CN118351036B - 基于容器成像畸变的图像校正方法、系统及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于容器成像畸变的图像校正方法、系统及装置，方法包括：获取标定板参数，并基于图像采集装置获取放置在特定容器中的标定板的第一标定板图像集，以及去掉特定容器后的标定板的第二标定板图像集；通过第一标定板图像集、第二标定板图像集及标定板参数，得到图像采集装置内参及综合畸变参数；保持图像采集装置及特定容器位置不变，基于图像采集装置获取特定容器中待校正物体的待校正图像；基于图像采集装置内参及综合畸变参数对待校正图像进行去畸变处理，得到校正图像。通过本发明的方法在多介质的光线传播过程中，避免通过大量的推导计算及光学理论知识进行图像去畸变，降低畸变图像的处理难度且使用方便。

Description

基于容器成像畸变的图像校正方法、系统及装置

技术领域

本发明涉及光学成像技术领域，尤其涉及一种原位根系容器成像畸变的校正方法、系统及装置。

背景技术

当光线从物体到达图像采集装置的透镜和成像平面之前的传播过程经过多介质时，由于各个介质的折射率不同，导致光线从一种介质进入另一种介质会发生不同程度的折射，使得成像位置发生偏移，进而导致图像畸变失真，对相关研究产生较大影响，因此基于畸变图像的校正方法尤为重要。

目前，通过利用光线追踪技术对各个介质中的折射光线表达式依次进行推导，并通过迭代优化得到标定参数及重投影误差，进而对畸变图像进行校正，此种方法需要大量的光学理论知识及推导计算，在实际使用中过于复杂且耗费大量计算资源。

发明内容

本发明针对现有技术中的缺点，提供了一种基于容器成像畸变的图像校正方法、系统及装置。

为了解决上述技术问题，本发明通过下述技术方案得以解决：

一种基于容器成像畸变的图像校正方法，包括以下步骤：

获取标定板参数，并基于图像采集装置获取放置在特定容器中的标定板的第一标定板图像集，以及去掉特定容器后的标定板的第二标定板图像集；

通过第一标定板图像集、第二标定板图像集及标定板参数，得到图像采集装置内参及综合畸变参数；

保持图像采集装置及特定容器位置不变，基于图像采集装置获取特定容器中待校正物体的待校正图像；

基于图像采集装置内参及综合畸变参数对待校正图像进行去畸变处理，得到校正图像。

作为一种可实施方式，所述得到图像采集装置内参及综合畸变参数，包括以下步骤：

基于第二标定板图像的像素位置、标定板参数，并通过分析去掉特定容器后的光线传播路径，得到相机畸变参数；

基于第一标定板图像的像素位置、标定板参数、相机畸变参数、容器畸变参数，并通过分析光线传播在经过特定容器时的传播路径，得到综合畸变参数。

作为一种可实施方式，所述相机畸变参数，表示如下：

其中，表示第二标定板图像的像素位置，表示忽略畸变时标定板图像的像素位置，表示相机畸变参数，表示第二标定板图像与忽略畸变时标定板图像的像素位置差值。

作为一种可实施方式，所述得到综合畸变参数，包括以下步骤：

基于光线传播在经过特定容器时的传播路径，得到第一标定板图像的像素位置，表示如下：

获取忽略畸变时的标定板图像像素位置，基于容器畸变参数、相机畸变参数及标定板参数，得到第一标定板图像与忽略畸变时标定板图像的像素位置差值，进而通过分析得到综合畸变参数，其中，第一标定板图像与忽略畸变时标定板图像的像素位置差值，表示如下：

其中，，，表示第一标定板图像的像素位置，表示忽略畸变时的标定板图像的像素位置，表示相机畸变参数，表示容器畸变参数，表示第二标定板图像与忽略畸变时标定板图像的像素位置差值，表示容器畸变偏移，表示第一标定板图像与忽略畸变时标定板图像的像素位置差值，表示综合畸变参数。

作为一种可实施方式，所述基于图像采集装置内参及综合畸变参数对待校正图像进行去畸变处理，得到校正图像，包括以下步骤：

预设去畸变函数，将图像采集装置内参、综合畸变参数及待校正图像输入至预设去畸变函数中进行分析，得到校正图像；

预设去畸变函数，表示如下：

其中，表示去畸变函数，表示待校正图像，表示图像采集装置内参及综合畸变参数，表示校正图像。

一种基于容器成像畸变的图像校正系统，包括标定板采集模块、参数计算模块、图像采集模块及图像校正模块；

所述标定板采集模块，获取标定板参数，并基于图像采集装置获取放置在特定容器中的标定板的第一标定板图像集，以及去掉特定容器后的标定板的第二标定板图像集；

所述参数计算模块，通过第一标定板图像集、第二标定板图像集及标定板参数，得到图像采集装置内参及综合畸变参数；

所述图像采集模块，保持图像采集装置及特定容器位置不变，基于图像采集装置获取特定容器中待校正物体的待校正图像；

所述图像校正模块，基于图像采集装置内参及综合畸变参数对待校正图像进行去畸变处理，得到校正图像。

作为一种可实施方式，所述参数计算模块，被设置为：

基于第二标定板图像的像素位置、标定板参数，并通过分析去掉特定容器后的光线传播路径，得到相机畸变参数；

基于第一标定板图像的像素位置、标定板参数、相机畸变参数、容器畸变参数，并通过分析光线传播在经过特定容器时的传播路径，得到综合畸变参数。

作为一种可实施方式，所述参数计算模块，被设置为：

所述相机畸变参数，表示如下：

其中，表示第二标定板图像的像素位置，表示忽略畸变时标定板图像的像素位置，表示相机畸变参数，表示第二标定板图像与忽略畸变时标定板图像的像素位置差值；

其中，所述得到综合畸变参数，包括以下步骤：

基于光线传播在经过特定容器时的传播路径，得到第一标定板图像的像素位置，表示如下：

获取忽略畸变时的标定板图像像素位置，基于容器畸变参数、相机畸变参数及标定板参数，得到第一标定板图像与忽略畸变时标定板图像的像素位置差值，进而通过分析得到综合畸变参数，其中，第一标定板图像与忽略畸变时标定板图像的像素位置差值，表示如下：

其中，，，表示第一标定板图像的像素位置，表示忽略畸变时的标定板图像的像素位置，表示相机畸变参数，表示容器畸变参数，表示第二标定板图像与忽略畸变时标定板图像的像素位置差值，表示容器畸变偏移，表示第一标定板图像与忽略畸变时标定板图像的像素位置差值，表示综合畸变参数。

作为一种可实施方式，所述图像校正模块，被设置为：

预设去畸变函数，将图像采集装置内参、综合畸变参数及待校正图像输入至预设去畸变函数中进行分析，得到校正图像；

预设去畸变函数，表示如下：

其中，表示去畸变函数，表示待校正图像，表示图像采集装置内参及综合畸变参数，表示校正图像。

一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如下的方法：

获取标定板参数，并基于图像采集装置获取放置在特定容器中的标定板的第一标定板图像集，以及去掉特定容器后的标定板的第二标定板图像集；

通过第一标定板图像集、第二标定板图像集及标定板参数，得到图像采集装置内参及综合畸变参数；

保持图像采集装置及特定容器位置不变，基于图像采集装置获取特定容器中待校正物体的待校正图像；

基于图像采集装置内参及综合畸变参数对待校正图像进行去畸变处理，得到校正图像。

一种基于容器成像畸变的图像校正装置，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如下的方法：

获取标定板参数，并基于图像采集装置获取放置在特定容器中的标定板的第一标定板图像集，以及去掉特定容器后的标定板的第二标定板图像集；

通过第一标定板图像集、第二标定板图像集及标定板参数，得到图像采集装置内参及综合畸变参数；

保持图像采集装置及特定容器位置不变，基于图像采集装置获取特定容器中待校正物体的待校正图像；

基于图像采集装置内参及综合畸变参数对待校正图像进行去畸变处理，得到校正图像。

本发明由于采用了以上技术方案，具有显著的技术效果：

通过本发明的方法解决了现有畸变图像校正方法中计算成本较大的问题，本方法通过分析光线在介质中的传播路径，实现综合畸变参数的求解，进而结合预设去畸变函数实现畸变图像的校正，本方法对光学专业知识要求较低，在实际应用中更加方便能够实现快速的图像校正。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明方法的流程示意图；

图2是本发明系统的整体示意图；

图3是本发明图像采集装置示意图；

图4是本发明无特定容器的光路示意图；

图5是本发明经过特定容器的光路示意图；

图6是本发明不同光路下位置关系示意图；

图7是本发明待校正图像示意图；

图8是本发明校正图像示意图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步的详细说明，以下实施例是对本发明的解释而本发明并不局限于以下实施例。

实施例1：

一种基于容器成像畸变的图像校正方法，如图1所示，包括以下步骤：

S100、获取标定板参数，并基于图像采集装置获取放置在特定容器中的标定板的第一标定板图像集，以及去掉特定容器后的标定板的第二标定板图像集；

S200、通过第一标定板图像集、第二标定板图像集及标定板参数，得到图像采集装置内参及综合畸变参数；

S300、保持图像采集装置及特定容器位置不变，基于图像采集装置获取特定容器中待校正物体的待校正图像；

S400、基于图像采集装置内参及综合畸变参数对待校正图像进行去畸变处理，得到校正图像。

在步骤S100中，获取标定板参数，并基于图像采集装置获取放置在特定容器中的标定板的第一标定板图像集，以及去掉特定容器后的标定板的第二标定板图像集。在本实施例中，以球形容器作为特定容器。

其中，球形容器与图像采集装置之间的位置关系如图3所示，1表示球形容器，2表示LED灯，3表示图像采集装置，光线在球形容器中从球形容器底部的LED灯进入球形容器，到达标定板表面，并在标定板表面反射，经过液态介质水后到达球形容器内侧的弧形玻璃，在弧形玻璃处发生第二次折射及反射，折射及反射后的光线经过空气，到达图像采集装置前，光线在图像采集装置处发生折射和反射，折射后的光线穿过图像采集装置到达成像传感器平面，实现对球形容器中标定板的图像采集，得到第一标定板图像，进而对多个角度、多个位置的标定板进行图像采集形成第一标定板图像集。

去掉特定容器后，光线在单介质中传播，图像采集装置中的LED灯产生的光线经过空气到达标定板表面，在标定板表面经过反射后传播至图像采集装置的镜头前端，在图像采集装置的镜头前端处发生折射和反射，折射后的光线穿过镜头到达图像采集装置的相机成像传感器平面，实现图像采集，得到第二标定板图像，进而对多个角度、多个位置的标定板进行图像采集形成第二标定板图像集。

在一个实施例中，植物根系在无特定容器的光线传播示意图如图4所示，R表示底部LED灯发出的光线与植物根系的交点；L0表示根系反射的光线与图像采集装置镜头的交点。植物根系在经过特定容器的光线传播示意图如图5所示，R表示底部LED灯发出的光线与植物根系的交点；L0表示根系反射的、穿过球形容器壁的光线与图像采集装置镜头的交点；L1表示植物根系反射的光线在液态介质中与球形容器内壁的交点；L2表示光线在球形容器壁的弧形玻璃内传播时与球形容器弧形壁空气侧的交点。

不同光路下图像像素位置关系示意图如图6所示，图示给出了忽略畸变时的标定板图像的像素位置、第一标定板图像的像素位置及第二标定板图像的像素位置之间的位置关系，图6中，表示第一标定板图像的像素位置，表示忽略畸变时的标定板图像的像素位置，表示相机畸变参数，表示容器畸变参数，表示第二标定板图像与忽略畸变时标定板图像的像素位置差值，表示容器畸变偏移，表示第一标定板图像与忽略畸变时标定板图像的像素位置差值，表示综合畸变参数。则通过第一标定板图像集、第二标定板图像集及标定板参数，得到图像采集装置内参及综合畸变参数，整个计算过程包括以下步骤：

假设光线沿直线传播，不考虑镜头畸变时标定板在相机成像平面上的未畸变位置表示为，得到第二标定板图像的像素位置与未畸变位置之间的关系，进而通过求解得到相机畸变参数，其中，第二标定板图像的像素位置与忽略畸变时的标定板图像的像素位置差值，表示如下：

，

基于光线传播经过特定容器时的传播路径，结合不考虑镜头畸变时标定板在相机成像平面上的未畸变位置，得到第一标定板图像的像素位置，表示如下：

假设容器畸变参数为，基于容器畸变参数、相机畸变参数及标定板参数，获得第一标定板图像与忽略畸变时标定板图像的像素位置差值，进而基于差值得到综合畸变参数，其中，第一标定板图像与忽略畸变时标定板图像的像素位置差值，表示如下：

以上公式中，，，表示第一标定板图像的像素位置，表示忽略畸变时的标定板图像的像素位置，表示相机畸变参数，表示容器畸变参数，表示第二标定板图像与忽略畸变时标定板图像的像素位置差值，表示容器畸变偏移，表示第一标定板图像与忽略畸变时标定板图像的像素位置差值，表示综合畸变参数。

在步骤S400中，基于图像采集装置内参及综合畸变参数对待校正图像进行去畸变处理，得到校正图像。基于图像采集装置内参及综合畸变参数，形成去畸变参数，将去畸变参数输入至预设去畸变函数中进行处理，得到校正图像，在本实施例中，去畸变函数为函数，表示如下：

其中，表示去畸变函数，表示待校正图像，如图7所示，表示图像采集装置内参及综合畸变参数，表示校正图像，如图8所示。

实施例2：

一种基于容器成像畸变的图像校正系统，如图2所示，包括标定板采集模块100、参数计算模块200、图像采集模块300及图像校正模块400；

所述标定板采集模块100，获取标定板参数，并基于图像采集装置获取放置在特定容器中的标定板的第一标定板图像集，以及去掉特定容器后的标定板的第二标定板图像集；

所述参数计算模块200，通过第一标定板图像集、第二标定板图像集及标定板参数，得到图像采集装置内参及综合畸变参数；

所述图像采集模块300，保持图像采集装置及特定容器位置不变，基于图像采集装置获取特定容器中待校正物体的待校正图像；

所述图像校正模块400，基于图像采集装置内参及综合畸变参数对待校正图像进行去畸变处理，得到校正图像。

在一个实施例中，所述参数计算模块200，被设置为：

基于第二标定板图像的像素位置、标定板参数，并通过分析去掉特定容器后的光线传播路径，得到相机畸变参数；

基于第一标定板图像的像素位置、标定板参数、相机畸变参数、容器畸变参数，并通过分析光线传播在经过特定容器时的传播路径，得到综合畸变参数。

在一个实施例中，所述参数计算模块200，被设置为：

所述相机畸变参数，表示如下：

其中，表示第二标定板图像的像素位置，表示忽略畸变时标定板图像的像素位置，表示相机畸变参数，表示第二标定板图像与忽略畸变时标定板图像的像素位置差值；

其中，所述得到综合畸变参数，包括以下步骤：

基于光线传播在经过特定容器时的传播路径，得到第一标定板图像的像素位置，表示如下：

获取忽略畸变时的标定板图像像素位置，基于容器畸变参数、相机畸变参数及标定板参数，得到第一标定板图像与忽略畸变时标定板图像的像素位置差值，进而通过分析得到综合畸变参数，其中，第一标定板图像与忽略畸变时标定板图像的像素位置差值，表示如下：

其中，，，表示第一标定板图像的像素位置，表示忽略畸变时的标定板图像的像素位置，表示相机畸变参数，表示容器畸变参数，表示第二标定板图像与忽略畸变时标定板图像的像素位置差值，表示容器畸变偏移，表示第一标定板图像与忽略畸变时标定板图像的像素位置差值，表示综合畸变参数。

在一个实施例中，所述图像校正模块400，被设置为：

预设去畸变函数，将图像采集装置内参、综合畸变参数及待校正图像输入至预设去畸变函数中进行分析，得到校正图像；

预设去畸变函数，表示如下：

其中，表示去畸变函数，表示待校正图像，表示图像采集装置内参及综合畸变参数，表示校正图像。

在不脱离本发明的精神和范围的情况下做出的各种变化和变型，所有等同的技术方案也属于本发明的范畴。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同、相似的部分互相参见即可。

本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、装置、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本发明是参照根据本发明的方法、终端设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理终端设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理终端设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理终端设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理终端设备上，使得在计算机或其他可编程终端设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程终端设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

需要说明的是：

说明书中提到的“一个实施例”或“实施例”意指结合实施例描述的特定特征、结构或特性包括在本发明的至少一个实施例中。因此，说明书通篇各个地方出现的短语“一个实施例”或“实施例”并不一定均指同一个实施例。

此外，需要说明的是，本说明书中所描述的具体实施例，其零、部件的形状、所取名称等可以不同。凡依本发明专利构思所述的构造、特征及原理所做的等效或简单变化，均包括于本发明专利的保护范围内。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离本发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种基于容器成像畸变的图像校正方法，其特征在于，包括以下步骤：

获取标定板参数，并基于图像采集装置获取放置在特定容器中的标定板的第一标定板图像集，以及去掉特定容器后的标定板的第二标定板图像集；

通过第一标定板图像集、第二标定板图像集及标定板参数，得到图像采集装置内参及综合畸变参数；

保持图像采集装置及特定容器位置不变，基于图像采集装置获取特定容器中待校正物体的待校正图像；

基于图像采集装置内参及综合畸变参数对待校正图像进行去畸变处理，得到校正图像；

其中，所述得到图像采集装置内参及综合畸变参数，包括以下步骤：

基于第二标定板图像的像素位置、标定板参数，并通过分析去掉特定容器后的光线传播路径，得到相机畸变参数；

基于第一标定板图像的像素位置、标定板参数、相机畸变参数、容器畸变参数，并通过分析光线传播在经过特定容器时的传播路径，得到综合畸变参数；

所述相机畸变参数，表示如下：

其中，表示第二标定板图像的像素位置，表示忽略畸变时标定板图像的像素位置，表示相机畸变参数，表示第二标定板图像与忽略畸变时标定板图像的像素位置差值；

所述得到综合畸变参数，包括以下步骤：

基于光线传播在经过特定容器时的传播路径，得到第一标定板图像的像素位置，表示如下：

获取忽略畸变时的标定板图像像素位置，基于容器畸变参数、相机畸变参数及标定板参数，得到第一标定板图像与忽略畸变时标定板图像的像素位置差值，进而通过分析得到综合畸变参数，其中，第一标定板图像与忽略畸变时标定板图像的像素位置差值，表示如下：

其中，，，表示第一标定板图像的像素位置，表示忽略畸变时的标定板图像的像素位置，表示相机畸变参数，表示综合畸变参数，表示容器畸变参数，表示第二标定板图像与忽略畸变时标定板图像的像素位置差值，表示容器畸变偏移，表示第一标定板图像与忽略畸变时标定板图像的像素位置差值。

2.根据权利要求1所述的基于容器成像畸变的图像校正方法，其特征在于，所述基于图像采集装置内参及综合畸变参数对待校正图像进行去畸变处理，得到校正图像，包括以下步骤：

预设去畸变函数，将图像采集装置内参、综合畸变参数及待校正图像输入至预设去畸变函数中进行分析，得到校正图像；

预设去畸变函数，表示如下：

其中，表示去畸变函数，表示待校正图像，表示图像采集装置内参及综合畸变参数，综合畸变参数为，表示校正图像。

3.一种基于容器成像畸变的图像校正系统，其特征在于，包括标定板采集模块、参数计算模块、图像采集模块及图像校正模块；

所述标定板采集模块，获取标定板参数，并基于图像采集装置获取放置在特定容器中的标定板的第一标定板图像集，以及去掉特定容器后的标定板的第二标定板图像集；

所述参数计算模块，通过第一标定板图像集、第二标定板图像集及标定板参数，得到图像采集装置内参及综合畸变参数；

所述图像采集模块，保持图像采集装置及特定容器位置不变，基于图像采集装置获取特定容器中待校正物体的待校正图像；

所述图像校正模块，基于图像采集装置内参及综合畸变参数对待校正图像进行去畸变处理，得到校正图像；

其中，所述参数计算模块，被设置为：

基于第二标定板图像的像素位置、标定板参数，并通过分析去掉特定容器后的光线传播路径，得到相机畸变参数；

基于第一标定板图像的像素位置、标定板参数、相机畸变参数、容器畸变参数，并通过分析光线传播在经过特定容器时的传播路径，得到综合畸变参数；

其中，所述参数计算模块，被设置为：

所述相机畸变参数，表示如下：

其中，表示第二标定板图像的像素位置，表示忽略畸变时标定板图像的像素位置，表示相机畸变参数，表示第二标定板图像与忽略畸变时标定板图像的像素位置差值；

其中，所述得到综合畸变参数，包括以下步骤：

基于光线传播在经过特定容器时的传播路径，得到第一标定板图像的像素位置，表示如下：

获取忽略畸变时的标定板图像像素位置，基于容器畸变参数、相机畸变参数及标定板参数，得到第一标定板图像与忽略畸变时标定板图像的像素位置差值，进而通过分析得到综合畸变参数，其中，第一标定板图像与忽略畸变时标定板图像的像素位置差值，表示如下：

其中，，，表示第一标定板图像的像素位置，表示忽略畸变时的标定板图像的像素位置，表示相机畸变参数，表示容器畸变参数，表示第二标定板图像与忽略畸变时标定板图像的像素位置差值，表示容器畸变偏移，表示第一标定板图像与忽略畸变时标定板图像的像素位置差值，表示综合畸变参数。

4.根据权利要求3所述的基于容器成像畸变的图像校正系统，其特征在于，所述图像校正模块，被设置为：

预设去畸变函数，将图像采集装置内参、综合畸变参数及待校正图像输入至预设去畸变函数中进行分析，得到校正图像；

预设去畸变函数，表示如下：

其中，表示去畸变函数，表示待校正图像，表示图像采集装置内参及综合畸变参数，表示校正图像。

5.一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至2任意一项所述的方法。

6.一种基于容器成像畸变的图像校正装置，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现如权利要求1至2任意一项所述的方法。