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畸变镜头校正(镜头畸变校正)

相机的成像过程实质上是空间坐标系的转换。首先空间中的点由 "世界坐标系" 转换到 "像机坐标系",然后再将其投影到物体成像平面 ( 图像物理坐标系 ) ,最后再将成像平面上的数据转换到图像像素坐标系。但是由于透镜制造精度以及组装工艺的偏差会引入畸变,导致原始图像的失真。 ...

相机的成像过程实质上是空间坐标系的转换。首先空间中的点由 "世界坐标系" 转换到 "像机坐标系",然后再将其投影到物体成像平面 ( 图像物理坐标系 ) ,最后再将成像平面上的数据转换到图像像素坐标系。但是由于透镜制造精度以及组装工艺的偏差会引入畸变,导致原始图像的失真。

一般来说,镜头畸变实际上是光学透镜固有的透视失真而产生的不规则的折射,也就是因为光学透视造成的失真,这种失真对于相机的成像质量是非常不利的,但因为这是透镜的固有特性,所以无法全部消除,只能优化改善。

高档镜头的光学设计以及生产用料考究,利用光学镜片组的优化设计、选用高质量、高档次的玻璃来制造光学镜片,可以将透视变形降到很低的程度。但是完全消除畸变是不可能的,目前最好质量的镜头在极其严格的条件下测试,镜头的边缘也会产生不同程度的变形和失真。

产生这种失真现象的原因其实就是光学透视,是正常的透视。众所周知,眼睛感觉远近的一种方法就是利用物体的相对大小来感知,也就是"近大远小"。透视的另一种表现,即距离物体越近,光学透视效果越强烈。透视的这两方面特征同样适用于所有的镜头,即:

1. 被摄体越远,显得越小;

2. 镜头离被摄体越远,被摄体外观上的大小变化越小。

镜头畸变的分类 枕型畸变

枕形畸变(Pincushion Distortion),又称枕形失真,它是由镜头引起的画面向中间"收缩"的现象。我们在使用长焦镜头或使用变焦镜头的长焦端时,最容易察觉枕形失真现象。特别是在使用焦距转换器后,枕形失真便很容易发生。当画面中有直线的时候,枕形失真最容易被察觉。

枕形畸变 桶形畸变

桶形畸变(Barrel Distortion),又称桶形失真,是由镜头中透镜物理性能以及镜片组结构引起的成像画面呈桶形膨胀状的失真现象。失真是由于光线的倾斜度大引起的,与球差和像散不同,失真不破坏光束的同心性,从而不影响像的清晰度。失真表现在像平面内图形的各部分与原物不成比例,畸变的情况与光阑的位置有关。

桶形畸变(桶形失真) 线性畸变

线性畸变(linear distortion),又叫线性失真。由于向上倾斜了照相机,镜头所瞄准的方向导致物体目标的两侧以不相同的角度汇聚产生畸变,即它们朝向中心汇聚并产生了正常的纵深透视,这种失真现象被称为线性畸变。

线性畸变 镜头畸变的产生

对于理想光学系统,在一对共轭的物像平面上,放大率是常数。但是对于实际的光学系统,仅当视场较小时具有这一性质,而当视场较大或很大时,像的放大率就要随着视场而异,这样就会使像相对于物体失去相似性。这种使像变形的成像缺陷称为畸变。

畸变定义为实际像高y ' 与理想像高y0 ' 之差y ' -y0 ' ,而在实际应用中经常将其与理想像高y0 ' 之比的百分数来表示畸变,称为相对畸变。

有畸变的光学系统,若对等间距的同心圆物面成像,其像将是非等间距的同心圆。当系统具有正畸变时,实际像高y ' 随视场的增大比理想像高y0 ' 增大得快,即放大倍率随视场的增大而增大,则同心圆的间距自内向外逐渐增大;反之,当为负畸变时,圆的间距自内向外逐渐减小。若物面为如下图所示的正方形网格,那么,由正畸变的光学系统所成的像呈枕形;由负畸变光学系统所成的像呈桶形。

畸变在光学系统中只引起像的变形,对像的清晰度并无影响。因此,对于一般的光学系统,只要感觉不出它所成像的变形,这种成像缺陷就无妨碍。但是对于某些要利用像来测定物体大小尺寸的应用,畸变的影响就非常重要了,它直接影响测量精度,必须予以严格校正。

矫正图像畸变的方法:

1、硬件纠正:远心镜头、双远心镜头,可以纠正传统工业镜头的畸变问题。

2、软件纠正:畸变校正算法,可通过软件校正,使整幅图片任何区域因镜头畸变而产生的测量偏差最小化。

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