镜头产生畸变的原因?

老王:你好,我安装了个摄像头,为什么画面边上的门框是弯曲的?本来这个门框是直线的?

客服:您好!根据您提供的图像看,这是由于镜头畸变造成的。

老王:我手机拍摄就没问题,别家的摄像头也会有这种问题吗??

客服:会的,畸变是光学透镜固有的一种特性,不能根本消除。各个厂家、不同镜头有一些差异,但基本上都有这种现象。

老王:谢谢!什么是镜头畸变呢?如何改善?…

一、什么是图像畸变?

使用摄像机监控时,细心的朋友可能会发现图像边缘会出现线条弯曲的现象,尤其是边缘部分是直线时,这种现象更为明显。例如监控画面中的门框、电线杆、墙面棱角、吊顶线等出现在边缘时,可能会有比较明显的弯曲现象,这种现象就叫做畸变,如下图: 

图像畸变

畸变是指光学系统对物体所成的像相对于物体本身而言的失真程度,是光学透镜的固有特性,其直接原因是因为镜头的边缘部分和中心部分的放大倍率不一样导致。畸变并不影响像的清晰程度,只改变物体的成像形状,畸变是一种普遍存在的光学现象。

明显看出边缘的曲线,中心直线

二、为什么出现图像畸变?

在光学成像中,实际上光学镜头系统放大率并非一个常数,透镜的放大率随光束和主轴间所成角度变化而有所差异,畸变的根本原因是透镜的中央区的放大率与边缘区的放大率不一致导致,监控常见的镜头中央区放大率大于边缘区。以墙角直线为例,简单来讲,墙面中间部分靠近Image Circle中心,放大率更大,顶部和底部离中心远,放大率小,所以看出中间区域往外形成桶形畸变。

畸变的类型可以分为三类:桶型畸变、枕型畸变和线性畸变。我们常见到的是桶形畸变,由镜头中透镜物理性能以及镜片组结构引起的成像画面呈桶形膨胀状的失真现象,我们在使用广角镜头或使用变焦镜头的广角端时,最容易引起桶形失真现象。

根据原理和我们的测试,畸变程度和传感器大小、焦距、安装环境、参考物有关系。那么从设备角度出发,差异主要在传感器大小和焦距大小。理论上:

三、畸变对比测试

说了这么多,那么到底大家的畸变情况怎么样呢?由于畸变是光学透镜的固有特性,监控摄像机以及其他成像设备(例如手机、照相机)均会或多或少的出现畸变现象。我们在相同环境下对比测试了不同厂家的摄像头,如下图所示:

不同品牌摄像机畸变对比(a

我司与友商产品畸变对比(b

我司与友商产品畸变对比(c

相信大家发现,各个厂家摄像头的畸变差异不大,但是手机在好几个场景都不会畸变,为什么呢?继续往下看。

四、如何降低图像畸变?

摄像机镜头畸变时镜头光学现象,物理属性决定,所以消除的方法比较少,但可以适当规避,如下:

1、自测场景可不用理会

在桌面或狭窄的环境下自测而非正式安装时,出现畸变现象,明白所以然,重点关注其他参数,因为在大场景、远距离下畸变几乎体现不出来。

2、适当调整角度

如果比较在意畸变,可以适当的微调角度,将直线区域更多的靠近画面中心。

调整角度前后效果

3、APP等软件矫正

针对鱼眼这种大广角、大视场角畸变严重的镜头,APP端进行畸变矫正,输出矫正后的画面。所以通过APP或客户端预览,能看到矫正后的图。

软件校正效果

最后来解答下手机畸变,实际上手机拍摄的原图也是有一定畸变的。我们从大家关注的问题上就可以看到:

手机的广角镜头也有畸变,只不过高端手机会选用更高质量、更高工艺的镜头、长短焦多镜头组合、手机畸变矫正算法、AI畸变消除等一种或多种手段做处理,最后输出比较好的画面。