1、分類號：密級：編號：工學碩士學位論文基于魚眼鏡頭的全視覺圖像研究碩士研究生：孫麗華指導教師學位級別：席志紅教授工學碩士：學科、專業：通信與信息系統所在單位：信息與通信工程學院論文提交日期：年月論文答辯日期：年月學位授予單位：哈爾濱工程大學哈爾濱工程大學碩士學位論文摘要全景視覺是指一次獲得大于半球視場（。的三維空間的全部視覺信息。由于其視域開闊，對于民用、軍事還有宇航空間領域中的依賴于視覺信息做出決策的各行業都具有非常重要的意義。目前被廣泛關注的全景視覺感知技術主要是利用反射鏡和魚眼鏡頭兩種方法，反射鏡由于光線經過兩次反射，成像像素損失嚴重，成像質量大打折扣，其次攝像機本身也會成像在圖像里，從而

2、造成觀測的“盲點”。魚眼鏡頭是一種短焦距（）大視場（視場角約為。甚至。）攝像鏡頭。由光學成像原理可知，焦距越短，視角越大，所成圖像產生的畸變也就越大。魚眼圖像畸變嚴重，有必要將其校正為人們所習慣的圖像。圖像校正之前，首先需要把魚眼圖像的有效區域提取出來，在研究已有的有效區域提取方法基礎上，本文根據有效區域內的極限亮度差比有效區域外的極限亮度差要大的特點，提出一種基于亮度差的提取方法，試驗結果表明該方法比面積統計法精確，快速。針對基于經度校正方法還存在定的拱形失真問題，本文提出了比例校正方法，該方法不需要成像系統的參數以及數學投影模型，試驗結果表明該算法基本消除了拱形失真。全景圖像尺寸大，而監視

3、器界面通常相對較小為了實現特殊區域的重點監視以及放大觀察，本文把光學中心轉換和魚眼圖像校正結合起來，實現了魚眼圖像感興趣區域的視窗校正，從而為下一步實現動目標的跟蹤、監視奠定基礎。由于監視用攝像機成像尺寸不同，有時并不能一次獲得完整的全景圖像，本文根據魚眼圖像的特點，采用算法，實現了魚眼圖像的拼接。試驗結果顯示拼接效果良好。關鍵詞：全景視覺：魚眼鏡頭：畸變校正；視窗；拼接哈爾濱工程大學碩士學位論文，（。），。（）（。），。，哈爾濱工程大學碩士學位論文，：；哈爾濱工程大學學位論文原創性聲明本人鄭重聲明：本論文的所有工作，是在導師的指導下，由作者本人獨立完成的。有關觀點、方法、數據和文獻的引用已在

4、文中指出，并與參考文獻相對應。除文中已注明引用的內容外，本論文不包含任何其他個人或集體己經公開發表的作品成果。對本文的研究做出重要貢獻的個人和集體，均己在文中以明確方式標明。本人完全意識到本聲明的法律結果由本人承擔。作者（簽字）：盈）面壘日期：丸年月西日啥爾濱工程大學碩士學位論文第章緒論全景視覺是指一次獲得大于半球視場（。）的三維空間的全部視覺信息。壺于其視域開闊，對于民用、軍事還有字航空聞領域中的依賴于視覺信息做出決策的各行業都具有非常重要的意義。目前被廣泛關注的全景視覺感知技術主要是利用反射鏡和魚眼鏡頭兩種方法【鄂。全景視覺視覺理論的研究開始于世紀年代中期，以等人為代表的一些研究者提出了一

5、整套視覺計算理論來描述視覺過程。早麓主要是對二維圖像進行處理研究。隨著計算機的普及和更新，視覺圖像處理技術迅速發展。被廣泛應用于工業、農業、軍事、醫學等各行業。傳統的視覺感知系統視場較小，以人眼為例，雙眼可以觀察的范圍大約水平，垂直礦，依靠雙眼余光觀察范圍可以達到水平大約，垂直。而能夠分辨清物體的外觀特征時的有效觀察范圍更小，眼球不轉動的觀察范圍只有一。一般的視覺感知裝置均是為滿足人眼的視覺效果而設計的，為了得到線性度較好的視覺效果，普通攝像機的成像視場角只有，加裝廣角鏡頭視場可達。一，而三維空間具有。的視場，所以傳統的視覺感知系統不麓一次獲得三維空聞的全部信息瑟。與傳統視覺感知系統不同，全景

6、視覺是指一次獲得大予半球視場（。）的三維空悶靜全部視覺信息。獲得全景視覺需要特殊的視覺傳感器系統。視覺感知系統作為最基本的外界信息感知手段在許多領域都有廣泛的應用，全景視覺對于民焉、軍事還有宇航空聞領域中的依賴子視覺信意傲出決策的領域和行業具有非常重要的意義。全景視覺環境感知系統的旱甥研究開始予世紀年代末年代襁。哈爾濱工程大學碩士學位論文；宣疊赫鼉羞黼黼赫赫葺年美豳賓夕法尾亞大學（）設計了一套雙曲面反射鏡成像系統。在電視熒光屏上觀測到了通過鏡麗反射的全視場圖像，成功應用于塔樓士兵監測周圍目標。美國國家航空航天局在年代末麓對這種全景成像方式產生極大興趣，瓷助了美匿多所大學和研究所對其開展研究，目

7、前已經實際應用于火星探測機器人，取得了很好的效果。魯年開始，在世賽范匿內掀起了一股研究全景視覺的熱潮。年月日登陸火星的探測機器人勇氣號（年胃筋號隨后登陸靜機器入機遇號（致，分別裝備了全景視覺環境感知系統。在民黑領域，全景視覺環境感知系統應用也十分廣泛。匿本愿康窩佳能公司開發了反射鏡成像、魚眼透鏡等多種全景視覺系統，并對圖像處理算法進行了研究。加拿大藿家研究浣等許多研究楓橇還將全景視覺環境感知系統用于視頻會議、遠程教育。國內有關全景視覺技術的研究于年才開始，起步較晚，量翦仍處于基礎研究階段。痤）及，）置完全一根據調研，四川大學光電系蘇顯渝教授年得到匿家自然科學基金資助，開展了折反射光學全景成像理

8、論及雙目立體視覺的研究，中豳科學院沈陽自動化研究所機器人研究室董再勵研究員年利用國家自然科學基金資助條件開展了全景圖像恢復及在移動機器人定能應用的研究，哈爾濱工程大學自動化學院朱齊丹教授研究了一種雙藍面反射鏡的全景視覺感知器，展開箕在移動機器入定位中的研究，大連海事大學自動化研究中心的馬孜教授針對海上搜救的背景展開了全景視覺及在移動機器人進行海上救助的研究。以上研究均處于理論研究階段，取得階段性成果。目前已有的獲取大視場視覺信息的方法有：（）普通視覺傳感器旋轉云臺的方法，普通視覺傳感器視場有限，依靠云臺旋轉增大視場，但是由于云臺旋轉速度所限，在所獲得的圖像里存在時延，不適于快速移動豳標的視覺信

9、息獲取；）多視覺傳感器書蠢像拼接的方法，利靂多臺視覺傳感器同時獲晗爾瞑工程大學碩士學位論文取視場不同角度的視覺圖像，然后實現圖像的無縫拼接，但是多攝像機的精確安裝，以及多幅圖像的無縫拼接成為復眼技術實現的瓶頸；（）利用凸面反射鏡的方法：這種成像系統的優點是視場特別大，但是由于光線經過兩次反射，所以這種成像系統的成像像素損失嚴重，成像質量大打折扣。其次折反射鏡頭沒有可變光圈，孔徑不可調，進而不能控制景深。還有一個缺點是攝像機本身也會成像在圖像里，從而造成觀測圖像的“盲點”；（）利用魚眼鏡頭的方法。魚眼成像魚眼鏡頭是一種短焦距（仁）大視場（視場角約為。甚至。）攝像鏡頭，其前面的透鏡似鼓起的魚眼，魚

10、眼鏡頭之名由此得來。圖為人眼結構圖和魚眼結構圖的區別。人眼的水晶體是扁圓形的，因此可以看到更遠處的東西，而魚的眼睛水晶體是圓球形，因此雖然只能看到比較近的物體，卻擁有更大的視角，也就是看得更加廣闊。（）人眼結構（）魚眼結構圖人眼結構圖和魚眼結構圖常見的魚眼鏡頭有兩種：（）（），為焦距，成像區域為圓形，視角近似于。×。，或者更大，如圖（）所示：（）（），成像區域為矩形，視角近似于。×。，鑒璽鎏三室奎耋望圭蘭堡鎏蘭對角線視角接近。，如圖（）所示?！旧椋ǎ﹫D常見的兩種魚眼圖像（旬（）由于魚眼鏡頭具有大視場的特點，一幀圖像就包含非常豐富的信息，且它以凝視方式工作，不需要旋轉和掃描，

11、具有體積小，隱蔽生強的優點，所以魚眼鏡頭有獨特的應用價值，對魚眼鏡頭獲得全景圖像的研究非常有意義。（）魚眼圖像（普通視覺圖像圖魚眼鏡頭和普通鏡頭在同一地點拍攝的圖像魚眼鏡頭及其成像技術的發展過程魚眼鏡頭經歷了從水下魚眼的簡單模仿到現在的。和紅外式魚眼鏡哈爾濱工程大學碩士學彼論文鞘黼宣赫赫；赫麓嵩赫頭，大約分為四個階段：第一階段為對水下魚眼的簡單模仿，第二階段為魚眼鏡頭的雛形，第三階段為希爾鏡頭的改進，第四階段為魚眼鏡頭的發展釋。年，在一個裝滿水的容器士蓋一塊玻璃板構成一針孔相機，來實現超廣角攝影?？梢哉f這套裝置是對水下魚眼最簡單的模仿。僵是由于總是要帶一個水箱，顯然很不方便。年，改進了的裝置。

12、他用一個半球玻璃透鏡取代上述水箱，并且在半球玻璃透鏡的平面上蓋一片中央留有小孔的光屏。用這種裝置拍攝天空的云層，可以覆蓋近乎半球空域。但是這套裝置沒有考慮像差校正問題，實際可用的半視場角必定小于。年，改進的設計，在前藤弓焉一個光焦度絕對僮很大的負彎月形透鏡。這個負彎月形透鏡的引入使系統的場曲明顯減少，色差也被有效茲降低，所以成像質量較上邊兩種裝置有著顯著的改善。麓夠拍到較好的半球空域的云層照片，所以這種結構也叫做希爾天空鏡頭（）。希爾對發展魚畏鏡頭所俸的貢獻是公認盼。最突密的工終就是弓入具有負光焦度的第一透鏡。后來的魚眼鏡頭設計都沿用這種構思。第一負透鏡至今仍是魚眼鏡頭光學系統中最重要的韁元。

13、年，改進了希爾的設計。用兩塊分離的單透鏡取代希爾鏡頭中的半球形平凸透鏡。增加了結梅參數爨變量，可以較好的校正場睡和像散，成像質量有著明顯的提高。年，又對魚眼鏡頭進行了改進。他的前兩個透鏡均為負彎月形?？讖焦怅@前增加了一件雙膠透鏡；光闌后用一平行平板玻璃和一雙凸透鏡取代了半球形平凸透鏡。鏡頭的成像質量進一步褥到提井。世紀年代由于光學自動設計技術的應用，魚眼鏡頭的發展更加迅速，出現了很多像質優良的光學結構。年，設計了一種鏡頭，。，。不僅使系統像差得到了較好的校正，并且像面照度的均勻性有了明顯的改善。現在有的鏡頭能達到。的褫場角，還有的甚至能達到。哈爾濱工程大學碩士學位論文【魚眼全景視覺的應用由于魚

14、眼鏡頭具有視場很大的特點，一幀圖像包含的信息就非常豐富，且它戳凝視方式工作，不需要旋轉幫攙接，具有體積小，隱蔽性強的優點，所以魚眼鏡頭有其獨特的應用價值。氣象廒用：年，改進了希爾的設計，就首先獲得天空云層的圖像，在氣象觀測中的應用可算是魚眼鏡頭最起始的應用。攝影應用：能獲得一些特殊的成像效果，在廣告拍攝大場面攝像中有獨特應用，魚眼鏡頭特別適用于拍攝圓形的景物，如圓形劇場、廣場的全景、天空等，拍攝鮑夏藤顯得高大、寬廣、遼闊。電影廒用：球幕電影院，人眼雙目視覺范圍最大，魚眼鏡頭的放映視場近于，使溉眾感到窿己仿佛真的置身予所放映的自然景物之中。醫療廒用：應用帶魚眼鏡頭的微小型攝像系統，可進行人體腸，

15、胄及呼吸道的內窺檢查。檢測技術應用：細長管道內壁質量檢查是現代檢測技術的重要方面。采用帶照明器的魚眼式攝像系統可以方便的觀察和記錄管道內壁的情況，可以在連續移動中不間斷的進行，而且完全沒有盲區，故可無一遺漏的發現內壁疵病，裂紋。安全監視，邊防警戒：在重要部位設置魚眼式攝像機，可以完全無盲送的實施監視，攝像，記錄和報警，由于它以凝視方式工作，不需要旋轉和掃播。防火監測：紅外魚眼式成像系統用于監測城市或森林火警。還有溱防幫軍事應震；魚眼式成像系統配合穰應酶軟俘釋信號處理單元，能實現全空域包含和全時域實時的信息獲取，特別符合現代戰爭對信息獲取技術的需要嘲。另外在機器人導航（、全景漫游、虛擬現實【、視

16、覺監控以及基于圖像的繪制等詩算撬視覺領域也需要使用具有大視場的魚眼鏡頭。通常的金啥爾濱工程大學碩士學譴論文。景漫游技術是利用普通相機圍繞中心點旋轉拍攝多幀圖像進行拼接合成，?？紤]多幀圖像之間的拼接問題，比較麻煩，麗利用魚眼鏡頭只需要沿相反的方向拍攝幀圖像即可，只需考慮幀圖像之間的拼接問題即可。論文研究的主要內容本論文研究的主要內容包括：）針對現有的有效區域提取方法面積統計法提取的有效區域不精確悶題，本文根據有效區域內的極限亮度差比有效區域外的極限亮度差要大的多，提出基于亮度差的有效區域提取方法。針對基于經度的魚眼圖像畸變校正方法存在一定的拱形失真問題，提出一種基于比例的魚眼圖像校正方法，該方法

17、不需要成像系統的數學投影模型，有效的解決經度方法存在的拱形失真。實際檢測中人們可能只對魚眼圖像中的某個區域感興趣，把光學中心轉換跟魚眼圖像校正結合起來，進行魚眼圈像的感興趣區域的視窗校正，為以后動目標跟蹤監視奠定基礎。銣由予攝像楓成像尺寸不閹，有時不能一次獲得完整的全景視覺圖像，所以本文研究了圖像拼接問題，根據魚眼圖像的特點，采用胛算法，實現了魚眼匿像拼接。論文內容分為四奄：第章：序論部分。介紹了研究全景視覺豹意義、屬魚眼鏡頭獲得全景圖像的意義、魚眼鏡頭的發展與應用以及課題研究的主耍工作。第章：理論基礎。余紹了圖像預處理的凡部分內容，包括灰度純、平滑、銳化以及對比度拉伸。分析了魚眼鏡頭的結構、

18、光學特性，最后給出了實際工作中采用的設備。第章：魚眼圖像畸變校正。分析了魚眼圖像的三種成像投影，針對已騫的有效區域提取方法不精確趣題，提出一種基于亮度差的有效區域提取方晗爾溪工程大攀碩士學健論文！黼法，針對經度校正方法存在定薛拱形失真閽題，提怒基于毖鍘的魚眼強像校正方法。實際益測中，入稍可能對強像中菜個特殊區域感興趣，本文把光學中心轉換寢魚眼辮像校妥結含起來，實現了魚眼銎像感興趣區域的視窗搜菠，力以震的動霹檬跟蹤益褫奠定基勰。第肇：魚鼴蹬像拼接，分紹蹬像拼接黝流程，磷究了三種霉像拼接方法，稷據萱眼圖像翡特點選擇蔫基于特薤方法率的算法采進行拼接，最后用炳算法實現了魚良圖像拼接，給出了魚眼圖像擗接

19、結巢。啥爾濱工程大學碩士學位論文第章理論基礎壺子獲取圖像的工具或手段豹影響，使獲取圖像無法完全體現原始圖像的全部信息。因此，對圖像進行預處理就顯得非常重要。預處理的目的是改善圖像數據，抑割不需要的變形或者增強某些對于后續處理來說魄較重要的圖像特征陋明。圖像預處理一個圖像處理系統的流程，可以分為三個階段，獲得原始圖像之后，蕾先是圖像預處理階段，接下來是特征抽取階段，最后是識別分析階段。實際應用中，康子光照、噪聲等原因，使得獲得的原始圖像并不是很完美，這就需要進行圖像的預處理，改善圖像數據，抑制不需要的變形或者某些對于后續處理來說比較重要的圖像特征。圖像的預處理包括圖像增強、平滑濾波、銳化等內容。

20、圖像預處理既可以在空聞域上實現，也可以在頻域內實現，本文主要是在空聞域內對圖像進行點運算。為了改善視覺效果或者便于入和機器對圖像酶理解和分析，根據圖像的特點或存在的問題采取簡單的改善方法或者加強特征的措施稱為圖像增強（）。圖像增強有兩大類應用，第一類是改善圖像的視覺效果；第二類是突出圖像的特征，使之更便于計算機處理。對視覺系統攝取的圖像進行容量和質量等調整，以使圖像的后續工作順利進行，這一調整過程屬于圖像的預處理。圖像的預處理過程包括灰度化，乎潺，銳化，對比度拉伸等。灰度化處理從銎像采集卡得到的圖像逶鬻為彩色圖像，需要把它們轉傀為厭度圈來孽一一一一哈爾溟工程大學碩士學位論文一黼蕾薯黼置做進一步

21、的圖像處理工作?；叶葓D（）是指含亮度信息，不含色彩信息的圖像?；叶然幚硎前押辛炼群蜕实牟噬珗D像變換成灰度圖像的過程。灰度化處理在許多圖像處理中是很重要的一步，它的結果就是后續處理的基礎。要表示灰度圖就需要把亮度值進行量化，通常劃分為到共個級別，其中最暗（全黑），最亮（全自）。所以在灰度化處理中，系統先讀取調色扳中的，然后再利用公式：；（一）即可得出亮度值。平滑處理圖像的預處理使用平滑處理，其主要騫的是減少嗓聲。一些常冤的噪聲有椒鹽噪聲、脈沖噪聲、高斯噪聲等。椒鹽噪聲是含有隨機出現的黑自亮度值，脈沖噪聲是只含有隨機的島強度值（正脈沖噪聲）或黑強度值，與前兩者不同，高斯噪聲是含有亮度服從高斯

22、或正態分布的噪聲。高斯噪聲是許多傳感器噪聲的很好模型，例如攝像機的電子干擾噪聲。圖像的平滑處理方法視其噪聲本身的特性而定，可在空間域域在頻率域采用不同的措施。空域濾波是在圖像空間借助模板進行鄰域操作完成的，根據其特點一般可分成線性和非線性兩類。線性平滑濾波器對去除離斯噪聲有很好的效果，且在大多數情況下，對其他類型的噪聲也有很好的效果。最簡單的線性濾波器是局部均值運算，鼯每令像素點的灰度值（，用其局部鄰域內各點灰度值的均值（，）來置換，均值計算公式陋】如下式：崛臚音。颶（）其中，挺是鄰域內的像素點總數，（，勢是鄰域內位置，）處的灰度值。一般弱言，鄰域的大小控制著濾波程度，大尺度鄰域會加大濾波程度

23、。作為消除大噪聲的代價，大尺度濾波器也會導致細節的損失和計算量的增加。哈爾濱工程大學碩士學位論文均值濾波的主要阿題是有可能模糊圖像中的尖銳不連續部分。如果既要消除噪聲又要保持圖像的細節，可以使用非線性濾波算法。中值濾波是最簡單的菲線性濾波器，其基本思想是用像素點鄰域灰度值的中值來代替該像素點的灰度值。中值濾波法在去除脈沖噪聲、椒鹽噪聲的同時又能保留圖像的邊緣細節，這是因為它不依賴于鄰域內那些與典型值差別很大的值，由于它不是簡單的取均值，所以產生的模糊比較少。具體方法是將固定大小的模板在圖中漫游，并將模板與圖中某個像素位置重合，讀取模板下各對應像素的灰度值，將灰度值從大到小排序，最后取該序列的中

24、值代替模扳中心像素點的值。該方法對模板大小的選擇很關鍵，模板太大有可能造成邊界信息的丟失，并且由于計算量增大而傻速度減慢；模板選的太小，劉去噪效果不理想。還有種很有效的平滑方法即高斯平滑，離斯模板【為：一托王，、王王（）模板操作實現了一種鄰域運算（），即某個像素點的結果不僅程本像素灰度有關，麗且和其鄰域點的值有關。平滑模板的思想是通過一點和周圍個點的平均來去除突然變化的點，從而濾掉一定的噪聲，其代價是圖像有一定程度的模糊。實際上，離某點越近的點對該點的影響應該越大，從上式可以看出，距離越近的點，加權系數越大。下面以魚眼鏡頭在之前的奧列霍夫廣場圖像為例，對其進行中值濾波，模板分別選為、，比較其濾

25、波效果。從圖中可看出，中值濾波廄的圖像均勻，噪聲消除，基本保持了邊界信息。墜：鎏三堡查莖望圭莖堡鎏圣【圖獲得的魚眼圖像（）灰度圖）疊加椒鹽噪聲（）模板×（灘板×（）模板×銳化銳化的目的是突出邊緣，在頻譜上為保留高頻分量，抑制低頻分量。常用的方法為高通濾波器。與圖像的平滑相似，圖像銳化也采用相應的理想高哈爾濱工程大學碩士學位論文通濾波器、巴特沃斯高通濾波器、指數濾波器和梯形濾波器對圖像進行高通濾波。常用的銳化模板是拉普拉斯（）模板，即拉普拉斯銳化，其模板如下：（）【容易看出拉普拉斯模板的含義，先將自身與周圍的個像素相減，表示自身與周圍像素的差別，再將這個差別加上自身

26、作為新像素的灰度。可見，如果一片暗區出現了一個亮點，那么銳化處理的結果是這個亮點變得更亮，增加了圖像的噪聲。因為圖像中的邊緣就是那些灰度發生跳變的區域，所以銳化模板在邊緣檢測中很有應用價值。圖為經過拉普拉斯模板處理結果：（曲灰度圖（）一次銳化圖田輿列霍夫廣場仰望天空拍攝的魚眼圖像對比度擴展假設有一幅圖，由于成像時光照不足，使得整幅圖偏暗，（例如，灰度范圍從到）；或者成像時光照過強，使得整幅圖偏亮，（例如，灰度范圍從到），稱這些情況為低對比度即灰度差較小。灰度擴展的意思就是把感興趣的灰度范圍拉開，使得該范田內的像素，亮的越亮，暗的越瞎，從而達到了增強對比度的目的圳?？梢杂脠D來說明對比度擴展的原理

27、。至璽璽三呈奎蘭至圭耋堡篁蘭圜對比廈擴展的腺理圖中的橫坐標乳表示原圖的灰度值，縱坐標。表示。經過對比度擴展后得到的新灰度值。占。和。：表示原圖中要進行對比度擴展的范圍，。和。：表示對應的新值，拉伸系數：。原圖和新圖灰度變化關系用下面公式：。，（）。，（）×。，。：（）。（。一。）一（一。）顯然要得到對比度擴展后的灰度，我們需要知道、礦。：三個參數。圖取、。、：，進行對比度拉伸。）灰度圈（）對比度擴展圖圈奧，藿走廣場仰望天空拍攝的魚眼圖像洽爾濱工程大學碩士學綴論文插值在圖像處理中的應用，分為最近鄰插值、雙線性插值、雙三次插值。最鄰近播僮是最簡單昀插值，運算速度快，但是插值效果不是很好，

28、雙三次插值效果好，但是運算量大，所以需要考慮運算量和效果之間的矛盾，論文里采用雙線性插馕。魚眼鏡頭的結構鎏憊眼鏡頭縫梅鎏圖為一個包含可更換濾波片的鏡頭【剮，其國。，。豳中平行平板為可爨換濾光片（也可以敖在最后一個透鏡后）。只示意光闌所在區間，來指明其具體位置。國為半視場角，為系統焦距，為鏡頭的入射光孑壹徑，為裰對孔徑（一般是可以調節的，其倒數為光匿系數，光圈系數越小，曝光量越多）。蹬爾濱工程大學碩士學位論文葺葺赫高焉射光線國烈么“能毒一一毒射光線或瑤像面匿。熊眼鏡頭基本結構系統筒純圖其中甜為半視場蹙，。為系統豹焦距，乓為蓐該焦距。魚眼鏡頭酶共游特征是第一透鏡具有絕對值很大的負光焦度，這決定了他

29、們必然冥有反攝遴物鏡的基本特征，郯翦組為負光焦度，蜃韁為正光焦度，圖。為系統簡化結構圖。這種結構特點一力矮工作距離（鏡頭最宋光學面頂點至系統像方焦點的距離）比具有同樣焦距的其他類型鏡頭要大的多；同時也比其自巍的焦距數饉大。魚眼鏡頭的稅場角蔣瘸大，焦距短，這就要求后工作距離大。另一個特點是軸外物點的光束通過第一透鏡的發散之后，與光軸的夾角明顯變小，滿足魚蔽鏡頭光學特性要求的最重要條件。魚眼鏡頭的光學特性攢述理想像高度與物方半視場熊緲之間關系熬數學公式有以下幾種硪（）（）（一雄（）辨（）蓐哈爾濱工程大學硬士學俊論文圖種成像公式與理想成像的比較墅。表現了上述種成像思想引入的桶形畸變量的大小，其中】，

30、（）表示的是高斯光學的理想成像關系，在同一國處，上述種成像思想的曲線與（，）的差值代表了各彝所能引入的桶形畸變量的大小，如圖所示，式（）產生的畸變最大?，F在市場上用的最多的魚眼鏡頭成像原理是式（）表示的等距成像，本文用的即是等距成像的魚眼鏡頭。其中式（）表示的是等距投影成像【麓：楣網的視場角國對應著相等的徑向距離。像高與視場角為簡單的正比例關系，這樣就使得目標信息的提取具有很好的實對性。纛圖中可以看基，等篷成像酶畸變偏小，可以孳入修正因子尼，采用下列修正公式：羅篡，其中七為常系數，七越小鏡頭的桶形畸【露變量越大。式（）表示的是等立體角投影成像：物方相同的立體角將在像面上投影為相等的面積。式（。

31、）表示的是體視投影成像：在半球形物面視場邊緣的小鏖，所成像的直徑是視場中央小圓像直徑的倍。魚眼鏡頭一般不采用這種成像思想。式（）表示的是正交投影成像；這種成像使得徑向與切向放大率不同，并且存在物信息湮滅現象，故不經常使用。哈爾濱工程大學碩士學位論文邕黼論文中用到的實際裝備本文中用到的魚眼鏡頭規格：適馬，具有組片的鏡頭結構，視角范圍是。，焦距為。與之配套的是尼康單反數碼相機，具有萬有效像素，傳感器尺寸為。本章小結本章對圖像預縫理所了詳纓奔紹，包括灰度純處理、平滑處理、銳化以及對比度拉伸，研究了魚眼鏡頭的結構、光學特性，了解了魚眼鏡頭的發展過程以及鹿用，給擻了論文中用到的實際魚眼鏡頭規格以及與之相

32、配合的數碼相機規格，并利用此魚眼鏡頭在實際環境下拍攝了圖片。差哈爾濱工程大學碩士學位論文第章魚眼圖像畸變校正魚眼鏡頭是一種短焦距（）大視場（視場焦約為甚至§）攝像鏡頭。由光學成像原理可知，焦距越短，視角越大，所成圖像產生的畸交也就越大；魚眼圖像畸變嚴重，有必要將其校正為人們所習慣的銎像。圖像校正之前，首先需要把魚眼圖像的有效區域提取出來，在研究已有的有效區域提取方法基礎上，本文根據有效區域蠹的極限亮度差眈有效區域鄉的極限亮度差要大的特點，提出一種基于亮度差的提取方法，試驗結果表明該方法比菰積統計法精確，快速。針對基予經度校正方法還存在一定的拱形失真問題，本文提出了比例校正方法，該方法

33、不需要成像系統的參數以及數學投影模型，試驗結果表明該算法基本消除了拱形失真。全景圖像尺寸大，而監視器界面通常相對較小為了實現特殊區域的重點監視以及放大觀察，本文把光學中心轉換積魚眼圖像校正結合起來，實現了魚眼圖像感興趣區域的視窗校正，從而為下一步實現動目標的跟蹤、監視奠定基礎。魚眼圖像的近似投影模型壺子魚眼鏡頭賚十組鏡片組成，結掏復雜，所以其成像模型都是存在定的誤差。目前主要有多項式逼近模型【】、拋物面投影模型【】和球面投影模型”舛。以下分別介紹這三種模型：多項式逼近模型在獲得像素坐標，）之后，用下式轉化為歸一純坐標，羅）：。（一如。沁）其中，）為魚眼圖像的中心，為圖像像素縱橫比。多項式畸變模

34、型如下：即）哈爾濱工程大學碩士學位論文鬟囂高（），咒（）其中純，。）為校正圖像上的無畸變點，（，欺）為魚眼圖像上有畸變點，屹批），：為畸變半徑，為畸變系數，純，虬）與（，兒）都是經過歸一化變換后的坐標。實際校正過程中應用的一般是患無畸變點求畸變點，也就是根據求解心。數學中的最佳一致逼近原理求取畸變量的擬和多項式是有效途徑。拋物面投影模型投影規則如圖所示：墨與昱為空聞中經意兩點，點置：與：是線段螋與線段鴝同拋物面的交點，點只。與只：為只。與只：沿軸方向垂直投影到聊平面上的點。點最與毛為空間中的置與邏的投影點。所有空間點的投影點組合成魚眼圖像。如圖所示，空間中的直線經過變化之后就不再是直線。這是理

35、想情況：拋物面焦點與空間坐標系原點重合。投影拋物面為：；。廠澎島喜卜茲，；沙圖拋物面投影模型邕黼宣鞘攀聾羔球面投影模型啥爾濱工程大學碩士學位論文邕黼置圖球面圖像及球面投影如圖所示，一單位球，為空聞中任意一點。連接單位球酶圓心與空間點得到射線；射線映射到球面上，得到與球面的交點；將平行予軸投影裂平囂上，得到魚眼圖像上的成像點?？臻g中的點與魚眼圖像上的點一一對應，整個半球在平面上的投影就是最震魚眼鏡頭產生的魚眼圖像。投影中心周圍基本上不產生畸變，越是遠離投影中心，畸變越嚴重。其中投影球面為：。置￥，）為空聞點羅，）的球面投影點。由于露與是一一對應的，所以異與之間的坐標變換關系如下：廠了點。蘭；一；

36、型蘭：±羔：±三：（）。一篇一。需之。“。一尺定一疆一得到：嘉彳，霆一搿一礦爐孺麗。（）啥爾濱工程大學碩士學佼論文黼篁鞘嗣；黼有效區域的提取在魚眼圖像畸變校正開始之前應該首先確定出魚眼圖像有效區域，有效區域集中了全部景物信息。魚眼圖像有效區域的提取目前最常見的是面積統計算法嗍。事先設定一個閾值（例如），計算顏色值之和大予張勺點個數，同時計算顏色值之和大于嘞點的一次距，。其中（，），）為魚眼圖像的像素坐標，那么，很容易推出以下結論：露砌刪（）；但是當魚眼圖像有效區域內存在較多的黑色像素點時，面積統計算法將產生較大的偏差。鑒于此本文提出一種基于亮度差的魚眼圖像有效區域提取算法。

37、位圖中萊一行（列）中像素的最大亮度與最小亮度之差，稱為該行（列）豹極限亮度差。魚眼圖像的圓形有效區域集中了全部的景物信息，該區域內的像素點亮度值遠遠大于有效區域之外像素點的亮度，因此有效區域內的極限亮度差比有效區域外的極限亮度差要大的多。從圖像的四邊開始向中心掃描。預先設定一個閩值（本文程序設置的闋值為），豢掃描線上的極限亮度差大予該閩值時，就可以認為該掃描線已經掃描到魚眼圖像圓形有效區域的邊緣。亮度計算公式：一（）其中，分別為像素點的紅綠籃分量?；诹炼炔畹姆椒黠@比蘧積統計法的效率要高。計算每一條掃描線上各點的亮度，確定最大亮度和最小亮度鋤覷，劉該掃描線的極限亮度差，（）當，弱認為該掃描線

38、為魚鼴圖像有效區域的邊緣。按照這種方法哈爾濱工程大學碩士學位論文分別求出有效區域的上下左右邊緣線：，！，。程序主體如下：；事事幸木】毒事幸宰掌宰幸書幸事事毒按行掃描，上切行：（，：）。幸（，）章（，）掌（，）；紅綠藍三釋顏色分量轉換為亮度（，）（，）；找出每一行當中亮度值最大的像素點（）腳（，）；找出每一行當中亮度值最小的像素點：；每行當中亮度差最大的像素點；如果亮度差大于預先給定的閾值，則為其中一條邊緣線哈爾濱工程大掌碩士學位論文棗事卑宰宰宰奉宰宰毒辜宰宰幸幸事車幸按列掃描，左切列：（）宰，）宰，）毒（，）；紅綠藍三種顏色分量轉換為亮度（）（，）；我出每一行當中亮度值最大的像素點（）（，）；

39、找出每一行當中亮度值最小的像素點；每一行當中亮度差最大的豫素點；如果亮度差大予預先給定的闌傻，則為其中一條邊緣線與網理可得。求出，罌個參數之后就可以取出魚眼圖像有效區域，就可以求出魚眼圖像的圓心坐標以及半徑參數：足丁，一而。，；廣）呈璽鎏三壟奎耋至圭莖堡鎏蘭用兩種方法提取的有效區域結果如圖所示。（曲原魚眼圖像（）面積統計法提取的有效區域（）本文方法提取的有效區域圖魚眼圖像有效區域提取如圖所示面積統計法提取的有效區域并不精確，如果魚眼圖像的有效區域里黑色像素比較多的時候，面積統計法更不精確，而本文提出的提取方法是比較精確的，并且面積統計算法的復雜度為（×），本文方法的復雜度為（

40、5;），本文的復雜度遠遠低于面積統計法。其中×為魚眼圖像的大小，為魚眼圖像有效區域的直徑。哈爾濱工程大學碩士學位論文由于本論文的魚眼鏡頭設備獲得的魚眼圖像的有效區域外切長方形，所以半徑應該取長方形的長邊的一半，即：（，呦。接下來就是魚眼圖像校正問題。魚眼鏡頭圖像畸變校正魚眼鏡頭圖像畸變校正可以用圖說明。圖魚眼圖像畸變校正過程示意圖魚眼圖像畸變校正過程就是魚眼鏡頭成像過程的逆過程：魚眼圖像中的任意一點，沿平行于軸方向投影到球面上與球面交于點，連接交平面于點，就是的校正點。把魚眼圖像中的每個點都這樣映射到平面上，最后平面就是所要求魚眼圖像的校正圖像。把魚眼圖像定位在經度圖【】中。墮璽鑒三

41、堡奎莖望圭莖堡鎏圣緲圜魚眼圖像校正經度圖新除如圖，所示，同一條經度上的不同像素在畸變校正過的圖像中具有相同的列坐標，圖中點和七點在校正過的圖像中具有相同的列坐標。經度越太，畸變程度越嚴重根據圖像中的比例關系，有去魯，由點的橫坐標求得點的橫坐標：冬×一，實際編程中作了以下變換等絲一墜趔型。、麗一。（）編程校正時，把一幀魚眼圖像分為四個象限分別校正。鑒于經度校正方法還存在一定的拱形失真，提出種不需要投影模型的比例技正方法。如圖所示：以魚眼圖像圓心為中心向四周直線擴展，把圓形圖像根據圖中的比例關系直接擴展成與之相外切的正方形。尸，）為魚眼圖像上任意一點，只（葺，。）為，）對應的校正點，比例

42、關系為：（一）其中從到，為魚眼圖像半徑，這種校詎方法簡單快捷，無需鏡頭參數，也無需建立投影模型，任意一幅圓形魚眼圖像部可以予以局部或者墮壘鎏三堡奎莖至圭莖堡鎏圣整體校正。圖魚眼圖像比例校正圖像示意圖魚眼圖像畸變校正結果（）（）圖魚限圖像兩種校正圖像（）經度校正圖像（）樓房局部校正圖由圖校正后的圖像可以看出，圖像畸變基本上可以消除。（）中的樓房還是有一定的拱形失真，（）校正的結果已經消除了（）中存在的拱形失真，樓房左邊的直線已經拉直，頂部的直線也被拉直，效果很好。應用這種比例校下魚眼圖像比較簡單。不需要鏡頭參數，也不需要建立投影模型，只需要一幅魚眼圖像就可以直接校工。墮璽鎏三堡奎莖至圭蘭堡耋圣圖魚眼圖像及其校正結果（時一樓魚眼圖像（）學生第七寓魚眼圖像）的校正圖像）的校正圖像魚眼圖像感興趣區域視窗校正在監測過程中，有時