录制、观看VR视频的装置、设备及VR视频录放系统的制作方法

本发明属于虚拟现实技术领域，尤其涉及录制、观看VR视频的装置、设备及VR视频录放系统。

背景技术：

虚拟现实(Virtual Reality，VR)技术可以创建并使用户体验虚拟世界，其是一种多源信息融合的、交互式的三维动态视景和实体行为的系统仿真技术。随着VR技术的发展，VR头戴显示器设备，例如VR眼镜、VR头盔等消费类电子产品也火热入市，开拓了一种逼真的人机交互体验。

VR产品若要提升其人机交互体验的逼真度，VR视频在被观看时所带给用户的临场感是一个关键因素，直观说来，就是要在VR视频的回放过程中最大可能地1：1还原人对于视觉内物体的真实视觉感受。宽视场角是人眼的视觉特点之一，VR产品若要达到更宽视场角的观看体验，一方面，在对VR视频进行录制时，若采用普通消费类电子产品所使用的标准镜头，则需要更大尺寸的成像传感器，以实现更宽视场角的成像；另一方面，在成像传感器尺寸固定的情况下，若要使得VR视频在回放时达到更宽的视场角，那么就要使用广角镜头来进行VR视频的录制，这样录制出的VR视频不可避免地会在图像边缘产生色散与畸变。因此，现有技术中在对此类VR视频进行回放之前，还需要通过软件方式来对VR视频的色散与畸变进行消除，这显然会给VR产品带来额外的系统资源消耗，增加其计算压力。

综合以上两方面可知，目前的VR视频录制及回放技术对VR产品提出了很高的软硬件要求，不利于此类产品的成本控制，也就因此增加了此类产品的市场推广难度。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明实施例提供了录制、观看VR视频的装置、设备及VR视频录放系统，以解决目前的VR视频录制及回放技术对VR产品提出了很高的软硬件要求，不利于此类产品的成本控制的问题。

第一方面，提供了一种用于录制VR视频的摄像头，所述摄像头包括镜头、支撑所述镜头的镜头基座、成像传感器以及和所述成像传感器电气连接的线路基板，

所述镜头中的光学模组满足以下成像条件：

在预设的镜头视场角以内，成像像高与镜头视场角之比与常数a的差值的绝对值小于预设阈值；

在所述预设的镜头视场角之外，所述成像像高与镜头视场角之比小于所述常数a，且与所述常数a的差值的绝对值大于所述预设阈值。

作为第一方面的一种可能的实现方式，在所述预设的镜头视场角之外，所述成像像高与镜头视场角之比随着镜头视场角的增大而减小。

第二方面，提供了一种VR视频的录制设备，所述设备包括如上所述的摄像头。

作为第二方面的第一种可能的实现方式，所述设备包括移动设备。

结合第二方面或第二方面的第一种可能的实现方式，在第二种可能的实现方式中，所述设备包括智能手机、平板或VR拍摄终端。

基于本发明实施例提供的用于录制VR视频的摄像头，录制出的VR视频能够在相同尺寸的成像传感器条件下呈现更宽的视场角，经实验数据表明，本发明实施例提供的摄像头能够呈现出78～214度的大视场角，这与人眼的视场角极为接近，因此可以在保证成本控制的前提下，为用户带来更为真实的临场感。

第三方面，提供了一种用于观看如上所述的摄像头录制的VR视频的装置，所述装置包括镜头，

所述镜头中的光学模组满足以下成像条件：

在预设的镜头视场角以内，成像像高与镜头视场角之比与常数a的差值的绝对值小于预设阈值；

在所述预设的镜头视场角之外，所述成像像高与镜头视场角之比小于所述常数a，且与所述常数a的差值的绝对值大于所述预设阈值。

作为第三方面的一种可能的实现方式，在所述预设的镜头视场角之外，所述成像像高与镜头视场角之比随着镜头视场角的增大而减小。

第四方面，提供了一种头戴式VR设备，所述设备包括如上所述的装置。

作为第四方面的第一种可能的实现方式，所述设备包括VR眼镜或者VR头盔。

在本发明实施例中，通过用于观看VR视频的装置来观看上述摄像头录制出的VR视频，相当于在人眼中无损地还原出该摄像头所拍摄出的景物，以物理方式消除了VR视频在成像边缘存在畸变和色散，此外，VR视频中的景物大小也被1：1地还原，由于不再需要通过软件方式来消除畸变和色散，使得VR产品的计算压力大大减轻，对系统资源带来的消耗也减小了，有效地控制了VR产品的软硬件成本，且用户在观看VR视频时，可以完全体验到符合人眼的真实视觉感受。

第五方面，提供了一种VR视频录放系统，其特征在于，所述系统包括：

如上所述的VR视频的录制设备；以及

如上所述的头戴式VR设备。

基于本发明实施例提供的VR视频录放系统，可以在相同尺寸的成像传感器条件下录制出更宽视场角的VR视频，同时在对该VR视频进行回放时，又能够在人眼中无损地还原出VR视频中所拍摄出的景物，以物理方式消除了VR视频在录制时成像边缘存在畸变和色散，此外，VR视频中的景物大小也被1：1地还原，由于不再需要通过软件方式来消除畸变和色散，使得VR产品的计算压力大大减轻，对系统资源带来的消耗也减小了，有效地控制了VR产品的软硬件成本，使得该VR视频录放系统的制造成本得到了很好的控制，且为用户呈现了更为逼真的VR视觉体验。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的用于录制VR视频的摄像头的组合状态图及分解图；

图2(a)是人眼视觉特性的水平视场角示意图；

图2(b)是人眼视觉特性的垂直视场角示意图；

图3是标准镜头的物高、视场角与像高之间的关系示意图；

图4是鱼眼镜头的物高、视场角与像高之间的关系示意图；

图5是本发明实施例提供的摄像头成像过程中物高、视场角与像高之间的关系示意图；

图6是标准镜头、鱼眼镜头及本发明实施例提供的摄像头的成像特性的数学表达示意图；

图7是本发明实施例提供的用于录制VR视频的摄像头的成像效果图；

图8是本发明实施例提供的头戴式VR设备的组合状态图及分解图。

具体实施方式

以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本发明实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本发明。在其它情况中，省略对众所周知的系统、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本发明的描述。

图1示出了本发明实施例提供的用于录制VR视频的摄像头的结构示意图，为了便于说明，仅示出了与本实施例相关的部分。

参照图1，该摄像头包括镜头11、支撑镜头11的镜头基座12、成像传感器13以及和成像传感器13电气连接的线路基板14。其中，镜头11用于聚集光线，把景物投射到成像介质表面，即投射到成像传感器13表面；镜头基座12用于支撑镜头11，起到固定镜头11的作用；成像传感器13即成像介质，其中心位于镜头11的光轴上，用于将通过镜头11投射到其表面的光信号(图像)转换为电信号，实现成像，成像传感器13按种类划分，包括但不限于电荷耦合器件(Charge Couple Device，CCD)传感器和互补金属氧化物半导体(Complementary Metal Oxide Semiconductor，CMOS)传感器；线路基板14与成像传感器13电气连接，主要用于将成像传感器13输出的电信号传输到摄像头后端，实现图像输出。

容易想到的，除了图1中示出的摄像头各组件结构，本发明实施例所涉及的摄像头，根据其种类或功能的不同，图1中未示出的，还可以包括但不限于：用于过滤多余光波段的滤色片；用于带动镜头11移动，使镜头11投射清晰的图像到成像传感器13的马达；用于控制马达移动，从而推动镜头11实现自动对焦的马达驱动芯片，等等。

为了便于理解本发明实施例的技术方案，接下来对与本发明实施例相关的人眼视觉特性进行说明：

对于人眼来说，两只眼睛其犹如两个平行的镜头，每个镜头拥有独立的校准能力。当人眼往正前方看时，其视场角(Field of View，FOV)(即成像范围，视场角之外的物体将无法成像)的水平角度大约为122度(如图2(a)所示)，垂直角度大约为120度(如图2(b)所示)，在这之中，人眼分辨率较高的区域(即人眼的锥状体视觉)的水平角度大约在60～90度之间，垂直角度大约在60度左右；而其余区域是人眼分辨率较低的区域(即人眼的杆状体视觉)，在该区域中，人眼只能区分运动物体或者识别物体的轮廓，而无法看清物体细节，相当于通常所说的余光。

基于上文中对人眼视觉特性的说明，以下进一步阐述现有的摄像头中所采用的镜头的特性：

传统的消费类电子产品中的摄像头，其所使用的镜头大多为标准镜头，如图3所示，此类镜头成像的像高与视场角同比增长，每个单位视场角内的物高及其成像的像高之比是相同的，图3中该标准镜头的视场角约为78度。由于VR视频要求更宽的镜头视场角，因此，若要提高镜头视场角，只能增加成像传感器的尺寸，这会导致摄像头的体积和制造成本均增加。同时，如上文所述，人眼视觉实际上分为锥状体视觉和杆状体视觉，而标准镜头在其成像中心和成像边缘的图像解析力是一样的，因此即使使用标准镜头达到了较宽的镜头视场角，但用户的实际视觉却无法充分感知到成像边缘的图像解析力，这无疑也造成了一种成像浪费。

此外，对于广角镜头，甚至是鱼眼镜头来说，如图4所示，此类镜头成像的像高的增长要高于视场角的增长，这意味着若同样的镜头视场角，此类镜头相比于标准镜头需要更大尺寸的成像传感器，或者说，意味着若同样尺寸的成像传感器，此类镜头相比于标准镜头只能呈现更小的视场角。更重要的是，此类镜头在成像时，成像边缘的图像解析力比成像中心的图像解析力还要高，这无疑是和人眼的视觉特性相反。

有别于目前消费类电子产品中所采用的上述两类镜头，本发明实施例所提及的摄像头在成像过程中可以仿真人眼的视觉特性，具体地，在本发明实施例中，镜头11中的光学模组(即由若干光学镜片沿光轴排列所形成的模组)满足以下成像条件：

在预设的镜头视场角以内，成像像高与镜头视场角之比与常数a的差值的绝对值小于预设阈值；

在所述预设的镜头视场角之外，所述成像像高与镜头视场角之比小于所述常数a，且与所述常数a的差值的绝对值大于所述预设阈值。

本发明实施例所述的摄像头的成像如图5所示，在靠近光轴的区域，即一预设的镜头视场角以内，成像像高与镜头视场角之比与一常数a的差值的绝对值小于预设阈值，换句话说，在预设的镜头视场角内，成像像高与镜头视场角之比几乎是同比增长的，或者可以是比常数a略大或比常数a略小的一个数值，即接近于同比增长。而在远离光轴的区域，即该预设的镜头视场角以外，成像像高被急剧压缩，成像像高与镜头视场角之比小于该常数a，呈非同比增长，且该比值与常数a的差值的绝对值要大于上述预设阈值，使得在该预设的镜头视场角以外，像高被急剧地压缩，从而在相同尺寸的成像传感器之下，相比于标准镜头，能够实现更宽的镜头视场角。同时，由于在预设的镜头视场角内，图像解析力不损失，而在预设的镜头视场角外，图像解析力存在损失，这正好符合了人眼的锥状体视觉和杆状体视觉，由此录制出的VR视频可以符合人眼的真实视觉感受。

基于以上描述可知，在本发明实施例中，只要预设的镜头视场角与人眼锥状体视觉的视场角相吻合，那么通过该镜头11就可以在成像传感器13上形成能够区分人眼锥状体视觉和杆状体视觉的VR图像。因此，参照人眼锥状体视觉的视场角，可以将预设的镜头视场角设置为60～90度范围内的某一数值，例如，将预设的镜头视场角设置为78度，那么在78度以内，成像像高与镜头视场角几乎等比增长，而在78度以外，成像像高被急剧压缩，由在一定尺寸的成像传感器上实现约等于人眼视场角的超大视场角，同时最大程度地还原出人眼锥状体视觉和杆状体视觉的真实感受。

进一步地，作为本发明的一个优选实施例，在所述预设的镜头视场角之外，所述成像像高与镜头视场角之比可以随着镜头视场角的增大而增加，这样一来，越靠近摄像头的成像边缘，越是可以容纳进更多的景物，虽然由于成像像高的急剧压缩，会影响到成像边缘的图像解析力，但正是因为人眼对成像边缘的图像解析力不敏感，因此该成像特性并不会产生实际的视觉损失。

图6对标准镜头、鱼眼镜头及本发明实施例提供的摄像头的成像特性进行了数学表达，图6中的横坐标表示了基于光轴划分出的一半的镜头视场角，纵坐标表示了成像像高，其中，曲线61代表的是标准镜头的成像特性，可以看出，在标准镜头中，成像像高与一半的镜头视场角之比始终为相同；曲线62代表的是鱼眼镜头的成像特性，可以看出，在鱼眼镜头中，镜头成像像高的增长要高于视场角的增长；曲线63代表的是本发明实施例提供的摄像头的成像特性，可以看出当镜头视场角的一半在40度之内时，成像像高与一半的镜头视场角之比几乎是相同的，而在40度之外，成像像高与一半的镜头视场角之比大于40度之内的比值，从而在成像边缘容纳进更多的景物。示例性地，图6中的曲线63可以满足函数表达Y＝f*sinθ，其中，Y为成像像高，θ为一半的镜头视场角，f为焦距。

此外，作为本发明的一个实施例，上文所述的用于录制VR视频的摄像头可以被应用在VR视频的录制设备中，进一步地，该设备可以为移动设备，以便于随时随地完成VR视频的录制；更进一步地，该设备可以为消费类电子产品，例如智能手机、平板或专业的VR拍摄终端。在上述VR视频的录制设备中，摄像头成像的画面在由成像传感器转换为电信号之后，通过如图1所示的线路基板将VR视频数据输出至设备内部进行数据处理，例如，在设备的处理器的控制之下，将VR视频数据保存至设备的存储器中，将VR视频数据通过设备中的显示装置进行输出，或者通过设备的通信装置将VR视频数据发送给其他计算设备输出。

利用本发明实施例提供的用于录制VR视频的摄像头，录制出的VR视频能够匹配人眼锥状体视觉和杆状体视觉的特性，即在与人眼锥状体视觉视场角相匹配的镜头视场角内，成像的图像解析力高，而在该镜头视场角外，成像的图像占用的像素多，而在该镜头视场角外，成像的图像所占用的像素少，此外，该录制出的VR视频能够在相同尺寸的成像传感器条件下呈现更宽的视场角，经实验数据表明，本发明实施例提供的摄像头能够呈现出87～214度的大视场角，这与人眼的视场角极为接近，因此可以在保证成本控制的前提下，为用户带来更为真实的临场感。

图7示出了本发明实施例提供的用于录制VR视频的摄像头的成像效果，可以看出，该成像的视场角更宽，同时，VR视频在成像边缘存在畸变和色散，现有技术中需要对该畸变和色散通过软件方式进行消除，而在本发明实施例中，通过与该用于录制VR视频的摄像头所匹配的用于观看VR视频的装置，可以在回放VR视频的过程中通过相同的镜头来物理还原该畸变和色散。

基于本发明实施例提供的用于录制VR视频的摄像头，本发明实施例提出的用于观看该摄像头录制的VR视频的装置包括镜头，

与上文实施例相同地，所述镜头中的光学模组满足以下成像条件：

在预设的镜头视场角以内，成像像高与镜头视场角之比与常数a的差值的绝对值小于预设阈值；

在所述预设的镜头视场角之外，所述成像像高与镜头视场角之比小于所述常数a，且与所述常数a的差值的绝对值大于所述预设阈值。

本发明实施例所述的装置中镜头的成像也如图5所示，在靠近光轴的区域，即一预设的镜头视场角以内，成像像高与镜头视场角之比与一常数a的差值的绝对值小于预设阈值，换句话说，在预设的镜头视场角内，成像像高与镜头视场角之比几乎是同比增长的，或者可以是比常数a略大或比常数a略小的一个数值，即接近于同比增长。而在远离光轴的区域，即该预设的镜头视场角以外，成像像高被急剧压缩，成像像高与镜头视场角之比小于该常数a，呈非同比增长，且该比值与常数a的差值的绝对值要大于上述预设阈值，使得在该预设的镜头视场角以外，像高被急剧地压缩，从而在相同尺寸的成像传感器之下，相比于标准镜头，能够实现更宽的镜头视场角。同时，由于在预设的镜头视场角内，图像解析力不损失，而在预设的镜头视场角外，图像解析力存在损失，这正好符合了人眼的锥状体视觉和杆状体视觉。对照于图1所示的实施例，该用于观看VR视频的装置在实现原理上，相当于将图1所示结构中的成像传感器替换为人眼，且人眼同样起到的是对镜头中投射的景物进行成像的作用，因此，基于光的可逆性，通过该镜头来观看本发明实施例所提供的摄像头录制出的VR视频，相当于在人眼中无损地还原出图1所示的摄像头所拍摄出的景物，因此，虽然图1所示的摄像头拍摄出的VR视频在成像边缘存在畸变和色散，但是经过该用于观看VR视频的回放装置，原本存在的畸变和色散通过物理方式被抵消，此外，容易理解地，VR视频中的景物大小也被1：1地还原，使得用户在观看VR视频时，可以完全体验到符合人眼的真实视觉感受。

基于以上描述可知，在本发明实施例中，只要预设的镜头视场角与人眼锥状体视觉的视场角相吻合，那么通过该镜头就可以在成像传感器上形成能够区分人眼锥状体视觉和杆状体视觉的VR图像。因此，参照人眼锥状体视觉的视场角，可以将预设的镜头视场角设置为60～90度范围内的某一数值，以最大程度地还原出人眼锥状体视觉和杆状体视觉的真实感受。进一步地，该预设的镜头视场角在设置时，其数值可以参考本发明实施例提供的用于拍摄VR视频的摄像头中设置的预设的镜头视场角数值，以实现VR视频录制与回放的相匹配。

进一步地，作为本发明的一个优选实施例，在所述预设的镜头视场角之外，所述成像像高与镜头视场角之比可以随着镜头视场角的增大而增加，这样一来，越靠近摄像头的成像边缘，越是可以容纳进更多的景物，虽然由于成像像高的急剧压缩，会影响到成像边缘的图像解析力，但正是因为人眼对成像边缘的图像解析力不敏感，因此该成像特性并不会产生实际的视觉损失。

此外，基于上文所述的用于观看VR视频的装置，该装置可以被应用在头戴式VR设备中，进一步地，该设备可以为VR眼镜或者VR头盔。示例性地，图8示出了一种VR头盔的结构示例图，该结构中包括了镜筒81，上述用于观看VR视频的装置中所提及的镜头便分别设置于该镜筒81的左镜筒和右镜筒中，此外，该设备还包括了用于封装并固定镜筒81的前壳82、中壳83及后壳84，图8中未示出的，该头戴式VR设备还可以包括头带、镜筒瞳距调节装置等等，上述用于观看VR视频的装置均可运用于头戴式头盔的常见结构中，因此在此对该示例性结构不再赘述。

本发明实施例中，还提供一种VR视频录放系统，该系统至少包括了：

如上文所述的VR视频的录制设备，该录制设备中包含了本发明实施例所提供的用于录制VR视频的摄像头；以及，该系统还包括了：

如上文所述的头戴式VR设备，该头戴式VR设备中包含了本发明实施例所提供的用于观看VR视频的装置。

该VR视频录放系统在进行VR视频的录制和回放时，其工作原理已在上文实施例中进行了详细说明，在此不再赘述。

以上所述实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本发明的保护范围之内。