TWI441514B - 魚眼影像校正及減輕透視變形的影像處理方法及相關影像處理裝置 - Google Patents
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Description
本發明係指用於一種可節省暫存記憶體空間並降低透視變形(Perspective Distortion)的魚眼影像校正及減輕透視變形的影像處理方法及相關影像處理裝置，尤指一種可減少暫存記憶體空間，降低透視變形，減少裝置成本的魚眼影像校正及減輕透視變形的影像處理方法及相關影像處理裝置。
隨著數位影像處理系統的計算能力的增進，魚眼攝影機所拍攝的影像已經能夠以即時的速度加以處理，使魚眼攝影機所拍攝的影像能夠清晰地顯示在使用者面前，供使用者辨認影像中的人、事、物。例如，在倒車攝影系統、大廈門口對講機系統(Door Phone)以及一般監視系統等應用中，魚眼攝影機及其相關的數位影像處理系統的使用已經愈來愈普遍。此外，儲存於數位儲存媒介或拍攝自數位照相機的影像，也有部份係經由魚眼鏡頭所拍攝的影像，其亦可經由相似的方式加以處理並顯像。然而，正因為魚眼影像包含有非常大視角的影像資訊，魚眼影像中的相關景物必然受到不同程度的擠壓與變形，使用者在面對未經還原處理的魚眼影像時，常對魚眼影像中的景物感到困惑，可能使得其中的影像也變得難以辨識，甚至遺漏或誤解影像中的重要資訊。因此，將魚眼影像經由數位影像處理系統執行還原處理便顯得必要。
然而，在習知技術中的魚眼影像還原處理方式，需耗費龐大的暫存記憶體空間，因而增加實際建置數位影像處理系統的成本，並且有嚴重的視角失真以及透視變形(Perspective Distortion)的問題，造成影像呈現景物比例不均的現象。
因此，本發明之主要目的即在於提供一種用於可節省暫存記憶體空間，降低透視變形(Perspective Distortion)以及保留水平及垂直方向的視角之一魚眼影像處理方法及相關魚眼影像處理裝置。
本發明揭露一種可節省暫存記憶體空間並降低透視變形的魚眼影像校正及減輕透視變形的魚眼影像處理方法，包含有根據一魚眼校正影像及一魚眼原始影像之間之一座標轉換函數，該魚眼校正影像包含有複數個像素，依序對該複數個像素之每一像素，計算相對於該像素之一魚眼原始座標值；以及根據該魚眼原始座標值，於該魚眼原始影像中，經由一內插法(interpolation)，計算該魚眼校正影像之每一像素的像素值；其中，該座標轉換函數包含有一魚眼座標校正轉換、一減輕透視變形座標轉換及一影像裁切放大縮小座標轉換。
本發明另揭露一種可節省暫存記憶體空間並降低透視變形的魚眼影像校正及減輕透視變形的魚眼影像處理裝置，包含有一座
標計算單元，根據一魚眼校正影像及一魚眼原始影像之間之一座標轉換函數，該魚眼校正影像包含有複數個像素，依序對該複數個像素之每一像素，計算相對於該像素之一魚眼原始座標值；以及一影像計算單元，根據該魚眼原始座標值，於該魚眼原始影像中，經由一內插法，計算該魚眼校正影像之每一像素的像素值；其中，該座標轉換函數包含有一魚眼座標校正轉換、一減輕透視變形座標轉換及一影像裁切放大縮小座標轉換。
本發明利用魚眼校正影像及魚眼原始影像之間的座標轉換，計算魚眼校正影像之每個像素的像素值，一次性的完成魚眼影像還原，以達到節省暫存記憶體空間及降低透視變形的效果。茲將本發明的實施方法、原理及構成要件敘述於下。
關於本發明之魚眼影像處理方法之運作方式，請參考第1圖，第1圖為本發明實施例用於魚眼影像處理方法之一流程10之示意圖。流程10包含以下步驟：
步驟100：開始。
步驟102：根據一魚眼校正影像及一魚眼原始影像之間之一座標轉換函數，該魚眼校正影像包含有複數個像素，依序對該複數個像素之每一像素，計算相對於該像素之一魚眼原始座標值。
步驟104：根據該魚眼原始座標值，於該魚眼原始影像中，經
由一內插法(interpolation)，計算該魚眼校正影像之每一像素的像素值。
步驟106：結束。
簡言之，流程10係根據魚眼校正影像中的每一像素，逐個計算該像素在魚眼原始影像中相對應的座標值，並根據魚眼影像中的座標值，於該魚眼原始影像中，經由內插法，計算出一影像估計值，並以此影像估計值，作為魚眼校正影像中該像素的像素值。此外，魚眼校正影像經過本發明之座標轉換後，亦能同時降低透視變形的現象，並根據不同的影像顯示裝置，輸出成不同的解析度。
為進一步說明流程10之詳細運作方式，請繼續參考第1圖。在步驟102中，為節省數位影像處理系統所需之暫存記憶體空間，本發明係利用複數個座標轉換，反向推導出一魚眼校正影像像素位於魚眼原始影像中相對應的座標值。請參考第2A圖，第2A圖為步驟102中所用之座標轉換示意圖。其中，包含有魚眼座標校正變換202、減輕透視變形座標轉換204以及影像裁切放大縮小座標轉換206等。魚眼原始影像經由魚眼座標校正變換202、減輕透視變形座標轉換204以及影像裁切放大縮小座標轉換206等座標轉換執行完成後，可得到適合一般使用者判讀的魚眼校正影像。此外，本發明包含有一使用者界面200，一般使用者可於判讀影像時，調整座標轉換202、204、206中所包含之座標轉換係數，以
增進影像判讀的便利性。
請繼續參考第2B圖，第2B圖為步驟102中用於魚眼原始影像之座標轉換及相關影像之示意圖。當接收到魚眼原始影像後，先由魚眼座標校正變換202將魚眼原始影像轉換成初步還原影像。緊接著，減輕透視變形座標轉換204將初步還原影像轉換成減輕透視變形後影像。然後，影像裁切放大縮小座標轉換206將減輕透視變形後影像轉換成魚眼校正影像。步驟102根據魚眼校正影像中某一像素的二維座標值(px r
,py r
)，經由對魚眼校正影像中所有的像素逐個進行反向推導，依序找出的減輕透視變形後影像的二維座標值(px n
,py n
)，再依序找出初步還原影像的二維座標值(px c
,py c
)，並最後於魚眼原始影像中找到相對應的魚眼座標值(px d
,py d
)。並根據步驟104，將該魚眼原始座標值(px d
,py d
)，於該魚眼原始影像中，經由內插法(interpolation)，執行影像估計以得到相對應的影像估計值，計算該魚眼校正影像之每一像素的像素值。因此，經過反向的座標轉換計算，就可以於魚眼原始影像中找到相對應的座標落點，並可於魚眼原始影像中進行影像估計的動作，進而得到所需的影像估計值。如此一來，便可完成魚眼校正影像的整體還原動作。
為進一步解釋魚眼座標校正變換202，請參考第3圖，第3圖為一魚眼原始影像及一影像感測晶片之一相對關係示意圖。一般而言，魚眼原始影像包含有大視角的影像資訊。較精確的定義
是，魚眼原始影像涵蓋一個半球體角度的影像(水平及垂直的視角皆可達180度)，而且這個廣角的影像必須集中投射到一個相對狹小的影像感測晶片上。其中，影像感測晶片300與魚眼攝影鏡頭所涵蓋的半球體302之間的座標變換，可以由下列方程式表示：
φ＝a
tan 2(py c
/px c
)
θ＝a
tan(r
/F
)Radius
＝F
* θpx d
＝Radius
* cos(φ)py d
＝Radius
* sin(φ)
其中，(px c
,py c
)表示初步還原影像的二維座標值；(px d
,py d
)表示魚眼原始影像的二維座標值；r表示初步還原影像中(px c
,py c
)與初步還原座標原點的距離；而Radius表示魚眼原始影像中，(px d
,py d
)與魚眼座標原點的距離。另外，F是魚眼鏡頭的焦距(Focal Length)。反正切函數atan()及atan2()分別用來算出θ及φ的角度值。
經由上述公式，可在初步還原影像的二維座標值(px c
,py c
)及魚眼原始影像的二維座標值(px d
,py d
)之間進行座標變換。此項轉換主要的目的是使原始影像中，將被魚眼鏡頭所擠壓與扭曲變形的影像加以拉直。請參考第4A圖至第4B圖，第4A圖中的圖像係為一魚眼鏡頭所拍攝的原始影像，而第4B圖中的圖像係為一經魚眼座標校正座標變換處理完畢後的影像。
請繼續參考第4B圖，經過魚眼座標校正座標變換的影像須
經過一個影像切割(Cropping)的步驟。影像切割的目的是，於魚眼座標校正座標變換的步驟完成後，在所得到的影像中，切割出一個長方形的影像，以方便在一般通用具長方形螢幕的顯示器上顯像。第4B圖中的長方框顯示經魚眼座標校正座標變換後的影像中一長方形的一切割區域。第4C圖中的影像係經過一影像切割步驟處理完畢後的影像。其次，經影像切割的長方形區域的寬高比(Aspect Ratio)再經由一影像縮放(Scaling)的步驟，調整成顯示器螢幕的寬高比。如此一來，魚眼原始影像經由數位影像處理系統執行還原處理的步驟，將被魚眼鏡頭所擠壓及扭曲的影像加以拉直，並按照顯示器螢幕的寬高比顯像。
此外，本發明所揭露之減輕透視變形座標轉換204係為了降低透視變形(Perspective Distortion)的現象而設立，其主要功能係於經過魚眼座標校正變換202後之初步還原影像中，從影像的中間部份到邊緣部份，逐漸增加壓縮量。如此一來，使靠近影像中心的部份比例改變較小，而越靠近影像邊緣的部份壓縮比例較大，較佳地，此減輕透視變形座標轉換204係一二維非線性座標轉換，並可以用下之方程式執行：px n
＝px c
*(1－σ x
*px c
*px c
)py n
＝py c
*(1－σ y
*py c
*py c
)
其中，(px c
,py c
)是初步還原影像的二維座標值，(px n
,py n
)是經非線性座標轉換後之視角校正後影像的二維座標值。σ x
及σ y
分別是控制水平及垂直方向壓縮量的補償係數。減輕透視變形座標轉
換204，可進一步增進魚眼校正影像的邊緣部份及中間部分景物大小的一致性，以方便使用者判讀影像中的有用資訊。此二維非線性座標轉換方程式中所包含的補償係數σ x
及σ y
，可經由預設方式，將其中補償係數σ x
及σ y
設定在一預設值。亦可根據使用者觀察魚眼校正影像時的主觀需求，亦可經由使用者界面200，調整補償係數σ x
及σ y
的大小，達到使用者最滿意的狀態。關於減輕透視變形座標轉換204的轉換效果，請參考第5A圖至第5B圖，第5A圖係一未經減輕透視變形座標轉換204的影像，而第5B圖係一經減輕透視變形座標轉換204處理完畢後所得的影像。其中，第5B圖中的邊緣部份經適當壓縮，可增加邊緣部份及中間部分景物大小的一致性。
此外，本發明另採用一能夠最大限度保留影像資訊的影像裁切方法。請參考第6A圖至第6B圖，第6A圖係一未經本發明之影像裁切方法所裁切之影像，而第6B圖係一經本發明之影像裁切方法所裁切之影像。本發明之影像裁切方法儘可能的在水平與垂直方向裁切出一包含最多影像資訊的矩形面積。在一般情況下，經由本發明之影像裁切方法所得之矩形的寬高比不會等於顯示器的寬高比，然而，本發明可利用影像裁切放大縮小座標轉換206中可對影像進行放大縮小的功能，使裁切所得之矩形經由水平或垂直方向的放大縮小，使其符合顯示器的寬高比，並以此最大限度地保留影像資訊。
此外，根據步驟104，相對於魚眼校正影像中的一個魚眼校正影像座標值，經由魚眼座標校正變換202、減輕透視變形座標轉換204以及影像裁切放大縮小座標轉換206，所計算出的一個位於魚眼原始影像座標中的魚眼原始座標值通常不會剛好座落在魚眼原始影像的某一像素上。為計算相對於此魚眼原始座標值的影像估計值，本發明採用一內插法。此內插法經由落點所在位置的周遭像素，以近似內插方式，推算出相對於此落點的影像估計值。
關於魚眼座標校正變換202、減輕透視變形座標轉換204以及影像裁切放大縮小座標轉換206的綜合效果，請參考第7A圖至第7B圖，第7A圖係一未經本發明之魚眼原始影像處理的影像，而第7B圖係一經本發明之魚眼原始影像處理完畢後的影像。
值得注意的是，若不採用本發明的一次性座標轉換，反而分別執行魚眼座標校正變換202、減輕透視變形座標轉換204以及影像裁切放大縮小座標轉換206等上述步驟，則需要多個影像暫存記憶體空間，以儲存各步驟在執行過程中及完成後所得之影像。例如，魚眼鏡頭所拍攝的魚眼原始影像、經由魚眼座標校正變換202後的影像、再經由減輕透視變形座標轉換204後的影像，以及影像裁切放大縮小後的影像，都各需要有足夠的暫存記憶體空間。因此，若採用逐個座標變換演算的方式，系統需要龐大的暫存記憶體空間，因而增加實際建置數位影像處理系統的成本。本發明幾乎免除所有計算過程中所需的暫存記憶體空間，先經由對
一個虛擬而不占記憶體空間的魚眼校正影像中所有的像素逐個進行反向推導其於魚眼原始影像中所對應的魚眼原始影像座標值，進行影像估計以得到相對應的影像估計值，便可直接完成魚眼校正影像的整體還原動作。
關於流程10之實現方式，請參考第8圖，第8圖所示為本發明實施例一魚眼影像處理裝置80之示意圖。魚眼影像處理裝置80可以節省暫存記憶體空間，其包含有一座標計算單元800及一影像計算單元802。座標計算單元800可根據一個虛擬魚眼校正影像中任何一個像素的二維座標值，經由反向的座標轉換，推導出該像素位於魚眼原始影像中相對的座標值。如前所述，此複數個座標轉換包含有魚眼座標校正變換202、減輕透視變形座標轉換204以及影像裁切放大縮小座標轉換206等變換。影像計算單元802則根據座標計算單元800所計算出的魚眼原始影像的座標值，利用近似內插法，於魚眼原始影像中進行影像估計的動作，進而得到一影像估計值，由落點所在位置的周遭像素之影像值，推算出相對於此落點的影像估計值。魚眼影像處理裝置80係用以實現流程10，各元件詳細運作方式可參考前述說明，在此不贅述。
值得注意的是，本發明以反向推導魚眼校正影像的像素位於魚眼原始影像中相對的座標值，直接計算相對於此落點座標值的影像估計值，因此可以節省暫存記憶體空間。較佳地，針對魚眼校正影像中每一像素的二維座標值，反向推導出該像素位於魚眼
原始影像中相對應的座標值，係由該座標計算單元800實時地加以計算，並由該影像計算單元802，實時地計算出相對於該落點座標值的影像估計值，因此可以節省記憶體空間。此外，減輕透視變形座標轉換204所包含的水平及垂直的非線性座標轉換，用來減少透視變形，讓魚眼校正後的影像整體比例看起來更顯自然。
此外，為方便不同的使用者判讀影像，本發明中的減輕透視變形座標轉換204的二維非線性座標轉換方程式中所包含的補償係數，可以是一預設值，也可以經由簡易的使用者界面，較佳地，經由圖形化使用者界面，向上或向下調整此補償係數值。其目的在方便使用者於觀察魚眼校正影像時，能夠直接調整這些非線性方程式中的補償係數值，以滿足不同使用者的影像判讀習性。只要拍下魚眼扭曲的照片，使用者便可以透過圖形化介面調整參數，不需要複雜而成本昂貴的實驗室環境對魚眼原始影像進行嚴格的校正。並且，校正後的影像可以是使用者指定的大小，並由影像裁切放大縮小座標轉換完成此項需求。
總而言之，本發明利用一種反向的演算方式，針對虛擬魚眼校正影像中任何一個像素的二維座標值，推導出該像素位於魚眼原始影像中相對的座標值，免除計算過程中所需絕大部分的暫存記憶體空間，增進計算效率，以達到節省實際建置數位影像處理系統成本的目的。並且，提供使用者可因個人喜好，透過圖形化介面調整影像中用已降低視角失真的補償係數，進而增進使用時
的便利性。
以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。
10‧‧‧流程
100、102、104、106、202、204、206‧‧‧步驟
200‧‧‧使用者界面
80‧‧‧魚眼影像處理裝置
800‧‧‧座標計算單元
802‧‧‧影像計算單元
第1圖為本發明實施例用於魚眼影像處理方法之一流程之示意圖。
第2A圖為本發明根據步驟102用於魚眼影像之座標轉換之示意圖。
第2B圖為本發明根據步驟102用於魚眼影像之座標轉換及相關影像之示意圖。
第3圖為一魚眼原始影像及一影像感測晶片之一相對關係示意圖。
第4A圖中的圖像係為一魚眼鏡頭所拍攝的原始影像。
第4B圖中的圖像係為一經過魚眼座標校正變換處理完畢後的影像。
第4C圖中的影像係經過一影像切割步驟處理完畢後的影像。
第5A圖係一未經減輕透視變形座標轉換的影像。
第5B圖係一經過減輕透視變形座標轉換處理完畢後的影像。
第6A圖係一未經本發明之影像裁切方法所裁切之影像。
第6B圖係一經過本發明之影像裁切方法所裁切之影像。
第7A圖係一未經本發明之魚眼影像處理的影像。
第7B圖係一經過本發明之魚眼影像處理完畢後的影像。
第8圖所示為根據本發明之一種可以節省暫存記憶體空間的魚眼
影像處理裝置。
10‧‧‧流程
100、102、104、106‧‧‧步驟
Claims (10)
- 一種可節省暫存記憶體空間並降低透視變形(Perspective Distortion)的魚眼影像校正及減輕透視變形的魚眼影像處理方法，包含有：根據一魚眼校正影像及一魚眼原始影像之間之一座標轉換函數，該魚眼校正影像包含有複數個像素，依序對該複數個像素之每一像素，計算相對於該像素之一魚眼原始座標值；以及根據該魚眼原始座標值，於該魚眼原始影像中，經由一內插法(interpolation)，計算該魚眼校正影像之每一像素的像素值；其中，該座標轉換函數包含有一次性進行一用來消除魚眼扭曲現象的魚眼座標校正轉換、一用來減輕透視變形的減輕透視變形座標轉換及一用來裁切、放大以及縮小影像的影像裁切放大縮小座標轉換，且該魚眼校正影像不會有水平及垂直視角的失真，且該減輕透視變形座標轉換係利用下列公式完成：px n =px c *(1-σ x *px c *px c )py n =py c *(1-σ y *py c *py c )其中，(px c ,py c )是初步還原影像的二維座標值，(px n ,py n )是經非線性座標轉換後之視角校正後影像的二維座標值，σ x 及σ y 分別是控制水平及垂直方向壓縮量的補償係數。
- 如請求項1所述之魚眼影像處理方法，其中根據該魚眼校正影像及該魚眼原始影像之間之該座標轉換函數，該魚眼校正影像包含有複數個像素，依序對該複數個像素之每一像素，計算相對於該像素之該魚眼原始座標值，係對該魚眼校正影像所包含之複數個像素之魚眼校正座標值，依序執行該魚眼座標校正轉換、該減輕透視變形座標轉換及該影像裁切放大縮小座標轉換，以計算該魚眼校正座標值對應於該魚眼原始座標中之該二維魚眼座標值。
- 如請求項1所述之魚眼影像處理方法，其中根據該魚眼原始座標值，於該魚眼原始影像中，經由該內插法，計算該魚眼校正影像之每一像素的像素值，係於該魚眼原始影像中，鄰近於該二維魚眼原始座標值之複數個像素，執行一內插法，以計算相對於該二維魚眼校正影像之每一像素的座標值之該影像估計值。
- 如請求項1所述之魚眼影像處理方法，其中該減輕透視變形之方程式組所包含之複數個係數係為複數個預設值。
- 如請求項1所述之魚眼影像處理方法，其中該減輕透視變形之方程式組所包含之複數個係數係為複數個外部輸入值。
- 一種可節省暫存記憶體空間並降低透視變形(Perspective Distortion)的魚眼影像校正及減輕透視變形的魚眼影像處理裝置，包含有：一座標計算單元，根據一魚眼校正影像及一魚眼原始影像之間之一座標轉換函數，該魚眼校正影像包含有複數個像素，依序對該複數個像素之每一像素，計算相對於該像素之一魚眼原始座標值；以及一影像計算單元，根據該魚眼原始座標值，於該魚眼原始影像中，經由一內插法(interpolation)，計算該魚眼校正影像之每一像素的像素值；其中，該座標轉換函數包含有一次性進行一用來消除魚眼扭曲現象的魚眼座標校正轉換、一用來減輕透視變形的減輕透視變形座標轉換及一用來裁切、放大以及縮小影像的影像裁切放大縮小座標轉換，且該魚眼校正影像不會有水平及垂直視角的失真，且該減輕透視變形座標轉換係利用下列公式完成：px n =px c *(1-σ x *px c *px c )py n =py c *(1-σ y *py c *py c )其中，(px c ,py c )是初步還原影像的二維座標值，(px n ,py n )是經非線性座標轉換後之視角校正後影像的二維座標值，σ x 及σ y 分別是控制水平及垂直方向壓縮量的補償係數。
- 如請求項6所述之魚眼影像處理裝置，其中該座標計算單元，係對該魚眼校正影像所包含之複數個像素之魚眼校正座標值，依序執行該魚眼座標校正轉換、該減輕透視變形座標 轉換及該影像裁切放大縮小座標轉換，以計算該魚眼校正座標值對應於該魚眼原始座標中之該二維魚眼座標值。
- 如請求項6所述之魚眼影像處理裝置，其中該影像計算單元，係於該魚眼原始影像中，鄰近於該二維魚眼原始座標值之複數個像素，執行一內插法，以計算相對於該二維魚眼校正影像之每一像素的座標值之該影像估計值。
- 如請求項6所述之魚眼影像處理裝置，其中該減輕透視變形之方程式組所包含之複數個係數係為複數個預設值。
- 如請求項6所述之魚眼影像處理裝置，其中該減輕透視變形之方程式組所包含之複數個係數係為複數個外部輸入值。
Priority Applications (3)
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