180°大視場環形全景凝視成像方法

2023-04-25 16:09:51

專利名稱：180°大視場環形全景凝視成像方法
技術領域：
本發明涉及一種180°大視場環形全景凝視成像方法。
背景技術：
圖2是傳統光學成像方法-中心投影法的示意圖，這是視覺光學的模型，當人眼觀察周圍景物時，視覺光學是遵循中心投影原理，即相同尺寸的物體，距離眼睛近，看起來會比距離遠時大一些，即存在遠小近大的現象。使人眼產生遠近的感覺，三維空間就呈現在我們的眼前。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，同樣是把遠處的景物畫小一些，而把近處的景物畫大一些。並且隨著距離的增加，觀察到的景物將會越來越小，最後慢慢消失。
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。景物最後消失的那一點叫作滅點。中心投影法的滅點在一條直線上，這條直線即人們所說的視平線。光學成像(照相或攝影)就遵循中心投影法來實現。由於中心投影法的滅點在一條直線上，為了獲得360°的全景圖像，需要一個無限大的像平面，這實際上是不可能的。為保證觀察360°的視場，必須轉動光學系統，這樣就無法在同一時刻觀察到整個空間，而只能按成像系統的旋轉順序掃描，依次觀察每一個區域範圍的景象，然後拼接成全景像。因此常規光學不能獲得全景成像。
按中心投影法設計的光學系統，是按視場角的主光線成像。按視場角分類，把視場角為60°以上的照相物鏡稱為廣角物鏡，而把視場角為90°以上的照相物鏡稱為超廣角物鏡。例如魚眼透鏡。同樣，因為魚眼透鏡也遵循中心投影法，隨著視場的擴大，視平面變彎，物象對應關係複雜，無論在紀錄或再現中都很難補償，限制了其在管道測量、醫療窺視及安全監視等方面的應用。由此可見，應用於大視場、全景成像，遵循中心投影法的傳統光學系統有著難以克服的缺陷。

發明內容
本發明的目的是提供一種180°大視場環形全景凝視成像方法。
它採用圓柱平面投影法，用二次反射的環形透鏡作第一次成像，實現環形全景凝視成像，用中繼透鏡作第二次成像，獲得實像，用平面光電成像器件接收並顯示三維空間，景深為無限遠的全景凝視像。
所說採用圓柱平面投影法，用二次反射的環形透鏡作第一次成像是採用全球面二次反射的環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，每個視場由環形孔徑成像，視場方向上的每個物點均成在同一像點上，實現景深無限遠。
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。
本發明的優點這是一種180°大視場、無運動部件的360°環形全景凝視成像方法，具有小尺寸、輕結構、景深無限遠，遠近物體不用調焦就能清晰成像的光學方法，可用於機器人全景視覺、隧道、管道內壁檢測，醫學內窺成像以及銀行交通等全景安全實時監測，也可在360°全景攝影上應用。


圖1是180°大視場環形全景凝視成像光學系統示意圖；圖2是傳統光學中心投影法示意圖；圖3是圓柱平面全景投影法示意圖；圖4是環形全景第1次成像的光學系統示意圖；圖5視場環帶第2次成像的光學系統示意圖，圖中(a)環形透鏡像的二次成像示意圖、(b)成像區域示意圖；圖6環形全景凝視成像的照片，圖中(a)室內遠場及近場成像、(b)圓筒內壁文字成像、(c)景物全景成像。
具體實施例方式
180°大視場環形全景成像方法是採用圓柱平面投影成像法來取代傳統光學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圓柱體而不是球型體，則圖像可用伸展的方法展開成一個平面，用二維平面表示三維圓柱面。這個投影方法稱為圓柱平面投影，它是環形全景透鏡成像的基礎。在圓柱平面映射中，所有平行的光線聚焦在一個點上，滅點為圓心。而傳統的中心投影法中不同方向的平行線聚焦在一條(水平)線的不同點上。圖3是圓柱平面投影的示意圖，並顯示出決定視場的限定角。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360°後所形成的三維立體區域。這一區域被投影到二維像平面上的一個圓環內。而錐角2β角的兩邊繞z軸旋轉360°後所形成的圓錐區域是不能成像的，這一區域在二維平面上對應內徑的圓形為盲區。顯然，增大α並減小β可以增大成像視場，但是這兩個參數的值受到現有玻璃的折射係數的限制。環形全景像對應所能得到的α值，是360°成全景凝視像。目前設計可達到α＝60°。因此本方法可獲得視場角為180°，而環形成像區為60°×360°的全景成像。
圖4是環形全景成像的光學系統，是圓柱平面投影法的光學實現，成像對象是一個圓柱體內表面(A為光線1，2，B為3，4的會聚點，A、B在圓柱內表面上)，當圓柱體趨於無限大時就是四周景物的全景成像，在AB區域內的入射光線經環形鏡反射面R1及球面反射鏡R2的二次反射後將成為出射光線1′，2′，3′，4′，而1′，2′的會聚點A′，3′，4′的會聚點B′就是A、B二點的成像(虛像)，這樣三維圓柱表面就實現了對二維平面的投影，這個投影平面I是虛象平面，虛象面I是環形全景成像的第一次成像。在環形透鏡的後方再加中繼透鏡，使虛象面I放大成實像，實現觀測顯示，因此環形全景成像的光學系統，如圖1所示，這就是環形全景法的二次成像過程。
環形全景成像的關鍵是如何保證大視場下三維空間成像的清晰度，本發明是採用全球面系統來實現環形全景清晰成像，其方法是(1)確保理想像高H＝f′tgθ(f′-焦距，θ-視場角)，而實際像高L＝H＝f′θ，當視場角θ增大時，實際像高f′θ比幾何光學確定的理想像高f′tgθ小，是它的θ/tgθ倍，其線性畸變為ΔH＝f′(tgθ-θ)相對畸變量為DT=tg-tg100%]]>環形全景全球面系統是採用光攔慧差透鏡產生畸變，其畸變量用像差係數表示，則SV=2nkuk(ftg-f)=Sup-J(upk2-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…。因此球面環形透鏡成像時產生的象差，由中繼成像系統產生的慧差、畸變及倍率色差給予補償，實現清晰成像(圖6是成像照片)。
(2)環形全景成像的通光孔徑與視場角有關，是視場的環帶孔徑成像，其孔徑不需要有固定的入射光瞳，僅受一個虛擬入瞳的制約，虛擬入瞳在第一次成像的虛象面I上(圖2)，每個視場光線有嚴格方向，如圖5所示，當光束穿過同一視場γ的A點和B點時，A點和B點在象面上的像點為同一點，因此環形全景鏡頭對外部視場成像時，A點和B點同樣清晰，即景深為無限遠。
(3)環形全景成像質量的評價函數，用下式表示MF2=Wi(Vi-Ti)2+(Vj-Tj)2/Wi]]>式中Wi為第i個因子的加權係數，Vi是第i個因子的實際值，Ti為第i個因子的目標值。本發明系統用MF2值來評價成像質量。
圖6是環形全景成像的3個實例。圖中照片1是鏡頭水平放置(即圖4位置)的攝影情況，照片中遠物(儀器)與近物(人像)不用調焦就自然清晰。圖中2是對圓筒內壁文字的成像。當鏡頭垂直放置時，就可把360°內景物全景成像，如圖3的照片，再通過計算機作映射的非線性處理，就可獲得全景的無畸變的照片。
權利要求
1.一種視場接近或超過180°的環形全景凝視成像方法，其特徵在於採用圓柱平面投影法，用二次反射的環形透鏡作第一次成像，實現環形全景凝視成像，用中繼透鏡作第二次成像，獲得實像，用平面光電成像器件接收並顯示三維空間，景深為無限遠的全景凝視像。
2.根據權利要求1所述的一種視場接近或超過180°的全景成像方法，其特徵在於所說採用圓柱平面投影法，用二次反射的環形透鏡作第一次成像是採用全球面二次反射的環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，每個視場由環形孔徑成像，視場方向上的每個物點均成在同一像點上，實現景深無限遠。
3.根據權利要求1所述的一種視場接近或超過180°的全景成像方法，其特徵在於所說中繼透鏡是全球面的中繼透鏡。
4.根據權利要求1所述的一種視場接近或超過180°的全景成像方法，其特徵在於所說的平面光電成像器件是CCD或CMOS。
全文摘要
本發明公開了一種180°大視場環形全景凝視成像方法。它採用圓柱平面投影法，用二次反射的環形透鏡作第一次成像，實現環形全景凝視成像，用中繼透鏡作第二次成像，獲得實像，用平面光電成像器件接收並顯示三維空間，景深為無限遠的全景凝視像。本發明的優點這是一種180°大視場、無運動部件的360°環形全景凝視成像方法，具有小尺寸、輕結構、景深無限遠，遠近物體不用調焦就能清晰成像的光學方法，可用於機器人全景視覺、隧道、管道內壁檢測，醫學內窺成像以及銀行交通等全景安全實時監測，也可在360°全景攝影上應用。
文檔編號G06T11/00GK1558262SQ200410015828
公開日2004年12月29日 申請日期2004年1月12日 優先權日2004年1月12日
發明者白劍, 楊國光, 侯西雲, 白 劍 申請人:浙江大學