鱼眼相机去畸变（图像拉直/展开/矫正）算法及实战总结

本文介绍两种方法

1、经纬度矫正法

2、棋盘格矫正法

一、经纬度矫正法

1、算法说明

经纬度矫正法， 可以把鱼眼图想象成半个地球， 然后将地球展开成地图，经纬度矫正法主要是利用几何原理， 对图像进行展开矫正。

        经过P点的入射光线没有透镜的话，本应交于相机成像平面的e点。然而，经过鱼眼相机的折射，光线会交于相机成像平面的d点，就产生了畸变，因此畸变图像整体上呈现出像素朝图像中心点聚集的态势。

        而去畸变，就是将折射到d点的点，重新映射回到e点，因此去畸变之后的图像与原始的鱼眼图像相比，仿佛是把向心聚集的像素又重新向四周铺展开来。

       详细的推导流程及公式见地址：AVM环视系统——鱼眼相机去畸变算法 - 知乎

2、 代码

import math
from PIL import Image
 
 
im = Image.open("/Users/Fisheye_photo-600x600.jpg")
im.show()
 
width, high = im.size
sqrt_len = min(width, high)
im = im.transform((sqrt_len, sqrt_len),
                    Image.EXTENT,
                    ((width-sqrt_len)/2, (high-sqrt_len)/2, 
                    sqrt_len+(width-sqrt_len)/2, sqrt_len+(high-sqrt_len)/2)
                    )
width = high = sqrt_len
 
idata = im.getdata()
odata = []
 
alpha = math.pi/2
 
out_high = round(high * math.tan(alpha/2))
out_width = round(width * math.tan(alpha/2))
out_radius = round(high * math.tan(alpha/2))
out_center_x = out_width / 2
out_center_y = out_high / 2
 
out_bl_x = 0
out_br_x = out_width - 1
out_bt_y = 0
out_bb_y = out_high - 1
 
out_bl_cx = out_bl_x - out_center_x
out_br_cx = out_br_x - out_center_x
out_bt_cy = out_bt_y - out_center_y
out_bb_cy = out_bb_y - out_center_y
 
src_radius = round(high * math.sin(alpha/2))
src_center_x = width / 2
src_center_y = high / 2
 
for i in range(0, high * width):
    ox = math.floor(i / out_width)
    oy = i % out_high
    
    cx = ox - out_center_x;
    cy = oy - out_center_y;
    
    out_distance = round(math.sqrt(pow(cx, 2) + pow(cy, 2)))
    theta = math.atan2(cy, cx)
    if (-math.pi/4 <= theta <= math.pi/4):
        bx = out_radius * math.cos(math.pi/4)
        by = bx * math.tan(theta)
    elif (math.pi/4 <= theta <= math.pi*3/4):
        by = out_radius * math.sin(math.pi/4)
        bx = by / math.tan(theta)
    elif (-math.pi*3/4 <= theta <= -math.pi/4):
        by = out_radius * math.sin(-math.pi/4)
        bx = by / math.tan(theta)
    else:
        bx = out_radius * math.cos(-math.pi*3/4)
        by = bx * math.tan(theta)
        
    
    bdy_distance = round(math.sqrt(pow(cx, 2) + pow(cy, 2)))
    src_distance = src_radius * bdy_distance / out_radius
        
    
    src_x = round(src_center_x + math.cos(theta) * src_distance)
    src_y = round(src_center_y + math.sin(theta) * src_distance)
    
    src_idx = src_x*width + src_y    
    if(0 < src_idx < high*width):
        odata.append(idata[src_idx])
    else:
        odata.append((0,0,0))
    
 
 
om = Image.new("RGB", (high, width))
om.putdata(odata)
om.show()
 

3、代码及图片地址：GitHub - duducosmos/defisheye: Fast Corrects for fisheye distortion in an image.

二、棋盘格矫正方法

1、算法说明

利用棋盘格进行标定， 然后计算鱼眼镜头的畸变系数以及内参， opencv中自带有fisheye模块， 可以直接根据棋盘格标定结果，采用cv2.fisheye.calibrate计算畸变系数以及内参， 然后使用cv2.fisheye.initUndistortRectifyMap函数计算映射矩阵， 最后根据映射矩阵， 使用cv2.remap进行矫正。

2、代码

import cv2
import numpy as np
import math
import time
 
# 鱼眼有效区域截取
def cut(img):
    img_gray = cv2.cvtColor(img, cv2.COLOR_BGR2GRAY)
    (_, thresh) = cv2.threshold(img_gray, 20, 255, cv2.THRESH_BINARY)
    contours, hierarchy = cv2.findContours(thresh, cv2.RETR_EXTERNAL, cv2.CHAIN_APPROX_SIMPLE)
    cnts = sorted(contours, key=cv2.contourArea, reverse=True)[0]
    x,y,w,h = cv2.boundingRect(cnts)
    r = max(w/ 2, h/ 2)
    # 提取有效区域
    img_valid = img[y:y+h, x:x+w]
    return img_valid, int(r)
 
# 鱼眼矫正
def undistort(src,r):
    # r： 半径， R: 直径
    R = 2*r
    # Pi: 圆周率
    Pi = np.pi
    # 存储映射结果
    dst = np.zeros((R, R, 3))
    src_h, src_w, _ = src.shape
    # 圆心
    x0, y0 = src_w//2, src_h//2
 
    for dst_y in range(0, R):
 
        theta =  Pi - (Pi/R)*dst_y
        temp_theta = math.tan(theta)**2
 
        for dst_x in range(0, R):
            # 取坐标点 p[i][j]
            # 计算 sita 和 fi
 
            phi = Pi - (Pi/R)*dst_x
            temp_phi = math.tan(phi)**2
 
            tempu = r/(temp_phi+ 1 + temp_phi/temp_theta)**0.5
            tempv = r/(temp_theta + 1 + temp_theta/temp_phi)**0.5
 
            if (phi < Pi/2):
                u = x0 + tempu
            else:
                u = x0 - tempu
 
            if (theta < Pi/2):
                v = y0 + tempv
            else:
                v = y0 - tempv
 
            if (u>=0 and v>=0 and u+0.5and v+0.5
                dst[dst_y, dst_x, :] = src[int(v+0.5)][int(u+0.5)]
 
                # 计算在源图上四个近邻点的位置
                # src_x, src_y = u, v
                # src_x_0 = int(src_x)
                # src_y_0 = int(src_y)
                # src_x_1 = min(src_x_0 + 1, src_w - 1)
                # src_y_1 = min(src_y_0 + 1, src_h - 1)
                #
                # value0 = (src_x_1 - src_x) * src[src_y_0, src_x_0, :] + (src_x - src_x_0) * src[src_y_0, src_x_1, :]
                # value1 = (src_x_1 - src_x) * src[src_y_1, src_x_0, :] + (src_x - src_x_0) * src[src_y_1, src_x_1, :]
                # dst[dst_y, dst_x, :] = ((src_y_1 - src_y) * value0 + (src_y - src_y_0) * value1 + 0.5).astype('uint8')
 
    return dst
 
if __name__ == "__main__":
    t = time.perf_counter()
    frame = cv2.imread('../imgs/pig.jpg')
    cut_img,R = cut(frame)
    result_img = undistort(cut_img,R)
    cv2.imwrite('../imgs/pig_nearest.jpg',result_img)
    print(time.perf_counter()-t)

效果图

3、代码地址

https://github.com/HLearning/fisheye

三、总结：比对两个算法

本人用两个算法对一张图像进行拉直，发现经过经纬度矫正算法生成的图像原作者裁剪掉了边缘部分，见下图效果图，中间黑框内的图像是经过“经纬度矫正法”得到的效果图，外面的大图是用“棋盘格矫正法”得到的效果图

为了更直观，更改了图像的透明度，可以看出两个算法的效果还是多少有些差别的。

其实，两个算法的边缘部分都被严重拉伸，丢不丢掉看适用场景和个人需要吧。

四、知识拓展

立体标定

算法说明

坐标映射建立,各区域的角点都有一维世界坐标为0，对应图5中三幅子图像分别为Y=0，X=0，Z=0。根据棋盘方格边长以及与世界坐标原点间隔的方格数，可得到所有角点的世界坐标。从而建立起二维图像坐标与三维世界坐标的一一映射，用于模型参数的求解。

 

参考地址：采用立体标定板的鱼眼相机快速标定方法_真空技术_新闻动态_深圳市鼎达信装备有限公司

基于双经度模型的鱼眼图像畸变矫正方法

基于双经度模型的鱼眼图像畸变矫正方法 - 百度文库