參數(shù)可調(diào)圖像畸變校正技術(shù)

參數(shù)可調(diào)圖像畸變校正技術(shù)

參數(shù)可調(diào)圖像畸變校正技術(shù)參數(shù)可調(diào)國(guó)像畸變敕正技市

楊鋒/華中光電技術(shù)講究所一武漢光電國(guó)家試驗(yàn)室［摘耍］伴隨數(shù)字圖像畸變校

正處理口勺應(yīng)用領(lǐng)域口勺不停擴(kuò)大,其處理技術(shù)也成為研

究的熱點(diǎn).大視場(chǎng)成像光學(xué)系統(tǒng)中的畸變會(huì)減少

圖像質(zhì)量，必須預(yù)以校正.本文提出了?種新H勺校正措施,根據(jù)畸變率H勺定義推

導(dǎo)

出畸變校正公式,給出了建立畸變模型的措施.實(shí)踐證明.這種模型可以滿足大

多數(shù)鏡頭日勺畸變校正規(guī)定.［關(guān)鍵字］幾何畸變畸變模型崎變校.

畸變的產(chǎn)生

圖像幾何畸變就是在不一樣H勺攝入條件下得到圖像時(shí),一.物體H勺圖像常會(huì)發(fā)生

幾何畸變出現(xiàn)歪斜變形II勺現(xiàn)象.例如從.空宇航器拍攝的地球上等距平行線,其圖像

會(huì)變?yōu)橥嵝被螂m.行而不等間距,用光學(xué)和電子掃描儀攝取的圖像常常會(huì)有桶.畸變

和枕型畸變,用一般的光學(xué)攝影與測(cè)試?yán)走_(dá)拍攝的同一.區(qū)的景物在幾何形狀上有較

大H勺差異.以上此類現(xiàn)象統(tǒng)稱為.何畸變.實(shí)際T作中常需以某一幅圖像為基準(zhǔn),去校

正另一.攝入方式的圖像，以期校正其幾何畸變,這就叫做圖像的幾.畸變復(fù)員或幾何

畸變校正.

□□口匿髓a原圖像b枕形畸變c桶形畸變

圖1畸變口勺產(chǎn)生

數(shù)字圖像的畸變是由于采用了廣角鏡頭而引入的，一般來說，伴隨視場(chǎng)時(shí)變化，

畸變值也變化,越靠近視場(chǎng)的邊緣，畸變值就越大.例如一種垂直于光軸的物體，如

圖1中⑸所示，它通過有畸變時(shí)光學(xué)系統(tǒng)成像后，會(huì)出現(xiàn)如圖(b)或圖(C)所示

的成像狀況.其中(bi稱為枕形畸變，(C)稱為桶形畸變.枕.畸變乂稱為正畸變，

桶形畸變稱為負(fù)畸變.畸變產(chǎn)生的原因.由于系統(tǒng)H勺實(shí)際放大率隨視場(chǎng)而變化,不再

是一種常數(shù).對(duì).正畸變,實(shí)際放大率不小于理想的放大率,而負(fù)畸變則相反..變對(duì)成

像日勺影響使像產(chǎn)生較為嚴(yán)重日勺失真.

二,畸變的校正及發(fā)展現(xiàn)實(shí)狀況

從數(shù)字圖像處理H勺觀點(diǎn)來看:畸變校正實(shí)際上是一種.像恢復(fù)的問題，即對(duì)一?幅

退化圖像日勺恢復(fù).畸變重要表目前.像中像素點(diǎn)發(fā)生位移,從而使圖像中物體扭曲變

形.畸變校.分為兩步，第一步是對(duì)原圖像進(jìn)行像素坐標(biāo)空間的幾何變換.這樣做的目

日勺是使像素點(diǎn)落在對(duì)日勺日勺位置上;第二步是重新.定新像素點(diǎn)的灰度值.由于通過上

面的坐標(biāo)變換后,有些像.點(diǎn)也許會(huì)被擠壓在一起,有時(shí)又分散開，使校正叫像素不落.

離散口勺整數(shù)坐標(biāo)位置上，因此需要確定這些像素點(diǎn)口勺灰度值.目前，國(guó)內(nèi)外有關(guān)畸變

校正算法日勺研究已經(jīng)比較多，詳.來講重要分為二大類:運(yùn)用原則樣板校正和擬合鏡

頭畸變曲.校正措施.其中擬合鏡頭畸變曲線的措施是對(duì)幾種不一樣視場(chǎng).行畸變il

算,通過這些計(jì)算值擬合視場(chǎng)角隨畸變變化的曲線.然后通過這條曲線計(jì)算鏡頭在

CCD上所成圖形的每一點(diǎn).畸變值,進(jìn)而計(jì)算出圖像上每一點(diǎn)的理想位置.完全的擬

合.變曲線需要懂得光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)參數(shù),并且要拆裝已制造好.光學(xué)系統(tǒng),也許全帶

來裝配誤差.而樣板標(biāo)定措施就是運(yùn)用.制的原則樣板,使其通過待校正光學(xué)系統(tǒng)成

像.由于光學(xué)系.臼身存在著畸變，從而使像發(fā)生變形，根據(jù)樣板理想設(shè)計(jì)參.和光學(xué)

系統(tǒng)H勺放大率,計(jì)算m樣板理想的無失真的像，比較.行人員提高調(diào)整水平,在啟停磨

負(fù)荷點(diǎn)附近及時(shí)啟停磨,在.組升降負(fù)荷過程中啟停磨并控制好壓力和溫度，防止出

現(xiàn)負(fù).跟不上和降不下來的現(xiàn)象,防止協(xié)調(diào)系統(tǒng)退血

2.2通信傳播通道H勺改善

采用基于SDH網(wǎng)絡(luò)H勺光纖傳播系統(tǒng),通過接人ATM設(shè).可將多種速率的信號(hào)映射

進(jìn)SDH幀構(gòu)造中，處理通信信道頸〃問題.

采用2M專用通道或基于104規(guī)約的網(wǎng)絡(luò)接人模式的傳.已可以實(shí)現(xiàn),這樣既可

減少中間轉(zhuǎn)接環(huán)節(jié)，義大大提高了信.的傳播速度和信息的容量,可以使遠(yuǎn)動(dòng)信息日勺

抗干擾能力大.增強(qiáng)，傳播安全得到深入保障.

3運(yùn)行參照提議

,電,熱工，電氣二次，AGC機(jī)組的可靠運(yùn)行,是機(jī),爐

遠(yuǎn)動(dòng),通信等各專業(yè)設(shè)備都安全可靠運(yùn)行，在網(wǎng)調(diào)H勺統(tǒng)一指揮下互相協(xié)調(diào)良好

日勺成果，同步它也是整個(gè)電網(wǎng)自動(dòng)化水平的綜合體現(xiàn)，它既大大減輕運(yùn)行人員和調(diào)

度人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，又使網(wǎng)和發(fā)電廠構(gòu)成的整個(gè)電網(wǎng)的安全穩(wěn)定水平大大增長(zhǎng).根

據(jù)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，提出AGC運(yùn)行中的幾點(diǎn)參照提議：

機(jī)組開機(jī)并網(wǎng)后,應(yīng)按規(guī)定將負(fù)荷盡快升至300MW,.縮短A信號(hào)投入時(shí)間.

負(fù)荷在?300MW時(shí)，如機(jī)，爐等正常，不容許解除機(jī).爐H勺投白動(dòng)，以免影響AGC日勺

可投入率.

接調(diào)度令迅速加,減負(fù)荷時(shí),不容許解除機(jī),爐的投自動(dòng).只退出M信號(hào).

處理如跳磨,撈渣機(jī)缺陷等事件時(shí)，如負(fù)荷未降至

300MW如下,機(jī)，爐可投自動(dòng)時(shí),不容許解除機(jī)，爐的投自動(dòng).只退出M信號(hào).

調(diào)度下發(fā)負(fù)荷指令異常時(shí)，如負(fù)荷指令突降至300MW.運(yùn)行應(yīng)及時(shí)發(fā)現(xiàn),并退出

AGC（只退M信號(hào)），采用限負(fù).措施立即聯(lián)絡(luò)調(diào)度查明原因，待負(fù)荷指令正常后,投入

AGC.期間不容許解除機(jī)，爐啊投自動(dòng)，以免影響AGC/J可投入率.出現(xiàn)負(fù)荷指令不跟

蹤等狀況導(dǎo)致A信號(hào)無法投入時(shí),應(yīng).時(shí)聯(lián)絡(luò)熱工，電氣二次人員，由運(yùn)行,熱工,電氣

二次人員.

切配合,聯(lián)絡(luò)調(diào)度，自動(dòng)化查明原因，如無外部原因,應(yīng)由.工人員強(qiáng)制A信號(hào),及

時(shí)投入AGC.

運(yùn)行人員應(yīng)加強(qiáng)運(yùn)行工況調(diào)整,盡量減少南于協(xié)調(diào)不穩(wěn).出AGCH勺狀況.

電氣二次應(yīng)加強(qiáng)傳播通道和遠(yuǎn)動(dòng)設(shè)備日勺檢查,維護(hù)，使.息傳播和信號(hào)變換對(duì)口勺.

熱工應(yīng)加強(qiáng)協(xié)調(diào)系統(tǒng)(CCS)的檢杳,維護(hù)，保證機(jī),.自動(dòng)狀態(tài)的可靠投入和機(jī)爐

協(xié)調(diào)口勺正常.

運(yùn)行人員應(yīng)按規(guī)定及時(shí)填寫AGC投退登記表，時(shí)間和.退原因一定要填清晰,每

一值無論與否有AGC投退,都應(yīng).值長(zhǎng)簽字，以便每月及時(shí)記錄AGC投退狀況及原因,

及時(shí).總調(diào)自動(dòng)化杳對(duì)，掌握本廠機(jī)組AGC運(yùn)行狀況.注.

A信號(hào)一機(jī)組容許AGC運(yùn)行

M信號(hào)一機(jī)組AGC投入/退出

科課時(shí)代一第21期91

盈專題研究1ZHUANUYANJ1U

和實(shí)際像H勺差異，就可以得到它們之間的函數(shù)關(guān)系.校正日勺.程就是運(yùn)用這種函

數(shù)關(guān)系來完畢有畸變H勺實(shí)際像到無畸變的.想像的轉(zhuǎn)換.運(yùn)用點(diǎn)陣樣板校正畸變,不

需要其他光學(xué)測(cè)量.器和光學(xué)系統(tǒng)構(gòu)造參數(shù)，只是根據(jù)系統(tǒng)畸變特性進(jìn)行校正,.計(jì)算

其樣點(diǎn)對(duì)應(yīng)口勺坐標(biāo)時(shí)也會(huì)帶來誤差.

三,迫近畸變曲線校正法

對(duì)于光學(xué)參數(shù)求畸變曲線校正法，需要懂得光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù),還需要用專

用T具對(duì)己經(jīng)裝配好H勺光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行拆裝，這樣很也許會(huì)引入較大的裝配誤差,影

響校正日勺精度.而原則樣板標(biāo)定法得首先建立好校正的硬件平臺(tái)，要采集攝像頭捕

捉到原則樣板的的畸變圖像,并且在用重心法求對(duì)應(yīng)點(diǎn)的坐標(biāo)過

程中也許會(huì)引入誤塞在總結(jié)上面二種畸變校正措施的基礎(chǔ)上，提1葉J了一

種新H勺參數(shù)以便可調(diào)H勺咬正措施:迫近畸變曲線校正法

此計(jì)算措施包括了如下三個(gè)計(jì)算過程.第一,規(guī)定了每.像素理想像高H勺坐標(biāo)表

達(dá)法.第二,存坐標(biāo)系中確定理想像.相時(shí)畸變系數(shù)的一般表達(dá).第三,運(yùn)用光學(xué)系統(tǒng)

日勺對(duì)稱性,.過合適日勺坐標(biāo)變換,逐點(diǎn)計(jì)算jU整幅畫面實(shí)際像高的坐標(biāo)表達(dá).圖2為

光學(xué)系統(tǒng)口勺成像示意圖.圖中理想像高為Y,鏡.焦距為f,半視場(chǎng)角為,則畸變量?Y

可用下式表達(dá),.?Y=fo-fta.

式中，flan為理想像高Y;fo是視場(chǎng)角為時(shí)引起町際像高Ys.

,r；

J

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

圖2光學(xué)系統(tǒng)成像示意圖

顯然,伴隨視場(chǎng)角的變化,畸變量也伴隨變化.換句話說，在視場(chǎng)內(nèi)，每一種像點(diǎn)

對(duì)應(yīng)一種不一樣H勺畸變量，離光軸越遠(yuǎn)畸變量越大,此處定義Ys與Y的比值為相對(duì)

畸變，用s表達(dá)，即

S=Y/Ys=tan01e

圖3給出了攝像機(jī)畫面空問采樣間隔口勺網(wǎng)格圖.畫面的.寬比為4:3,X,Y方向均

分255等份,共256x256個(gè)網(wǎng)格點(diǎn).網(wǎng)格點(diǎn)的標(biāo)號(hào)可南直角坐標(biāo)系和極坐標(biāo)系分別給

出.在直角.標(biāo)系中，左上角為直角位標(biāo)系原點(diǎn),X軸的正方向向左，Y.正方向向下.在

極坐標(biāo)系中，其原點(diǎn)在畫面的中點(diǎn)(d),且.光軸重疊,圖中，有向線段0E落在第一象

限,它代表了任..

個(gè)子午面內(nèi)時(shí)理想像高,其極點(diǎn)位汽恰好在網(wǎng)格點(diǎn)上.該點(diǎn)

在x'V方向H勺投影分別用Rx和Rv表達(dá).為討論問題的以便起見.把直角坐標(biāo)系

向左和向下平移127.5個(gè)網(wǎng)格H勺距離，使直角.標(biāo)系的原點(diǎn)恰好與極坐標(biāo)的原點(diǎn)重疊,

并使Y軸反向.因此.把平移前H勺直角坐標(biāo)系稱為實(shí)際坐標(biāo)系,把平移后H勺直角坐.系

(x,y)稱為參照坐標(biāo)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

?

圖3網(wǎng)格點(diǎn)日勺坐標(biāo)表達(dá)法

下面我們通過詳細(xì)口勺例子來闡明一下這種畸變校正措施.詳細(xì)環(huán)節(jié),首先假設(shè)焦

距f=2.6mm,半視場(chǎng)角二60,整個(gè)畫.向長(zhǎng)寬比為4:3.

(1)有向線段OAH勺長(zhǎng)度表達(dá)了由光學(xué)系統(tǒng)的視場(chǎng)角所決.的最大理想像高，用

Rmax來表達(dá).

Rmax=flg0=2.6tg60=4.5033(2)在畫面H勺第一象限內(nèi)H勺任何一種網(wǎng)格點(diǎn)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)計(jì)算網(wǎng)格點(diǎn)到原心的距離Rij:

R島二(Rxl.R'=【(2i—rr(08)'一(一1九0.6r]{Rmax'255)

(4)計(jì)算理想像高對(duì)應(yīng)的視場(chǎng)角

0ij=arctan(Rij/f)

(5)網(wǎng)格點(diǎn)對(duì)應(yīng)於J畸變系數(shù)

Sij=aretan(Rij/f)/(Rijm(6)實(shí)際像高在x,Y方向分量

RRxi=SijRxi

RRyj=SijRyi

(7)由于實(shí)際像高的極點(diǎn)并不一定恰好落在網(wǎng)格點(diǎn)上,所以上式的左邊H勺分量

也并不一定是i,1日勺整數(shù)倍.于是畸變像高的坐標(biāo)標(biāo)號(hào)I,J可由下式導(dǎo)m,計(jì)算實(shí)

際像高啊網(wǎng)格位置一

255R

xiSij—

1

，:Q：塑叢

2

J=

255R

yjSij—

1

0.6Rmax

2

(8)計(jì)算畸變像高的坐標(biāo)度量,若I,J都為整數(shù),則實(shí).像高恰好落在網(wǎng)格點(diǎn)上；

若I,J都為非負(fù)整數(shù),則實(shí)際像高.然落在(I,J)(I+1,J)(I,J+1)和(1+1,J+D四個(gè)網(wǎng)

格點(diǎn)內(nèi).

若網(wǎng)格點(diǎn)上存儲(chǔ)口勺坐標(biāo)系數(shù)就是網(wǎng)格點(diǎn)自身口勺網(wǎng)格標(biāo)號(hào)(光.系統(tǒng)無畸變)，則由

相對(duì)于參照坐標(biāo)系來說，這些網(wǎng)格標(biāo)號(hào).得在原有的標(biāo)號(hào)上再各自加0.5個(gè)單位，只

有這樣才能把它.的數(shù)據(jù)影射到參照坐標(biāo)系來進(jìn)行度量，另首先，由于光學(xué).統(tǒng)的成像

質(zhì)量是軸對(duì)稱H勺，因此其他二個(gè)象限與第一象限也.軸對(duì)稱的.

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直角坐標(biāo)變換，假如把所有H勺網(wǎng)格點(diǎn)逐一作為存儲(chǔ).中H勺一種存儲(chǔ)單元,并

按實(shí)際直角坐標(biāo)系按續(xù)排列，則只有.第一象限導(dǎo)出的坐標(biāo)標(biāo)號(hào)作合適地變換,才能

使四個(gè)象限內(nèi).各自坐標(biāo)標(biāo)號(hào)統(tǒng)一在同一種直角坐標(biāo)系內(nèi).為此必須進(jìn)行如.日勺坐標(biāo)

變換.設(shè)x,Y為參照坐標(biāo)系的坐標(biāo)軸,x,Y為實(shí)際.標(biāo)系的坐標(biāo)軸.

X=X+127.5

Y=y+127.5

(10)確定校正數(shù)據(jù)

分別建立X,Y口勺整數(shù)部分和x,Y的小數(shù)部分口勺數(shù)據(jù).運(yùn)用以上計(jì)算環(huán)節(jié),并通過

編程可以得到攝像機(jī)口勺四個(gè).對(duì)畸變系數(shù)文獻(xiàn).由這些相對(duì)畸變系數(shù),通過幾何空間

變換.可以得到校正的圖像.不過由于校正后的輸圖像?般被映.到輸入圖像H勺羊整

數(shù)位置,因此,為了決定與該位置對(duì)應(yīng)的.度值,必須運(yùn)用灰度插值運(yùn)算.

我｛fl$lj用上述措施在MATLAB中對(duì)畸變圖像進(jìn)行了仿真校正,可以通過微調(diào)

焦距f獲得最佳H勺校正效果.如下圖所示：92科課時(shí)代?第21期

科課時(shí)代

種基于灰度有關(guān)H勺迅速國(guó)像匹配算法

杜娟/華中光電技術(shù)珊究所一武漢光電國(guó)家試驗(yàn)室

［摘要］在老式H勺基于灰度有關(guān)H勺圖像匹配算法基礎(chǔ)上，提出了一種改善H勺迅速

圖像匹配算法.該算法通過減少搜索子圖和優(yōu)化

測(cè)度函數(shù),大大減少了算法時(shí)時(shí)間復(fù)雜度和空間復(fù)雜度,在迅速匹配的基礎(chǔ)上，

進(jìn)行歸一化口勺有關(guān)計(jì)算,既能保證匹配效果,又提高了

匹配速率.試驗(yàn)成果表明，這是一種能提高效率的有效算法.

［關(guān)鍵字］圖像匹配測(cè)度函數(shù)歸一化有關(guān)

［Abstract］Annewa1gorithmoffastimagematchingbasedongra)^correlationwas

putforwar

d.Itgreatlydecreasedtime

andspacecomplexitybyreducingsearchingsubimagcsancloptiniizingmcasurcfu

notion.N

ormalizedCorrelationcomputingonthe

baseoffastmatchingnotonlyensuredmatchingeffeet,butalsoimprovedmatchingsp

eed.Th

eresu1tshowedthealgorithmwa.practical.

[Keywords]ImagematchingmeasurefunctionNormalizedCorrelation

1引言

在過去的幾十年中，多種圖像匹配算法相繼出現(xiàn),并且結(jié)

合許多數(shù)學(xué)理論和措施,人們不停提新的匹配措施.對(duì)于灰

度圖像H勺匹配分為基于圖像H勺幾何特性和基于圖像灰度值兩大類.前者適合于

單一明確日勺R(shí)日勺檢測(cè)且對(duì)R日勺H勺幾何特性提取

有較高H勺規(guī)定，在背景較復(fù)雜時(shí)不易目的提取,且計(jì)算量大，

對(duì)系統(tǒng)的消耗很大.后者采用搜索子圖遍歷圖像,并對(duì)搜索窗

口和模板求歸一化有關(guān)值，以此作為測(cè)度函數(shù),衡量搜索窗口

內(nèi)圖像與模板H勺匹配度,這種基于灰度有關(guān)的匹配尤其適合復(fù)

雜背景下多RIH勺識(shí)別，匹配的精確性和適應(yīng)性也很高.不過該

算法有一種致命H勺弱點(diǎn)，就是■算量過丁龐大,難以滿足實(shí)時(shí)

環(huán)境下目的識(shí)別日勺規(guī)定.為此人們提了一種序貫相似性檢測(cè)

算法,減少計(jì)算的復(fù)雜度和搜索次數(shù),大大減少了識(shí)別時(shí)間.本文提的改善算法

正是在序貫相似性算法基礎(chǔ)上,深入.少乘法和除法運(yùn)算,縮減搜索量,在保證幾配率

不影響的狀.下，加緊匹配速度.

2老式圖像匹配算法

圖像匹配是圖像識(shí)別日勺重要構(gòu)成部分之一.在機(jī)器識(shí)別事物H勺過程中，常需要

把不一樣傳感器或同一傳感器在不一樣步間，不一樣成像條件下對(duì)同一景物獲取的

兩幅或多幅圖像在空間上對(duì)準(zhǔn),或根據(jù)已知模式到另一幅罔中尋找對(duì)應(yīng)的模式,這

稱為匹配

子笛S

(a)搜索圖(b)模板

圖1搜索圖及模板

T

若在被搜索圖中有待尋的目日勺,且同模板有同樣的尺寸和方向，它的基本原則

就是通過有關(guān)函數(shù)口勺計(jì)算來找到它以及被搜索圖的坐標(biāo)位置.假設(shè)我們要在搜索區(qū)

域中，尋找與模板圖像有關(guān)程度最大的位置，可以通過模板匹配來計(jì)算兩者的有關(guān)

程度.在圖1中模板h疊放在搜索圖a上平