李威威 千博

摘要：文章介紹并利用具有圖像徑向和切向畸變的Brown模型及其像平面的直線不變性，分析了啟發(fā)式算法之一的模擬退火算法，對Brown模型的幾個參數(shù)變量進行求解最優(yōu)解，選擇Canny算子進行邊緣檢測，之后經(jīng)過噪聲抑制處理后進行霍夫變換得到直線檢測的結(jié)果，然后從檢測的直線中找出擬合最長的直線，以直線的長度作為模擬退火算法的能量函數(shù)，經(jīng)過多次迭代后趨于穩(wěn)定，輸出最優(yōu)解。本方法的精度控制在2 pixels范圍內(nèi)，通過對實際畸變圖像的校正，驗證了該直線檢測幾何校正方法的準確性。

關(guān)鍵詞：畸變校正；直線檢測；模擬退火算法；Brown模型

圖像的畸變是由于光學鏡頭在設(shè)計、裝配等的過程中產(chǎn)生的，存在光學系統(tǒng)的環(huán)境中，都會存在一定的畸變，畸變是由于鏡頭隨著鏡頭徑向的曲率不同，產(chǎn)生像差，使得原始圖像中的直線彎曲，可能會凹陷或者凸顯，根據(jù)畸變距離與理想的距離偏大或偏小，稱為桶形畸變和枕形畸變[1]。

攝像機的標定是圖像畸變校正的關(guān)鍵問題，標定主要是利用高精度的具有標記的模板作為空間參考，通過建立標定板與攝像機的三維坐標轉(zhuǎn)換關(guān)系來確定攝像機的內(nèi)外參數(shù)。由此可見參數(shù)的估計至關(guān)重要，而參數(shù)好壞的評定標準的選擇則是重中之重。傳統(tǒng)的標定方法有Tsai[2]的兩步法相機標定，2hang[3]的棋盤標定法，他們都是經(jīng)過測量進行的，而目前的一些非測量方法也得到了廣泛的研究，主要是根據(jù)直線特征[4]的不變性進行的。本文也是根據(jù)非測量、直線特征來進行完成標定的。首先選用Brown模型[5]作為畸變模型是考慮了不同方向上的畸變參數(shù)，經(jīng)過分解將畸變因素分解成徑向和切向兩個方向，更能準確地表示實際的畸變情況。本文主要利用Brown模型的根本思想：實際物理空間在理想成像系統(tǒng)中的直線不變性[6]，來進行作為參數(shù)優(yōu)劣的標準。

1 圖像畸變模型

由上可知，Brown模型具有較好的匹配性，該模型的數(shù)學表達式是：

（xc，yc）為徑向畸變中心點，（xd，yd）為畸變圖像像素點坐標，（xu，yu）為原圖像像素點坐標，Knn為徑向畸變n階系數(shù)，Pn。為切向畸變n階系數(shù)：r為畸變像素點到中心點的距離，在本文中，只考慮最高2階的畸變模型情況，故需要使用的參數(shù)是xc，yc，K2，P1，P2。

2 畸變校正原理及流程

首先利用如圖l所示的標定板，包含若干圈回字格，關(guān)于中心對稱，內(nèi)圈的使用相機拍攝圖片得到的畸變圖像如圖2所示。利用電腦屏幕作為基板，因為電腦屏幕具有很高的像素精度，這樣避免了打印標定板造成的誤差。本文主要通過根據(jù)上述，Brown模型的基本思想：實際物理空間在理想成像系統(tǒng)中的直線不變性。由于標定板的特性是內(nèi)圈直線短，外圈直線長，當存在畸變時，會使直線變彎曲，并且越是往外畸變的情況越是大，所以對于畸變的參數(shù)來說，檢測到的直線越長，說明參數(shù)越是最優(yōu)。至于如何檢測圖像中的直線以及直線的長度，本文首先進行邊緣檢測，之后采用霍夫變換進行處理，得到直線的信息和最長直線的位置與長度，以此作為衡量的標準，進行數(shù)據(jù)參數(shù)的優(yōu)化。

2.1利用邊緣提取獲得圖像曲線

邊緣檢測的方法有許多種，區(qū)別是算子的不同，主要分為一階微分算子和二階微分算子，一階微分算子有：Sobel算子對灰度漸變和噪聲較多的圖像處理效果較好，對邊緣定位不是很準確，圖像的邊緣不止一個像素。Roberts算子的邊緣提取較寬，故精度不夠。Prewitt算子對噪聲不敏感，能夠很好地過濾噪聲，缺點是檢測的邊緣較寬，精度也不夠。Canny算子也具有對噪聲不敏感的特性，對邊緣的強弱能夠進行區(qū)分，對弱邊緣的取舍具有較好的處理，能夠檢測出更準確的真正的邊緣[7]。二階微分算子有：Laplacian算子對圖像的要求較高，如果存在噪聲監(jiān)測的結(jié)果會大受影響，故很少使用該算子進行邊緣檢測。

本文進行邊緣檢測的圖像對像是邊界分明的回字格，噪聲不多，但是對精度的要求較高，綜合考慮本文采用Canny算子進行邊緣信息的提取。

Canny算子首先用高斯濾波器進行平滑圖像，盡量減少圖像中的噪聲，避免對檢測精度造成的影響。其次進行邊緣的強化，采用一階偏導的有限差分來計算梯度幅值和方向，在這一階段，得到的梯度值并不能作為邊緣的判斷標準，因為進行了圖像的增強，所以還要進行非極大值抑制，去除大量的非邊緣的干擾點。最后利用兩個閡值來連接邊緣，這兩個閡值的設(shè)置直接影響著檢測的精度。

2.2利用霍夫變換獲得直線的長度

理想圖像中的直線在畸變圖像中是曲線，利用己知的Brown系數(shù)進行畸變校正處理后，進行檢測校正后圖像中直線的長度，通過比較長度可以作為畸變校正系數(shù)選定優(yōu)劣的標準。本文檢測直線長度的方法是霍夫變換。

霍夫變換本質(zhì)是坐標變換，在直角坐標系x-y中，直線方程y=kx+b，當變換到k-b坐標系中，直線方程是b=-xk+y，其中斜率是-x，截距是y，由此可以看出k6坐標上的一條直線，可以表示為x-y坐標上經(jīng)過特定點的一系列直線。在實際操作過程中，當斜率很大時直線坐標無法表示，故使用極坐標來表示：

ρ=xcosθ+vsinθ率為：

（3）

另外模擬退火算法在計算過程中以一定的概率引入一個擾動量，該擾動量的引入概率隨時間的增加而降低。在熱力學系統(tǒng)中，當前溫度為T，存在能量差為Δt的概率是：

上面的式（4）是在每次迭代畸變校正系數(shù)的變化概率，把得到的改變的系數(shù)作為新的理想值，再進行驗證和比較。畸變校正處理的流程如圖3所示。

3 實驗結(jié)果與分析

在變換過程中，精度和角度檢測間隔的設(shè)置是比較重要的，為了能夠有較好的結(jié)果，需要多次試驗，找到合適的設(shè)置。另外在直線擬合過程中會導致線段的斷裂，會影響計算的速度，在計算時舍去小于50個像素的直線。

2.3畸變校正系數(shù)的最優(yōu)化

我們首先給定一個初始的系數(shù)，讓系數(shù)在一定范圍內(nèi)變化，使得最優(yōu)的結(jié)果能夠快速地收斂經(jīng)過若干次迭代后輸出最優(yōu)解，本文采用模擬退火算法[8]作為每次迭代的原理依據(jù)。

該算法將目標函數(shù)作為熱量函數(shù)，當熱量函數(shù)趨于穩(wěn)定時，就可以認為得到了當前最優(yōu)解。用數(shù)學語言描述為：設(shè)熱力學系統(tǒng)s中有有限個且離散的n個狀態(tài)，狀態(tài)；的能量為Ei，在溫度E「下，經(jīng)過一段時間達到熱平衡，這時處于狀態(tài)i的概

我們利用霍夫變換進行直線檢測，首先需要進行邊緣檢測以得到圖片的邊緣信息。為了減小霍夫變換的時間，我們對霍夫變換的不同參數(shù)進行設(shè)置，其中極值檢測的檢測間隔設(shè)置為2，即具有兩個像素的間隔偏差，角度檢測范圍設(shè)置為-20：0.5：20，間隔是0.5，這樣能夠快速地實現(xiàn)檢測，我們的回形圖（見圖4）只進行了豎列直線的檢測，因為豎向方向的檢測最優(yōu)就可以表示為整體最優(yōu)，并且能夠使每一次進行模擬退火算法的迭代時間減小，加快計算速度。適應(yīng)度的變化曲線如圖5所示。

根據(jù)仿真結(jié)果可以看到，在30次迭代后最長直線的長度一直不變，保持在449，此時輸出參數(shù)得到Ki=9E-10，K2=9E-10，P1=1E-8，P2=4E-8。由圖4可知，最優(yōu)結(jié)果已經(jīng)能夠檢測到該回字形的最長邊長，大約450個像素滿足所求取得最優(yōu)參數(shù)。

4 結(jié)語

本文根據(jù)光學鏡頭產(chǎn)生的畸變作出了的分析和研究，利用模擬退火算法進行迭代尋找最優(yōu)的徑向和切向畸變校正參數(shù)，其中我們根據(jù)物理平面的像平面的直線線性不變性，通過霍夫變換來檢測矯正后圖像直線的最大長度，利用直線長度作為模擬退火算法的能量函數(shù)，每次迭代選擇最優(yōu)的作為當前輸出解，多次迭代后趨于穩(wěn)定，輸出的結(jié)果即使最優(yōu)的畸變校正參數(shù)設(shè)置。該方法的精度與霍夫變換的精確度有關(guān)，由于霍夫變換的精度設(shè)置在2 pixels，該方法在進行直線檢測過程中會忽略大約2 pixels的范圍。最后通過實際的畸變校正圖像結(jié)果驗證了該直線檢測幾何校正方法的準確性。