广角图像畸变校正算法的研究及FPGA实现

摘要

随着计算机技术的发展，以及各种智能产品的应用，摄像头广泛应用于道路交通、医疗、银行等机器视觉领域。摄像头多采用广角镜头，因为广角镜头较普通镜头而言，它的视场角更大。但是广角镜头有一个明显的缺陷，它在拍摄图像时，会不可避免的产生桶形畸变，这属于非线性畸变，画面内除通过中心的直线仍保持平直外，其他部分的直线部分变弯曲，离中心点越远，其变形量越大。畸变图像的视觉效果不佳，为了增强视觉效果，本文改进了一种广角图像畸变校正的算法。
　　本文主要研究因使用广角镜头而带来的图像畸变的校正算法，让校正图像最大程度吻合实际图像，提高畸变图像的精度。文中会具体分析现有的畸变校正算法，在此基础上，提出新的畸变校正算法，并用MATLAB进行仿真实现。改进的算法主要是基于变异同心圆模板校正法，利用软件拟合出畸变图像和理想图像的坐标映射关系，根据这些关系，给出一个32×32的网格密度的查找表（网格大小根据分辨率的不同而不同），表内储存理想点到畸变点的部分坐标映射，其余的坐标变换用双线性插值的方法求出。最后采用线性插值方法对畸变图像的像素进行恢复，从而完成广角图像的校正。
　　受计算机运算速度所限，软件不能实现对畸变图像的实时校正，换言之，它只能校正静态的畸变图像，而不能校正动态的畸变图像，但是硬件实现的话，就能够对畸变图像进行实时校正。为了获得高速并稳定的校正系统，本文对畸变校正算法进行了硬件实现。软件的校正精度决定了硬件的校正精度，文中需要对坐标和像素进行插值，而双线性插值不仅能满足一定的精度要求，还能将计算量和复杂度控制在一定的范围内。本文利用verilog硬件描述语言来进行硬件实现，采用nlint对代码风格进行检查，以及利用vcs对硬件设计进行模块级／IP验证，以此来保证设计的功能实现的完备性和正确性。最后对设计进行FPGA实现。验证结果表明，该设计可以对广角畸变图像进行快速有效的校正。
　　本算法依托于坚实的理论基础以及大量的仿真实验，不断优化。用在视频YUV422上进行广角图像畸变校正处理，支持的最大分辨率是1920×1080，建议的镜头的视场角小于等于120°。

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第一章 绪论

1.1论文研究的目的和意义

1.2国内外研究现状

1.3本论文的主要研究内容

1.4论文的结构安排

第二章 广角镜头畸变校正原理分析

2.1普通摄像机的成像原理

2.2广角镜头的成像模型

2.3广角镜头畸变校正原理

2.4本章小结

第三章 广角镜头畸变校正算法研究

3.1模板法校正理论

3.2等效球面模型法

3.3图像变换与映射

3.4改进的校正算法

3.5本章小结

第四章 畸变校正硬件方案及其实现

4.1广角图像畸变校正硬件方案

4.2硬件电路的整体设计

4.3硬件设计的模块接口图

4.4硬件设计具体模块

4.5本章小结

第五章 畸变校正算法功能验证及FPGA实现

5.1功能验证

5.2 FPGA实现

5.3本章小结

第六章 总结与展望

6.1工作总结

6.2未来工作展望

参考文献

致谢

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