鱼眼图像矫正【字数：10007】
鱼眼镜头具有短焦距，广视角的优势，被广泛应用在虚拟实景、场景监视、智能交通、卫星定位、机器人导航、微小智能系统以及工程测量等领域[16]。鱼眼图像就是用鱼眼镜头拍摄得到的，然而由于鱼眼图像比一般所包含的信息量大，安装有鱼眼镜头的图像采集设备比一般的镜头的采集设备具有更为宽广的采集视角，能够捕捉到更大范围的景物，能够简化图像采集过程，节约硬件资源，这就使得鱼眼镜头备受人们青睐。由于鱼眼镜头的原因，拍摄得到的鱼眼图像存在很大畸变，不符合人们习惯上的视觉习惯，图像识别效果也很低，因此需要对鱼眼图像进行矫正才能提升鱼眼镜头的实用性。本文首先对鱼眼图像的成像原理进行阐述，然后再根据原理建立数学模型对鱼眼图像进行矫正，确定矫正算法为最小二乘法。对鱼眼图像矫正包括以下步骤（1）首先对图像进行预处理，灰度处理目标鱼眼图像。（2）提取图像中的有效区域，采用椭圆拟合的方法确定有效区域。（3）运用最小二乘法对有效区域进行处理。（4）进行坐标变换，恢复出原图像。实验结果表明，该算法能将畸变的鱼眼图像进行矫正，而且该算法的实效性比较高，对噪声有很高的鲁棒性，但是也存在矫正效果不是很佳。
目录
1. 绪论 1
1.1 课题研究背景及研究意义 1
1.2 课题研究国内外现状 1
1.3 MATLAB软件介绍 3
1.3.1 数字图像处理工具箱 3
1.3.2 计算机视觉工具箱 3
1.3.3 MATLAB的强大功能 3
1.3 本文的主要内容和结构安排 4
2. 算法研究 5
2.1 有关鱼眼图像有效区域的提取 5
2.1.1 最小二乘拟合法的原理 5
2.1.2 最小二乘拟合法的算法步骤 5
2.2 有关鱼眼图像进行灰度处理 7
2.3 有关鱼眼图像进行坐标变换 7
2.4 有关图像灰度插值 11
3. 算法实现 13
3.1读取图像 13
3.2数字图像灰度处理 14
3.3 提取有效区域 15
3.4 fitellipse函数初始化 17
3.5 坐标变换 17
3 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: #351916072#
.6 双线性插值 17
3.7 显示图像 17
4. 结论 18
参考文献 22
致谢 23
1. 绪论
课题研究背景及研究意义
自21世纪以来，计算机视觉系统的快速发展，各类摄像机有关的监控系统也慢慢得到改善，考虑到安装相机的成本和数学图像处理在算法上的复杂性，在充分考虑成本的条件下，就需要安装摄像机的台数越少，能够捕捉到更多的信息。这就要求图像采集设备采集的单幅数字图像能够拥有更宽广的视野信息。但是普通设备拍摄到的视野范围常常只有40度左右，已经无法满足现在很多领域所需求的视野范围。使得捕捉到十分宽广的视觉范围信息的数字图像或视频，具有短焦距、广视野的鱼眼镜头在现实生活中的应用中愈发受到欢迎，像在百度上非常容易就能搜到用装有鱼眼镜头的相机拍摄到五彩缤纷的鱼眼图像。超广角鱼眼镜头的视野范围一般在180度左右，有的鱼眼摄像机甚至可以达到270 度。一方面，使用鱼眼镜头有效地解决了普通相机在拍摄视角窄上的问题，这是因为运用了鱼眼的视觉，它具备信息量巨大、简化采集过程、观察方便、实现成本低等优点，虚拟实景、场景监视、智能交通、卫星定位、机器人导航、微小智能系统及工程测量等领域有着广泛的应用。鱼眼镜头也具有其他优点，比如体积小、结构紧凑、便于携带、不易损坏等。另一方面，鱼眼镜头的广泛使用，又不能避免地带来各种类型的图像畸变，常见的畸变类型有桶形畸变，径向畸变、枕形畸变等。假如要是用畸变鱼眼图像里包含丰的富信息，就需要将它们校正为符合人眼视觉习惯的正常图像。鱼眼镜头有十分宽广的视角，它被用于大范围监控，同时也看出由鱼眼镜头所拍摄得到的图片存在较为严重的畸变。故寻找有效地方法把鱼眼图像矫正为正常的平面透视投影图像具有十分重要的研究意义，目前国内外也有大量的文献去研究，去解决。然而，当想到鱼眼图像时，永远被放在第一位的是将其校正为正常的透视投影图像。但是，在很多情况下，无论采用那一种鱼眼图像校正的方法，在校正之后得到的图像还是有轻微畸变存在的。鱼眼图像本质上还是属于数字图像的范畴，只是它与一般透视投影图像的成像原理存在差异，而导致最后拍摄出来的照片在视觉上有很大的不同[1]。由于鱼眼图像存在的特殊性，在对其研究是，将普通数字图像的处理方法和原理照搬过来使用显然是不太符合鱼眼图像的实际情况，所以，本课题奔着如何有效地去矫正鱼眼图像为目的进行研究。
1.2 课题研究国内外现状
鱼眼相机是由鱼眼镜头和相应的模块组成的系统。人们在深入观察和研究鱼眼图像时就会得出这样一个结论：有两种畸变类型普遍存在鱼眼图像中，一种是径向畸变，另一种是切向畸变[2]。人们在研究这两种畸变类型对鱼眼图像的影响时发现，在这两种图像畸变的相互作用下，大大造成了拍摄目标的失真，给人们观察和利用鱼眼图像带来很大的不便。有关怎样正确建立起真正适合鱼眼图像的通用的矫正模型，研究者们投入了大量的资金和心血去进行研究。总所周知，对鱼眼图像进行研究的真正目的是为了将其矫正为正常的图像，可以让人眼立刻就能看出图像上的内容以方便使用它们。通过对国内外对鱼眼图像的研究的真实现状，可以归纳出两种主流的鱼眼图像矫正的流派，它们分别是基于鱼眼镜头的参数标定的流派和基于投影变换的矫正的流派。基于鱼眼镜头的参数标定的流派是需要根据相机外部的设备来标定摄像机的内部参数，这种方法对内部设备的测量准度和人为的测量手段提出了很高的要求，而且对成本的要求也非常巨大；然而后者就截然不同，当然产生的效果也得到了人们的认可。它是根据深入挖掘和认真分析鱼眼镜头的整个成像的原理，以此来借助数学方法来模拟出准确的矫正模型，拟合出比较接近理想值的矫正参数，从而来真正实现鱼眼图像矫正的目的。在研究这么多年的鱼眼图像后，纵观所有的鱼眼图像的矫正算法，有的研究人员倾向于选择建立球面模型，有的研究人员倾向于建立抛物面模型，有的研究人员倾向于建立多项式模型等，这些矫正模型的共同点都是需要在进行处理之前就要先找出鱼眼图像外轮廓的圆形母线上的采样点，然后再借助这些采样点计算出拟合出模型需要的真实有效地数据。经过大量研究者的呕心沥血地研究，经过矫正得到的鱼眼图像的效果已经非常靠近理想中的正常图像的效果。工程理论研究常常会存在或多或少的矛盾，虽然鱼眼图像矫正的效果确实很不错，但是也存在不如意的情况，为此，大量的鱼眼图像矫正的改进技术被研究人员所提出并得到人们的认可。
在2013 年4月，J. Lu 等人经过理论研究和实践操作提炼得到了一种基于 B 样条插值算法的鱼眼图像矫正技术，这一技术的提出很快就得到科研界的关注并受到了称赞。此技术是基于 B 样条插值原理来展开实际操作的，它所运用的原理和多项式模型有些相似，但是也独具特色，别具一格，当我们基于鱼眼图像矫正模型所取得位于轮廓母线上的采样点的数量的多少，就决定着该模型对鱼眼矫正模型的拟合程度，得到的采样点的数量非常多，那么得到的图像就越靠近真实的鱼眼矫正的图像[17]。
目录
1. 绪论 1
1.1 课题研究背景及研究意义 1
1.2 课题研究国内外现状 1
1.3 MATLAB软件介绍 3
1.3.1 数字图像处理工具箱 3
1.3.2 计算机视觉工具箱 3
1.3.3 MATLAB的强大功能 3
1.3 本文的主要内容和结构安排 4
2. 算法研究 5
2.1 有关鱼眼图像有效区域的提取 5
2.1.1 最小二乘拟合法的原理 5
2.1.2 最小二乘拟合法的算法步骤 5
2.2 有关鱼眼图像进行灰度处理 7
2.3 有关鱼眼图像进行坐标变换 7
2.4 有关图像灰度插值 11
3. 算法实现 13
3.1读取图像 13
3.2数字图像灰度处理 14
3.3 提取有效区域 15
3.4 fitellipse函数初始化 17
3.5 坐标变换 17
3 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: #351916072#
.6 双线性插值 17
3.7 显示图像 17
4. 结论 18
参考文献 22
致谢 23
1. 绪论
课题研究背景及研究意义
自21世纪以来，计算机视觉系统的快速发展，各类摄像机有关的监控系统也慢慢得到改善，考虑到安装相机的成本和数学图像处理在算法上的复杂性，在充分考虑成本的条件下，就需要安装摄像机的台数越少，能够捕捉到更多的信息。这就要求图像采集设备采集的单幅数字图像能够拥有更宽广的视野信息。但是普通设备拍摄到的视野范围常常只有40度左右，已经无法满足现在很多领域所需求的视野范围。使得捕捉到十分宽广的视觉范围信息的数字图像或视频，具有短焦距、广视野的鱼眼镜头在现实生活中的应用中愈发受到欢迎，像在百度上非常容易就能搜到用装有鱼眼镜头的相机拍摄到五彩缤纷的鱼眼图像。超广角鱼眼镜头的视野范围一般在180度左右，有的鱼眼摄像机甚至可以达到270 度。一方面，使用鱼眼镜头有效地解决了普通相机在拍摄视角窄上的问题，这是因为运用了鱼眼的视觉，它具备信息量巨大、简化采集过程、观察方便、实现成本低等优点，虚拟实景、场景监视、智能交通、卫星定位、机器人导航、微小智能系统及工程测量等领域有着广泛的应用。鱼眼镜头也具有其他优点，比如体积小、结构紧凑、便于携带、不易损坏等。另一方面，鱼眼镜头的广泛使用，又不能避免地带来各种类型的图像畸变，常见的畸变类型有桶形畸变，径向畸变、枕形畸变等。假如要是用畸变鱼眼图像里包含丰的富信息，就需要将它们校正为符合人眼视觉习惯的正常图像。鱼眼镜头有十分宽广的视角，它被用于大范围监控，同时也看出由鱼眼镜头所拍摄得到的图片存在较为严重的畸变。故寻找有效地方法把鱼眼图像矫正为正常的平面透视投影图像具有十分重要的研究意义，目前国内外也有大量的文献去研究，去解决。然而，当想到鱼眼图像时，永远被放在第一位的是将其校正为正常的透视投影图像。但是，在很多情况下，无论采用那一种鱼眼图像校正的方法，在校正之后得到的图像还是有轻微畸变存在的。鱼眼图像本质上还是属于数字图像的范畴，只是它与一般透视投影图像的成像原理存在差异，而导致最后拍摄出来的照片在视觉上有很大的不同[1]。由于鱼眼图像存在的特殊性，在对其研究是，将普通数字图像的处理方法和原理照搬过来使用显然是不太符合鱼眼图像的实际情况，所以，本课题奔着如何有效地去矫正鱼眼图像为目的进行研究。
1.2 课题研究国内外现状
鱼眼相机是由鱼眼镜头和相应的模块组成的系统。人们在深入观察和研究鱼眼图像时就会得出这样一个结论：有两种畸变类型普遍存在鱼眼图像中，一种是径向畸变，另一种是切向畸变[2]。人们在研究这两种畸变类型对鱼眼图像的影响时发现，在这两种图像畸变的相互作用下，大大造成了拍摄目标的失真，给人们观察和利用鱼眼图像带来很大的不便。有关怎样正确建立起真正适合鱼眼图像的通用的矫正模型，研究者们投入了大量的资金和心血去进行研究。总所周知，对鱼眼图像进行研究的真正目的是为了将其矫正为正常的图像，可以让人眼立刻就能看出图像上的内容以方便使用它们。通过对国内外对鱼眼图像的研究的真实现状，可以归纳出两种主流的鱼眼图像矫正的流派，它们分别是基于鱼眼镜头的参数标定的流派和基于投影变换的矫正的流派。基于鱼眼镜头的参数标定的流派是需要根据相机外部的设备来标定摄像机的内部参数，这种方法对内部设备的测量准度和人为的测量手段提出了很高的要求，而且对成本的要求也非常巨大；然而后者就截然不同，当然产生的效果也得到了人们的认可。它是根据深入挖掘和认真分析鱼眼镜头的整个成像的原理，以此来借助数学方法来模拟出准确的矫正模型，拟合出比较接近理想值的矫正参数，从而来真正实现鱼眼图像矫正的目的。在研究这么多年的鱼眼图像后，纵观所有的鱼眼图像的矫正算法，有的研究人员倾向于选择建立球面模型，有的研究人员倾向于建立抛物面模型，有的研究人员倾向于建立多项式模型等，这些矫正模型的共同点都是需要在进行处理之前就要先找出鱼眼图像外轮廓的圆形母线上的采样点，然后再借助这些采样点计算出拟合出模型需要的真实有效地数据。经过大量研究者的呕心沥血地研究，经过矫正得到的鱼眼图像的效果已经非常靠近理想中的正常图像的效果。工程理论研究常常会存在或多或少的矛盾，虽然鱼眼图像矫正的效果确实很不错，但是也存在不如意的情况，为此，大量的鱼眼图像矫正的改进技术被研究人员所提出并得到人们的认可。
在2013 年4月，J. Lu 等人经过理论研究和实践操作提炼得到了一种基于 B 样条插值算法的鱼眼图像矫正技术，这一技术的提出很快就得到科研界的关注并受到了称赞。此技术是基于 B 样条插值原理来展开实际操作的，它所运用的原理和多项式模型有些相似，但是也独具特色，别具一格，当我们基于鱼眼图像矫正模型所取得位于轮廓母线上的采样点的数量的多少，就决定着该模型对鱼眼矫正模型的拟合程度，得到的采样点的数量非常多，那么得到的图像就越靠近真实的鱼眼矫正的图像[17]。
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