【图像】【OpenCV鱼眼矫正】二、fisheye::initUndistortRectifyMap()源码分析
目录
- 一、fisheye::initUndistortRectifyMap() 之 功能介绍
- 二、fisheye::initUndistortRectifyMap() 之 源码分析
- 1. 源码分析
- 2. 更进一步
- 3. 如何由 (j, i) 算出 (u, v) ？
一、fisheye::initUndistortRectifyMap() 之 功能介绍
在上一篇文章的第 2. 部分中，我们已对fisheye::initUndistortRectifyMap()的功能做过详细介绍，这里再重复一下：
fisheye::initUndistortRectifyMap()的作用是根据无畸变图的像素位置(i, j)，推出它对应的畸变图中的像素位置(u, v)，然后把畸变图中的(u, v)复制到新图中的(i, j)，就得到了矫正图像。
fisheye::initUndistortRectifyMap()函数在OpenCV中的声明如下：
void cv::fisheye::initUndistortRectifyMap ( InputArray K,InputArray D,InputArray R,InputArray P,const cv::Size & size,int m1type,OutputArray map1,OutputArray map2
)
其中各形参的作用在网上有很多文章介绍，本文不再赘述。
这里只简单介绍其输入输出：
输入：
- 内参矩阵K
- 畸变系数D
- R并非旋转向量/矩阵，矫正单目鱼眼相机时，R默认为单位矩阵
- 若想使矫正后图片对应的内参与原相机内参不同，则把P设为新内参；否则，P与原内参相同
- 输出矩阵map1的类型m1type
- 其他参数
输出：
- map1
- map2
我们通常把参数m1type设为CV_16SC2时，此时最重要的输出是map1：
根据CV_16SC2，map1此时是一个2通道的矩阵，每个点(i, j)都是一个2维向量，包含：
- map1(i, j) [0]
- map2(i, j) [1]
现在，我们令u = map1(i, j)[0], v= map1(i, j)[1]。
那么，i和j、u和v的含义是：
畸变图中坐标为
(u, v)的像素点，在无畸变图中应该处于(i, j)位置。
这样，把畸变图(u, v)处的像素，复制到(i, j)处，就得到了矫正后的图像。
即如下图所示：
而此时的map2是为了做插值、让矫正后图像更清晰而用，本文不做介绍。
注：
若把参数m1type设为CV_32FC1，则此时map1不再是二通道矩阵，而是一通道矩阵。
此时map1保存m1type为CV_16SC2时map1的0通道，map2保存m1type为CV_16SC2时map1的1通道。
即，此时令u = map1(i, j)，v = map2(i, j)，那么才有：
畸变图中坐标为
(u, v)的像素点，在无畸变图中应该处于(i, j)位置。
二、fisheye::initUndistortRectifyMap() 之 源码分析
1. 源码分析
把参数m1type设为CV_16SC2，再**抛去*断言、类型判断等非必要的部分，我们把fisheye::initUndistortRectifyMap简化如下：
//本文对程序做了详细注释
//转发请注明出处https://editor.csdn.net/md?not_checkout=1&articleId=112751432。
void cv::fisheye::initUndistortRectifyMap( InputArray K, InputArray D, InputArray R, InputArray P,const cv::Size& size, int m1type, OutputArray map1, OutputArray map2 )
{map1.create( size, CV_16SC2); //创建2通道的map1矩阵map2.create( size, CV_16UC1); //创建1通道的map2矩阵cv::Vec2d f, c; //创建f、c两个2维向量，用于存储内参fx、fy及cx、cyMatx33d camMat = K.getMat(); //把内参矩阵K复制给camMat变量f = Vec2d(camMat(0, 0), camMat(1, 1)); //二维向量f存储fx、fyc = Vec2d(camMat(0, 2), camMat(1, 2)); //二维向量f存储cx、cyVec4d k = Vec4d::all(0); //创建4维向量k，用于存储畸变系数k1、k2、k3、k4k = (Vec4d)*D.getMat().ptr<Vec4f>(); //把畸变系数k1、k2、k3、k4复制给向量kcv::Matx33d RR = cv::Matx33d::eye(); //在单目鱼眼相机的矫正中，RR设为单位向量即可cv::Matx33d PP = cv::Matx33d::eye(); //创建矩阵PP，用于存储参数PP.getMat().colRange(0, 3).convertTo(PP, CV_64F); //把P复制给PP//其中，P是我们想使矫正后图片看起来像内参为怎样的相机得到的，就把P设为这个内参。//一般令P等于原鱼眼相机的内参cv::Matx33d iR = (PP * RR).inv(cv::DECOMP_SVD); //令iR为P的逆，也就是内参矩阵的逆//==================================两层for循环更新 i 和 j =======================================/************************************************************************************************
* i和j的实际意义是：
* (j, i)是矫正后图像(输出图像)的像素点坐标，根据(j, i)计算出它对应的畸变图中的像素点坐标(u, v)
************************************************************************************************/for( int i = 0; i < size.height; ++i){float* m1f = map1.getMat().ptr<float>(i);float* m2f = map2.getMat().ptr<float>(i);short* m1 = (short*)m1f; //令m1为指向map1每个元素的指针，初始m1为&map1(0,0)[0]，加1后为&map1(0,0)[1]，再加1后为&map1(0,1)[0]，再加1后为&map1(0,1)[1]……ushort* m2 = (ushort*)m2f; //令m2为指向map2每个元素的指针，map2为一维矩阵//计算相机坐标系下的坐标double _x = i*iR(0, 1) + iR(0, 2),_y = i*iR(1, 1) + iR(1, 2),_w = i*iR(2, 1) + iR(2, 2);for( int j = 0; j < size.width; ++j){//(i, j)是无畸变图上的像素点坐标
//===========================================矫正过程=============================================double x = _x/_w, y = _y/_w;//计算无畸变情况下的r、thetadouble r = sqrt(x*x + y*y);double theta = atan(r);double theta2 = theta*theta, theta4 = theta2*theta2, theta6 = theta4*theta2, theta8 = theta4*theta4;//计算畸变情况下的theta_ddouble theta_d = theta * (1 + k[0]*theta2 + k[1]*theta4 + k[2]*theta6 + k[3]*theta8);//计算畸变因子scaledouble scale = (r == 0) ? 1.0 : theta_d / r;//计算无畸变图上的点(i, j)对应的畸变图上的像素点(u, v)double u = f[0]*x*scale + c[0];double v = f[1]*y*scale + c[1];//将(u, v)转化为整数，并存入map1m1[j*2+0] = (int)(u);m1[j*2+1] = (int)(v); //将插值所用的数据存入map2//插值只是为了让图像更清晰一些，作用不大，不作讲解m2[j] = (ushort)((iv & (cv::INTER_TAB_SIZE-1))*cv::INTER_TAB_SIZE + (iu & (cv::INTER_TAB_SIZE-1)));//计算相机坐标系下的坐标_x += iR(0, 0);_y += iR(1, 0);_w += iR(2, 0);}}
}
注： 在上述程序中，由于i、j意义的不同，像素坐标的表示方法不是(i, j)，而应该是(j, i)，即(width, height)，符合像素坐标系，不需过分在意。
因此，上述程序中由(j, i )计算得到的(u, v)的意义应该是：
畸变图中坐标为
(u, v)的像素点，在无畸变图中应该处于(j, i)位置。
也就是说，上述程序的作用是，从无畸变图的像素坐标(j, i)，反推出了它在畸变图中对应的像素坐标(u, v)。
其中，比较难理解的是两个for循环，以及_x、_y、_w的计算，我们把这一部分代码单独摘出来：
for( int i = 0; i < size.height; ++i){double _x = i*iR(0, 1) + iR(0, 2),_y = i*iR(1, 1) + iR(1, 2),_w = i*iR(2, 1) + iR(2, 2);for( int j = 0; j < size.width; ++j){doSomeThingsForAectify();_x += iR(0, 0);_y += iR(1, 0);_w += iR(2, 0);}}
上面的程序，可如下书写：
double _x, _y, _w;for( int i = 0; i < size.height; ++i) for( int j = 0; j < size.width; ++j){_x = i*iR(0, 1) + iR(0, 2) + j * iR(0, 0);_y = i*iR(1, 1) + iR(1, 2) + j * iR(1, 0);_w = i*iR(2, 1) + iR(2, 2) + j * iR(2, 0);doSomeThingsForAectify();}
观察上面的程序，不难看出，_x、_y、_w其实就是矩阵iR与齐次坐标(j, i, 1)的乘积，即如下所示：
而在程序注释中我们已说明，矩阵iR是相机内参的逆。而相机内参的作用是：缩放因子 x 像素坐标 = 相机内参 x 相机坐标系坐标，如下（注： 根据下图可以看出，缩放因子其实就是相机坐标系下的Z坐标）：
（下面把相机坐标系下的坐标简称为相机坐标）
那么，把内参矩阵求逆后得到iR，再与(j, i)相乘，得到的其实就是归一化后的相机坐标：
结论：
[_x, _y, _w] 实际上就是 [Xc / Zc, Yc / Zc, 1] !
而由于我们假设(j, i)是矫正后的、无畸变图像中的像素点坐标，那么根据相机内参的逆反推回去的归一化后的相机坐标，实际上就是无畸变情况下的归一化后的相机坐标！
也就是说，求**[_x, _y, _w]，实际上就是在求无畸变情况下的归一化相机坐标**。
2. 更进一步
更进一步来说，鱼眼畸变发生在相机坐标 -> 像素坐标的过程，而现实世界中的一个点，无论怎样，它的相机坐标是不会发生畸变的，只有像素坐标会发生畸变。
因此，在上面我们说 [_x, _y, _w] 是 无畸变情况下的归一化相机坐标，是不太准确的，更准确的说法应该是：
归一化相机坐标 [_x, _y, _w] 处的点，在无畸变镜头的投影作用下，对应的像素坐标应该是程序中的 (j, i) ；而由于鱼眼镜头有畸变，本应该在 (j, i) 处的点，现在跑到了 (u, v) 处！
3. 如何由 (j, i) 算出 (u, v) ？
那么程序是怎样由(j, i)计算得到(u, v)的呢？OpenCV官方给出了公式：
其中，第一行的x、y、z即程序中的_x、_y、_w。
公式摆在这里，但原理如何，OpenCV却没有详细给出。博主大致研究了其原理，不知正确与否，将在下一篇博文给出。
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