一种便于安装的全景监控摄像头的制作方法

本发明涉及一种便于安装的全景监控摄像头，属于安防监控技术。

背景技术：

目前传统的全景监控摄像头主要有鱼眼透镜成像系统和旋转拼接式全景成像系统。

鱼眼透镜是最经常用的增大视场的方式，视场可以达到230°,具有强烈的透视效果和相当长的景深。目前该技术发展已经比较成熟，很难再增大视场。Jonny Gauvin设计了一种成像面为椭圆的鱼眼透镜，增加了传感器的水平方向上的有效利用面积，并没有实质上对增大视场进行突破。而且在垂直方向的视场为0°到-90°，即监控摄像头必须放在所监控场景的正上方，这在装配上就有了局限，而且在某些场所是不美观的，甚至会产生一些不必要的麻烦。还有，虽然理论上物像关系是一一对应，但是因为结构复杂，校正起来比较困难。另外，为了获得大于半球的视场,高质量的鱼眼透镜通常要采用10片以上的透镜和高质量的光学材料,系统复杂,造价昂贵。价格低廉的鱼眼镜头图像效果比较差，分辨率也不是很高。

旋转拼接式全景成像系统，其主要是随着计算机和数字图像处理技术的发展，采用常规光学镜头，绕与光轴垂直的固定轴旋转，或者围绕垂直光轴的固定点安装多个常规成像系统，将得到的序列图像进行拼接，得到人工制造的全景图像。主要分为两大类，一类是使用单个或者多个相机围绕一个固定轴旋转，在军事上主要用于红外扫描预警系统；第二类是围绕固定轴安装多个相机，使其覆盖所有的视场,这样的全景成像系统不存在扫描机构，因为没有了伺服系统，所以机构更加可靠和稳定。无论是哪一类的系统，其系统都非常复杂，成本高，甚至可能存在盲区的情况。

综上所述，目前迫切需要提出更为实用更为有效的全景监控摄像头。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种便于安装的全景监控摄像头，其能提高系统的分辨率，把系统畸变降到最低，最大程度的还原景物的本来面目。

本发明的技术方案是这样实现的：一种便于安装的全景监控摄像头，其特征在于：第一侧板、第二侧板和底板组成壳体，第一侧板、第二侧板组成一个直角，壳体的顶部固定连接反射镜面，接口模块布置在底板上，接口模块上方依次布置视频图像控制及处理模块、成像组件，成像组件上方连接成像透镜，成像透镜对准上方的反射镜面，护罩罩在壳体上密封；

其具体成像技术如下：

抛物面成像系统原理：

物体发出(或反射)的光线入射至抛物面反射镜表面，经过镜面反射，入射到成像聚焦透镜后在CCD上成像。如果入射光线会聚于一点( 单视点) , 而反射光线为平行光线, 可以推导出反射镜面形为抛物面。由于抛物面为旋转对称曲面, 推导过程可以在二维空间进行, 如图2所示。设反射镜面形方程为z = z (r) , 入射光线会聚于点O, 与Z轴夹角为θ, 反射光线平行于Z轴。镜面入射点P 的坐标为(r, z) , 入射角为θ/2。则有

由式（1）、（2）得

解一阶微分方程(3) , 得到反射镜面形表达式为

其中H 为积分常数, 反映了抛物面反射镜的面形。(4)式为抛物面方程。

设。则抛物面反射镜的极坐标方程为

确定抛物面面形参数H：

反射镜的口径为DM，所要求监控的垂直视场角为, 在反射镜底部点有

将代入式(5) , 整理得到方程

解方程得

确定反射镜厚度h

反射镜厚度h为

所述成像透镜的选取

点R为CCD成像点，则视场角度为

为保证系统总长度不至于太长，所以OR的距离应在保持高分辨率的前提下尽可能的缩短，根据视场角度α和OR距离，选取成像透镜。

系统的逆投影

以抛物面焦点O为投影中心建立虚拟相机,将实际全景图投影到虚拟像面上的过程称为系统成像的逆投影。当虚拟像面为与成像系统对称轴垂直的平面时可以得到透视全景图像;而当虚拟像面为圆柱面,且圆柱面的对称轴为成像系统的对称轴时,可以得到柱面全景图像。透视全景图像和柱面全景图像都是折反射成像系统实际全景图的几何变形,其关键在于建立实际成像平面与虚拟像面之间的坐标映射关系。

实际成像平面与虚拟像面之间的坐标映射

设空间一点发出一条光线射向抛物面焦点O, 求该点在像平面像点q的坐标。

设在抛物面交点为M(xm,ym)

设聚焦成像透镜空间放大率为,由式(5)、(10)得到像点q的坐标为

由式(8)、(9)和(11)得

式(11)、(12)为成像系统的逆投影公式。通过逆投影可以计算出视场内空间任一物点在实际像平面的像点位置,从而将实际全景图像映射到虚拟相机的虚拟像面上,得到透视全景图和柱面全景图。

柱面全景图的映射公式

设全景图展开在半径为R 的虚拟圆柱面上, 虚拟像点的坐标为 ,则有

将式(13)代入式(14)中得到

式(15)即为柱面全景图的映射公式。

所述的壳体的侧板可去掉第二侧板只保留第一侧板，即通过第一侧板和底板组成壳体。

所述反射面镜，选取面型为抛物面，以铝合金为基材，数控机床车出反射镜面形后，经抛光、镀膜制出反射镜，根据所要求监控的垂直视场角来设置其曲率及高度，本实例中：θmax=97.8°，DM=106mm，根据上述公式（6），（7），（8）分别解得rQ =53mm，zQ =7.26mm，H=46.2mm， h=30mm；选取形状为四分之一抛物体。

所述成像透镜，选取OR=93mm，根据上述公式（8），计算出视场角度α=43°，根据视场角和OR距离选择焦距为6mm的成像透镜。

所述成像组件，选取CMOS成像元件。

所述的接口模块连接视频显示终端和连接音频输入输出设备、常规传感器、侵入传感器、外部告警设备。

本发明的积极效果是其能提高系统的分辨率，把系统畸变降到最低，最大程度的还原景物的本来面目。

附图说明

图1为本发明的结构图。

图2为本发明的第二种结构图。

图3为本发明的抛物面折反射全景成像系统。

图4 为本发明的抛物面面形的推导。

图5为本发明的抛物面反射镜。

图6 为本发明的抛物面折反射系统的逆投影。

图7 为本发明的系统信号连接图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明：如图1、7所示，一种便于安装的全景监控摄像头，其特征在于：第一侧板、第二侧板和底板组成壳体，第一侧板、第二侧板组成一个直角，壳体的顶部固定连接反射镜面，接口模块布置在底板上，接口模块上方依次布置视频图像控制及处理模块、成像组件，成像组件上方连接成像透镜，成像透镜对准上方的反射镜面，护罩罩在壳体上密封；

其具体成像技术如下：

抛物面成像系统原理：

成像系统如图3所示。物体发出(或反射)的光线入射至抛物面反射镜表面，经过镜面反射，入射到成像聚焦透镜后在CCD上成像。如果入射光线会聚于一点( 单视点) , 而反射光线为平行光线, 可以推导出反射镜面形为抛物面。由于抛物面为旋转对称曲面, 推导过程可以在二维空间进行, 如图2所示。设反射镜面形方程为z = z (r) , 入射光线会聚于点O, 与Z轴夹角为θ, 反射光线平行于Z轴。镜面入射点P 的坐标为(r, z) , 入射角为θ/2。则有

由式（1）、（2）得

解一阶微分方程(3) , 得到反射镜面形表达式为

其中H 为积分常数, 反映了抛物面反射镜的面形。(4)式为抛物面方程。

设。则抛物面反射镜的极坐标方程为

确定抛物面面形参数H：

图4所示, 反射镜的口径为DM，所要求监控的垂直视场角为, 在反射镜底部点有

将代入式(5) , 整理得到方程

解方程得

确定反射镜厚度h

由图3, 反射镜厚度h为

所述成像透镜的选取

由图5，点R为CCD成像点，则视场角度为

为保证系统总长度不至于太长，所以OR的距离应在保持高分辨率的前提下尽可能的缩短，根据视场角度α和OR距离，选取成像透镜。

系统的逆投影

以抛物面焦点O为投影中心建立虚拟相机,将实际全景图投影到虚拟像面上的过程称为系统成像的逆投影。当虚拟像面为与成像系统对称轴垂直的平面时可以得到透视全景图像;而当虚拟像面为圆柱面,且圆柱面的对称轴为成像系统的对称轴时,可以得到柱面全景图像。透视全景图像和柱面全景图像都是折反射成像系统实际全景图的几何变形,其关键在于建立实际成像平面与虚拟像面之间的坐标映射关系。

实际成像平面与虚拟像面之间的坐标映射

图6所示, 设空间一点发出一条光线射向抛物面焦点O, 求该点在像平面像点q的坐标。

设在抛物面交点为M(xm,ym)

设聚焦成像透镜空间放大率为,由式(5)、(10)得到像点q的坐标为

由式(8)、(9)和(11)得

式(11)、(12)为成像系统的逆投影公式。通过逆投影可以计算出视场内空间任一物点在实际像平面的像点位置,从而将实际全景图像映射到虚拟相机的虚拟像面上,得到透视全景图和柱面全景图。

柱面全景图的映射公式

设全景图展开在半径为R 的虚拟圆柱面上, 虚拟像点的坐标为 ,则有

将式(13)代入式(14)中得到

式(15)即为柱面全景图的映射公式。

所述的壳体6的侧板可去掉第二侧板6-2只保留第一侧板6-1，即通过第一侧板6-1和底板6-3组成壳体6。

所述反射面镜1，选取面型为抛物面，以铝合金为基材，数控机床车出反射镜面形后，经抛光、镀膜制出反射镜，根据所要求监控的垂直视场角来设置其曲率及高度，本实例中：θmax=97.8°，DM=106mm，根据上述公式（6），（7），（8）分别解得rQ =53mm，zQ =7.26mm，H=46.2mm， h=30mm；选取形状为四分之一抛物体。

所述成像透镜2，选取OR=93mm，根据上述公式（8），计算出视场角度α=43°，根据视场角和OR距离选择焦距为6mm的成像透镜。

所述成像组件3，选取CMOS成像元件；具有体积小、集成度高、功耗低等优点，而且相对于CCD成像，使用CMOS成像组件能够大大节约成本，更重要的是CMOS成像组件直接输出数字视频信号，不需要模/数转换就可以直接进行后续的智能图像分析，提高了实时性。

所述的接口模块5提供了全景监控设备与外部设备连接的全部接口。接口模块可以连接视频显示终端，实现模拟视频输出；还可以连接音频输入输出设备，实现音频广播、音频对讲等；还可以连接各类型常规传感器，用于采集现场的其它细节信息，如温度、湿度、大气压力等；还可以连接各类型侵入传感器，如周界保护中常用的红外传感器、静电传感器以及门磁等传感器等，辅助实现智能监控；还可以连接外部告警设备，如报警灯、扬声器、消防喷淋设备等，以实现联动告警。

全景视频图像控制及处理模块4：利用视频展开/拼接模块，将各像素点转化成坐标并进行展开；经过逆投影模块，根据四分之一抛物面镜的逆投影计算公式，建立虚拟平面全景图像与实际平面全景图像的坐标映射关系，得到监控全景图像；畸变校正模块，使用球面透视投影模型建立畸变校正模型，进行参数的初始化和求解；超分辨率图像复原模块，使用一组低质量、低分辨率图像通过插值技术产生高质量、高分率图像，增强和复原全景图像，改善全景图像的质量。

所述护罩7采用高透光的亚克力材料制成，外形为四分之一圆柱型弧面，对安装在壳体内部元件起到保护密封防尘作用，同时确保有足够的光线可以通过。

其适用于安装在墙角内，可以紧贴墙壁拐角，拥有90度的水平方向视场，实现全景监控，无死角；与传统监控区别比较，更美观，节省空间。

如图2所示，反射镜面1，成像透镜2，成像组件3，全景视频图像控制及处理模块4，接口模块5；反射镜面1固定在底板6-3上方，所述反射镜面1处于所述成像透镜2上方，所述成像透镜2安装在所述成像组件3上，成像组件3与全景视频图像控制及处理模块4连接，全景视频图像控制及处理模块4与接口模块5连接，上述组件安装在第一侧板6-1和底板6-3组成的壳体6内，护罩罩在壳体6上构成密封空间。

该结构适用于安装在墙面中部，拥有180度的水平方向视场，实现全景监控，无死角；与传统监控区别比较，更美观，节省空间。