鱼眼相机模型

鱼眼相机模型

  最近涉及鱼眼相机模型、标定使用等，作为记录，更新很久不曾更新的博客。

1 相机成像

针孔相机：所有光线从一个孔（光心）透过，入射角$\theta$ = 出射角${\theta }_d$。0-180°的光线汇聚的图像是无穷大的，所以针孔相机的视场角一般都很小。

鱼眼相机：类似于凸透镜成像，光线被聚集，入射角$\theta$ > 出射角${\theta }_d$。光线汇聚的图像变小，所以鱼眼相机的视场角一般可以达到18-270°。

2 鱼眼模型

常见模型，注意，这里的$\theta$是入射角！！${\theta }_d$才是出射角。

VINS、AVP-SLAM中采用的MEI模型--------

注意，常规鱼眼模型的去畸变和针孔相机不同，可以见opencv中解释；但是MEI模型经过变换后，可以直接套用针孔相机模型

3 畸变

畸变包括径向畸变（Radial Distortion）和切向畸变（Tangential Distortion）

鱼眼相机本质是利用了相机的畸变获取无穷远处的投影，主要是径向畸变

3.1 适用针孔和MEI

首先来看下去畸变的本质，如图所示，一共是四步

① 相机坐标系下某一点，是投影到光心矢量射线（相机成像原理），与图像产生交点。归一化这个坐标（如果再乘以焦距就是图像坐标系上的坐标了），获取畸变的xy。（这里为什么不乘以f呢，本质是矫正这一条投影到光心的矢量射线，没有本质区别，归一化计算更简单）

② 计算成像半径r（相机成像半径r理论为r=f*tan(θd)，3.2中有提到，也有图）

③ 基于畸变参数，计算去畸变后的xy，此时，该点再图像坐标系中的位置被矫正

④ 然后基于去畸变后的xy再变换到像素坐标系下，就可以获取一个矫正的像素坐标

但是实际上，我们只知道像素坐标，而非相机系坐标！所以实际中将像素坐标反变换到相机坐标系（归一化），然后就可以按照这里的去畸变流程处理了。

​ opencv中的MEI描述

3.2 Kannala-Brandt鱼眼模型

参考opencv，注意，通用模型不是上面哪些等距模型，和哪些完全没关系

相机系

$$Xc=RX+t$$

把相机系坐标单独取出来

$$\begin{gathered} x=X{c}_1 \\ y=X{c}_2 \\ z=X{c}_3 \end{gathered}$$

归一化，计算成像半径、夹角

$$a=\frac{x}{z}\text{and}b=\frac{y}{z}{r}^2=a^2+b^2\theta =\arctan (r/1)$$

去畸变，注意这里的$\frac{{\theta }_d}{r}$实际代码是$\frac{r_d}{r}$获取的一个比例关系，opencv给出的公式有点误导，可以参考原始论文（成像半径$r_d=f\ast tan({\theta }_d)\approx f\ast {\theta }_d$，归一化，取f=1，tanx在x接近0时候约等于x）

$$\begin{gathered} {\theta }_d=\theta (1+k_1{\theta }^2+k_2{\theta }^4+k_3{\theta }^6+k_4{\theta }^8) \\ {x}^{\prime }=\left(\frac{{\theta }_d}{r}\right)a \\ {y}^{\prime }=\left(\frac{{\theta }_d}{r}\right)b \end{gathered}$$

获取去畸变后的像素坐标（α是偏斜系数，默认为0）

$$\begin{gathered} u=f_x(x^{\prime }+\alpha y^{\prime })+c_x \\ v=f_y{y}^{\prime }+c_y \end{gathered}$$

注：通过上述模型，也就是棋盘格标定得到的去畸变图像，相对于原图，会小很多！距离中心越远的区域，拉伸会很严重，校正后会被切除

4 代码实现

可以参考opencv中映射矩阵来实现

bool UnDistortMap()
{if(is_init){return true;}// 畸变映射，每一张图像的畸变映射是一致的cv::fisheye::initUndistortRectifyMap(mK, mD, cv::Matx33d::eye(), mK,cv::Size(Width, Height), CV_16SC2, m_undistortMapX, m_undistortMapY);// 通过调整cx,cy来增大去畸变后的视野// cv::fisheye::initUndistortRectifyMap(mK, mD, cv::Matx33d::eye(), mK,//                                     cv::Size(mK.at<double>(0,2), mK.at<double>(1,2)), CV_16SC2, //                                    m_undistortMapX, m_undistortMapY);    // 或者直接把fxfy调小，缩小相机焦距，视野变大了（分辨率dx不变）                               if (m_undistortMapX.empty() || m_undistortMapY.empty()) {std::cerr << "Failed to compute undistort maps!" << std::endl;return false;}else{}is_init = true;return true;
}bool undistortImage(const cv::Mat& src, cv::Mat& dst)
{if(!is_init)return false;cv::remap(src, dst, m_undistortMapX, m_undistortMapY, cv::INTER_LINEAR); // 去畸变return true;
}

Computes undistortion and rectification maps for image transform by cv::remap(). If D is empty zero distortion is used, if R or P is empty identity matrixes are used.Parameters:
K – Camera matrix \f$K = \vecthreethree{f_x}{0}{c_x}{0}{f_y}{c_y}{0}{0}{_1}.
D – Input vector of distortion coefficients k_1, k_2, k_3, k_4).
R – Rectification transformation in the object space: 3x3 1-channel, or vector: 3x1/1x3 1-channel or 1x1 3-channel
P – New camera matrix (3x3) or new projection matrix (3x4)
size – Undistorted image size.
m1type – Type of the first output map that can be CV_32FC1 or CV_16SC2 . See convertMaps() for details.
map1 – The first output map.
map2 – The second output map.