专利名称：防爆型高分辨率全景视觉监控系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种监控系统，特别涉及一种高分辨率全景视觉监控系统。(二) 背景技术随着全景视觉系统的不断完善，全景视觉技术己经在视觉及光学领域有了初 步的应用。在室内环境中，国外已经将全景视觉系统广泛应用于视频会议等视觉 领域中，国内近年来也在开展相应研究。在室外环境中，全景视觉正逐步应用于 监控和远程现实等领域。由于其360度的视角范围，全景视觉系统在室外环境中 最直接的应用是在监控领域的应用。随着管理意识的不断加强，高危场合的监控 近年来成为监控市场的热点，全景视觉作为视觉领域的一种先进技术在这个领域 有着很好的发展前景。在高危场合的监控设备首先要满足自身防爆的要求，而近 年来全景视觉实际工作的开展大多停留在理论或者实验研究的层面上，鲜有全景 视觉在实际场合的应用，在需要防爆的场合的应用国内尚属空白。另外，实际监 控中往往需要考虑气候、腐蚀、远距离传输等因素。基于此，设计一种可实际应 用的防爆型全景视觉系统势在必行，并且此系统应具备一定的通用性。专利申请号为200610147216.6，名称为"基于双曲面取景器的全景视觉系 统"的专利申请文件中公开了一种技术方案，该方案给出了一种双曲面取景器的 全景视觉系统的设计方法。全景取景器采用双曲面结构，全景取景器与全景取景 连接器构成全景取景模块，变焦镜头连接器与变焦镜头构成变焦镜头模块，玻璃 保护罩的上部卡在全景取景连接器的凹槽内，下部卡在变焦镜头连接器的凹槽 内，使全景取景器及变焦镜头均置于玻璃保护罩内，取景摄像机与变焦镜头连接 器相连接。全景取景器、变焦镜头及摄像机传感器三者的中心在同一直线上，确 定了全景视觉系统的光学成像焦点。该技术方案实际是一种理论方法，并没有在 实践中得到应用。尤其是在防爆场合的应用中，由于一切可以产生电信号的元件 必须放在具备防爆标准的防爆外壳中，而此技术方案中全景取景器和变焦镜头均 被置于不具备防爆功能的玻璃保护罩内，无法进行防爆型的改进。另外，此技术方案在设计中并没有考虑其他的现实因素，只是在系统理论的角度完成了初步的 设计，所以此技术方案实现的方法在应用上有很大的局限性。
发明内容本发明的目的在于提供一种具有很强的实用性，本身具有防尘、防水、防腐 蚀功能并且整套系统经过严格的防爆处理，可直接应用于高危场合的防爆型高分 辨率全景视觉监控系统。本发明的目的是这样实现的它由取景模块、连接模块、固定安装模块、透 视成像模块、转换模块及加热模块组成；取景模块通过连接模块与防爆外壳相连，防爆外壳安装在固定安装模块上，透视成像模块、转换模块及加热模块安装在防爆外壳中；取景模块包括安装在防护玻璃管内的双曲面反射镜、设置在防护玻璃 管顶端的双曲面反射镜连接器；透视成像模块由摄像机和透视镜头组成，透视成 像模块位于防爆外壳的正中央，尽量靠近防爆外壳上部的透明玻璃防护罩的位 置，转换模块为一个视频转光纤或者Cameralink转光纤的接口转换器，转换模 块位于防爆外壳的底端，加热模块由加温装置和温度控制装置组成，加热模块位 于透视成像模块和转换模块之间。本发明还可以包括这样一些结构特征1、双曲面反射镜的外形满足下列方程-2、 双曲面反射镜与防护玻璃管之间设置有支撑圆杆。3、 外侧有两个夹紧卡条。本发明在保证了全景成像的基础上通过模块划分的方法实现了整个结构的 防爆要求。本发明在全景图像的获取上，利用双曲面反射镜作为取景元件，这样， 只需要使双曲面反射镜的焦点和摄像机的焦点重合便可以得到360度的全景图 像。为了在室外大场合的应用中获得高质量的监控效果，选用高分辨率科学级 CCD相机作为本系统的摄像元件。由于监控现场和监控室往往有一定的距离，在监控现场采集到的图像信号需 要通过光纤传输到监控室，所以需要选用相应的视频转光纤或者Cameralink转 光纤接口转换器。在安装及固定结构的设计上，采取模块化的设计方法对整个系统进行设计。 整套系统按照是否防爆的标准可分为非防爆模块和防爆模块。非防爆模块中包含 取景模块，连接模块及固定安装模块。防爆模块中包含透视成像模块、转换模块 及加热模块。取景模块包括双曲面反射镜、防护玻璃管、支撑圆杆和双曲面反射镜连接器。 双曲面反射镜的外形方程为如附图1所示，双曲面形反射镜在全景成像系统中是一种实用的视场增强手段，通过A:值的变化可以得到不同曲率的双曲线和不同的视场角。双曲面反射镜 由BK7A级光学玻璃材料制成，表面真空镀铝后阳极氧化加固，正中央为一个错 层通孔以便安装在双曲面反射镜连接器上。防护玻璃管采用石英玻璃连熔制成，并在内侧镀膜以最大限度的减小光线折 反射给全景图像带来的影响。防护玻璃管的高度由摄像机与双曲面反射镜之间的 距离决定。支撑圆杆由纯钢材料制成，主要起到支撑双曲面反射镜和保护玻璃管的作 用，其高度应根据摄像机与双曲面反射镜之间的距离决定，半径在能够保证支撑 强度的前提下不宜过大以免影响成像。双曲面反射镜连接器是由纯钢制作的圆盘，半径的大小由双曲面反射镜底面 直径决定。连接器的正中央为一个和双曲面反射镜通孔大小相似的通孔，双曲面 反射镜固定在该连接器上。同时，连接器外围有一圆形凹槽，凹槽的半径由玻璃 管决定。连接模块起到连接取景模块和防爆模块的作用。其上部圆盘与取景模块中的 连接器圆盘半径相同，其上凹槽的半径也与双曲面反射镜连接器上的凹槽相同。 其下部的空心圆柱的半径与圆柱形防爆外壳的半径相同，圆环外侧有两个夹紧卡 条，通过螺丝可以调节连接器与防爆外壳连接的紧密程度。固定安装模块起到支撑整个结构的作用。其下部为空心圆盘，上部为一空心丄「圆柱，其作用与设计方法中连接器中的空心圆柱相同。透视成像模块由摄像机和透视镜头组成。透视成像模块位于防爆外壳的正中 央，尽量靠近防爆外壳上部的透明玻璃防护罩有利于防护玻璃管的设计。本发明 将透视成像模块作为防爆模块置于防爆外壳中加以保护而不是置于防护玻璃管 中进行保护。转换器模块为一个视频转光纤或者Cameralink转光纤的接口转换器。转换 器模块位于防爆模块的最底端，以便电源线及光纤的引出。加热模块由加温装置和温度控制装置组成。加热模块位于透视成像模块和装 换器模块之间，以便加热时温度的均匀升高。本发明的工作原理是利用双曲面反射镜进行取景，摄像机的透视成像镜头正对双曲面反射镜，同 时使双曲面反射镜的一个焦点和摄像机的光心完全重合，根据单点成像的原理可 以组成单视点折反射全景成像系统。在设计实际反射镜时，主要考虑三个方面要 求(l)整个摄像机一反射镜系统应当紧凑。(2)空间视角应当尽量接近于整个球。 水平面内视角应为360°。垂直视角由反射镜边沿限定。(3)在反射镜与摄像机之 间距离一定的情况下底面直径能够尽量充满摄像机的像素面，使像素得到最大限 度的利用。摄像机与反射镜的几何关系如附图2所示。防爆要求是通过模块划分的方法实现的。在选定了各元件后，将需要防爆和 不需要防爆的元件区别对待，在能够满足全景成像的基础上通过严谨的结构设计 实现整个系统结构的防爆。防爆外壳内部配有加热模块以使整套结构适应恶劣的气候条件，同时为了保 证结构中的玻璃元件不会出现霜冻现象，结构中特留有氮气充气孔以平衡温度和 气压。本发明的具体工作过程如下 1设计安装防爆模块选取适当的防爆外壳，取出内部的安装滑道。首先将透视成像模块安装在滑 道上，安装中的连接器应具备三自由度的调节能力以便把摄像机的位置准确的调 整到整个结构的正中央，并且与防爆外壳上部的玻璃防护罩的距离尽量靠近。将转换模块安装在滑道上，安装中的连接器应具备三自由度的调节能力，为 了有利于摄像机与转换器之间的布线，二者的水平高度应尽量一致，中心线应基本对正。转换器应尽量靠近防爆外壳的底部以便给加热模块留出足够的空间。将加热模块安装在滑道上，滑道两侧竖直摆放加热模块的温度控制板，滑道 上方摆放加热电阻板，加热电阻板应尽量远离各元器件。经过如上结构设计，防爆模块形成如下格局所有元器件通过各自的连接器 被安装在滑道上，摄像机位于最前端，加热模块位于中间，加热模块的两个控制 板和加热电阻板分别位于滑道的两侧和上侧，中间空间用于摄像机的电源线及摄 像机和转换器之间的数据线的布局。最后端为转换器，转换器的具体选型由具体 情况而定。元器件安装完毕后将滑道及其上的各元器件从防爆外壳的底部置于防 爆外壳内，防爆外壳的底部密封盖有两个出线孔，分别引出电源线和数据线。最 后，将防爆外壳两端的密封盖按安装规程严格密封，至此，所有需要防爆的模块 均已被置于防爆外壳内，防爆模块的设计已全部完成。2将防爆模块与固定安装模块相连接。固定安装模块上部的空心圆柱的半径 应略大于防爆外壳的外形尺寸，防爆外壳竖直插入空心圆柱后利用螺丝带紧夹紧 长条使防爆外壳固定在固定安装模块上。3连接防爆模块和取景模块。将连接器置于防爆外壳之上，连接器下部的空 心圆柱的半径应略大于防爆外壳的外形尺寸，利用螺丝带紧夹紧长条使连接器与 防爆外壳紧密相接。4设计安装取景模块。首先根据发明原理中提及的设计反射镜的要求设计出 双曲面反射镜，同时确定反射镜与摄像机之间的距离，在保证摄像机能够成像的 基础上反射镜-摄像机系统应尽量紧凑。然后根据反射镜与摄像机之间的距离和 反射镜底面直径的大小分别确定玻璃管的高度和半径。玻璃管应置于连接器上部 圆盘的凹槽内，凹槽的半径对应于玻璃管的内径和外径。接着将支撑圆杆固定在 连接器上，支撑圆杆的位置应在玻璃管的外围。最后将双曲面反射镜利用中心的 错层通孔固定在双曲面反射镜连接器上，然后将其倒置于玻璃管之上，玻璃管的 顶部应陷于连接器的凹槽内，同时四根支撑圆杆应同时穿过连接器，并利用螺丝 帽完全固定。位置调整适当后用玻璃胶将玻璃管两端和凹槽的结合部分完全密封 以保证系统的密封性。至此， 一套完整的防爆型高分辨率全景视觉系统已设计完成，此系统具有很 强的通用性，防爆结构内部的设计合理且通用性极强，可以根据需要选择摄像机 的类型，转换器也可以根据摄像机的变化而更改。系统图像可远距离传输，可以实现远距离监控，系统可以获取360度的环视图像。同时，整个系统具备防爆标 准，可直接应用于高危场合，对环境的适应能力较强。(四)
附图1为双曲面反射镜的成像原理示意图。 附图2为摄像机与反射镜的几何关系。 附图3为系统模块化效果图。 附图4为系统组成效果图。
具体实施方式
下面结合附图举例对本发明做更详细地描述下面结合一个实际监控的场合半径在200-300米左右，属于大场合的监控来 描述本发明。结合图3，它由取景模块21、连接模块22、防爆模块23和固定安 装模块24组成。为了保证监控的效果，该系统的摄像机选用了高分辨率的科学 级CCD相机，该相机采用传输性能较好的Cameralink接口 ，分辨率为2048*2048。 由于选用了基于Cameralink接口的相机，系统需要选用Camemlink/光纤转换器 用于远距离传输，实际中我们选用了 BC-2F作为转换器。镜头在实际应用中选 用了 Nikon AF 20mm 2.8D作为透视成像透镜。加热模块由加温控制板和加热电 阻板组成，温度控制在io摄氏度左右。结合图4，利用连接器将摄像机6固定在滑道最前方，并调整其位置至正中 央。利用连接器将转换器10固定在滑道最后方，调整其位置使其与摄像机6的 位置适当以便布线。用长度适中的Cameralink数据线7将摄像机6与转换器10 相连接。将加热模块9固定在滑道上，加热控制板固定在滑道两侧，加热电阻板 固定在滑道上方，摄像机Cameralink数据线7及电源线8从中间空余部分穿过。 转换器10引出的光纤11从数据线引出孔14引出，摄像机电源线8及转换器电 源线12从电源线引出孔13引出。在防爆模块组装完毕后将两端的防爆盖密封， 将防爆模块竖直插入固定安装模块16，并利用夹紧长条17将防爆模块与固定安 装模块16完全固定为一体。接着，将连接器5置于防爆模块之上，并利用夹紧 长条15将防爆模块与连接器5完全固定为一体。最后设计取景模块，在摄像机-反射镜系统各参数确定后，确定防护玻璃管3的高度并将其内部镀膜，防护玻璃 管应置于连接器上部圆盘4的凹槽内。同时，依据上面提及到的全景视觉系统中 双曲面反射镜的设计要求实际设计双曲面反射镜1，将其固定在双曲面反射镜连接器2上，并将此整体倒置于防护玻璃罩3上，防护玻璃罩3应置于双曲面反射 镜连接器2的凹槽内。在取景模块设计完成后利用玻璃胶密封玻璃管两端和凹槽 的结合部位。至此， 一套完整的防爆型高分辨率全景视觉系统设计完成，整套结构防尘、 防爆，可用于高危场合，系统可获得360度的视场角。结构底部的电源线引出孔 13直接引出所有内部元件的电源线，数据线引出孔14引出光纤以备远距离传输。 引出孔皆具备防爆要求。另外，在连接器上特备有氮气充气孔18，在需要时可 以充入氮气起到防止霜冻平衡气压的作用。
权利要求
1、一种防爆型高分辨率全景视觉监控系统，它由取景模块、连接模块、固定安装模块、透视成像模块、转换模块及加热模块组成；其特征是取景模块通过连接模块与防爆外壳相连，防爆外壳安装在固定安装模块上，透视成像模块、转换模块及加热模块安装在防爆外壳中；取景模块包括安装在防护玻璃管内的双曲面反射镜、设置在防护玻璃管顶端的双曲面反射镜连接器；透视成像模块由摄像机和透视镜头组成，透视成像模块位于防爆外壳的正中央，尽量靠近防爆外壳上部的透明玻璃防护罩的位置，转换模块为一个视频转光纤或者Cameralink转光纤的接口转换器，转换模块位于防爆外壳的底端，加热模块由加温装置和温度控制装置组成，加热模块位于透视成像模块和转换模块之间。
2、 根据权利要求1所述的防爆型高分辨率全景视觉监控系统，其特征是-双曲面反射镜的外形满足下列方程-<formula>formula see original document page 2</formula>
3、 根据权利要求1或2所述的防爆型高分辨率全景视觉监控系统，其特征 是双曲面反射镜与防护玻璃管之间设置有支撑圆杆。
4、 根据权利要求1或2所述的防爆型高分辨率全景视觉监控系统，其特征 是外侧有两个夹紧卡条。
5、 根据权利要求3所述的防爆型高分辨率全景视觉监控系统，其特征是外侧有两个夹紧卡条。
全文摘要
本发明提供的是一种防爆型高分辨率全景视觉监控系统。它由取景模块、连接模块、固定安装模块、透视成像模块、转换模块及加热模块组成；取景模块通过连接模块与防爆外壳相连，防爆外壳安装在固定安装模块上，透视成像模块、转换模块及加热模块安装在防爆外壳中；取景模块包括安装在防护玻璃管内的双曲面反射镜、设置在防护玻璃管顶端的双曲面反射镜连接器；透视成像模块由摄像机和透视镜头组成，转换模块为一个视频转光纤或者Cameralink转光纤的接口转换器，加热模块由加温装置和温度控制装置组成。系统具有很强的通用性，防爆结构内部的设计合理且通用性极强。系统图像可远距离传输，可以实现远距离监控，系统可以获取360度的环视图像。
文档编号G03B17/02GK101221345SQ20071007267
公开日2008年7月16日 申请日期2007年8月20日 优先权日2007年8月20日
发明者智 张, 朱齐丹, 蓬 栗, 沈建永, 王会勇, 王立辉, 蔡成涛, 瑞 韩, 马宏业, 马铁刚 申请人:哈尔滨工程大学