參數可調圖像畸變校正技術

參數可調圖像畸變校正技術參數可調國像畸變敕正技市

楊鋒/華中光電技術講究所一武漢光電國家試驗室［摘耍］伴隨數字圖像畸變校

正處理口勺應用領域口勺不停擴大,其處理技術也成為研

究的熱點.大視場成像光學系統(tǒng)中的畸變會減少

圖像質量，必須預以校正.本文提出了?種新H勺校正措施,根據畸變率H勺定義推

導

出畸變校正公式,給出了建立畸變模型的措施.實踐證明.這種模型可以滿足大

多數鏡頭日勺畸變校正規(guī)定.［關鍵字］幾何畸變畸變模型崎變校.

畸變的產生

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

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

會變?yōu)橥嵝被螂m.行而不等間距,用光學和電子掃描儀攝取的圖像常常會有桶.畸變

和枕型畸變,用一般的光學攝影與測試雷達拍攝的同一.區(qū)的景物在幾何形狀上有較

大H勺差異.以上此類現象統(tǒng)稱為.何畸變.實際T作中常需以某一幅圖像為基準,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畸變口勺產生

數字圖像的畸變是由于采用了廣角鏡頭而引入的，一般來說，伴隨視場時變化，

畸變值也變化,越靠近視場的邊緣，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，它通過有畸變時光學系統(tǒng)成像后，會出現如圖(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，

桶形畸變稱為負畸變.畸變產生的原因.由于系統(tǒng)H勺實際放大率隨視場而變化,不再

是一種常數.對.正畸變,實際放大率不小于理想的放大率,而負畸變則相反..變對成

像日勺影響使像產生較為嚴重日勺失真.

二,畸變的校正及發(fā)展現實狀況

從數字圖像處理H勺觀點來看:畸變校正實際上是一種.像恢復的問題，即對一?幅

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

形.畸變校.分為兩步，第一步是對原圖像進行像素坐標空間的幾何變換.這樣做的目

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

面的坐標變換后,有些像.點也許會被擠壓在一起,有時又分散開，使校正叫像素不落.

離散口勺整數坐標位置上，因此需要確定這些像素點口勺灰度值.目前，國內外有關畸變

校正算法日勺研究已經比較多，詳.來講重要分為二大類:運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幾種不一樣視場.行畸變il

算,通過這些計算值擬合視場角隨畸變變化的曲線.然后通過這條曲線計算鏡頭在

CCD上所成圖形的每一點.畸變值,進而計算出圖像上每一點的理想位置.完全的擬

合.變曲線需要懂得光學系統(tǒng)的設計參數,并且要拆裝已制造好.光學系統(tǒng),也許全帶

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

像.由于光學系.臼身存在著畸變，從而使像發(fā)生變形，根據樣板理想設計參.和光學

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

負荷點附近及時啟停磨,在.組升降負荷過程中啟停磨并控制好壓力和溫度，防止出

現負.跟不上和降不下來的現象,防止協(xié)調系統(tǒng)退血

2.2通信傳播通道H勺改善

采用基于SDH網絡H勺光纖傳播系統(tǒng),通過接人ATM設.可將多種速率的信號映射

進SDH幀構造中，處理通信信道頸〃問題.

采用2M專用通道或基于104規(guī)約的網絡接人模式的傳.已可以實現,這樣既可

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

抗干擾能力大.增強，傳播安全得到深入保障.

3運行參照提議

,電,熱工，電氣二次，AGC機組的可靠運行,是機,爐

遠動,通信等各專業(yè)設備都安全可靠運行，在網調H勺統(tǒng)一指揮下互相協(xié)調良好

日勺成果，同步它也是整個電網自動化水平的綜合體現，它既大大減輕運行人員和調

度人員的勞動強度，又使網和發(fā)電廠構成的整個電網的安全穩(wěn)定水平大大增長.根

據運行經驗，提出AGC運行中的幾點參照提議：

機組開機并網后,應按規(guī)定將負荷盡快升至300MW,.縮短A信號投入時間.

負荷在?300MW時，如機，爐等正常，不容許解除機.爐H勺投白動，以免影響AGC日勺

可投入率.

接調度令迅速加,減負荷時,不容許解除機,爐的投自動.只退出M信號.

處理如跳磨,撈渣機缺陷等事件時，如負荷未降至

300MW如下,機，爐可投自動時,不容許解除機，爐的投自動.只退出M信號.

調度下發(fā)負荷指令異常時，如負荷指令突降至300MW.運行應及時發(fā)現,并退出

AGC（只退M信號），采用限負.措施立即聯(lián)絡調度查明原因，待負荷指令正常后,投入

AGC.期間不容許解除機，爐啊投自動，以免影響AGC/J可投入率.出現負荷指令不跟

蹤等狀況導致A信號無法投入時,應.時聯(lián)絡熱工，電氣二次人員，由運行,熱工,電氣

二次人員.

切配合,聯(lián)絡調度，自動化查明原因，如無外部原因,應由.工人員強制A信號,及

時投入AGC.

運行人員應加強運行工況調整,盡量減少南于協(xié)調不穩(wěn).出AGCH勺狀況.

電氣二次應加強傳播通道和遠動設備日勺檢查,維護，使.息傳播和信號變換對口勺.

熱工應加強協(xié)調系統(tǒng)(CCS)的檢杳,維護，保證機,.自動狀態(tài)的可靠投入和機爐

協(xié)調口勺正常.

運行人員應按規(guī)定及時填寫AGC投退登記表，時間和.退原因一定要填清晰,每

一值無論與否有AGC投退,都應.值長簽字，以便每月及時記錄AGC投退狀況及原因,

及時.總調自動化杳對，掌握本廠機組AGC運行狀況.注.

A信號一機組容許AGC運行

M信號一機組AGC投入/退出

科課時代一第21期91

盈專題研究1ZHUANUYANJ1U

和實際像H勺差異，就可以得到它們之間的函數關系.校正日勺.程就是運用這種函

數關系來完畢有畸變H勺實際像到無畸變的.想像的轉換.運用點陣樣板校正畸變,不

需要其他光學測量.器和光學系統(tǒng)構造參數，只是根據系統(tǒng)畸變特性進行校正,.計算

其樣點對應口勺坐標時也會帶來誤差.

三,迫近畸變曲線校正法

對于光學參數求畸變曲線校正法，需要懂得光學系統(tǒng)的結構參數,還需要用專

用T具對己經裝配好H勺光學系統(tǒng)進行拆裝，這樣很也許會引入較大的裝配誤差,影

響校正日勺精度.而原則樣板標定法得首先建立好校正的硬件平臺，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應點的坐標過

程中也許會引入誤塞在總結上面二種畸變校正措施的基礎上，提1葉J了一

種新H勺參數以便可調H勺咬正措施:迫近畸變曲線校正法

此計算措施包括了如下三個計算過程.第一,規(guī)定了每.像素理想像高H勺坐標表

達法.第二,存坐標系中確定理想像.相時畸變系數的一般表達.第三,運用光學系統(tǒng)

日勺對稱性,.過合適日勺坐標變換,逐點計算jU整幅畫面實際像高的坐標表達.圖2為

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

可用下式表達,.?Y=fo-fta.

式中，flan為理想像高Y;fo是視場角為時引起町際像高Ys.

,r；

J

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

圖2光學系統(tǒng)成像示意圖

顯然,伴隨視場角的變化,畸變量也伴隨變化.換句話說，在視場內，每一種像點

對應一種不一樣H勺畸變量，離光軸越遠畸變量越大,此處定義Ys與Y的比值為相對

畸變，用s表達，即

S=Y/Ys=tan01e

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

分255等份,共256x256個網格點.網格點的標號可南直角坐標系和極坐標系分別給

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

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

限,它代表了任..

個子午面內時理想像高,其極點位汽恰好在網格點上.該點

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

向左和向下平移127.5個網格H勺距離，使直角.標系的原點恰好與極坐標的原點重疊,

并使Y軸反向.因此.把平移前H勺直角坐標系稱為實際坐標系,把平移后H勺直角坐.系

(x,y)稱為參照坐標系.

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網格點日勺坐標表達法

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

距f=2.6mm,半視場角二60,整個畫.向長寬比為4:3.

(1)有向線段OAH勺長度表達了由光學系統(tǒng)的視場角所決.的最大理想像高，用

Rmax來表達.

Rmax=flg0=2.6tg60=4.5033(2)在畫面H勺第一象限內H勺任何一種網格點在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)計算網格點到原心的距離Rij:

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

(4)計算理想像高對應的視場角

0ij=arctan(Rij/f)

(5)網格點對應於J畸變系數

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

RRxi=SijRxi

RRyj=SijRyi

(7)由于實際像高的極點并不一定恰好落在網格點上,所以上式的左邊H勺分量

也并不一定是i,1日勺整數倍.于是畸變像高的坐標標號I,J可由下式導m,計算實

際像高啊網格位置一

255R

xiSij—

1

，:Q：塑叢

2

J=

255R

yjSij—

1

0.6Rmax

2

(8)計算畸變像高的坐標度量,若I,J都為整數,則實.像高恰好落在網格點上；

若I,J都為非負整數,則實際像高.然落在(I,J)(I+1,J)(I,J+1)和(1+1,J+D四個網

格點內.

若網格點上存儲口勺坐標系數就是網格點自身口勺網格標號(光.系統(tǒng)無畸變)，則由

相對于參照坐標系來說，這些網格標號.得在原有的標號上再各自加0.5個單位，只

有這樣才能把它.的數據影射到參照坐標系來進行度量，另首先，由于光學.統(tǒng)的成像

質量是軸對稱H勺，因此其他二個象限與第一象限也.軸對稱的.

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直角坐標變換，假如把所有H勺網格點逐一作為存儲.中H勺一種存儲單元,并

按實際直角坐標系按續(xù)排列，則只有.第一象限導出的坐標標號作合適地變換,才能

使四個象限內.各自坐標標號統(tǒng)一在同一種直角坐標系內.為此必須進行如.日勺坐標

變換.設x,Y為參照坐標系的坐標軸,x,Y為實際.標系的坐標軸.

X=X+127.5

Y=y+127.5

(10)確定校正數據

分別建立X,Y口勺整數部分和x,Y的小數部分口勺數據.運用以上計算環(huán)節(jié),并通過

編程可以得到攝像機口勺四個.對畸變系數文獻.由這些相對畸變系數,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

數位置,因此,為了決定與該位置對應的.度值,必須運用灰度插值運算.

我｛fl$lj用上述措施在MATLAB中對畸變圖像進行了仿真校正,可以通過微調

焦距f獲得最佳H勺校正效果.如下圖所示：92科課時代?第21期

科課時代

種基于灰度有關H勺迅速國像匹配算法

杜娟/華中光電技術珊究所一武漢光電國家試驗室

［摘要］在老式H勺基于灰度有關H勺圖像匹配算法基礎上，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

測度函數,大大減少了算法時時間復雜度和空間復雜度,在迅速匹配的基礎上，

進行歸一化口勺有關計算,既能保證匹配效果,又提高了

匹配速率.試驗成果表明，這是一種能提高效率的有效算法.

［關鍵字］圖像匹配測度函數歸一化有關

［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,并且結

合許多數學理論和措施,人們不停提新的匹配措施.對于灰

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日勺檢測且對R日勺H勺幾何特性提取

有較高H勺規(guī)定，在背景較復雜時不易目的提取,且計算量大，

對系統(tǒng)的消耗很大.后者采用搜索子圖遍歷圖像,并對搜索窗

口和模板求歸一化有關值，以此作為測度函數,衡量搜索窗口

內圖像與模板H勺匹配度,這種基于灰度有關的匹配尤其適合復

雜背景下多RIH勺識別，匹配的精確性和適應性也很高.不過該

算法有一種致命H勺弱點，就是■算量過丁龐大,難以滿足實時

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

算法,減少計算的復雜度和搜索次數,大大減少了識別時間.本文提的改善算法

正是在序貫相似性算法基礎上,深入.少乘法和除法運算,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

圖像匹配是圖像識別日勺重要構成部分之一.在機器識別事物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同一景物獲取的

兩幅或多幅圖像在空間上對準,或根據已知模式到另一幅罔中尋找對應的模式,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

就是通過有關函數口勺計算來找到它以及被搜索圖的坐標位置.假設我們要在搜索區(qū)

域中，尋找與模板圖像有關程度最大的位置，可以通過模板匹配來計算兩者的有關

程度.在圖1中模板h疊放在搜索圖a上平