自适应几何畸变图像矫正方法研究.pdf

自适应几何畸变图像矫正方法研究 赵庆鹏1 马华东1 1 (北京邮电大学 智能通信软件与多媒体北京市重点实验室, 北京 100876) 摘 要: 几何畸变普遍存在于图像采集设备所获取的图像中, 如不对其进行适当的矫正, 对后续的 处理影响较大. 本文分析了常见线性和非线性几何畸变产生的原因, 对图像中存在的几何畸变类型 做出了判定, 结合成像模型和数值分析的方法, 提出一个自适应的矫正方案把畸变图像恢复到理想 无畸变的图像. 实验证明该方案能够有效的矫正复杂环境下的常见几何畸变.1 关键词: 自适应; 畸变矫正; 几何变换; 双线性插值; 数值分析 1. 引言 在二维条形码识别、文本识别和车牌识别等应用场景中, 通过图像采集设备所获取的 图像不可避免的存在有如畸变失真, 运动模糊等成像问题. 如果不对其进行适当的预处理, 将会直接影响到后续的处理的准确性和效率, 甚至无法进行后续处理. 对于一些常见的预 处理诸如灰度化、二值化和运动模糊复原等研究都已比较成熟, 而对几何畸变的矫正尚没 有一个通用的解决办法. 常见对几何畸变的研究大多基于具体成像系统, 通过确定摄像机 畸变参数对所获取图像进行矫正. 但是通常情况下对于一副图像我们无法得到其成像系统. 另外一种解决办法是多项式变形法, 缺点是运算量大, 不适用于实时性要求较高的系统. 本文针对通用性和实时性的要求, 提出一个对常见几何畸变的矫正方案, 旨在以较小的时 间和空间代价对图像中存在的几何畸变进行矫正, 从而对后续的处理提供便利. 2 相关工作 2.1 几何畸变定义 在实际的成像系统中, 视频捕捉介质平面和物体平面之间不可避免的存在有一定的转 角和倾斜角. 转角对图像的影响为发生旋转, 倾斜角的影响表现为图像发生投影变形. 另 外一种情况就是由于摄影机系统本身的原因导致的镜头畸变. 此外还有由于物体平面不平 整导致的曲面畸变如柱形畸变等. 这些畸变统称为几何畸变. 图 1 以等间隔正交网格为例 说明了常见的几种几何畸变: 图1 几何畸变示意图 项目基金: 国家”八六三”高科技研究发展计划(No.2006AA01Z304), 国家自然科学基金项目(No, 北京市教委 共建项目(No.SYS100130422), 教育部新世纪人才支持计划. 联系作者: 赵庆鹏, E-mail: zhaoqpcn@163.com 376 几何畸变又可分为线性几何畸变和非线性几何畸变. 通常情况下, 前者指缩放、平移、 旋转等畸变. 而非线性几何畸变由成像面和物平面的倾斜、物平面本身的弯曲、光学系统 的像差造成的畸变,表现为物体与实际的成像各部分比例失衡. 2.2 相关的矫正方法 对几何畸变的研究大多基于特定的成像系统, 如模拟鱼眼和针孔系统进行摄像机标定, 通过确定摄像机畸变参数对所获取图像进行矫正[1][2][3]. 其优点是一旦确立成像模型, 便 可以快速有效的根据模型参数对畸变图像进行几何变换. 但是通常情况我们所面临的图像 其成像系统未知且多样化. 最后, 这种方法不适宜解决一般性无法预知模型的畸变比如由 成像面不平整造成的曲面畸变如柱形畸变. 另外一种常见的解决办法是多项式变形技术 [4][5], 其实质是利用数值分析的办法求解几何变换方程. 优点是不需要预先知道成像模型, 对复杂曲面畸变能够进行矫正. 缺点一是运算量大, 不适用于实时性要求较高的系统,