專利名稱：180°大視場(chǎng)環(huán)形全景凝視成像方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種180°大視場(chǎng)環(huán)形全景凝視成像方法。
背景技術(shù)：
圖2是傳統(tǒng)光學(xué)成像方法-中心投影法的示意圖，這是視覺光學(xué)的模型，當(dāng)人眼觀察周圍景物時(shí)，視覺光學(xué)是遵循中心投影原理，即相同尺寸的物體，距離眼睛近，看起來會(huì)比距離遠(yuǎn)時(shí)大一些，即存在遠(yuǎn)小近大的現(xiàn)象。使人眼產(chǎn)生遠(yuǎn)近的感覺，三維空間就呈現(xiàn)在我們的眼前。為了把三維空間壓縮到二維平面上去。這就是中心投影法。如想用一幅圖畫來描述三維空間時(shí)，同樣是把遠(yuǎn)處的景物畫小一些，而把近處的景物畫大一些。并且隨著距離的增加，觀察到的景物將會(huì)越來越小，最后慢慢消失。
這種將三維空間投影到二維平面上的方法稱為中心投影法。景物最后消失的那一點(diǎn)叫作滅點(diǎn)。中心投影法的滅點(diǎn)在一條直線上，這條直線即人們所說的視平線。光學(xué)成像(照相或攝影)就遵循中心投影法來實(shí)現(xiàn)。由于中心投影法的滅點(diǎn)在一條直線上，為了獲得360°的全景圖像，需要一個(gè)無限大的像平面，這實(shí)際上是不可能的。為保證觀察360°的視場(chǎng)，必須轉(zhuǎn)動(dòng)光學(xué)系統(tǒng)，這樣就無法在同一時(shí)刻觀察到整個(gè)空間，而只能按成像系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)順序掃描，依次觀察每一個(gè)區(qū)域范圍的景象，然后拼接成全景像。因此常規(guī)光學(xué)不能獲得全景成像。
按中心投影法設(shè)計(jì)的光學(xué)系統(tǒng)，是按視場(chǎng)角的主光線成像。按視場(chǎng)角分類，把視場(chǎng)角為60°以上的照相物鏡稱為廣角物鏡，而把視場(chǎng)角為90°以上的照相物鏡稱為超廣角物鏡。例如魚眼透鏡。同樣，因?yàn)轸~眼透鏡也遵循中心投影法，隨著視場(chǎng)的擴(kuò)大，視平面變彎，物象對(duì)應(yīng)關(guān)系復(fù)雜，無論在紀(jì)錄或再現(xiàn)中都很難補(bǔ)償，限制了其在管道測(cè)量、醫(yī)療窺視及安全監(jiān)視等方面的應(yīng)用。由此可見，應(yīng)用于大視場(chǎng)、全景成像，遵循中心投影法的傳統(tǒng)光學(xué)系統(tǒng)有著難以克服的缺陷。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種180°大視場(chǎng)環(huán)形全景凝視成像方法。
它采用圓柱平面投影法，用二次反射的環(huán)形透鏡作第一次成像，實(shí)現(xiàn)環(huán)形全景凝視成像，用中繼透鏡作第二次成像，獲得實(shí)像，用平面光電成像器件接收並顯示三維空間，景深為無限遠(yuǎn)的全景凝視像。
所說采用圓柱平面投影法，用二次反射的環(huán)形透鏡作第一次成像是采用全球面二次反射的環(huán)形透鏡作圓柱平面投影的第一次成像，該像是虛像，而且該成像方法無固定的入射光瞳，用虛擬入射光瞳代替，每個(gè)視場(chǎng)由環(huán)形孔徑成像，視場(chǎng)方向上的每個(gè)物點(diǎn)均成在同一像點(diǎn)上，實(shí)現(xiàn)景深無限遠(yuǎn)。
中繼透鏡是全球面的中繼透鏡。平面光電成像器件是CCD或CMOS。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)這是一種180°大視場(chǎng)、無運(yùn)動(dòng)部件的360°環(huán)形全景凝視成像方法，具有小尺寸、輕結(jié)構(gòu)、景深無限遠(yuǎn)，遠(yuǎn)近物體不用調(diào)焦就能清晰成像的光學(xué)方法，可用于機(jī)器人全景視覺、隧道、管道內(nèi)壁檢測(cè)，醫(yī)學(xué)內(nèi)窺成像以及銀行交通等全景安全實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，也可在360°全景攝影上應(yīng)用。


圖1是180°大視場(chǎng)環(huán)形全景凝視成像光學(xué)系統(tǒng)示意圖；圖2是傳統(tǒng)光學(xué)中心投影法示意圖；圖3是圓柱平面全景投影法示意圖；圖4是環(huán)形全景第1次成像的光學(xué)系統(tǒng)示意圖；圖5視場(chǎng)環(huán)帶第2次成像的光學(xué)系統(tǒng)示意圖，圖中(a)環(huán)形透鏡像的二次成像示意圖、(b)成像區(qū)域示意圖；圖6環(huán)形全景凝視成像的照片，圖中(a)室內(nèi)遠(yuǎn)場(chǎng)及近場(chǎng)成像、(b)圓筒內(nèi)壁文字成像、(c)景物全景成像。
具體實(shí)施例方式
180°大視場(chǎng)環(huán)形全景成像方法是采用圓柱平面投影成像法來取代傳統(tǒng)光學(xué)中的中心投影成像法，是一種新概念的成像方法。
如果把三維空間看成是個(gè)圓柱體而不是球型體，則圖像可用伸展的方法展開成一個(gè)平面，用二維平面表示三維圓柱面。這個(gè)投影方法稱為圓柱平面投影，它是環(huán)形全景透鏡成像的基礎(chǔ)。在圓柱平面映射中，所有平行的光線聚焦在一個(gè)點(diǎn)上，滅點(diǎn)為圓心。而傳統(tǒng)的中心投影法中不同方向的平行線聚焦在一條(水平)線的不同點(diǎn)上。圖3是圓柱平面投影的示意圖，并顯示出決定視場(chǎng)的限定角。在圓柱平面投影法中，能夠成像的部分是α角的兩條邊繞光軸z旋轉(zhuǎn)360°后所形成的三維立體區(qū)域。這一區(qū)域被投影到二維像平面上的一個(gè)圓環(huán)內(nèi)。而錐角2β角的兩邊繞z軸旋轉(zhuǎn)360°后所形成的圓錐區(qū)域是不能成像的，這一區(qū)域在二維平面上對(duì)應(yīng)內(nèi)徑的圓形為盲區(qū)。顯然，增大α并減小β可以增大成像視場(chǎng)，但是這兩個(gè)參數(shù)的值受到現(xiàn)有玻璃的折射系數(shù)的限制。環(huán)形全景像對(duì)應(yīng)所能得到的α值，是360°成全景凝視像。目前設(shè)計(jì)可達(dá)到α＝60°。因此本方法可獲得視場(chǎng)角為180°，而環(huán)形成像區(qū)為60°×360°的全景成像。
圖4是環(huán)形全景成像的光學(xué)系統(tǒng)，是圓柱平面投影法的光學(xué)實(shí)現(xiàn)，成像對(duì)象是一個(gè)圓柱體內(nèi)表面(A為光線1，2，B為3，4的會(huì)聚點(diǎn)，A、B在圓柱內(nèi)表面上)，當(dāng)圓柱體趨于無限大時(shí)就是四周景物的全景成像，在AB區(qū)域內(nèi)的入射光線經(jīng)環(huán)形鏡反射面R1及球面反射鏡R2的二次反射后將成為出射光線1′，2′，3′，4′，而1′，2′的會(huì)聚點(diǎn)A′，3′，4′的會(huì)聚點(diǎn)B′就是A、B二點(diǎn)的成像(虛像)，這樣三維圓柱表面就實(shí)現(xiàn)了對(duì)二維平面的投影，這個(gè)投影平面I是虛象平面，虛象面I是環(huán)形全景成像的第一次成像。在環(huán)形透鏡的后方再加中繼透鏡，使虛象面I放大成實(shí)像，實(shí)現(xiàn)觀測(cè)顯示，因此環(huán)形全景成像的光學(xué)系統(tǒng)，如圖1所示，這就是環(huán)形全景法的二次成像過程。
環(huán)形全景成像的關(guān)鍵是如何保證大視場(chǎng)下三維空間成像的清晰度，本發(fā)明是采用全球面系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)環(huán)形全景清晰成像，其方法是(1)確保理想像高H＝f′tgθ(f′-焦距，θ-視場(chǎng)角)，而實(shí)際像高L＝H＝f′θ，當(dāng)視場(chǎng)角θ增大時(shí)，實(shí)際像高f′θ比幾何光學(xué)確定的理想像高f′tgθ小，是它的θ/tgθ倍，其線性畸變?yōu)棣＝f′(tgθ-θ)相對(duì)畸變量為DT′=tgθ-θtgθ×100%]]>環(huán)形全景全球面系統(tǒng)是采用光攔慧差透鏡產(chǎn)生畸變，其畸變量用像差系數(shù)表示，則SV=2nk′uk′(f′tgζ-f′θ)=Sup-J(upk′2-up12)]]>式中n-材料折射率，u-光線角，J-拉氏不變量，k及p＝1，2，3…。因此球面環(huán)形透鏡成像時(shí)產(chǎn)生的象差，由中繼成像系統(tǒng)產(chǎn)生的慧差、畸變及倍率色差給予補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)清晰成像(圖6是成像照片)。
(2)環(huán)形全景成像的通光孔徑與視場(chǎng)角有關(guān)，是視場(chǎng)的環(huán)帶孔徑成像，其孔徑不需要有固定的入射光瞳，僅受一個(gè)虛擬入瞳的制約，虛擬入瞳在第一次成像的虛象面I上(圖2)，每個(gè)視場(chǎng)光線有嚴(yán)格方向，如圖5所示，當(dāng)光束穿過同一視場(chǎng)γ的A點(diǎn)和B點(diǎn)時(shí)，A點(diǎn)和B點(diǎn)在象面上的像點(diǎn)為同一點(diǎn)，因此環(huán)形全景鏡頭對(duì)外部視場(chǎng)成像時(shí)，A點(diǎn)和B點(diǎn)同樣清晰，即景深為無限遠(yuǎn)。
(3)環(huán)形全景成像質(zhì)量的評(píng)價(jià)函數(shù)，用下式表示MF2=ΣWi(Vi-Ti)2+Σ(Vj-Tj)2/ΣWi]]>式中Wi為第i個(gè)因子的加權(quán)系數(shù)，Vi是第i個(gè)因子的實(shí)際值，Ti為第i個(gè)因子的目標(biāo)值。本發(fā)明系統(tǒng)用MF2值來評(píng)價(jià)成像質(zhì)量。
圖6是環(huán)形全景成像的3個(gè)實(shí)例。圖中照片1是鏡頭水平放置(即圖4位置)的攝影情況，照片中遠(yuǎn)物(儀器)與近物(人像)不用調(diào)焦就自然清晰。圖中2是對(duì)圓筒內(nèi)壁文字的成像。當(dāng)鏡頭垂直放置時(shí)，就可把360°內(nèi)景物全景成像，如圖3的照片，再通過計(jì)算機(jī)作映射的非線性處理，就可獲得全景的無畸變的照片。
權(quán)利要求
1.一種視場(chǎng)接近或超過180°的環(huán)形全景凝視成像方法，其特征在于采用圓柱平面投影法，用二次反射的環(huán)形透鏡作第一次成像，實(shí)現(xiàn)環(huán)形全景凝視成像，用中繼透鏡作第二次成像，獲得實(shí)像，用平面光電成像器件接收並顯示三維空間，景深為無限遠(yuǎn)的全景凝視像。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種視場(chǎng)接近或超過180°的全景成像方法，其特征在于所說采用圓柱平面投影法，用二次反射的環(huán)形透鏡作第一次成像是采用全球面二次反射的環(huán)形透鏡作圓柱平面投影的第一次成像，該像是虛像，而且該成像方法無固定的入射光瞳，用虛擬入射光瞳代替，每個(gè)視場(chǎng)由環(huán)形孔徑成像，視場(chǎng)方向上的每個(gè)物點(diǎn)均成在同一像點(diǎn)上，實(shí)現(xiàn)景深無限遠(yuǎn)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種視場(chǎng)接近或超過180°的全景成像方法，其特征在于所說中繼透鏡是全球面的中繼透鏡。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種視場(chǎng)接近或超過180°的全景成像方法，其特征在于所說的平面光電成像器件是CCD或CMOS。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種180°大視場(chǎng)環(huán)形全景凝視成像方法。它采用圓柱平面投影法，用二次反射的環(huán)形透鏡作第一次成像，實(shí)現(xiàn)環(huán)形全景凝視成像，用中繼透鏡作第二次成像，獲得實(shí)像，用平面光電成像器件接收並顯示三維空間，景深為無限遠(yuǎn)的全景凝視像。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)這是一種180°大視場(chǎng)、無運(yùn)動(dòng)部件的360°環(huán)形全景凝視成像方法，具有小尺寸、輕結(jié)構(gòu)、景深無限遠(yuǎn)，遠(yuǎn)近物體不用調(diào)焦就能清晰成像的光學(xué)方法，可用于機(jī)器人全景視覺、隧道、管道內(nèi)壁檢測(cè)，醫(yī)學(xué)內(nèi)窺成像以及銀行交通等全景安全實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，也可在360°全景攝影上應(yīng)用。
文檔編號(hào)G06T11/00GK1558262SQ200410015828
公開日2004年12月29日 申請(qǐng)日期2004年1月12日 優(yōu)先權(quán)日2004年1月12日
發(fā)明者白劍, 楊國(guó)光, 侯西云, 白 劍 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)