CN101102514A - 实时全景无缝无失真视频摄像机 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种实时全景无缝无失真视频摄像机。它包括主体外壳，主体外壳中间设有分隔板，位于分隔板上部的主体外壳侧壁上设有多个摄像头模块，摄像头模块通过摄像模块盒固定在主体外壳上，多个摄像头模块之间通过数据连接线相连接，主体外壳分隔板下方设有控制器、可充电蓄电池、开关电源。本发明可以作为实时的监控设备，可以在单一显示器上进行实时监控。还可以获取真实的道路信息以用于城镇的道路导航系统，结合路径选择程序对行走路线进行直观有效的引导。系统所获得的高质量全景视频可用于交互娱乐系统或交互军事训练系统中的真实环境影像的获得，并且可以安装于自动行走装置上用于机器人成像系统，以满足军事或治安侦察的目的。
Description
技术领域
本发明涉及摄像系统领域，尤其涉及一种实时全景无缝无失真视频摄像机。
背景技术
目前，视频装置有多种类型：民用的摄像机、带摄像功能的数码相机、监控摄像机、特殊成像摄像机。民用摄像机、数码相机和监控摄像机的视频获取共同特点是可视范围由镜头可视范围大小决定，因此除非使用球面镜头，否则不可能在不移动机体的情况下获得全景的视频图像。当前公知的使用球面镜头的全景成像系统，能够通过广角的光学成像镜头获得全景图像，但是展开后的图像产生了严重的图像变形效果，所得到的是失真严重的全景视频图像。已公布的方法中可以通过复杂耗时的计算机程序运算对变形图像进行处理，从而获得失真较小的图像，但是这种方法不可能实时的获得合理水平的分辨率图像，因此该方法不适用于实时视频获取的场合。
发明内容
本发明的目的是提供一种实时全景无缝无失真视频摄像机。
一种实时全景无缝无失真视频摄像机包括主体外壳，主体外壳中间设有分隔板，位于分隔板上部的主体外壳侧壁上设有多个摄像头模块，摄像头模块通过摄像模块盒固定在主体外壳上，多个摄像头模块之间通过数据连接线相连接，主体外壳分隔板下方设有控制器、可充电蓄电池、开关电源。
另一种实时全景无缝无失真视频摄像机包括主体外壳，主体外壳中间设有分隔板，位于分隔板上部的主体外壳侧壁上设有多个摄像头模块，摄像头模块通过摄像模块盒固定在主体外壳上，多个摄像头模块之间通过数据连接线相连接，主体外壳分隔板上方设有控制器，主体外壳分隔板下方设有开关电源，在主体外壳下方设有电池仓外壳，主体外壳底部设有对接母头，电池仓外壳顶部设有对接公头。
所述的多个摄像头模块阵列，数量为4～12。控制器采用PIC16C54单片机。主体外壳与电池仓外壳通过四芯对接插针，对接口母头和对接头公头来对插连接。
本发明能够提供全景视频图像的视频系统对于多种应用是非常有利的。作为系统实施的范例，此种系统可以作为实时的监控设备，可以在单一显示器上进行实时监控，省却了复杂的显示器阵列和多位置摄像头的安装。此外，可以获取真实的道路信息以用于城镇的道路导航系统，结合路径选择程序对行走路线进行直观有效的引导。系统所获得的高质量全景视频可用于交互娱乐系统或交互军事训练系统中的真实环境影像的获得。还可安装于自动行走装置上用于机器人成像系统，以满足军事或治安侦察的目的。
附图说明
图1是单体式实时全景无缝无失真视频摄像机剖视图；
图2是分体式实时全景无缝无失真视频摄像机剖视图；
图3(a)是分体式实时全景无缝无失真视频摄像机顶视图；
图3(b)是分体式实时全景无缝无失真视频摄像机连接部A-A剖视图；
图4是本发明的系统原理图；
图5是本发明的成像原理图
图6是本发明的软件流程图。
具体实施方式
如图1所示，单体式实时全景无缝无失真视频摄像机包括主体外壳1，主体外壳中间设有分隔板10，位于分隔板上部的主体外壳侧壁上设有多个摄像头模块3，摄像头模块通过摄像模块盒7固定在主体外壳上，多个摄像头模块之间通过数据连接线9相连接，主体外壳分隔板下方设有控制器11、可充电蓄电池12、开关电源13。单体式系统包括多个摄像头模块3阵列，数量为4～12。控制器11采用PIC16C54单片机。所有的系统部件集中在单一外壳中。在单体式系统工作状态下，系统分散部件少，集成度高，整体体积小，容易使用及管理，系统维护简便。
单体式实时全景无缝无失真视频摄像机通过连接外部电源获得工作电源和充电电源。在电源连接的情况下，六组摄像头即开始工作，获取周围视频信息。在外部电源无效的情况下，控制器11立即接通电池供电，其切换过程不会导致系统工作中断。内部蓄电池12在满电状态下可供给系统持续工作24小时。蓄电池电量用完后在仍无外部供电的情况下，主控板控制摄像机关机。如外部供电恢复，控制器11控制充电器对缺电蓄电池进行充电。
如图2所示分体式实时全景无缝无失真视频摄像机包括主体外壳1，主体外壳中间设有分隔板10，位于分隔板上部的主体外壳侧壁上设有多个摄像头模块3，摄像头模块通过摄像模块盒7固定在主体外壳上，多个摄像头模块之间通过数据连接线9相连接，主体外壳分隔板上方设有控制器11，主体外壳分隔板下方设有开关电源13，在主体外壳1下方设有电池仓外壳15，主体外壳1底部设有对接母头，电池仓外壳15顶部设有对接公头。分体式系统包括多个摄像头模块3阵列，数量为4～12。控制器11采用PIC16C54单片机。主体外壳1与电池仓外壳15通过四芯对接插针19，对接口母头19和对接头公头20来对插连接。系统部件分布于两个单体外壳中——主体外壳与电池外壳。在分体式系统工作状态下，主体通过接口3与电池部分连接，连接方式有直插和连线两种方式。通过直插方式连接的系统与单体式系统使用方式是相同的。通过连线方式可以把主体与电池分别放置，两者通过中间连线来建立工作状态。分体式工作状态下通过减轻主体重要增加了系统的灵活性，使用更为便利。
分体式实时全景无缝无失真视频摄像机通过连接外部电源获得工作电源和充电电源。在电源连接的情况下，六组摄像头即开始工作，获取周围视频信息。在外部电源无效并且电池部分正常连接的情况下，控制器11立即接通电池供电，其切换过程不会导致系统工作中断。内部蓄电池12在满电状态下可供给系统持续工作24小时。蓄电池电量用完后在仍无外部供电的情况下，主控板控制摄像机关机。如电池部分没有正常接入，则控制器11切断主机电源并关机。在外部电源和电池都正常连接的情况下，控制器11控制充电器对缺电蓄电池进行充电。
如图4所示，多摄像头阵列有六个独立高分辨率摄像头通过各自的广角光学镜头获得六个边界重叠的视频图像。获得的视频通过两路火线高速传输通道(Firewire 800)传输至计算机上的系统处理软件中。火线传输支持串行数据传输，使用两路火线即每三个独立摄像头占用一路通道，有效保证了1024×768大分辨率、30fps以上高数据量状态下视频的实时通畅传输。外部电路的供电部分用于支持系统稳定工作，以及无外接电源环境下的持续工作能力。视频数据传递至计算机内的处理软件中，经过软件标定、同步、匹配的环节把视频处理成图像上连续完整的视频段，经拼接成单一视频后最终输出成单一无失真的视频文件。
如图5所示，多摄像头阵列由六个独立高分辨率摄像头六边形柱面阵列分布，通过各自的广角光学镜头获得六个边界重叠的视频图像。六边柱面成像由六台独立的摄像机按照60度的夹角放置而成。由各摄像头的镜头角度形成了视区、盲区和重叠区。视区是无需经过处理即可进行最终拼接的视频区域。盲区内的物体无法被镜头摄入，是最终视频中无法获取的区域。重叠区的物体和环境同时存在于相邻的两摄像机视频的边缘位置上，两路独立的视频在处理软件中进行检测和匹配处理，形成可以与视区完美拼接的视频。
如图6所示，摄像头获取视频时，在每个视频帧采集时都在相应音频轨道写入一个时间戳，通过这些时间戳将各个视频流中属于同一时刻的帧都一一对应起来。摄像机先从不同方向拍摄一个平面模板(作为标定物)的多幅图像，对于每个视点获得图像，提取图像上的网格角点；平面模板与图像间的网格角点对应关系，确定了单应性矩阵(Homography)；那么对每幅图像，就可确定一个单应性矩阵，这样就能够通过摄像机标定的方法对各个视频流分别进行矫正。
接下来对一组同步的视频帧进行全景拼接，计算出各帧的拼接参数。拼接参数来自于帧配准、图像再投影和平滑拼接。首先对相邻的两个摄像头采集的同步对应帧进行图像配准，包括几何学配准和光度学配准。几何学配准采用先使用基于频域分析的方法来得到仿射模型，再进而根据需要，利用光流的方法在仿射模型的基础上得到投影模型；光度学配准利用一个从几何配准的输入图像估计光度模型参数。将光度模型分为RGB三个通道进行单独处理。接着将配准后的图像进行再投影。由于不同摄像机的图像之间存在视差，不能直接用于拼接。对图像进行圆柱投影可以减少图像之间的视差。由于图像间几何校正和光度学校正的误差，并且存在视差，使得图像间存在拼接裂缝，因此必须采用平滑策略消除全景视频中的拼接裂缝。对于简单的场景我们采用简单图像平滑策略，在两幅图的重叠区域，我们将两帧图的象素值按一定的权值合成到新图。对于复杂的场景采用多分辨率图像平滑策略，首先求得拼接后图像的重合区域在两帧图像上的对应部分，以这两幅公共部分图像的尺寸生成一幅二值图像，在缝合线的周围，不同的频段采用不同宽度的平滑带。在高频部分，也就是图像变化较为尖锐的部分，平滑带窄一些，而在频率较低的部分，也就是图像变化较为缓和的部分，平滑带宽一些。
然后将计算的拼接参数应用到各视频流中的每一帧，再将同步的每一组帧进行拼接，得到由全景帧组成的全景视频。由于各摄像头均固定焦距和相关光学参数，彼此之间位置固定，视频的融合区和成像区域为常数，每一帧的缝合合成函数也相同，因此可以保持拼接参数不变，这样就能极大的提高拼接效率。
Claims (7)
1.一种实时全景无缝无失真视频摄像机，其特征在于包括主体外壳(1)，主体外壳中间设有分隔板(10)，位于分隔板上部的主体外壳侧壁上设有多个摄像头模块(3)，摄像头模块通过摄像模块盒(7)固定在主体外壳上，多个摄像头模块之间通过数据连接线(9)相连接，主体外壳分隔板下方设有控制器(11)、可充电蓄电池(12)、开关电源(13)。
2.根据权利要求1所述的一种实时全景无缝无失真视频摄像机，其特征在于所述的多个摄像头模块(3)阵列，数量为4～12。
3.根据权利要求1所述的一种实时全景无缝无失真视频摄像机，其特征在于所述的控制器(11)采用PIC16C54单片机。
4.一种实时全景无缝无失真视频摄像机，其特征在于包括主体外壳(1)，主体外壳中间设有分隔板(10)，位于分隔板上部的主体外壳侧壁上设有多个摄像头模块(3)，摄像头模块通过摄像模块盒(7)固定在主体外壳上，多个摄像头模块之间通过数据连接线(9)相连接，主体外壳分隔板上方设有控制器(11)，主体外壳分隔板下方设有开关电源(13)，在主体外壳(1)下方设有电池仓外壳15，主体外壳(1)底部设有对接母头，电池仓外壳(15)顶部设有对接公头。
5.根据权利要求4所述的一种实时全景无缝无失真视频摄像机，其特征在于所述的多个摄像头模块(3)阵列，数量为4～12。
6.根据权利要求4所述的一种实时全景无缝无失真视频摄像机，其特征在于所述的控制器(11)采用PIC16C54单片机。
7.根据权利要求4所述的一种实时全景无缝无失真视频摄像机，其特征在于主体外壳(1)与电池仓外壳(15)通过四芯对接插针(19)，对接口母头(19)和对接头公头(20)来对插连接。
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