一種全景環帶立體成像系統的制作方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種全景環帶立體成像系統。包括兩個結構相同的同光軸上下間隔布置的全景環帶成像單元，形成立體成像系統，其投影模型符合f?θ模型。本實用新型不需要轉動設備就能實現360°無盲區的距離測量和立體成像，實時性好。
【專利說明】
一種全景環帶立體成像系統
技術領域
[0001]本實用新型涉及了一種光學系統，尤其涉及了視覺測量領域的一種全景環帶立體成像系統。【背景技術】
[0002]基于平面圓柱投影原理的全景環帶成像技術是一種與傳統中心投影原理截然不同的新成像技術，可在無需轉動成像系統的條件下，將周圍360°的環帶景物一次性地成像在同一個環帶像面上，從光學原理上實現了360°全景凝視成像。如專利US Patent 4,566， 763，1986和1^?&七61^ 5,473,474，1995所述，全景透鏡采用平面圓柱投影法？0?(?1&七 Cylinder Perspective)，將圍繞光學系統光軸360°范圍的圓柱視場投影到二維平面上的一個環形區域內。
[0003]通過上下同軸放置的存在一定光軸方向位移的兩個全景環帶鏡頭單元不僅可以實現360°范圍內無盲區的實時監控，還可以通過三角測量法計算出圖像中物體與系統的距離，可以實現無死角的報警，并且不需要后期的圖像拼接，實時性好，算法簡單，可以廣泛的應用于機器人和車載系統中。
[0004]由于全景環帶鏡頭的視場極大，往往可以超過180°，一般的f-tan0投影模型已不能適用，因此需要提出一種新的全景立體成像系統。【實用新型內容】
[0005]本實用新型的技術解決問題是:克服了現有技術的不足，提供了一種全景環帶立體成像系統，可以在不需要拼接與旋轉機構的情況下獲得360°環境中的物體距離。并且本實用新型不同于傳統的雙目視覺，并非左右設置兩套光學系統，而是上下放置，因此也較為特殊。
[0006]本實用新型采用的技術方案是:
[0007]本實用新型包括兩個結構相同的同光軸上下間隔布置的全景環帶成像單元，兩個成像單元的光軸同軸并垂直于地面，形成立體成像系統，全景環帶成像單元的投影模型均符合成像模型。
[0008]—般的無畸變模型符合f-tan0模型，即實際像高和入射角的關系為f X tan0，因此在接近90°時理論像高為無限大，而全景環帶透鏡的入射角會高于90°，因此通過引入桶形畸變的方法來避免像高無限大的情況，這類型的成像模型的實際像高和入射角的關系為f X0〇
[0009]所述成像系統使用時光軸垂直于地面放置，與光軸垂直的直線為水平線，兩個全景環帶成像單元將繞光軸360°范圍之內、水平線以下0°?20°、水平線以上0°?80°范圍內的物體發出的光線投影到兩個全景環帶成像單元各自的成像面上，成像面呈環形，中心存在圓形盲區。
[0010]所述的兩個全景環帶成像單元沿光軸方向的基線距d為10mm?100mm。
[0011]所述的全景環帶成像單元包括同一光軸下的環形折射面、環形反射面、圓形反射面、圓形折射面、中繼轉向透鏡和成像面，環形折射面作為入射面，環形反射面位于環形折射面的正下方且其反射面朝上，圓形反射面連接在環形折射面的中心且其反射面朝下，圓形折射面連接在環形反射面的中心;入射光從環形折射面折射入射，經環形反射面反射到圓形反射面上，再經圓形反射面反射后經圓形折射面折射后出射，出射的光經中繼轉向透鏡匯聚到成像面上。
[0012]本實用新型的有益效果是:
[0013]本實用新型全景立體環帶成像裝置在不需要轉動設備的情況下，使用兩個光學系統即實現了 360°無盲區的距離測量。【附圖說明】
[0014]圖1是單個全景環帶鏡頭的光路圖；
[0015]圖2是單個全景環帶鏡頭的像面分布圖；[〇〇16]圖3是本實用新型的立體成像原理圖；
[0017]圖4是本實用新型的虛擬像平面位置關系示意圖。
[0018]圖5是本實用新型的虛擬像平面展開后的圖像示意圖。
[0019]圖中:環形折射面1、環形反射面2、圓形反射面3、圓形折射面4、中繼轉向透鏡5、成像面6、上方全景環帶成像單元7、下方全景環帶成像單元8、光軸9;成像區域S1、盲區S2、成像點P、物點P〇、第一成像點P1、第二成像點P2、上方成像單元主點M2、下方成像單元主點施、基線距d、H為物點到第二個全景環帶成像單元成像面的高度、S為物點到光軸的距離。【具體實施方式】
[0020]下面結合附圖及具體實施例對本實用新型作進一步詳細說明。
[0021]如圖1所示，本實用新型包括兩個結構相同的同光軸9上下間隔布置的全景環帶成像單元，兩個成像單元的光軸9同軸并垂直于地面，形成立體成像系統，全景環帶成像單元均符合成像模型。
[0022]本實用新型全景環帶成像單元的結構是:一面為向外突出的環形折射面1，其中央部分為圓形反射面3,在環形折射面1的下方有向外突出的環形反射面2,其與環形折射面1 之間連接部分為磨砂面，環形反射面2中心內圓區域為圓形折射面4,可以是凸面或凹面，也可以是平面，四個面組成一個實體。
[0023]全景透鏡的成像原理是:同一物點發出的光線從環形折射面1折射進入實體，然后被環形反射面2與圓形反射面3兩次反射，最后從圓形折射面4折射出實體。光線通過全景透鏡后在其內部或后方形成虛像，該虛像通過中繼轉向透鏡5折射，成像于成像面6的成像點 P〇
[0024]如圖2所示，為本實用新型的單個全景環帶鏡頭的像面分布圖，由于存在原型反射面3的遮擋，近軸的光線無法進入全景透鏡成像，因此會在成像面上形成圓形的盲gS2，而其能夠成像的區域為環形的成像區域Si。[〇〇25]如圖3所示，為本實用新型的立體成像原理圖。兩個如圖1所示的成像單元上下堆疊放置，且共光軸9，兩單元虛擬主點此和跑之間的間距為基線距d，使用時光軸垂直于地面放置。空間中任意一點Po發出兩條光線，可以分別進入上方成像單元7和下方成像單元8,最終分別成像于第一成像點P:和第二成像點P2上，這兩點距離光軸9的像素數略有差異，類似于雙目視覺，通過該差異與基線距d與焦距f即可計算出Po點的空間坐標Po(S，H)。
[0026]本實用新型獲得的兩張圖像為兩幅環狀圖像，由于兩個成像單元是上下放置的， 不同于一般的雙目相機，基線并非沿著圖像的水平方向，而是從圖像中心發出的射線。類似于雙目相機在計算視差前要對圖像進行標定和校正，由于受到鏡頭自身的個體誤差，兩全景環帶成像單元空間相對位置偏差和成像面的空間狀態等影響，必須對獲得的圖像進行標定，具體的說是將上下兩成像單元拍攝的具有一定視差的圖像進行極線標定和校正，使得上下兩全景環帶成像單元拍攝的兩幅圖像的虛擬成像平面三個坐標軸方向一致，僅存在Z 軸方向的位移。如圖4所示，標定后的上下單元的虛擬圖像平面的X和Y軸方向相同，Z軸同軸，任意通過Z軸的平面與虛擬成像平面的交線都是極線，同一物點形成的兩成像點服從極線約束，兩成像點與Z軸必在同一平面上。沿著任意一條極線將上下單元的環形圖像展開成矩形，可獲得兩張全景圖像，如圖5所示，此時只要沿著縱向極線方向查找同一物點的在兩幅圖上的對應像點的距離差異即可獲得視差值，結合已知的基線距d與焦距f，可采用常規的雙目視覺算法，計算獲得同一物點距離全景環帶立體成像裝置光軸的距離。將所有像素點進行匹配后即可獲得一副全景深度圖。
[0027]Davide Scaramuzz對魚眼鏡頭和全景鏡頭等具有特殊投影模型的大畸變大視場成像系統給出了標定內參的方式，可標定出鏡頭在成像面上的投影中心，畸變方程系數，仿射變換矩陣等內參，整個標定過程與標定普通相機過程類似，也采用拍攝黑白棋盤格的方式進行，但并未給出如何標定由兩個相同全景鏡頭組成的全景環帶立體成像系統。
[0028]本實用新型實施例及其過程如下:
[0029]對上下兩個全景環帶成像單元分別進行標定，獲得各自的內參;兩個全景環帶成像單元拍攝相同的棋盤格可獲得外參，建立空間上的兩虛擬成像平面局部坐標系；計算上方虛擬成像平面相對于下方虛擬成像平面的投影矩陣;旋轉上下坐標系的坐標軸，使得XYZ 方向均一致且Z軸同軸，并獲得各自的投影矩陣;將兩幅經過投影矩陣校正后的圖像沿著徑向展開成矩形后，即變成了兩幅普通的校正后的雙目圖像對，可通過常見的雙目視覺算法計算物點的距離。
[0030]由此，本實用新型實現了在不需要轉動設備的情況下360°無盲區的距離測量，并且可一次性快速標定，實時性好，具有其突出顯著的技術效果。
【主權項】
1.一種全景環帶立體成像系統，其特征在于:包括兩個結構相同的同光軸(9)上下間隔 布置的全景環帶成像單元，兩個成像單元的光軸(9)同軸并垂直于地面，形成立體成像系 統，全景環帶成像單元的投影模型均符合成像模型。2.根據權利要求1所述的一種全景環帶立體成像系統，其特征在于:所述成像系統使用 時光軸垂直于地面放置，全景環帶成像單元將繞光軸360°范圍之內、水平線以下0°?20°、 水平線以上0°?80°范圍內的物體發出的光線投影到兩個全景環帶成像單元各自的成像面 上，成像面呈環形，中心存在圓形盲區。3.根據權利要求1所述的一種全景環帶立體成像系統，其特征在于:所述的兩個全景環 帶成像單元沿光軸方向的基線距d為10mm?100mm。4.根據權利要求1所述的一種全景環帶立體成像系統，其特征在于:所述的全景環帶成 像單元包括同一光軸下的環形折射面(1)、環形反射面(2)、圓形反射面(3)、圓形折射面 (4)、中繼轉向透鏡(5)和成像面(6)，環形折射面(1)作為入射面，環形反射面(2)位于環形 折射面(1)的正下方且其反射面朝上，圓形反射面(3)連接在環形折射面(1)的中心且其反 射面朝下，圓形折射面(4)連接在環形反射面(2)的中心；入射光從環形折射面(1)折射入 射，經環形反射面(2)反射到圓形反射面(3)上，再經圓形反射面(3)反射后經圓形折射面 (4)折射后出射，出射的光經中繼轉向透鏡(5)匯聚到成像面(6)上。
【文檔編號】G02B13/06GK205691872SQ201620412419
【公開日】2016年11月16日
【申請日】2016年5月7日 公開號201620412419.2, CN 201620412419, CN 205691872 U, CN 205691872U, CN-U-205691872, CN201620412419, CN201620412419.2, CN205691872 U, CN205691872U
【發明人】黃治, 吳震
【申請人】杭州映墨科技有限公司