180*大视场环形全景凝视成像方法技术

本发明专利技术公开了一种１８０°大视场环形全景凝视成像方法。它采用圆柱平面投影法，用二次反射的环形透镜作第一次成像，实现环形全景凝视成像，用中继透镜作第二次成像，获得实像，用平面光电成像器件接收並显示三维空间，景深为无限远的全景凝视像。本发明专利技术的优点：这是一种１８０°大视场、无运动部件的３６０°环形全景凝视成像方法，具有小尺寸、轻结构、景深无限远，远近物体不用调焦就能清晰成像的光学方法，可用于机器人全景视觉、隧道、管道内壁检测，医学内窥成像以及银行交通等全景安全实时监测，也可在３６０°全景摄影上应用。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种。
技术介绍
图2是传统光学成像方法-中心投影法的示意图，这是视觉光学的模型，当人眼观察周围景物时，视觉光学是遵循中心投影原理，即相同尺寸的物体，距离眼睛近，看起来会比距离远时大一些，即存在远小近大的现象。使人眼产生远近的感觉，三维空间就呈现在我们的眼前。为了把三维空间压缩到二维平面上去。这就是中心投影法。如想用一幅图画来描述三维空间时，同样是把远处的景物画小一些，而把近处的景物画大一些。并且随着距离的增加，观察到的景物将会越来越小，最后慢慢消失。这种将三维空间投影到二维平面上的方法称为中心投影法。景物最后消失的那一点叫作灭点。中心投影法的灭点在一条直线上，这条直线即人们所说的视平线。光学成像(照相或摄影)就遵循中心投影法来实现。由于中心投影法的灭点在一条直线上，为了获得360°的全景图像，需要一个无限大的像平面，这实际上是不可能的。为保证观察360°的视场，必须转动光学系统，这样就无法在同一时刻观察到整个空间，而只能按成像系统的旋转顺序扫描，依次观察每一个区域范围的景象，然后拼接成全景像。因此常规光学不能获得全景成像。按中心投影法设计的光学系统，是按视场角的主光线成像。按视场角分类，把视场角为60°以上的照相物镜称为广角物镜，而把视场角为90°以上的照相物镜称为超广角物镜。例如鱼眼透镜。同样，因为鱼眼透镜也遵循中心投影法，随着视场的扩大，视平面变弯，物象对应关系复杂，无论在纪录或再现中都很难补偿，限制了其在管道测量、医疗窥视及安全监视等方面的应用。由此可见，应用于大视场、全景成像，遵循中心投影法的传统光学系统有着难以克服的缺陷。专利
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种。它采用圆柱平面投影法，用二次反射的环形透镜作第一次成像，实现环形全景凝视成像，用中继透镜作第二次成像，获得实像，用平面光电成像器件接收並显示三维空间，景深为无限远的全景凝视像。所说采用圆柱平面投影法，用二次反射的环形透镜作第一次成像是采用全球面二次反射的环形透镜作圆柱平面投影的第一次成像，该像是虚像，而且该成像方法无固定的入射光瞳，用虚拟入射光瞳代替，每个视场由环形孔径成像，视场方向上的每个物点均成在同一像点上，实现景深无限远。中继透镜是全球面的中继透镜。平面光电成像器件是CCD或CMOS。本专利技术的优点这是一种180°大视场、无运动部件的360°环形全景凝视成像方法，具有小尺寸、轻结构、景深无限远，远近物体不用调焦就能清晰成像的光学方法，可用于机器人全景视觉、隧道、管道内壁检测，医学内窥成像以及银行交通等全景安全实时监测，也可在360°全景摄影上应用。附图说明图1是180°大视场环形全景凝视成像光学系统示意图；图2是传统光学中心投影法示意图；图3是圆柱平面全景投影法示意图；图4是环形全景第1次成像的光学系统示意图；图5视场环带第2次成像的光学系统示意图，图中(a)环形透镜像的二次成像示意图、(b)成像区域示意图；图6环形全景凝视成像的照片，图中(a)室内远场及近场成像、(b)圆筒内壁文字成像、(c)景物全景成像。具体实施例方式180°大视场环形全景成像方法是采用圆柱平面投影成像法来取代传统光学中的中心投影成像法，是一种新概念的成像方法。如果把三维空间看成是个圆柱体而不是球型体，则图像可用伸展的方法展开成一个平面，用二维平面表示三维圆柱面。这个投影方法称为圆柱平面投影，它是环形全景透镜成像的基础。在圆柱平面映射中，所有平行的光线聚焦在一个点上，灭点为圆心。而传统的中心投影法中不同方向的平行线聚焦在一条(水平)线的不同点上。图3是圆柱平面投影的示意图，并显示出决定视场的限定角。在圆柱平面投影法中，能够成像的部分是α角的两条边绕光轴z旋转360°后所形成的三维立体区域。这一区域被投影到二维像平面上的一个圆环内。而锥角2β角的两边绕z轴旋转360°后所形成的圆锥区域是不能成像的，这一区域在二维平面上对应内径的圆形为盲区。显然，增大α并减小β可以增大成像视场，但是这两个参数的值受到现有玻璃的折射系数的限制。环形全景像对应所能得到的α值，是360°成全景凝视像。目前设计可达到α＝60°。因此本方法可获得视场角为180°，而环形成像区为60°×360°的全景成像。图4是环形全景成像的光学系统，是圆柱平面投影法的光学实现，成像对象是一个圆柱体内表面(A为光线1，2，B为3，4的会聚点，A、B在圆柱内表面上)，当圆柱体趋于无限大时就是四周景物的全景成像，在AB区域内的入射光线经环形镜反射面R1及球面反射镜R2的二次反射后将成为出射光线1′，2′，3′，4′，而1′，2′的会聚点A′，3′，4′的会聚点B′就是A、B二点的成像(虚像)，这样三维圆柱表面就实现了对二维平面的投影，这个投影平面I是虚象平面，虚象面I是环形全景成像的第一次成像。在环形透镜的后方再加中继透镜，使虚象面I放大成实像，实现观测显示，因此环形全景成像的光学系统，如图1所示，这就是环形全景法的二次成像过程。环形全景成像的关键是如何保证大视场下三维空间成像的清晰度，本专利技术是采用全球面系统来实现环形全景清晰成像，其方法是(1)确保理想像高H＝f′tgθ(f′-焦距，θ-视场角)，而实际像高L＝H＝f′θ，当视场角θ增大时，实际像高f′θ比几何光学确定的理想像高f′tgθ小，是它的θ/tgθ倍，其线性畸变为ΔH＝f′(tgθ-θ)相对畸变量为DT′=tgθ-θtgθ×100%]]>环形全景全球面系统是采用光拦慧差透镜产生畸变，其畸变量用像差系数表示，则SV=2nk′uk′(f′tgζ-f′θ)=Sup-J(upk′2-up12)]]>式中n-材料折射率，u-光线角，J-拉氏不变量，k及p＝1，2，3…。因此球面环形透镜成像时产生的象差，由中继成像系统产生的慧差、畸变及倍率色差给予补偿，实现清晰成像(图6是成像照片)。(2)环形全景成像的通光孔径与视场角有关，是视场的环带孔径成像，其孔径不需要有固定的入射光瞳，仅受一个虚拟入瞳的制约，虚拟入瞳在第一次成像的虚象面I上(图2)，每个视场光线有严格方向，如图5所示，当光束穿过同一视场γ的A点和B点时，A点和B点在象面上的像点为同一点，因此环形全景镜头对外部视场成像时，A点和B点同样清晰，即景深为无限远。(3)环形全景成像质量的评价函数，用下式表示MF2=ΣWi(Vi-Ti)2+Σ(Vj-Tj)2/ΣWi]]>式中Wi为第i个因子的加权系数，Vi是第i个因子的实际值，Ti为第i个因子的目标值。本专利技术系统用MF2值来评价成像质量。图6是环形全景成像的3个实例。图中照片1是镜头水平放置(即图4位置)的摄影情况，照片中远物(仪器)与近物(人像)不用调焦就自然清晰。图中2是对圆筒内壁文字的成像。当镜头垂直放置时，就可把360°内景物全景成像，如图3的照片，再通过计算机作映射的非线性处理，就可获得全景的无畸变的照片。权利要求1本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种视场接近或超过１８０°的环形全景凝视成像方法，其特征在于采用圆柱平面投影法，用二次反射的环形透镜作第一次成像，实现环形全景凝视成像，用中继透镜作第二次成像，获得实像，用平面光电成像器件接收並显示三维空间，景深为无限远的全景凝视像。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：白剑，杨国光，侯西云，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：86[中国|杭州]