用于连续变焦距光学成像系统的数字图像校正方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及数字图像处理领域，特别地，涉及一种用于连续变焦距光学成像系统 的数字图像畸变校正方法。
【背景技术】
[0002] 连续变焦距光学系统具有在视场转换过程中不丢失目标的优点，能对快速运动目 标进行搜索和捕获，较好地实现大视场搜索目标和小视场分辨目标的功能，在航空摄影、跟 踪与测量中得到了广泛的应用。由于系统制造与装配误差，变焦距镜头的非线性畸变特性 随焦距的变化而变化，同时由于飞机姿态和摄像机视轴方位的变化，航空摄像机以一定倾 斜角度对地摄影成像，产生了复杂的几何变形，严重影响利用其影像进行实时拼接的精度， 也导致拍摄到的目标发生旋转、缩放、甚至变形，极大地增大了对目标进行持续稳定跟踪的 难度。
[0003] 对于斜视摄影引起的梯形失真，校正方法有基于经验模型的几何校正方法（多项 式模型、有理函数模型、支持向量机等），与参考图像配准进行校正的方法和基于构象模型 的几何校正方法（共线方程法、投影变换法），其中后者由于不需要人工采集地面控制点数 据或提供参考图像，便于采用嵌入式系统自动实现，在遥感图像的几何校正中得到了广泛 的关注和应用。目前多数遥感图像几何校正方法一般只校正斜视摄影引起的几何变形，对 于长焦距镜头其本身畸变较小，可以达到工程应用所需的校正精度，而变焦距镜头在短焦 距状态的镜头畸变较大，图像边缘处畸变率高达2%~5%，并且变焦距镜头的非线性畸变 特性随焦距的变化而变化，因此必须对斜视变形和镜头非线性畸变都进行校正。
[0004] 对于成像系统的非线性畸变，校正方法主要分为两类：一类是摄像机标定方法，包 括Tsai基于径向约束的两步法和张正友基于平面标靶的标定方法，这类方法基于摄像机 成像模型，同时考虑了摄像机的内、外参数，求解精度高，但计算量大，在优化搜索过程中畸 变模型参数与摄像机的内、外参数耦合易导致求解过程不收敛或收敛于局部极小值，并且 通常需要采集多幅标靶图像提取大量标定点的坐标，由于变焦距镜头的非线性畸变随焦距 的变化而变化，针对系统的特定焦距状态，一般需要重新进行标定，操作繁琐耗时；另一类 是基于射影几何不变性或不变量（直线透视投影不变性、交比不变原理、线段斜率、灭点和 平面约束等）的非量测校正方法，主要依据拍摄目标上具有共同特征的点在理想图像上依 然具有这一特征的性质，在真实图像上寻找并标定符合特定特征的点，建立以畸变参数为 最优解的线性泛函，采用优化搜索的方法求解畸变参数，这类校正方法要预先获得场景的 结构信息，对在未知环境条件下（如侦察、情报等应用）获得的图像不一定适用，例如图像 中边缘特征不显著（如草原，沙漠，海洋等）或者同时包含镜头畸变引起的曲线和一些真实 世界中曲线时，利用直线透视投影不变性的优化搜索方法可能无法实施或导致错误的畸变 参数估计结果。
[0005] 目前尚无能够对成像系统的非线性畸变和斜视梯形失真同时进行校正的方法，故 现有的校正方法难以满足连续变焦距光学系统的成像需求。
【发明内容】
[0006] 本发明提供了一种用于连续变焦距光学成像系统的数字图像校正方法，以解决现 有的图像校正方法无法对成像系统的非线性畸变和斜视梯形失真同时进行校正的技术问 题。
[0007] 本发明采用的技术方案如下：
[0008] 一种用于连续变焦距光学成像系统的数字图像校正方法，包括：
[0009] 采集摄像机在若干离散焦距值拍摄的平面模板图像，离线标定出变焦距镜头各焦 距对应的畸变参数；
[0010] 对各焦距对应的畸变参数进行曲线拟合得到拟合公式或建立畸变参数查找表；
[0011] 根据摄像机的实际工作焦距值，通过畸变参数查找表查找得到或者拟合公式计算 得到实际工作焦距值对应的镜头畸变参数；
[0012] 根据摄像机成像时的位置姿态数据及镜头畸变参数构造摄像机坐标系到地图坐 标系的投影变换关系，将摄像图像重投影到地图坐标系中，对坐标变换后的像素亮度值进 行重采样得到校正斜视变形和镜头畸变后的正射投影图像。
[0013] 进一步地，畸变参数包括：畸变系数匕和畸变中心坐标（u m V。）。
[0014] 进一步地，若干离散焦距值根据变焦距镜头的焦距变化范围相应选择，每个离散 焦距值对应至少一副平面模板图像，
[0015] 各焦距对应的畸变参数采用畸变模型参数估计算法求解得到。
[0016] 进一步地，畸变模型参数估计算法求解畸变参数包括以下步骤：
[0017] 根据一般变焦距镜头的畸变特性确定对应的畸变参数的取值范围，包括畸变系数 Ii1的取值范围和畸变中心坐标（Utl, Vtl)的取值范围；
[0018] 检测平面模板图像的边缘像素点，得到对应的边缘图像；
[0019] 根据畸变参数的取值范围，选择相应的步长得到畸变参数组合；
[0020] 对每组畸变参数计算边缘图像的校正图像，并计算校正后边缘像素点梯度，得到 各边缘像素点的坐标和梯度方向；
[0021] 对校正图像中的每个边缘像素点计算投票，求得投票之和最大值对应的畸变参数 为最佳值。
[0022] 进一步地，通过所述畸变模型参数估计算法离线标定出若干离散焦距值下的畸变 参数，对各焦距对应的畸变参数进行曲线拟合得到拟合公式中，畸变系数h与焦距f的函 数关系包括：
【主权项】
1. 一种用于连续变焦距光学成像系统的数字图像校正方法，其特征在于，包括： 采集摄像机在若干离散焦距值拍摄的平面模板图像，离线标定出变焦距镜头各焦距对 应的畸变参数； 对各焦距对应的畸变参数进行曲线拟合得到拟合公式或建立畸变参数查找表； 根据所述摄像机的实际工作焦距值，通过所述畸变参数查找表查找得到或者所述拟合 公式计算得到所述实际工作焦距值对应的镜头畸变参数； 根据摄像机成像时的位置姿态数据及所述镜头畸变参数构造摄像机坐标系到地图坐 标系的投影变换关系，将摄像图像重投影到地图坐标系中，对坐标变换后的像素亮度值进 行重采样得到校正斜视变形和镜头畸变后的正射投影图像。
2. 根据权利要求1所述的用于连续变焦距光学成像系统的数字图像校正方法，其特征 在于， 所述畸变参数包括：畸变系数匕和畸变中心坐标（U m Vtl)。
3. 根据权利要求2所述的用于连续变焦距光学成像系统的数字图像校正方法，其特征 在于， 所述若干离散焦距值根据所述变焦距镜头的焦距变化范围相应选择，每个所述离散焦 距值对应至少一副所述平面模板图像， 所述各焦距对应的畸变参数采用畸变模型参数估计算法求解得到。
4. 根据权利要求3所述的用于连续变焦距光学成像系统的数字图像校正方法，其特征 在于， 所述畸变模型参数估计算法求解所述畸变参数包括以下步骤： 根据一般变焦距镜头的畸变特性确定对应的所述畸变参数的取值范围，包括畸变系数 h的取值范围和畸变中心坐标（Utl, Vtl)的取值范围； 检测所述平面模板图像的边缘像素点，得到对应的边缘图像； 根据所述畸变参数的取值范围，选择相应的步长得到畸变参数组合； 对每组畸变参数计算边缘图像的校正图像，并计算校正后边缘像素点梯度，得到各边 缘像素点的坐标和梯度方向； 对所述校正图像中的每个边缘像素点计算投票，求得投票之和最大值对应的畸变参数 为最佳值。
5. 根据权利要求4所述的用于连续变焦距光学成像系统的数字图像校正方法，其特征 在于， 通过所述畸变模型参数估计算法离线标定出若干离散焦距值下的畸变参数，对各焦距 对应的畸变系数进行曲线拟合得到拟合公式中，所述畸变系数Ic1与焦距f的函数关系包 括： 当f彡f2时， Ic1 (f) = P · f2+ σ · f+ τ , 当f2< f彡f 3时， (，+ ") 式中参数P，〇，τ，δ，η，φ，fp f2,心的值随不同镜头而不同，通过离线标定与曲 线拟合相结合的方法得到。
6. 根据权利要求4所述的用于连续变焦距光学成像系统的数字图像校正方法，其特征 在于， 通过所述畸变模型参数估计算法离线标定出若干离散焦距值下的畸变参数，对各焦距 对应的畸变中心坐标进行曲线拟合得到拟合公式中，畸变中心坐标（Uc^vtl)与焦距f的关系 为： u〇 (f) = λ J · f+μ V0(f) = λ2·?+μ2, 式中参数X1, μι，λ2, μ2的值随不同镜头而不同，通过离线标定与曲线拟合相结合的 方法得到。
7. 根据权利要求1所述的用于连续变焦距光学成像系统的数字图像校正方法，其特征 在于， 所述摄像机的实际工作焦距值通过所述摄像机上的调焦机构上的位置传感器检测得 到。
8. 根据权利要求1所述的用于连续变焦距光学成像系统的数字图像校正方法，其特征 在于， 所述摄像机成像时的位置姿态数据通过GPS定位数据及所述摄像机内部的角度传感 器检测的信息计算得到。
9. 根据权利要求1所述的用于连续变焦距光学成像系统的数字图像校正方法，其特征 在于， 所述摄像机为航空变焦距摄像机。
【专利摘要】本发明公开了一种用于连续变焦距光学成像系统的数字图像校正方法，采集摄像机在若干离散焦距值拍摄的平面模板图像，离线标定出变焦距镜头各焦距对应的畸变参数；对各焦距对应的畸变参数进行曲线拟合得到拟合公式或建立畸变参数查找表；根据摄像机的实际工作焦距值，通过畸变参数查找表得到或者拟合公式计算得到实际工作焦距值对应的镜头畸变参数；根据摄像机成像时的位置姿态数据及镜头畸变参数构造摄像机坐标系到地图坐标系的投影变换关系，将摄像图像重投影到地图坐标系中，对坐标变换后的像素亮度值进行重采样得到校正斜视变形和镜头畸变后的正射投影图像。本发明实现了变焦距成像系统中同时校正斜视梯形失真和变焦距镜头非线性畸变的目的。
【IPC分类】G06T7-00
【公开号】CN104835159
【申请号】CN201510229121
【发明人】刘晶红, 周前飞
【申请人】中国科学院长春光学精密机械与物理研究所
【公开日】2015年8月12日
【申请日】2015年5月7日