一种全景环带立体成像系统的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种全景环带立体成像系统。包括两个结构相同的同光轴上下间隔布置的全景环带成像单元，形成立体成像系统，其投影模型符合f?θ模型。本实用新型不需要转动设备就能实现360°无盲区的距离测量和立体成像，实时性好。
【专利说明】
一种全景环带立体成像系统
技术领域
[0001]本实用新型涉及了一种光学系统，尤其涉及了视觉测量领域的一种全景环带立体成像系统。【背景技术】
[0002]基于平面圆柱投影原理的全景环带成像技术是一种与传统中心投影原理截然不同的新成像技术，可在无需转动成像系统的条件下，将周围360°的环带景物一次性地成像在同一个环带像面上，从光学原理上实现了360°全景凝视成像。如专利US Patent 4,566， 763，1986和1^?&七61^ 5,473,474，1995所述，全景透镜采用平面圆柱投影法？0?(?1&七 Cylinder Perspective)，将围绕光学系统光轴360°范围的圆柱视场投影到二维平面上的一个环形区域内。
[0003]通过上下同轴放置的存在一定光轴方向位移的两个全景环带镜头单元不仅可以实现360°范围内无盲区的实时监控，还可以通过三角测量法计算出图像中物体与系统的距离，可以实现无死角的报警，并且不需要后期的图像拼接，实时性好，算法简单，可以广泛的应用于机器人和车载系统中。
[0004]由于全景环带镜头的视场极大，往往可以超过180°，一般的f-tan0投影模型已不能适用，因此需要提出一种新的全景立体成像系统。【实用新型内容】
[0005]本实用新型的技术解决问题是:克服了现有技术的不足，提供了一种全景环带立体成像系统，可以在不需要拼接与旋转机构的情况下获得360°环境中的物体距离。并且本实用新型不同于传统的双目视觉，并非左右设置两套光学系统，而是上下放置，因此也较为特殊。
[0006]本实用新型采用的技术方案是:
[0007]本实用新型包括两个结构相同的同光轴上下间隔布置的全景环带成像单元，两个成像单元的光轴同轴并垂直于地面，形成立体成像系统，全景环带成像单元的投影模型均符合成像模型。
[0008]—般的无畸变模型符合f-tan0模型，即实际像高和入射角的关系为f X tan0，因此在接近90°时理论像高为无限大，而全景环带透镜的入射角会高于90°，因此通过引入桶形畸变的方法来避免像高无限大的情况，这类型的成像模型的实际像高和入射角的关系为f X0〇
[0009]所述成像系统使用时光轴垂直于地面放置，与光轴垂直的直线为水平线，两个全景环带成像单元将绕光轴360°范围之内、水平线以下0°?20°、水平线以上0°?80°范围内的物体发出的光线投影到两个全景环带成像单元各自的成像面上，成像面呈环形，中心存在圆形盲区。
[0010]所述的两个全景环带成像单元沿光轴方向的基线距d为10mm?100mm。
[0011]所述的全景环带成像单元包括同一光轴下的环形折射面、环形反射面、圆形反射面、圆形折射面、中继转向透镜和成像面，环形折射面作为入射面，环形反射面位于环形折射面的正下方且其反射面朝上，圆形反射面连接在环形折射面的中心且其反射面朝下，圆形折射面连接在环形反射面的中心;入射光从环形折射面折射入射，经环形反射面反射到圆形反射面上，再经圆形反射面反射后经圆形折射面折射后出射，出射的光经中继转向透镜汇聚到成像面上。
[0012]本实用新型的有益效果是:
[0013]本实用新型全景立体环带成像装置在不需要转动设备的情况下，使用两个光学系统即实现了 360°无盲区的距离测量。【附图说明】
[0014]图1是单个全景环带镜头的光路图；
[0015]图2是单个全景环带镜头的像面分布图；[〇〇16]图3是本实用新型的立体成像原理图；
[0017]图4是本实用新型的虚拟像平面位置关系示意图。
[0018]图5是本实用新型的虚拟像平面展开后的图像示意图。
[0019]图中:环形折射面1、环形反射面2、圆形反射面3、圆形折射面4、中继转向透镜5、成像面6、上方全景环带成像单元7、下方全景环带成像单元8、光轴9;成像区域S1、盲区S2、成像点P、物点P〇、第一成像点P1、第二成像点P2、上方成像单元主点M2、下方成像单元主点施、基线距d、H为物点到第二个全景环带成像单元成像面的高度、S为物点到光轴的距离。【具体实施方式】
[0020]下面结合附图及具体实施例对本实用新型作进一步详细说明。
[0021]如图1所示，本实用新型包括两个结构相同的同光轴9上下间隔布置的全景环带成像单元，两个成像单元的光轴9同轴并垂直于地面，形成立体成像系统，全景环带成像单元均符合成像模型。
[0022]本实用新型全景环带成像单元的结构是:一面为向外突出的环形折射面1，其中央部分为圆形反射面3,在环形折射面1的下方有向外突出的环形反射面2,其与环形折射面1 之间连接部分为磨砂面，环形反射面2中心内圆区域为圆形折射面4,可以是凸面或凹面，也可以是平面，四个面组成一个实体。
[0023]全景透镜的成像原理是:同一物点发出的光线从环形折射面1折射进入实体，然后被环形反射面2与圆形反射面3两次反射，最后从圆形折射面4折射出实体。光线通过全景透镜后在其内部或后方形成虚像，该虚像通过中继转向透镜5折射，成像于成像面6的成像点 P〇
[0024]如图2所示，为本实用新型的单个全景环带镜头的像面分布图，由于存在原型反射面3的遮挡，近轴的光线无法进入全景透镜成像，因此会在成像面上形成圆形的盲gS2，而其能够成像的区域为环形的成像区域Si。[〇〇25]如图3所示，为本实用新型的立体成像原理图。两个如图1所示的成像单元上下堆叠放置，且共光轴9，两单元虚拟主点此和跑之间的间距为基线距d，使用时光轴垂直于地面放置。空间中任意一点Po发出两条光线，可以分别进入上方成像单元7和下方成像单元8,最终分别成像于第一成像点P:和第二成像点P2上，这两点距离光轴9的像素数略有差异，类似于双目视觉，通过该差异与基线距d与焦距f即可计算出Po点的空间坐标Po(S，H)。
[0026]本实用新型获得的两张图像为两幅环状图像，由于两个成像单元是上下放置的， 不同于一般的双目相机，基线并非沿着图像的水平方向，而是从图像中心发出的射线。类似于双目相机在计算视差前要对图像进行标定和校正，由于受到镜头自身的个体误差，两全景环带成像单元空间相对位置偏差和成像面的空间状态等影响，必须对获得的图像进行标定，具体的说是将上下两成像单元拍摄的具有一定视差的图像进行极线标定和校正，使得上下两全景环带成像单元拍摄的两幅图像的虚拟成像平面三个坐标轴方向一致，仅存在Z 轴方向的位移。如图4所示，标定后的上下单元的虚拟图像平面的X和Y轴方向相同，Z轴同轴，任意通过Z轴的平面与虚拟成像平面的交线都是极线，同一物点形成的两成像点服从极线约束，两成像点与Z轴必在同一平面上。沿着任意一条极线将上下单元的环形图像展开成矩形，可获得两张全景图像，如图5所示，此时只要沿着纵向极线方向查找同一物点的在两幅图上的对应像点的距离差异即可获得视差值，结合已知的基线距d与焦距f，可采用常规的双目视觉算法，计算获得同一物点距离全景环带立体成像装置光轴的距离。将所有像素点进行匹配后即可获得一副全景深度图。
[0027]Davide Scaramuzz对鱼眼镜头和全景镜头等具有特殊投影模型的大畸变大视场成像系统给出了标定内参的方式，可标定出镜头在成像面上的投影中心，畸变方程系数，仿射变换矩阵等内参，整个标定过程与标定普通相机过程类似，也采用拍摄黑白棋盘格的方式进行，但并未给出如何标定由两个相同全景镜头组成的全景环带立体成像系统。
[0028]本实用新型实施例及其过程如下:
[0029]对上下两个全景环带成像单元分别进行标定，获得各自的内参;两个全景环带成像单元拍摄相同的棋盘格可获得外参，建立空间上的两虚拟成像平面局部坐标系；计算上方虚拟成像平面相对于下方虚拟成像平面的投影矩阵;旋转上下坐标系的坐标轴，使得XYZ 方向均一致且Z轴同轴，并获得各自的投影矩阵;将两幅经过投影矩阵校正后的图像沿着径向展开成矩形后，即变成了两幅普通的校正后的双目图像对，可通过常见的双目视觉算法计算物点的距离。
[0030]由此，本实用新型实现了在不需要转动设备的情况下360°无盲区的距离测量，并且可一次性快速标定，实时性好，具有其突出显著的技术效果。
【主权项】
1.一种全景环带立体成像系统，其特征在于:包括两个结构相同的同光轴(9)上下间隔 布置的全景环带成像单元，两个成像单元的光轴(9)同轴并垂直于地面，形成立体成像系 统，全景环带成像单元的投影模型均符合成像模型。2.根据权利要求1所述的一种全景环带立体成像系统，其特征在于:所述成像系统使用 时光轴垂直于地面放置，全景环带成像单元将绕光轴360°范围之内、水平线以下0°?20°、 水平线以上0°?80°范围内的物体发出的光线投影到两个全景环带成像单元各自的成像面 上，成像面呈环形，中心存在圆形盲区。3.根据权利要求1所述的一种全景环带立体成像系统，其特征在于:所述的两个全景环 带成像单元沿光轴方向的基线距d为10mm?100mm。4.根据权利要求1所述的一种全景环带立体成像系统，其特征在于:所述的全景环带成 像单元包括同一光轴下的环形折射面(1)、环形反射面(2)、圆形反射面(3)、圆形折射面 (4)、中继转向透镜(5)和成像面(6)，环形折射面(1)作为入射面，环形反射面(2)位于环形 折射面(1)的正下方且其反射面朝上，圆形反射面(3)连接在环形折射面(1)的中心且其反 射面朝下，圆形折射面(4)连接在环形反射面(2)的中心；入射光从环形折射面(1)折射入 射，经环形反射面(2)反射到圆形反射面(3)上，再经圆形反射面(3)反射后经圆形折射面 (4)折射后出射，出射的光经中继转向透镜(5)汇聚到成像面(6)上。
【文档编号】G02B13/06GK205691872SQ201620412419
【公开日】2016年11月16日
【申请日】2016年5月7日 公开号201620412419.2, CN 201620412419, CN 205691872 U, CN 205691872U, CN-U-205691872, CN201620412419, CN201620412419.2, CN205691872 U, CN205691872U
【发明人】黄治, 吴震
【申请人】杭州映墨科技有限公司