基于FPGA的航空CCD相机图像畸变校正技术研究

【摘要】目前，航空成像设备在各个领域尤其在航空侦察上发挥着重要作用。当航空成像探测系统在对地面目标景物成像时，为使拍摄范围尽可能大，我们往往采用广角镜头来获取一个较大的视场，但是大视场角镜头在提供大范围成像的同时，也会产生畸变问题，且随着视场角的增大畸变也逐渐增大，直接影响成像的几何位置精度和后续图像拼接工作的进行，因此需要对镜头的畸变进行校正。校正畸变可以采用光学设计方法和图像处理的方法，光学设计法在减小畸变的同时在设计上会影响系统像差，对图像质量造成一定的影响，同时体积占据空间大，不利于航空成像设备小型化要求，并且，对于高质量镜头的畸变校正，无论是从设计、加工、制造、成本，还是适装性等各方面对畸变的控制都较为困难。而具有高度集成化、低功耗、智能化和高速处理特点的图像处理法，可以实时高效地校正畸变图像，所以本文主要通过图像处理法，深入研究了摄像机标定技术在畸变图像校正中的应用。本文对航空成像系统畸变原因作了深入的探讨，畸变主要受CCD相机本身的设计、加工、装调和环控等因素影响，随着视场角的增大而增大；同时，论文对国内外航空CCD相机畸变校正技术的发展现状进行了详细的调查研究，并深入分析了一些校正畸变的经典算法，为后续实验研究奠定了理论基础。分析研究了航空CCD相机摄影成像光路结构，畸变的产生机理、畸变模型和畸变率等内容，详细阐述了摄像机标定方法的原理和标定模型，建立数学模型，给出摄像机内外参数及畸变系数的求解过程。本文在已有理论的基础上，针对一般方法的局限性和不足，提出了优化的摄像机标定畸变校正方法。在Matlab软件开发环境中，设计了基于PC机的彩色畸变图像校正实验系统，完成了图像的采集过程，重点阐述了采用基于Matlab的Calib_Toolbox工具箱进行摄像机内外参数和畸变系数的提取，及参数优化过程，并对本文方法可能出现的误差做了解释分析。经过后续的编程改进处理，实现了畸变图像的几何位置校正和像素亮度重构过程，完成了对本文彩色畸变图像的校正。本文提出了一种新的基于逆向重构标准图形比对的方法，对畸变校正后的剩余畸变量进行了量化分析。本文最后介绍实现了一种基于FPGA的模拟相机图像采集与VGA显示的方法，为实现畸变图像校正的实时性，本文提出了一种基于FPGA的图像畸变校正算法模块的设计方案，实现了畸变图像像素点的几何位置坐标校正和图像灰度插值工作，并在ModelSim仿真软件上进行了验证。实验结果显示，基于FPGA的畸变图像校正结果与在Matlab中仿真结果几乎一致，且在速度上可以达到实时性的要求，为实际的工程化应用打下良好的基础。
【作者】徐芳；
【导师】刘晶红；
【作者基本信息】中国科学院研究生院(长春光学精密机械与物理研究所)，机械电子工程，2013，硕士
【关键词】航空成像设备；畸变校正；摄像机标定；畸变率；FPGA；

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