[科普中國]-全景鏡頭

簡介

全景技術是目前迅速發(fā)展的一種新型視覺技術，利用特殊的全景成像裝置可以獲得水平方 向上全360°，在垂直方向一定 角度 的視 場。這 種 成像方式能實時提供對象和環(huán)境的全方位信息，為后續(xù)的圖像處理和分析爭取時間。全景鏡頭技術在機器視覺、管道探測、醫(yī)學內(nèi)窺檢查、周視監(jiān)測等方面有著非常重要的意義，在航空、國 防、民用、醫(yī)學等領域有著廣泛的應用前景。1

早期為了獲得大視場成像，通常采用魚眼透鏡和旋轉(zhuǎn)拼接技術，利用魚眼透鏡能獲得接近半球的視場，但其 畸 變 較大，且結(jié)構復雜，造價昂貴；旋轉(zhuǎn)拼接技術缺點是視場拼接復雜，不易小型化，且不能對環(huán)境瞬時成像，實時性較差。為獲得360°全景像，人們提出了平面圓柱投影法（flat cylinder perspective，F(xiàn)CP），將一個柱面視場投影到二維像平面。繼 Mangin在1878年采用這種方法設計了觀察天空的全景望遠 鏡 后，世界各地 都出現(xiàn)了采用平面圓柱投影法的全景光 學系統(tǒng)專利，按反射次數(shù)分類可分為兩類：單反射面折反射全景成像系統(tǒng)和多次反射面折反射全景成像系統(tǒng)前 者 特點是：成像視場大，結(jié)構簡單，成本低廉，且單個反射面易于設計和加工，缺點是大視場情況下反射面比較龐大，系統(tǒng)很難小型化；后者采用多次反射獲得大視場，系統(tǒng)較小，結(jié)構緊湊。其中應用較廣泛的是 P．Greguess在1986年提出的全景環(huán)形鏡頭，其將反射面和折射面集成在同一透鏡上，結(jié)構較緊湊。2

全景環(huán)形鏡頭工作原理全景環(huán)形鏡頭的核心元件是前端的凹凸反射鏡結(jié)構，它是實現(xiàn)大視場成像的基礎，其結(jié)構如圖所示。凹凸反射鏡結(jié)構包括2個折射面（3，4）和2個反射面（1，2），軸上光線及小角度入射光線被反射鏡1阻擋，無法進入全景鏡頭成像，形成中央盲區(qū)。物空間 AB 區(qū)域內(nèi) 發(fā) 出的光 線 從 折 射面 3入射，經(jīng)過反射面2反射后，再經(jīng)過反射面1，最后通過折射面4出射，其先在兩鏡結(jié)構內(nèi)成一虛像，中間虛像經(jīng)過中續(xù)系統(tǒng)轉(zhuǎn)接后再成像在像面探測器上形成環(huán)帶像。入射光線從折射面3入射時，光軸下半部分光線入射到反射面2上半部分，光軸上半部分光線入射到反射面2下半部分，這樣大大提高了系統(tǒng)的視場范圍，使得整個 系 統(tǒng)成 為 具有大視場角的光學系統(tǒng)。全景環(huán) 形 鏡 頭 在 探 測 器 上 所 成 的 像 為 環(huán) 帶像，同一視場角下的景物在像面上位于同一個圓，該圓的半徑就是像高。環(huán)狀像面的內(nèi)半徑由環(huán)帶鏡頭視場上邊緣對應的視場 角 決 定，外 半 徑由 環(huán)帶鏡頭的下邊緣對應的視場角決定。

P. Greguss提出的全景環(huán)形鏡頭模型,成像原理為由兩個折射面和兩個反射面構成前面的模塊,以一定角度入射的光束經(jīng)全景環(huán)形成像模塊的兩次折射和兩次反射后在全景環(huán)形模塊的內(nèi)部或后面形成一虛像,中繼系統(tǒng)轉(zhuǎn)接中間虛像,并將最后的像成在像面?zhèn)鞲衅魃稀Ｈ碍h(huán)形結(jié)構的兩次反射都發(fā)生在全景環(huán)形模塊的內(nèi)部,其特殊的結(jié)構和成像模式使其對光線的走向有嚴格的限制,入射的全口徑光束中僅有一部分能通過全景環(huán)形鏡頭成像,所以入射光束的寬度相對較小,且不同角度入射的光束從第一個折射面的不同位置入射,相當于掃描成像系統(tǒng)中的角度掃描,整體系統(tǒng)近似滿足f-θ成像,像高h= fθ。

應用圓柱投影法的全景鏡頭期以來,人們一直對于全景成像技術的實現(xiàn)方式有濃厚的興趣,傳統(tǒng)的成像設備基于中心投影法,是人眼觀察外部世界的方式,也是針孔相機的成像方式,為了獲得360°的全景圖像,需要一個無限大的像平面,物理上很難實現(xiàn)。3隨著計算機技術和數(shù)字圖像傳感器的發(fā)展,對數(shù)字相機繞其光軸旋轉(zhuǎn)所拍得的序列圖像進行無縫拼接,既可以獲得人工合成的全景圖像,也可以采取圍繞一個固定點安裝多個攝像機,使得攝像機的全部視場加起來形成全景視場,所得到的圖像仍然需要拼接,成像機理仍然是中心投影法。為了克服中心投影法的缺陷,人們提出了平面圓柱投影法,在三維空間視場和有限的二維像平面建立了一種新的投影關系,即將三維圓柱區(qū)域通過特殊的系統(tǒng)投影到二維平面的圓環(huán)區(qū)域,如圖所示。環(huán)形像的寬度對應圓柱視場上與光軸形成的視場角,相面上的每個同心圓代表物空間與光軸成一定夾角的圓柱面的投影,滅點在圓心,其中張角T所對應的圓柱面是視場區(qū)域,2U角所圍成的區(qū)域為視場的盲區(qū),T和U隨系統(tǒng)的不同大小有差別。

基于魚眼透鏡的全景鏡頭一種有效的實現(xiàn)大視場方式的方式是基于魚眼透鏡的成像系統(tǒng),魚眼透鏡實際上是超廣角物鏡,超廣角物鏡由于有非常短的焦距,通常焦距小于16mm,因此能獲得接近半球或者大于半球的全景視場,圖2為一種結(jié)構的魚眼透鏡,在獲得大視場的同時,魚眼透鏡的設計者必須做出犧牲,即允許桶形畸變的存在,結(jié)果是除了圖像中心的景物保持不變,其它本應水平和垂直的景物沿各個方向從中心向外輻射。目前該技術發(fā)展已經(jīng)比較成熟,很難再增大視場。雖然理論上物像關系是一一對應,但是因為結(jié)構復雜,故校正起來比較困難。另外,為了獲得大于半球的視場,高質(zhì)量的魚眼透鏡通常要采用10片以上的透鏡和高質(zhì)量的光學材料,系統(tǒng)復雜,造價昂貴。4

旋轉(zhuǎn)拼接式全景成像系統(tǒng)隨著計算機和數(shù)字圖像處理技術的發(fā)展,采用常規(guī)光學鏡頭,繞與光軸垂直的固定軸旋轉(zhuǎn),或者圍繞垂直光軸的固定點安裝多個常規(guī)成像系統(tǒng),將得到的序列圖像進行拼接,得到人工制造的全景圖像,這是一種硬件和軟件相結(jié)合的方法。國內(nèi)一些機構在80年代就研制出旋轉(zhuǎn)式全景相機并投入使用。其中硬件部分必須有精確的轉(zhuǎn)動機構,常規(guī)相機可以是普通透鏡相機也可以是魚眼透鏡的相機,采用后者的好處在于它本身已經(jīng)有很大的視場,所以一般只需要2～ 3幅圖像就可以獲得全景,但是圖像需要校正。圖為旋轉(zhuǎn)拼接式全景成像的模型,攝像機通過圍繞固定點旋轉(zhuǎn)掃描得到全景視場。由硬件部分得到的序列圖像必須通過軟件進行無縫拼接,目前有大量的商業(yè)和免費的圖像拼接軟件,例如Pixround公司PixMaker Value軟件可以將不同方向視場的圖像進行無縫拼接,得到一幅全景圖像,。

該系統(tǒng)的缺點在于由于系統(tǒng)中存在轉(zhuǎn)動機構,故系統(tǒng)的實時性很難得到滿足,在實時性要求較高的場合無法應用。由于每一幅要拼接的圖像是用常規(guī)相機獲得,可以得到很高的分辨力,因此拼接后的整個全景圖像的分辨力也很高,前面提到了“勇氣”號火星探測的全景相機就是采用常規(guī)相機旋轉(zhuǎn)構成。在計算機視覺和一些實時性要求不高的場合,尤其是全景3D的重建,該技術得到了廣泛的應用。

折反射全景成像系統(tǒng)折反射全景成像遵循平面圓柱投影法,圖像的滅點不再是一條直線,而是一個點,系統(tǒng)是在常規(guī)成像系統(tǒng)的前面加入反射面達到圓柱投影的目的,經(jīng)過精心設計,可以使它的成像范圍大大超過遵循中心投影法的純折射式系統(tǒng),且容易構成f-θ系統(tǒng)。最簡單的折反射全景成像系統(tǒng)由一個常規(guī)的相機和一個反射面構成,如圖5所示。折反射全景光學系統(tǒng)按照其是否滿足單視點約束可以分為單視點成像系統(tǒng)和非單視點成像系統(tǒng)。單視點滿足針孔成像模型,也是目前計算機視覺所采用的基本模型,但是單視點物像關系對應復雜,透視全景成像的校正算法復雜,計算量大;非單視點全景成像系統(tǒng)由于視點不是固定點,而是在一個比較小的區(qū)域,因此物像關系可以線性的對應,使得全景投影算法簡單。5

按照反射次數(shù)的多少,折反射全景成像系統(tǒng)可以分為單反射面全景成像系統(tǒng)和多反射面全景成像系統(tǒng)(一般反射兩次)。單反射全景成像系統(tǒng)采用現(xiàn)成的成像設備,結(jié)構簡單,成本低廉,單個反射面易于設計加工,但缺點是不利于系統(tǒng)的小型化,要獲得大視場,反射面設計的比較龐大,系統(tǒng)很難集成;多反射面全景成像系統(tǒng)采用多次反射,獲得大視場,將反射面和折射面集成在一起,系統(tǒng)較小,結(jié)構緊湊,缺點是光學結(jié)構設計復雜。