专利名称：全向成象装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及本发明涉及参考单个视点的全向图象感测技术，尤其涉及利用截断的基本为抛物形反射器的这种图象感测。
2．现有技术的讨论对于诸如监视、电话会议、遥感、照相术、模型获取、虚拟现实、计算机图形、机器视觉和机器人的许多应用，需要具有大视场的成象系统，从而能够获取周围世界尽可能多的信息。
传统的成象系统包括带有透镜的摄像机，提供图象的透视投影。然而，即使具有超宽角度透镜的摄像机也仅有有限的视场(即覆盖不到全部半个球面)。通过绕其投影中心倾斜或者摇动整个成象系统可以扩大这一有限的视场。在S．E．Chen“Quicktime VR-An Image-based Approach to VirtualEnvironment Navigation”Proc．of SIGGRAPH 95，(8)(1995年8月)中描述了这样一种系统。L．McMillan和G．Bishop的文章“plenoptic模拟基于图象的透视图系统”，Computer GraphicsProc．of SIGGRAPH，1995年8月，pp39-46，也描述了一种传统的摇扫和倾斜系统。然而，这种系统具有两个严重缺点，一个是与装置具有移动部件相关的明显缺点，另一个是为了观看周围世界而进行整个旋转需要大量时间。这个时间限制使得这种装置不适合于实时应用。
增大成象系统中视场的另一种方法是通过采用所谓的“鱼眼(fish eye)”透镜，正如E．I．Hall等人在“利用鱼眼透镜的全向观察”，SPIE vol．728 Optics，Illumination and Image Sensing for Machine Vision(1986)，p．250中揭示的。由于鱼眼透镜的焦距非常短，视场可以象半球形那么大。然而，这种透镜在成象系统中的使用是有问题的，问题在于这种透镜比传统透镜大得多和复杂得多。此外，对于相关场景的所有点，难以研制出具有一个固定视点的鱼眼透镜。授予Zimmerman的美国专利5187667和授予Kuban等人的美国专利5359363也针对采用鱼眼透镜代替传统的摇扫和倾斜机构，于是存在相同的缺点。
其它的现有装置已经采用反射表面来增大视场。在V．S．Nalwa，“真正全向观察器”，AT&T贝尔实验室技术备忘录，BL0115500-960115-01，1996年1月中揭示了一种这样的现有装置。Nalwa揭示了采用多个平面反射表面与多个电荷耦合器件(“CCD”)摄像机相结合，获得半球形场景50度环带的360度全景图象。具体地，在Nalwa中，以四面体的形状安排四个平面反射镜，在四个平面反射侧面的每个面上定位一个摄像机，每个摄像机观看略大于90度×50度的半球面场景。这一系统存在需要多个传感器捕获360度图象的缺点。此外，这一系统存在与当将各个图象组合提供整个360度视场时在“接缝”处的畸变相关的固有问题。
还采用了弯曲反射表面与图象传感器相结合。Yagi等人“通过跟踪全向图象序列中垂直边缘平均映射产生的效率”，IEEE机器人和自动化国际会议，1995年6月，p．2334和Yagi等人“具有全向图象传感器COPIS的移动机器人的基于映射导航”，IEEE Transactions on Robotics and Automation，Vol．Ⅱ，No．5，1995年10月，揭示了圆锥投影器图象传感器(COPIS)，它采用圆锥反射表面将来自周围环境的图象集合起来，对信息进行处理，引导移动机器人的导航。尽管COPIS能够获得360度的观察视角，但是它不是真正的全向图象传感器，因为视场受圆锥反射镜的顶点角度和摄像机透镜的视角的限制。此外，COPIS并不具有单个视点，而是具有位于圆上的视点的轨迹。多个视点的这一轨迹在捕获图象上引起畸变，它不能被消除，以获得纯的透视图象。
Yamazawa等人“用全向图象传感器超全向视觉的障碍检测”，IEEE机器人和自动化国际会议，1995年10月，p．1062，揭示了COPIS系统中涉及采用双曲面反射表面代替圆锥表面的有意改进。正如那里所讨论的，从双曲面表面反射的光线，不管起点在何处，都将会聚在一个点上，因此能够进行透视观看。
尽管采用双曲面反射镜是有利的，其中它能够进行全透视图象感测，因为构成反射图象的光线会聚在反射器的焦点上，传感器相对于反射表面的定位是关键的，任何干扰将影响图象质量。此外，采用透视投影模式固有地要求当传感器与反射镜之间的距离增大时，反射镜的截面必须增大。因此，实际考虑表明，为了保持反射镜的合理尺寸，反射镜必须靠近传感器放置。这又引起图象传感器光具设计上的复杂化。此外，由于会聚图象的自然本性，将感测图象映射到可使用的坐标，需要复杂的标定。另一个缺点是反射镜与光具的相对位置不能被改变，而维持单个视点。因此，双曲面反射镜系统不能利用反射镜与光具的相对移动来调节系统的视场，而维持单个视点。
在Yamazawa之前，授予Donald Rees的美国专利3，505，465也揭示了采用双曲面反射表面。于是，Rees的公开内容也存在与象Yamazawa等人的一样的缺点。
以上讨论的现有装置在两个方面中的一个方面是不足的。要么它们不能提供真正全向成象装置，即不能从单个视点对场景进行感测，用该装置不能提供无畸变的图象，要么，它们提供的装置需要进行复杂标定和实施。
发明概要本发明基本上可解决以上讨论的现有技术的缺点，在一个方面中本发明是从单个视点感测场景图象的全向成象装置，它包括为正交地反射从场景辐射的电磁辐射的主光线而定位的截断的基本为抛物形反射器。抛物形反射器的焦点与全向成象装置的单个视点相重合。全向成象装置还包括与抛物形反射器光学耦合的远心装置，用于基本上滤除不是被抛物形反射器正交反射的电磁辐射的主光线。全向成象装置还包括为接收来自抛物形反射器的电磁辐射的正交反射主光线而定位的一个或多个图象传感器，由此感测场景的图象。
本发明的抛物形反射器可以是凹面的或是凸面的。远心装置可以包括远心透镜、远心孔径或准直透镜。
较佳地，抛物形反射器包括一基本为抛物形反射镜，其表面基本上服从在柱坐标中表示的方程式z=h2-r22h]]>z是表面的旋转轴，r是径向坐标，h是常数。因为方程式表示的是旋转对称表面，所以表面的形状不是角坐标φ的函数。
在本发明的较佳实施例中，一个或多个图象传感器包括一个或多个视频摄像机。这些摄像机可以采用一个或多个电荷耦合器件或者一个或多个电荷注入器件。另一方面，一个或多个图象传感器可以包括照相胶片。在另一个较佳实施例中，至少一个图象传感器具有非均匀的分辨率，以补偿从抛物形反射器反射的图象的非均匀分辨率。
较佳地，抛物形反射器包括在包含抛物形反射器焦点以及垂直于抛物形反射器焦点和顶点的轴的平面上截断的反射镜。
在示例实施例中，抛物形反射器安装在固定底座上，一个或多个图象传感器安装在可移动的底座上，由此，一个或多个图象传感器的移动产生变化的视场。另一方法，抛物形反射器安装在可移动的底座上，一个或多个图象传感器安装在固定的底座上，由此，抛物形反射器的移动产生变化的视场。在每个实施例中，提供一个与一个或多个图象传感器和抛物形反射器光学耦合的变焦透镜也是较佳的。
在再一个示例的实施例中，一个或多个图象传感器提供代表场景图象的图象信号。图象信号处理装置与一个或多个图象传感器相耦合，它将来自图象传感器的图象信号转换为图象信号数据。图象信号处理装置然后将图象信号数据映射到笛卡儿坐标系中，产生透视图象，或者映射到柱坐标系中，产生全景图象。图象处理装置可以包括提供内插图象数据的内插装置，由此，将内插图象数据与图象信号数据组合形成数字图象。有利地，图象处理装置可以进一步包括在数字图象的预选部分进行变焦，由此从预定的焦距提供预选部分的放大图象的装置。
在较佳配置中，全向成象装置包括与一个或多个图象传感器和抛物形反射器光学耦合的至少一个透镜。这个耦合透镜可以是变焦透镜、显微物镜或平场透镜。有利地，平场透镜的场曲率与抛物形反射器的场曲率大致相反。较佳地，平场透镜或是平凹透镜或是消球差的凹凸透镜。
在又一个较佳配置中，利用为正交地反射从两个互补半球形场景辐射的电磁辐射的主光线而定位的两个截断的基本为抛物形反射器，全向成象装置用于对基本为球形的场景成象。对两个抛物形反射镜定位，以共享一个共用抛物轴。此外，当两个抛物形反射器是凸面时，它们沿其截断的平面背靠背地定位，以致于它们共享一个共用焦点。当两个抛物形反射器是凹面时，它们是这样定位的，它们的顶点相重合。
在本发明的另一个示例实施例中，提供多个分束器，将来自抛物形反射器的电磁辐射的正交反射主光线分成多个光束。在这个实施例中，需要多个图象传感器，每个图象传感器定位为接收多个光束中的至少一个，由此感测一部分的场景图象。
在再一个示例的实施例中，提供多个二向色分束器，将来自抛物形反射器的电磁辐射的正交反射主光线分成多个单色电磁辐射主光线。正如前一实施例中一样，需要多个图象传感器，每个图象传感器定位为接收多个电磁辐射的单色主光线中的至少一个，由此感测场景的至少一种单色图象。
根据本发明的开拓本质，还提供一种从单个视点感测场景图象的方法。在示例的实施例中，该方法包括以下步骤(a)在截断的基本为抛物形反射器上正交地反射从场景辐射的电磁辐射的主光线，从而使全向成象方法的单个视点与抛物形反射器的焦点重合；(b)远心地滤除不是被抛物形反射器正交反射的电磁辐射的主光线；及(c)通过用一个或多个图象传感器感测来自抛物形反射器的电磁辐射的正交反射主光线，而感测场景的图象。
在另一个示例的实施例中，提供一种从单个视点全向感测场景图象的方法，该方法包括(a)将截断的基本为抛物形的反射器安装在固定底座上；(b)将一个或多个图象传感器安装在可移动的底座上；(c)在基本为抛物形反射器上正交地反射从场景辐射的电磁辐射的主光线，使得全向成象方法的单个视点与抛物形反射器的焦点重合；(d)远心滤除不是被抛物形反射器正交反射的电磁辐射的任何主光线的大部分，(e)将可移动底座移动到第一位置；(f)用一个或多个图象传感器通过感测来自抛物形反射器的电磁辐射的正交反射主光线而感测具有第一视场的场景的第一图象；(g)将可移动底座移动到不同于第一位置的第二位置；及(h)用一个或多个图象传感器通过感测来自抛物形反射器的电磁辐射的正交反射主光线而感测具有第二视场的场景的第二图象。
另一方法，不是将抛物形反射器安装在固定底座上和将图象传感器安装在可移动的底座上，而是可以将抛物形反射器安装在可移动的底座上以及将图象传感器安装在固定底座上。较佳地，上述方法还包括使抛物形反射器和图象传感器与变焦透镜光学耦合的步骤，该变焦透镜可以用于对场景中感兴趣的区域进行放大。
附图简述现在参考附图详细描述本发明的示例实施例，附图中
图1A是全向成象装置的示例实施例的侧视图。
图1B是另一个实施例的侧视图，其中抛物形反射器通过透明支承连接于图象传感器。
图2是安装在底板上的抛物形反射器的等尺寸图。
图3是映射到柱面坐标系中的抛物形反射器的部分等尺寸图。
图4是来自曲面反射表面的正交反射的几何代表。
图5示出从基本上为抛物形反射器到图象传感器的正交反射。
图6示出如何利用抛物形反射器从单个视点能够观看半球形场景的任何所选部分。
图7是具有两个背靠背基本上为抛物形反射器和两个图象传感器的全向成象装置的侧视图。
图8是背靠背定位并具有公共抛物轴和公共焦点的两个基本上为抛物形反射器的截面图。
图9示出图象数据映射到柱面坐标，从而能够产生全景视图。
图10是对来自单个视点的基本为半球形场景的图象进行感测和处理的方法的示例的流程图。
图11是根据本发明的全向成象装置的实施例的侧视图，它包括扩展的抛物形反射器。
图12是根据本发明的全向成象装置的实施例的侧视图，它包括在相对于反射器抛物线轴倾斜的平面上截断的抛物形反射器。
图13是根据本发明的全向成象装置的实施例的侧视图，它包括大于图象传感器的成象区的抛物形反射器。
图14是根据本发明的全向成象装置的实施例的侧视图，它包括凹面抛物形反射器。
图15是根据本发明的全向成象装置的实施例的侧视图，它包括与抛物形反射器和图象传感器光学耦合的变焦透镜。
图16是根据本发明的全向成象装置的实施例的部分等尺寸图，它包括安装在可移动底座上的抛物形反射器。
图17A是根据本发明的全向成象装置的实施例的侧视图，它包括安装在可移动底座上的图象传感器。
图17B是根据本发明的全向成象装置的实施例的侧视图，它包括可移动摄像机。
图17C是根据本发明的全向成象装置的实施例的侧视图，它包括可移动摄像机和光具。
图18是根据本发明的全向成象装置的实施例的部分等尺寸图，它包括包含四个肩并肩定位的电荷耦合器件的图象传感器。
图19是根据本发明的全向成象装置的实施例的侧视图，它包括多个图象传感器和分束器。
图20是根据本发明实施例的图象传感器的俯视图，其传感元件是非均匀分布和尺寸大小各异的。
图21是根据本发明的全向成象装置的实施例的侧视图，它包括与抛物形反射器和图象传感器光学耦合的平面反射镜。
图22是根据本发明的全向成象装置的实施例的侧视图，它包括与抛物形反射器和图象传感器光学耦合的显微物镜。
图23是根据本发明的全向成象装置的实施例的侧视图，它包括与抛物形反射器和成象透镜光学耦合的准直透镜。
图24A是根据本发明的全向成象装置的实施例的侧视图，它包括视场平化的平凹透镜。
图24B是根据本发明的全向成象装置的实施例的侧视图，它包括具有消球差侧的视场平化的弯月透镜。
图25是根据本发明的全向成象装置的实施例的侧视图，它包括两个凹面抛物形反射镜，用于对基本为球形视场成象。
详细描述图1A示出根据本发明一个示例实施例的全向成象装置100。安装在底板140上的凸面抛物形反射器135被定位为对基本为半球形场景130的图象产生正交反射。图象传感器110，如索尼公司提供的具有远心透镜或放大透镜112和远心孔径113的3CCD彩色视频摄像机装置111被定位为接收图象的正交反射。远心透镜或孔径的作用是滤除不垂直于透镜或孔径平面的所有光线，即不形成半球形场景的正交反射的一部分的背景光。
尽管这里的描述是关于可见光的，但是本发明同样可应用于其它的电磁辐射形式，如紫外光或红外光。
在图1B所示的本发明成象装置100的另一个示例实施例中，抛物形反射器可以通过透明支承136，如长的透明管与图象传感器耦合。
再参考图1A，视频摄像机110产生模拟视频信号，代表通过电缆150传送的正交反射图象。视频信号被数字化器120转换为数字信号，数字化器是商售的NTSC视频信号模-数转换器。
然后，数字信号通过电缆155传送给通用计算机125，如DEC α3000／6000工作站。正如将要进一步详细说明的，对计算机125编程，使用户能够观看半球形场景的任何所需部分，在场景的所选部分上变焦，或者以任何所需方式拍摄全景。
图象传感器110可以简单地是采用传统胶片的静止或移动图象照相机。图象传感器110也可以是提供数字视频信号输出的摄录像机或视频摄像机116，视频信号输出可以直接提供给计算机125，无需模拟-数字转换器120。
图2示出抛物形反射器135的等尺寸图，它从底座140延伸。反射器135可以包括涂覆高反射金属，如铝或银薄膜层145的抛物形塑料体。另外，反射器135也可以包括抛物形抛光金属体。对于后一种实施例，可以采用诸如不锈钢的金属。
图3更详细地示出抛物形反射器135以及图象传感器110上基本为半球形场景130的图象的正交反射的较佳几何关系。图3所示的反射器135以柱面坐标r、φ和z定义，基本上服从方程式z=h2-r22h--------(1)]]>式中z是旋转轴，r是径向坐标，h是常量。z轴与成象配置的光轴重合，由方程式(1)限定的抛物线的焦点315与坐标系的原点重合。图3所示的反射器135在平面p上被截断，平面p基本上垂直于z轴310，包括其抛物表面的焦点315。
所有的入射光305被反射抛物表面正交反射到图象传感器110，否则这些光线将通过焦点315。焦点315与从其观看基本为半球形场景130的单个视点重合。使图象传感器110沿成象系统的光轴310定位，其光敏表面垂直于光轴。利用正交反射能够从单个视点观看基本为球形场景，这是本发明的一个优点。
参考图4能够演示从单个视点观看的正交反射。在图4中，z和r是φ，角坐标的给定值的阈值柱面坐标。入射光线405相对于r轴的角度是θ。入射光线被反射表面415正交反射为出射光线410。
为了具有单个视点420，任何入射光线必须满足tan(θ)=z／r(2)对于正交反射，所有光线必须以下列角度反射α=π／2(3)式中α是出射光线410与光轴之间的角度。对于满足的这两个约束，以及使入射角等于反射角，显然，反射光线410与反射点的表面法向 之间的角度β必须等于 也可以表示为tan2β=tanα-tanθ1+tanαtanθ=2tanβ1-tan2β--------(5)]]>最后，反射表面415在 平面内反射点处的斜率为z′=dzdr=-tanβ--------(6)]]>将(6)和(4)代入(5)得-2dzdr1-(dzdr)2=rz--------(7)]]>对方程式(7)的二次表示式求解，得到dzdr]]>的两个解，但是为了避免被反射表面的自封闭。使曲线在右象限中的斜率为负(即表面是凸面)。结果是dzdr=zr-1+(zr)2--------(8)]]>如果a=z／r，以上表示式简化为a+1+a2=hr--------(9)]]>式中h是积分常数，将z=ra代入方程式(9)，得到方程式(1)。因此，存在一条曲线，绕 轴旋转时产生一个曲面，它将允许从单个视点对基本为半球形场景的正交反射。该曲线是由方程式(1)限定的抛物线，它具有与该抛物线焦点(420)重合的单个视点。
除了提供从单个视点观看基本为半球形场景外，根据本发明的全向成象装置能够观看场景的任何部分，能够变焦在所选部分上，能够拍摄场景的全景，所有这些相对于单个视点，无需图象重构或复杂的帧变换。
图5示出图象传感器如何从单个视点观看基本为半球形场景的一部分。图5还示出截断的基本为抛物形反射器135如何被映射到笛卡儿坐标系的。成象装置的光轴502与z轴重合，基本为抛物形反射器135的焦点502位于原点。来自所观看场景360一部分的入射光线505、510在点515和520处与反射表面相交，点515和520可以由它们各自的x和y坐标限定。点515和520分别位于虚的径向线516和521上，后者起源于径向的视点，即抛物形反射器的焦点501。由于这些光线被正交反射到图象传感器110，后者具有垂直于z轴的平的光敏表面，投射光线将在相同的各x和y坐标上与光敏表面相交。只有z轴是变化的。于是，正交投射光线与反射器135的相交点的x和y坐标与正交投射光线与图象传感器110的平光敏表面的相交点的x和y坐标之间存在一一对应关系。
在较佳配置中，图象传感器110包括平的电荷耦合器件(“CCD”)图象传感器，具有光敏单元阵列。每个单元对阵列中特定位置上的光强度进行感测。因此，采用一一对应关系，由覆盖格栅中x和y坐标的特定范围的CCD单元产生的图象信号代表了在x和y坐标的相同范围内的点上从反射表面135上被正交反射的光线。因此，图象向笛卡儿坐标系的映射对本领域专业技术人员而言是一项简单任务。
考虑到以上所述的一一对应关系，图6示出在基本为半球形场景的任何所选部分上变焦的技术。以与图5相同的方式，反射器135相对于正交的x、y和z轴定位。为了在以点550为中心的场景的所选部分上以焦距f变焦，用规定尺寸，仅选择与投影所选部分场景的反射表面区相同的x和y坐标范围而定位的CCD单元的图象信号进行放大和观看。
更具体地说，为了确定所选部分场景中点570的适当光强度，选择由位于580处CCD单元产生的光强度信号。正如图6所示，从点570与焦点551之间画出的线段在点552与反射器135相交。将点570的光强度设定为等于在580处由CCD单元产生的图象信号所表示的值，点580位于格栅中x和y坐标，最靠近点552的x和y坐标。对于在与投影所选部分场景的反射表面区相同的x和y坐标范围内的每个CCD单元，重复进行。由于上述的正交反射和一一对应关系的结果，不需要图象重构或复杂的帧变换。
本领域专业人员能够对通用计算机125编程，以进行上述步骤，能够从单个视点观看半球形场景的任何部分，也能够在任何特定部分上变焦提供该部分的放大图象。此外，通过沿反射器的指定相继点，能够拍摄半球形场景全景，即使一个人从单个视点观看场景。
在以上讨论的实施例中，显然，当在更小的场景部分上变焦时，给计算机125提供信息的CCD单元的数目被减少，因此，观看图象的粒度增大。在较佳实施例中，关于场景中不严格对应于CCD单元的点的信息是通过内插逐步逼近的。在本说明书的附录Ⅰ中含有可以在计算机125上执行的合适的内插程序。附于附录Ⅰ中的程序将所感测的全向图象映射为适合于显示在计算机125上的普通透视图象。程序要求用户输入被转换全向图象的名称、中心位置和半径。程序还要求用户输入所产生的透视图的名称以及透视图的焦距和尺寸。
因此，不是简单地选择由最近的CCD单元产生的图象信号来表示不是严格地对应于CCD单元的图象部分，而是基于由对应于场景的相邻部分的CCD单元产生的图象信号的适当平均，由所附的程序估测这种场景部分的图象。当然，可以采用本领域专业技术人员熟知的更复杂的内插程序，如基于多项式或时间匹配的这种程序，而不偏离由权利要求书限定的本发明的范围。
除了已经描述的产生透视图象的笛卡儿坐标映射外，也可以进行柱坐标映射，以获得被观看场景的全景图象。将参考图9描述柱坐标映射。在图9中，来自场景中点945的主光线950落在抛物形反射器935上，被正交反射到图象传感器910。正交反射光线960在敏感元965上撞击图象传感器。为了将由敏感元965代表的点映射到柱坐标中，环绕抛物形反射器935和图象传感器910对截断的圆柱体970成象。然后通过线960和950追溯由敏感元965代表的点，确定线950与截断的圆柱体970的相交点955。然后指定点955的敏感源965的光强度。对图象传感器910的每个敏感元，进行这一相同的计算。产生的位于截断的圆柱体970上的点的集合(具有适当的指定光强度)产生被观看场景的全景图象。通过将截断的圆柱体进一步映射为平表面可以在显示器上观看这一全景图象。本领域的专业技术人员很容易进行这一映射。此外，正如本领域专业技术人员将会明白的，柱坐标映射也可以采用以上针对笛卡儿坐标映射讨论的图象数据的内插。
在本发明的较佳实施例中，采用1／3英寸的CCD与焦距为0．4英寸的抛物形反射器，通过其焦点截断，直径1．6英寸。采用诸如EDMUND SCINTIFIC提供的P32921型的准直透镜与8．5英寸焦距的成象透镜将反射镜与CCD光学耦合。
在本发明的另一个示例实施例中，全向成象装置包括一个附加的基本为抛物形反射器735，如图7所示。附加的反射器定位为正交地投射附加半球形场景730的图象，该场景与半球形场景130互补，从而它们一起构成一个球形场景。附加的图象传感器710定位为接收被附加反射器735正交投射的图象。
代表附加反射器735的正交反射的图象信号以与以上描述相同的方式被转换器720转换为数字信号，经线725传送到同一个通用计算机125。
正如图8所示，反射器135和735背靠背地定位，共享一个共用旋转轴810(这也是成象装置的光轴)和一个共用焦点805，各自在基本上垂直于旋转轴810的并包括焦点805的平面p上被截断。
参考图10，图中示出一流程图1000，说明按照本发明的示例实施例从单个视点感测基本为半球形或球形场景的图象的方法。流程图1000表明从单个视点感测半球形场景的必要步骤。该方法要求正交地反射基本为半球形场景1010，和感测正交反射的图象1020。
该方法进一步还包括将图象信号转换为图象信号数据1030、将图象数据映射到合适的坐标系1040、对图象数据进行内插以导出丢失图象数据的合适值1060、以及由映射图象数据和内插图象数据形成数字图象1070的步骤。有利地，在内插步骤前可以进行规定观看方向、焦距、图象尺寸1045和在所选部分的图象数据上进行变焦的步骤。
至此，描述的示例实施例全都采用“法向”抛物形反射器。正如本说明书和所附的权利要求书中采用的，与抛物形反射器相关的术语“法向”是指在通过抛物形反射器焦点的以及基本上垂直于抛物形反射器抛物轴的平面上截断的抛物形反射器。正如本说明书和所附的权利要求书中采用的，抛物形反射器的抛物轴是指通过抛物形反射器的顶点和焦点的轴。如上所述，利用法向抛物形反射器，能够对整个半球面(π立体弧度)成象，或者通过将两个这种反射器背靠背地放置，能够对整个球面(2π立体弧度)成象。图11至15示出全向成象装置的进一步示例实施例，其中抛物形反射器也可以采取各种非法向抛物面的形式。
图11示出仅利用一个摄像机1111和一个抛物形反射器1135能够对大于半球面的视场(“FOV”)成象的全向成象装置。在图11的实施例中，抛物形反射器1135是通过用正交于抛物面的轴(z)但是在低于抛物面焦点1130的下方通过的平面切割合适反射器而获得的扩展抛物面。由于抛物面扩展到其焦点下方，抛物形反射器能够正交地反射来自低于其焦点的半球面的光线。在图11所示的实施例中，例如被抛物形反射器覆盖的视场为240度，或整个球面的75％。较佳地，如图11所示，摄像机1111和抛物形反射器1135通过光学系统1112相耦合。
图12示出可以用于对相对于抛物形反射器抛物轴倾斜的视场进行成象的全向成象装置。图12所示的实施例包括摄像机1211、光学系统1212、和抛物形反射器1235。抛物形反射器1235在通过抛物形反射器1235的焦点并相对于其抛物轴(z)倾斜的平面上被截断。这一反射器的视场因此是倾斜的半球面，如图12中虚线所示。尽管图12所示的实施例示出截断平面通过抛物面焦点，但是，本发明并不局限于这一实施例。截断平面也可以在抛物面焦点1230上方通过(由此导致视场小于半球面)，或者截断平面可以在焦点1230下方通过(由此导致视场大于半球面)。
图13示出可以用于对小于半球面的视场进行成象的全向成象装置。图13的实施例包括通过光学系统1312与抛物形反射器1335耦合的摄像机1311。在这个实施例中，抛物形反射器1335是这样形成的，它“大于”摄像机1311的成象区。就这一点来说，如果具有与反射器相同形状(即具有与方程式(1)中限定的相同的抛物常数h)的法向抛物面的底座大于摄像机成象区的最小尺寸，抛物形反射器“大于”摄像机的成象区。取法向抛物面的情况进行说明，显然，当这种抛物面大于摄像机的成象区时，只有小于全部半球面的视场能够被捕获在摄像机的成象区中，因为在抛物面的外侧边缘处的正交反射光线将不落在成象区上。然而有利地，利用这种抛物形反射镜捕获的图象比利用较小抛物面捕获的相应图象具有更高的分辨率。如图13所示，抛物形反射器1335的抛物轴(z’)可以相对于光轴(z)漂移，获得水平向的视场。此外，抛物形反射器1335不需要是法向抛物面，但是可以按照待成象的视场被截断。
至此，所讨论的所有的实施例都是由凸面抛物形反射器形成。在图14中，示出了根据本发明的全向成象装置的实施例，包括摄像机1411、光学系统1412和凹面抛物形反射器1435。凹面抛物形反射器可以使用在需要隐蔽反射器的应用中(例如，在需要针对天气进行保护的户外应用中)。在凹面抛物形反射器的情况中，场景的抛物图象是“倒转的”，但是图象继续满足以上揭示的单个视点制约。因此，从凹面抛物图象可以产生纯透视图象，正象凸面抛物图象一样。然而，在凹面抛物面的情况中，用单个反射器能够获得大部分半球面视场。这一半球面视场是通过用通过抛物面焦点1435的平面(或是正交于或是相对于抛物面的轴(z)倾斜的平面)获得的。尽管也可以采用在其焦点上方截断的凹面抛物面，由于它自身引起对图象的遮挡，这种抛物面是不理想的。
正如图25所示，利用多个凹面抛物形反射器可以获得大于半球面的视场。在图25中，两个抛物形反射器2535a和2535b是这样定位的，它们共享一个共用抛物轴(z)，它们的顶点2545相重合。与图象传感器2511a和2511b一起，两个抛物形反射器2535a和2535b能够分别对两个半球面2530a和2530b成象。当为了隐蔽或保护需要使反射器凹陷时可以有利地使用这一系统。利用这一配置中的凹面反射镜而不是利用图7所示配置中的凸面反射镜的缺点在于，小的盲点(包括两个反射器的截断平面之间的区域)是不可避免的。
图15示出根据本发明的具有变焦能力的全向成象系统的实施例。图15的全向成象系统包括抛物形反射器1535、摄像机1511、变焦透镜1512和中继光学系统1513(正如本说明书和所附的权利要求书中所采用的，中继光学系统和准直光学系统是同义的)。采用设定为其最低光焦度的变焦透镜1512，全向成象系统提供整个半球面的图象(或者如果采用图11或图13的实施例，大于或小于半球面)。在变焦时，变焦透镜1512提供对较小视场的较高放大率(因此更高的分辨率)。在变焦时，变焦透镜1512的投影的有效中心必须保持大致固定，以保证成象系统保持远心。较佳地，采用中继光学系统1513来保证变焦透镜1512在其整个设定上保持远心。
在图15的实施例中，变焦透镜1512可以相对于抛物形反射器1535是固定的或是移动的。如果变焦透镜1512是固定的，在放大下只能观察抛物轴(z)周围的区域。因此较佳地，变焦透镜1512配备有一些移动装置，允许变焦透镜沿抛物形反射器1535的外侧边缘在图象区上定位。当然，这种移动装置必须保证变焦透镜1512的光轴在所有时间保持平行于抛物形反射器1535的抛物轴。
图16示出可以用于产生场景的动态变化示出的全向成象系统。抛物形反射器1635安装在可移动的底座1740上，它允许抛物形反射器1635沿x、y和z轴平移。可移动的底座1640可以手工控制或者受计算机控制。利用可移动的底座1640，例如利用可移动底座绕光轴(z)的圆周运动能够产生场景的动态变化视场。较佳地，正如以前所描述的对图象进行处理，以获得透视或全景视图。
图16进一步示出变焦透镜1612与可移动底座1640组合使用。变焦透镜1612增加了通过可移动底座1640的移动变焦到抛物形反射器1635的成象系统视场中区域的能力。较佳地，采用中继透镜1613时变焦透镜与抛物形反射器1635相耦合。此外，变焦透镜1612较佳地包括手工或自动焦点控制，以保证在抛物形反射器1635的整个部分上维持图象的锐度。另一方面，也可以采用反射器沿z轴的平移来调节图象的焦点。
不是象图16所示实施例中那样移动抛物形反射器，而是移动成象系统的摄像机或光学系统的一个或多个部件，也可以实现与图16实施例相同的效果。图17A、17B和17C示出这种全向成象系统的不同示例实施例。在图17A中，图象传感器1710(诸如CCD)设置有可移动装置，在图17B中，摄像机1711设置有可移动装置，在图17C中，摄像机1711和光学系统1712二者都设置有可移动装置，一起同时移动。正如图所示，可以使每个部件沿x、y和z轴的任何一个移动，以改变被成象的视场。正如图16所示，可以采用变焦透镜对感兴趣的区域进行放大。有利地，通过移动摄像机或光学系统，而不是移动抛物形反射器，全向成象系统的视点在空间中保持固定在抛物形反射器的焦点上。
在监视系统中采用图16、17A、17B和17C的实施例是有利的。这些实施例的全向成象能力允许操作者一次监测感兴趣的整个区域。当操作者观察被监测区域内的感兴趣区域时，操作者可以选择适当的平移坐标(对于摄像机、光学系统或抛物形反射器的移动)和适当的变焦设定，更详细地观看感兴趣的区域。
图18示出采用多个图象传感器实现图象分辨率增大的全向成象系统。图18的实施例包括抛物形反射器1835、视频电子电路1809、四个CCD元件1810a-1810d和成象光学系统1812。在这个实施例中，四个CCD元件1810a-1810d以非重叠排列方式肩并肩地放置。图18的实施例的优点是，商用CCD元件通常是以标准分辨率制备的，不管其尺寸大小。因此，通过利用四个商用1／4英寸CCD元件代替单个商用的1／2英寸CCD元件，图象的分辨率可以有利地被翻四倍。尽管图18示出采用以非重叠排列方式放置的CCD元件，但是这里描述的本发明并不局限于这种排列。因此，同样可以采用多个CCD元件部分重叠的排列。此外，可以将多个图象传感器制备成单个集成电路，每个图象传感器连接至其自己的视频电路。
图19示出利用多个图象传感器增大图象分辨率的另一个实施例。在这种情况中，多个图象传感器设置有多个摄像机1911。采用分束器将抛物图象的各个部分射在不同的摄像机上。因此有利地，用比仅用一个摄像机对整个图象成象更高的分辨率对抛物图象的每个部分进行成象。
在本发明的另一个示例的实施例中，可以采用二向色性分束器(未示出)将图象分束成多个单色图象，由多个单色图象检测器对其进行感测。这些单色图象后来通过本领域所公知的图象处理装置被适当地组合成全色图象。
图20示出平面图象传感器2010，例如CCD元件。利用典型的平面图象传感器与抛物形反射镜，捕获的抛物图象的有效分辨率的增大在图象边缘比其中心更大。例如，当采用平面图象传感器捕获被法向抛物形反射器反射的图象，被捕获图象的分辨率从图象的中心到其边缘增大四倍。为了补偿这一效应，改变图象传感器的敏感元2008的尺寸和位置，得到在整个图象上的均匀分辨率。也可以采用这一同样的方法来增大视场的所选部分中的分辨率。当特定时分辨率偏差难以加入时，也可以采用标准分辨率偏差，如由对数-极坐标传感器。
在本发明的全向成象装置中可以包含一个或多个平面反射镜，以实现光学系统和反射器放置的灵活性。图21示出一个较佳实施例，其中全向成象系统包括抛物形反射器2135、平面反射镜2116、中继透镜2113、成象透镜2112和摄像机2111。在图示的实施例中，将抛物形反射器2135定位在表面2140上方，平面反射镜2116、中继透镜2113、成象透镜2112和摄像机2111隐蔽在表面2140下方。平面反射镜2116定位在表面2140的开口2145下方，使来自抛物形反射器的图象折转90度，由此将图象重新射在中继透镜、成象透镜和摄像机上。尽管图中示出的平面反射镜位于抛物形反射器与中继透镜之间，但是平面反射镜也可以置于中继透镜与成象透镜之间或者成象透镜与摄像机之间，正如本领域专业技术人员将明白的。
图22示出全向成象系统的一个实施例，其中抛物形反射镜2235与图象传感器2210之间的光学系统包括低光焦度、倒置显微物镜2212。在这一实施例中，反射器2235处于通常被显微镜的目镜所占据的位置，图象传感器2210处于通常被玻璃片占据的位置。采用倒置的显微物镜对成象是有利的，因为商用显微物镜对象差作了很好校正。
图23示出全向成象系统的一个实施例，其中，准直透镜2313放置在抛物形反射镜2335与成象光学系统2313之间。其许多情况中需要使用商业上可提供的成象透镜，以节省设计专用透镜的成本和时间。然而，最常用的成象透镜是对离透镜很远的场景成象。确实，它们通常是针对距离透镜无限远的目标设计的。因此，用于对距离透镜较近的目标成象时，图象会存在各种类型的象差，退化透镜的有效分辨率。结果是“模糊的”或者使图象轮廓不清。在这个实施例中，通过利用准直透镜2313可解决这一问题，准直透镜在无限远处为成象光学系统2312产生一虚拟目标。因此有利地，采用准直透镜2313允许采用商业上可提供的成象透镜。
图24A和24B的实施例示出在图象传感器2410与成象透镜2413之间使用平场透镜。平场透镜是需要的，因为本发明的通常具有几毫米短焦距的抛物形反射器受到场曲率很大的困扰。消除这一成象缺点的一种方法是采用与场曲率相匹配的弯曲表面的图象传感器。然而，更具体地说，可以引入所谓的平场透镜的专用透镜，其曲率的符号与反射器的符号相反。因此，两个场曲率抵消，产生的图象表面是平的，允许整个图象锐聚焦在更平的图象传感器上。
图24A和24B示出两种类型的较佳的平场透镜。在图24A中，示出平凹透镜2412a。平凹透镜2412a尽可能靠近图象传感器2410放置。较佳地，平凹透镜2412a放置在与图象传感器窗口2410相接触。在这个位置上，平凹透镜2412a补偿反射器的场曲率，同时仅引入少量的非所需的象差。
图24B示出第二种类型的较佳的平场透镜，新月透镜2412b。新月透镜2412b的两个表面对入射光是不晕的，它不将球差、慧差或象散引入到光束中，它仅仅引入场曲率。新月透镜2412b具有由透镜厚度确定的标称平场效应，透镜越厚，平场效应越大。与图24A所示的平凹透镜2412a相反，图24B所示的新月透镜2412b不与图象传感器2410接触。
现在将说明平场透镜的理论。理论上，光学系统的最佳焦点的表面是平面。具有平的表面，CCD或其它类型的图象传感器能够在其整个面积上与最佳焦点表面相匹配，由此提供图象的最大分辨率。令人遗憾的是，光学系统具有在曲面表面上形成其最佳图象的趋势。于是，曲面的焦点表面和平的CCD表面在它们整个面积上不能匹配，一部分图象或全部图象将不是在最佳焦点上。
光学系统的场曲率称为其珀兹伐曲率。光学系统中每个光学元件对系统的珀兹伐曲率产生贡献。如果光学元件的表面上折射的，其对系统曲率的珀兹伐贡献为P=1-nnR]]>式中n是光学元件的折射率，R是光学元件表面的曲率半径。显然，表面的珀兹伐贡献依赖于半径的符号。如果表面是反射镜而不是折射表面，那么其珀兹伐贡献为P=-2R]]>图象的场曲率是通过取所有的反射和折射表面的贡献之和以及将该和乘以单个常数计算的。如果这个值不是0，那么，图象的场被弯曲，将会碰到以上讨论的问题(即，图象的表面和图象传感器的表面不完全匹配)。
令人遗憾的是，光学表面的曲率不能被消除，因为它们对其它用途，如控制球差、慧差和象散等是必需的。因为这些象差的控制依赖于光学元件的曲率，如果这些元件的曲率变化，这些象差会受到不利影响。然而，这是两个方面，其中光学系统的珀兹伐曲率可以变化，而系统的其它象差不变化。这两种方法形成以上描述的两种类型的平场透镜的基础。
改变珀兹伐曲率的第一种方法取决于位于图象表面上的光学表面的光学特性。如果光学表面位于图象的表面上(或是光学系统的中间图象或是最终图象)，那么，这一表面将不改变图象的球差、慧差或象散。唯一的改变是珀兹伐曲率。因此，通过将具有适当曲率半径的表面插入在系统的最终焦点上，可以校正系统的珀兹伐曲率。
改变珀兹伐曲率的第二种方法取决于不晕表面的光学特性。假设存在一个不晕表面，它定义如下让s为表面的物距，s’为象距。此外，让n和n’分别为进入表面前和进入表面后的材料的折射率(对于空气n=1，对于玻璃n＞1)。如果s和s’通过下式相联系s′=R(n′+n)n′=nsn′]]>那么，表面将不引入球差或慧差，仅引入很少量的象散。现在如果引入的厚透镜，其两个表面满足这一条件，那么，它们半径差将依赖于透镜的厚度。通过调节不晕透镜的厚度，这一事实可以被再次用于控制系统的珀兹伐曲率。这是以上讨论的厚的，新月平场透镜的基础。
在图24A所示的平凹透镜2412a的较佳实施例中，平凹透镜由BK7构成，其折射率(n)为1．517。弯曲(凹面)表面的半径r1为6．2mm。与弯曲表面r1相对的表面是平面，放置成与图象传感器窗口2417相接触。透镜的轴向厚度为1．5mm，光学直径为3mm。
在图24B所示的不晕透镜2412b的较佳实施例中，不晕透镜由丙烯酸塑料构成，其折射率(n)为1．494。弯曲(凸面)表面的半径r2为4．78mm，弯曲(凹面)表面的半径r3为2．16mm。透镜的轴向厚度为6．7mm，弯曲表面r2的光学直径为7mm，弯曲表面r3的光学直径为2．7mm。
尽管已经参考一定的较佳实施例描述了本发明，但是，对于本领域的专业技术人员而言，各种改进、变化和替换将是已知或显然的，而不偏离由所附权利要求书限定的本发明的精神和范围。
附录Ⅰcompute_image．c#include"stdlib．h"#include"imageutil．h"#include"stdio．h"#include"math．h"/*int main(int argc，char**argv) */main(argc，argv)int argc；char *argv[]；｛double sqrt()，atan()，sin()，cos()，acos()；unsigned char *r，*g，*b；unsigned char *red；unsigned char *green；unsigned char *blue；int xsize，ysize；int xosize，yosize；int i，j，x0，y0，x1，y1；double theta，phi；double ox，oy，oz；double px，py，pz；double qx，qy，qz；double tempx，tempy，tempz；double sx，sy，sz；double rad，mag；double xs，ys，zs；double dispx，dispy；int xcent，ycent，xnew，ynew，xpix，ypix，xpoint，ypointint xpixel，ypixel，indcxx，indcxy，xcenter，ycenter；float radius，focal；/* printf("completed initializations\n\n")；*/if(argc!=4){printf("argumentsxcenter，ycenter，radius\n")；exit(0)；}printf("\n")；xcent=atoi(argv[1])；ycent=atoi(argv[2])；radius=atof(argv[3])；printf("omni-imagexcenter=％d ycenter=％d radius=％f\n\n"，xcent，ycent，(float)radius)；printf("input view pixel[xnovel ynovel]")；scanf("％d ％d"，&xnew，&ynew)；printf("\n")；printf("selected view pixelxnew=％d ynew=％d\n\n"，xnew，ynew)；printf("input new image parameters [xpixels ypixels focal]")；scanf("％d ％d ％f"，&xpix，&ypix，&focal)；printf("\n")；printf("output imagexpixels=％d ypixels＝％d focal=％f\n\n"，xpix，ypix，(float)focal)；loadPPM("test．ppm"，&r，&g，&b，&xsize，&ysize)；printf("loaded omni-image file\n\n")；xosize=xpix；yosize=ypix；/* printf("set new img size，xsize=％d，ysize＝％d \n\n"，xosize，yosize)；red=(unsigned char*)malloc(xosize* yosize* sizeof(unsigned char))；green=(unsigned char*)malloc(xosize* yosize* sizeof(unsigned char))；blue=(unsigned char*)malloc(xosize* yosize * sizeof(unsigned char))；printf("allocated memory for new image file\n\n")；xcenter=xcent；ycenter=ycent；xpoint=ynew-ycent；ypoint=xnew-xcent；tempx=(double)xpoint；tempy=(double)ypoint；tempz=(radius*radius-(tempx*tempx+tempy*tempy))/(2*radius)；ox=tempx／sqrt(tempx*tempx+tempy*tempy+tempz*tempz)；oy=tempy/sqrt(tempx*tempx+tempy*tempy+tempz*tempz)；oz=tempz／sqrt(tempx*tempx+tempy*tempy+tempz*tempz)；/* computed optical(z) axis*/tempx=-oy；tempy=ox；tempz=0；px=tempx／sqrt(tempx*tempx+tempy*tempy+tempz*tempz)；py=tempy/sqrt(tempx*tempx+tempy*tempy+tempz*tempz)；pz=tempz/sqrt(tempx*tempx+tempy*tempy+tempz*tempz)；/* computed horizontal axis */tempx=py*oz-pz*oy；tempy=pz*ox-px*oz；tempz=px*oy-py*ox;qx=tempx/sqrt(tempx*tempx+tempy*tempy+tempz*tempz)；qy=tempy/sqrt(tempx*tempx+tempy*tempy+tempz*tempz)；qz=tempz/sqrt(tempx*tempx+tempy*tempy+tempz*tempz)；/* computed vertical axis */printf("computed perspective image frame\n\n")；/* raster scan perspective image plane */for(i=0；i＜ypix；i++)｛dispy=(double)i-(double)ypix／2；for(j=0；j＜xpix；j++){dispx=(double)xpix/2-(double)j；sx=ox*focal+px*dispx+qx*dispy；sy=oy*focal+py*dispx+qy*dispy；sz=oz*focal+pz*dispx+qz*dispy；mag=sqrt(sx*sx+sy*sy+sz*sz)；sx=sx/mag；sy=sy/mag；sz=sz/mag；/* computed vector in direction of current pixel */phi=atan2(sy，sx)；theta=acos(sz/sqrt(sx*sx+sy*sy+sz*sz))；/* converted vector to polar coordinates */rad=2*radius*(1-cos(theta))/(1-cos(2*theta))；/* found radius of intersection on parabola */xs=rad*sin(theta)*cos(phi)；ys=rad*sin(theta)*sin(phi)；zs=rad*cos(theta)；/* found x，y，z coordinates on paraboloid *//* printf("xs=％f ys=％f zs=％f\n\n"，(float)xs，(float)ys，(float)zs)； *//* use xs，ys to read from input image and save in output image *//* check if image point lies outside parabolic image */if(sqrt(xs*xs+ys*ys)＞radius){red[i*xpix+j]=255；green[i*xpix+j]=255；blue[i*xpix+j]=255；｝else{indexx=(int)ys+xcenter；indexy=(int)xs+ycenter；/* printf("one pixel\n\n")；*//* write closest color value into pixel */red[i* xpix+j]=r[indexy* xsize+indexx]；green[i*xpix+j]=g[indexy*xsize+indexx]；blue{i*xpix-j]=b[indexy*xsize+indexx]；}}}printf("computed perspective image\n\n")；savePPM("out．ppm"，red，green，blue，xpix，ypix)；printf("saved new image file\n\n")system("xv out．ppm &")；free(r)；free(g)；free(b)；free(red)；free(green)；free(blue)；printf("freed allocated memory\n\n")；return0；}
权利要求
1．一种从单个视点感测场景图象的全向成象装置，其特征在于所述装置包括(a)截断的基本为抛物形反射器，定位为正交地反射从所述场景辐射的电磁辐射的主光线，所述抛物形反射器的焦点与包括所述抛物形反射器的所述全向成象装置的所述单个视点重合；(b)远心装置，与所述抛物形反射器光学耦合，用于基本上滤除不是被所述抛物形反射器正交反射的电磁辐射的主光线；及(c)一个或多个图象传感器，定位为接收来自所述抛物形反射器的电磁辐射的所述正交反射主光线，由此感测所述场景的所述图象。
2．如权利要求1所述的全向成象装置，其特征在于所述的抛物形反射器是凸面的。
3．如权利要求1所述的全向成象装置，其特征在于所述的抛物形反射器是凹面的。
4．如权利要求1所述的全向成象装置，其特征在于所述的抛物形反射器包括基本为抛物形的反射镜，其表面基本上服从以柱坐标表示的方程式z=h2-r22h,]]>z是所述表面的旋转轴，r是径向坐标，h是常数。
5．如权利要求1所述的全向成象装置，其特征在于所述一个或多个图象传感器包括一个或多个电荷耦合器件。
6．如权利要求1所述的全向成象装置，其特征在于所述一个或多个图象传感器包括一个或多个电荷注入器件。
7．如权利要求1所述的全向成象装置，其特征在于所述一个或多个图象传感器包括感光胶片。
8．如权利要求1所述的全向成象装置，其特征在于所述一个或多个图象传感器包括一个或多个视频摄像机。
9．如权利要求1所述的全向成象装置，其特征在于所述一个或多个图象传感器具有与所述图象的场曲率匹配的曲面。
10．如权利要求1所述的全向成象装置，其特征在于所述一个或多个图象传感器具有非均匀的分辨率。
11．如权利要求1所述的全向成象装置，其特征在于所述一个或多个图象传感器沿通过所述抛物形反射器的顶点以及通过所述抛物形反射器的所述焦点的轴定位。
12．如权利要求1所述的全向成象装置，其特征在于进一步包括在所述抛物形反射器与所述所述一个或多个图象传感器之间定位的一个或多个平面反射镜，其中，所述一个或多个平面反射镜使所述抛物形反射器与所述所述一个或多个图象传感器光学耦合。
13．如权利要求1所述的全向成象装置，其特征在于所述抛物形反射器包括在含有所述抛物形反射器的所述焦点的平面上截断的反射镜。
14．如权利要求1所述的全向成象装置，其特征在于所述抛物形反射器包括在基本上垂直于通过所述抛物形反射器顶点和通过抛物形反射器所述焦点的轴的平面上截断的反射镜。
15．如权利要求1所述的全向成象装置，其特征在于所述的抛物形反射器包括法向抛物反射镜。
16．如权利要求1所述的全向成象装置，其特征在于进一步包括将所述抛物形反射器耦合至所述一个或多个图象传感器，由此维持其相对位置的透明支承。
17．如权利要求1所述的全向成象装置，其特征在于进一步包括一固定底座和一可移动的底座，其中，所述抛物形反射器安装在所述固定底座上，所述一个或多个图象传感器安装在所述可移动的底座上，由此所述一个或多个图象传感器的移动产生变化的视场。
18．如权利要求17所述的全向成象装置，其特征在于进一步包括位于所述一个或多个图象传感器与所述抛物形反射器之间并使之光学耦合的变焦透镜。
19．如权利要求1所述的全向成象装置，其特征在于进一步包括一固定底座和一可移动的底座，其中，所述抛物形反射器安装在所述可移动底座上，所述一个或多个图象传感器安装在所述固定底座上，由此所述抛物形反射器的移动产生变化的视场。
20．如权利要求19所述的全向成象装置，其特征在于进一步包括位于所述一个或多个图象传感器与所述抛物形反射器之间并使之光学耦合的变焦透镜。
21．如权利要求1所述的全向成象装置，其特征在于所述一个或多个图象传感器产生图象信号，代表所述场景的所述图象，进一步包括与所述一个或多个图象传感器耦合并接收所述图象信号将所述图象信号转变为图象信号数据的的图象信号处理装置。
22．如权利要求21所述的全向成象装置，其特征在于所述图象信号处理装置将所述图象信号数据映射到笛卡儿坐标系，产生透视图象。
23．如权利要求21所述的全向成象装置，其特征在于所述图象信号处理装置将所述图象信号数据映射到柱坐标系，产生全景图象。
24．如权利要求21所述的全向成象装置，其特征在于所述图象信号处理装置进一步包括提供内插图象数据的内插装置，由此使所述内插图象数据与所述图象信号数据组合，形成数字图象。
25．如权利要求24所述的全向成象装置，其特征在于所述图象处理装置进一步包括在预选的这部分所述数字图象上进行变焦的装置，由此从预定焦距提供所述预选部分的放大图象。
26．如权利要求1所述的全向成象装置，其特征在于所述远心装置包括远心透镜。
27．如权利要求1所述的全向成象装置，其特征在于所述远心装置包括远心孔径。
28．如权利要求1所述的全向成象装置，其特征在于进一步包括至少一个使所述一个或多个图象传感器和所述抛物形反射器光学耦合的透镜。
29．如权利要求28所述的全向成象装置，其特征在于所述至少一个透镜具有所述一个或多个图象传感器与所述至少一个透镜之间的焦平面，其中，所述远心装置是沿所述焦平面定位的远心孔径。
30．如权利要求28所述的全向成象装置，其特征在于所述远心装置包括使所述抛物形反射器与所述至少一个透镜光学耦合的准直透镜。
31．如权利要求1所述的全向成象装置，其特征在于进一步包括使所述一个或多个图象传感器与所述抛物形反射器光学耦合的变焦透镜。
32．如权利要求1所述的全向成象装置，其特征在于进一步包括使所述一个或多个图象传感器与所述抛物形反射器光学耦合的显微物镜。
33．如权利要求1所述的全向成象装置，其特征在于进一步包括使所述一个或多个图象传感器与所述抛物形反射器光学耦合的平场透镜，所述平场透镜具有与所述抛物形反射器的场曲率大致相反的场曲率。
34．如权利要求33所述的全向成象装置，其特征在于所述平场透镜包括紧靠所述一个或多个图象传感器定位的平-凹透镜。
35．如权利要求33所述的全向成象装置，其特征在于所述平场透镜包括具有不晕侧的凹凸透镜。
36．如权利要求1所述的全向成象装置，其特征在于所述场景是基本为半球形景象，并进一步包括；一个附加的截断的基本为抛物形的反射器，定位为正交地反射从一个附加半球形场景辐射的电磁辐射的主光线，所述附加的抛物形反射器的焦点与所述附加半球形场景的单个视点重合；附加的远心装置，与所述附加的抛物形反射器光学耦合，用于基本上滤除不是被所述附加抛物形反射器正交反射的电磁辐射的主光线；及附加的一个或多个图象传感器，定位为接收来自所述附加抛物形反射器的电磁辐射的所述正交反射主光线，由此感测所述附加基本为半球形场景。
37．如权利要求36所述的全向成象装置，其特征在于所述附加半球形场景和所述半球形场景基本是彼此互补的，以致于其组合基本是一个球形场景，其中，所述抛物形反射器和所述附加抛物形反射器是法向凸面抛物面，沿它们的截断平面背对背定位，具有一个公共抛物轴和一个公共焦点。
38．如权利要求36所述的全向成象装置，其特征在于所述附加半球形场景和所述半球形场景基本是彼此互补的，以致于其组合基本是一个球形场景，其中，所述抛物形反射器和所述附加抛物形反射器是法向凹面抛物面，这样定位的，它们的顶点重合并且它们共享一个公共抛物轴。
39．一种从单个视点感测场景图象的全向成象方法，其特征在于所述方法包括步骤(a)在截断的基本为抛物形反射器上正交地反射从所述场景辐射的电磁辐射的主光线，从而使所述全向成象方法的所述单个视点与所述抛物形反射器的焦点重合；(b)远心地滤除不是被所述抛物形反射器正交反射的电磁辐射的主光线；及(c)用一个或多个图象传感器感测来自所述抛物形反射器的电磁辐射的所述正交反射主光线，由此感测所述场景的所述图象。
40．如权利要求39所述的方法，其特征在于步骤(c)包括沿通过所述抛物形反射器顶点和通过所述抛物形反射器所述焦点的轴的位置感测所述场景的所述图象。
41．如权利要求39所述的方法，其特征在于进一步包括用位于所述抛物形反射器与所述一个或多个图象传感器之间的一个或多个平面反射镜使所述抛物形反射器与所述一个或多个图象传感器光学耦合的步骤。
42．如权利要求39所述的方法，其特征在于进一步包括提供代表所述场景所述图象的图象信号并将所述图象信号转换为图象信号数据的步骤。
43．如权利要求42所述的方法，其特征在于进一步包括将所述图象信号数据映射到笛卡儿坐标系，产生透视图象的步骤。
44．如权利要求42所述的方法，其特征在于进一步包括将所述图象信号数据映射到柱坐标系，产生全景图象的步骤。
45．如权利要求42所述的方法，其特征在于进一步包括插入所述图象信号数据以限定丢失图象数据的近似值，以及由所述映射图象数据和所述内插图象数据形成数字图象的步骤。
46．如权利要求45所述的方法，其特征在于进一步包括在预选这部分所述数字图象上变焦，由此由预定焦距获得所述预选部分的放大图象；插入所述图象数据以限定丢失图象数据的近似值；以及由所述映射图象数据和所述内插图象数据形成数字图象的步骤。
47．如权利要求39所述的方法，其特征在于所述场景基本为半球形，进一步包括步骤；在附加的截断的基本为抛物形的反射器上正交地反射从附加的基本为半球形场景辐射的电磁辐射的主光线，以致于所述附加的半球形场景的单个视点与所述附加的抛物形反射器的焦点重合；远心滤除不是被所述附加抛物形反射器正交反射的电磁辐射的任何主光线的大部分；及用一个或多个图象传感器感测来自所述附加的抛物形反射器的电磁辐射的所述正交反射主光线，由此感测所述附加的半球形场景。
48．一种从单个视点全向感测场景的图象的方法，其特征在于所述方法包括步骤(a)将截断的基本为抛物形的反射器安装在固定底座上；(b)将一个或多个图象传感器安装在可移动的底座上；(c)在所述基本为抛物形反射器上正交地反射从所述场景辐射的电磁辐射的主光线，使得所述全向成象方法的所述单个视点与所述抛物形反射器的焦点重合；(d)远心滤除不是被所述抛物形反射器正交反射的电磁辐射的任何主光线的大部分，(e)将所述可移动底座移动到第一位置；(f)用所述一个或多个图象传感器通过感测来自所述抛物形反射器的电磁辐射的所述正交反射主光线而感测具有第一视场的所述场景的第一图象；(g)将所述可移动底座移动到不同于第一位置的第二位置；及(h)用所述一个或多个图象传感器通过感测来自所述抛物形反射器的电磁辐射的所述正交反射主光线而感测具有第二视场的所述场景的第二图象。
49．如权利要求48所述的全向感测场景图象方法，其特征在于进一步包括用一个变焦透镜使所述基本为抛物形反射器与所述一个或多个图象传感器光学耦合的步骤。
50．如权利要求49所述的全向感测场景图象方法，其特征在于进一步包括用设定在第一放大率的变焦透镜定位所述场景内的感兴趣区；及通过将所述变焦透镜设定在大于所述第一放大率的第二放大率下，对所述感兴趣区进行放大。
51．一种从单个视点全向感测场景的图象的方法，其特征在于所述方法包括步骤(a)将截断的基本为抛物形的反射器安装在可移动的底座上；(b)将一个或多个图象传感器安装在固定的底座上；(c)在所述基本为抛物形反射器上正交地反射从所述场景辐射的电磁辐射的主光线，使得所述全向成象方法的所述单个视点与所述抛物形反射器的焦点重合；(d)远心滤除不是被所述抛物形反射器正交反射的电磁辐射的任何主光线的大部分，(e)将所述可移动底座移动到第一位置；(f)用所述一个或多个图象传感器通过感测来自所述抛物形反射器的电磁辐射的所述正交反射主光线而感测具有第一视场的所述场景的第一图象；(g)将所述可移动底座移动到不同于第一位置的第二位置；及(h)用所述一个或多个图象传感器通过感测来自所述抛物形反射器的电磁辐射的所述正交反射主光线而感测具有第二视场的所述场景的第二图象。
52．如权利要求51所述的全向感测场景图象方法，其特征在于进一步包括用一个变焦透镜使所述基本为抛物形反射器与所述一个或多个图象传感器光学耦合的步骤。
53．如权利要求52所述的全向感测场景图象方法，其特征在于进一步包括用设定在第一放大率的变焦透镜定位所述场景内的感兴趣区；及通过将所述变焦透镜设定在大于所述第一放大率的第二放大率下，对所述感兴趣区进行放大。
54．一种从单个视点感测场景的图象的全向成象装置，其特征在于所述装置包括(a)截断的基本为抛物形的反射器，定位为正交地反射从所述场景辐射的电磁辐射的主光线，所述抛物形反射器的焦点与包括所述抛物形反射器的所述全向成象装置的所述单个视点重合；(b)远心装置，与所述抛物形反射器光学耦合，用于基本上滤除不是被所述抛物形反射器正交反射的电磁辐射的主光线；(c)多个分束器，用于将电磁辐射的所述正交反射主光线分为多个光束，每个光束包括来自所述抛物形反射器的电磁辐射的所述正交反射主光线的一部分；及(d)多个图象传感器，每个图象传感器定位为接收所述多个光束中的至少一个光束，每个图象传感器由此感测所述场景的所述图象的一部分。
55．一种从单个视点感测场景的图象的全向成象装置，其特征在于所述装置包括(a)截断的基本为抛物形的反射器，定位为正交地反射从所述场景辐射的电磁辐射的主光线，所述抛物形反射器的焦点与包括所述抛物形反射器的所述全向成象装置的所述单个视点重合；(b)远心装置，与所述抛物形反射器光学耦合，用于基本上滤除不是被所述抛物形反射器正交反射的电磁辐射的主光线；(c)多个二分色分束器，用于将电磁辐射的所述正交反射主光线分为电磁辐射的多个单色主光线；及(d)多个图象传感器，每个图象传感器定位为接收电磁辐射的所述多个单色主光线中的至少一个主光线，由此感测所述场景的至少一个单色图象。
全文摘要
这里揭示的发明是从单个视点感测场景(130)的图象的全向成象装置。全向成象装置包括为正交地反射从所述场景辐射的电磁辐射的主光线而定位的截断的基本为抛物形的反射器(135),所述抛物形反射器的焦点与所述全向成象装置,包括所述抛物形反射器的所述单个视点相重合。全向成象装置还包括与所述抛物形反射器光学耦合的远心装置(112、113),用于基本上滤除不是被所述抛物形反射器正交反射的电磁辐射的主光线。全向成象装置还包括为接收来自所述抛物形反射器的电磁辐射的所述正交反射主光线而定位的一个或多个图象传感器(111),由此感测所述场景的所述图象。
文档编号H04N5/74GK1290355SQ98813411
公开日2001年4月4日 申请日期1998年12月4日 优先权日1997年12月5日
发明者S·K·纳亚尔, M·J·麦克法兰 申请人:纽约市哥伦比亚大学托管会