[发明专利]一种鱼眼图像复原的展开方法

说明书

【技术领域】：

本发明涉及基于球面模型的等距投影原理的鱼眼图像的复原与校正，及以鱼眼镜头的任意一 条入射光线为光轴的图像展开，属于图像处理技术领域。

【背景技术】：

全方位视觉是指装备有超大广角鱼眼镜头竖直向上放置的一台摄像机一次摄取的一幅图像， 可以记录360°方位视角中的全部场景，即把周围前后左右整个区域中的景物“一眼看遍”。这种“全 景图像”的获取无需单台摄像机的机械回转进行“摇拍”，或采用多台摄像机同时拍摄多幅图像进行 “粘贴”，从而简化了系统结构和处理程序，有利于机器视觉应用的实时性要求。它在机动目标跟踪、 多目标捕获及相机与目标物互动等应用场合，具有特别的优势和重要的应用价值。这种具有超大 广角视野的全景观测可弥补视角窄的不足，在安防监控、管道探测、辅助驾驶、现场监测、车载 巡检、飞行器制导及空间机器人等方面都有直接或潜在的应用前景。

鱼眼镜头摄像机视场角接近甚至超过180度，可以实现近距离或超近距离大视场立体视觉感 知。鱼眼镜头是建立全方位视觉系统最有效的方法之一，相对于反射式全方位视觉镜头，鱼眼镜 头具有结构紧凑、体积较小、不易损坏等优点。鱼眼镜头视场角通常达到或超过180度，单一镜 头能够捕获半球图像，而使用两个鱼眼镜头则能够一次获取整个空间的完整图像。采用单一鱼眼 镜头和图像采集卡构造全方位视觉系统，对其相关基础理论进行初步的探索，对其应用进行一定 程度上的研究。主要研究图像跟踪系统中全方位视觉的图像处理问题。

由于鱼眼摄像头的特殊设计，焦距越短，视角越大；视角越大，因光学原理产生的变形也就 越强烈，鱼眼镜头所拍摄的图像除了画面中心的景物保持不变，其他本应水平或垂直的景物都发 生了相应的变化，这样鱼眼摄像机获得的全方位图像存在严重的扭曲现象。要有效的利用图像信 息进行导航跟踪，需恢复还原图像。研究鱼眼镜头的成像机理，鱼眼镜头投影成像规律，图像畸 变成因，进而开发一种算法，使鱼眼图像得到实时、精确的恢复。能准确的校正鱼眼图像中任意 范围的图像，进而实现三维空间信息的重建复原。

【发明内容】：

本发明的目的是提供一种基于球面成像模型的按照等距投影原理进行复原的鱼眼图像展开方 法，以实现准确的复原鱼眼图像中任意范围的图像，进而拼接实现畸变鱼眼图像的校正与复原； 同时可以展开鱼眼镜头所在空间任意方位角与仰角的展开窗口所对应的鱼眼图像。

本发明是一种基于球面等距投影模型的鱼眼图像的展开方法，它是在以下硬件载体上实现的： PC机，鱼眼摄像机，支架。鱼眼摄像机由超大广角鱼眼镜头与高分辩率摄相机组成。支架用于支 撑和固定鱼眼摄相机；鱼眼摄相机实时采集结构化环境的空间信息，PC机按本发明的方法进行实 时展开处理，利用展开后的信息可以进行其它的有效处理，如车体导航，监控，视频会议等。

本发明是一种基于球面等距投影模型的鱼眼图像的展开方法，使固定不动的鱼眼镜头实现了相 当于移动摄像机的功能。其实现方法流程如图2所示，它的具体步骤如下：

第1、建立鱼眼图像的符合等矩投影原理的球面成像模型；

第1.1：建立鱼眼图像坐标系。以鱼眼图像的中心o(x₀，y₀)为原点建立鱼眼图像坐标系xoy。

第1.2：建立相机坐标系。相机坐标系x_cy_cz_c是一个三维坐标系。x_c，y_c分别与鱼眼图像坐标系的x 轴y轴重合，z_c轴与鱼眼镜头的光轴重合，且与鱼眼图像坐标系交于O点。

第1.3：以O点为中心，鱼眼图像的半径R为半径做半球，半球与z_c轴交于O′点(0，0，R)。

第1.4：假设相机坐标系中一点P，做射线OP，与半球面交于P′(x_cp′，y_cp′，z_cp′)点，此交点在相机 坐标系中的坐标为：

(x_cp′，y_cp′，z_cp′)＝(Rsinθcosφ，Rsinθsinφ，Rcosθ)  (1)

其中，OP与z_c轴的夹角θ为入射角；OP在xoy上的投影OP″与x轴的夹角φ定义为方位角；OP 的仰角为β＝90°-θ。则根据等矩投影原理：