分别建立X,Y口勺整数部分和x,Y的小数部分口勺数据.运用以上计算环节,并通过

编程可以得到摄像机口勺四个.对畸变系数文献.由这些相对畸变系数,通过几何空间

变换.可以得到校正的图像.不过由于校正后的输图像•般被映.到输入图像H勺羊整

数位置,因此,为了决定与该位置对应的.度值,必须运用灰度插值运算.

我｛fl$lj用上述措施在MATLAB中对畸变图像进行了仿真校正,可以通过微调

焦距f获得最佳H勺校正效果.如下图所示：92科课时代?第21期

科课时代

种基于灰度有关H勺迅速国像匹配算法

杜娟/华中光电技术珊究所一武汉光电国家试验室

［摘要］在老式H勺基于灰度有关H勺图像匹配算法基础上，提出了一种改善H勺迅速

图像匹配算法.该算法通过减少搜索子图和优化

测度函数,大大减少了算法时时间复杂度和空间复杂度,在迅速匹配的基础上，

进行归一化口勺有关计算,既能保证匹配效果,又提高了

匹配速率.试验成果表明，这是一种能提高效率的有效算法.

［关键字］图像匹配测度函数归一化有关

［Abstract］Annewa1gorithmoffastimagematchingbasedongra)^correlationwas

putforwar

d.Itgreatlydecreasedtime

andspacecomplexitybyreducingsearchingsubimagcsancloptiniizingmcasurcfu

notion.N

ormalizedCorrelationcomputingonthe

baseoffastmatchingnotonlyensuredmatchingeffeet,butalsoimprovedmatchingsp

eed.Th

eresu1tshowedthealgorithmwa.practical.

[Keywords]ImagematchingmeasurefunctionNormalizedCorrelation

1引言

在过去的几十年中，多种图像匹配算法相继出现,并且结

合许多数学理论和措施,人们不停提新的匹配措施.对于灰

度图像H勺匹配分为基于图像H勺几何特性和基于图像灰度值两大类.前者适合于

单一明确日勺R日勺检测且对R日勺H勺几何特性提取

有较高H勺规定，在背景较复杂时不易目的提取,且计算量大，

对系统的消耗很大.后者采用搜索子图遍历图像,并对搜索窗

口和模板求归一化有关值，以此作为测度函数,衡量搜索窗口

内图像与模板H勺匹配度,这种基于灰度有关的匹配尤其适合复

杂背景下多RIH勺识别，匹配的精确性和适应性也很高.不过该

算法有一种致命H勺弱点，就是■算量过丁庞大,难以满足实时

环境下目的识别日勺规定.为此人们提了一种序贯相似性检测

算法,减少计算的复杂度和搜索次数,大大减少了识别时间.本文提的改善算法

正是在序贯相似性算法基础上,深入.少乘法和除法运算,缩减搜索量,在保证几配率

不影响的状.下，加紧匹配速度.

2老式图像匹配算法

图像匹配是图像识别日勺重要构成部分之一.在机器识别事物H勺过程中，常需要

把不一样传感器或同一传感器在不一样步间，不一样成像条件下对同一景物获取的

两幅或多幅图像在空间上对准,或根据已知模式到另一幅罔中寻找对应的模式,这

称为匹配

子笛S

(a)搜索图(b)模板

图1搜索图及模板

T

若在被搜索图中有待寻的目日勺,且同模板有同样的尺寸和方向，它的基本原则

就是通过有关函数口勺计算来找到它以及被搜索图的坐标位置.假设我们要在搜索区

域中，寻找与模板图像有关程度最大的位置，可以通过模板匹配来计算两者的有关

程度.在图1中模板h叠放在搜索图a上平