CN101221351B - 基于彩色ccd的全景扫描成像方法及其系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于彩色CCD的全景扫描成像方法及其系统。方法是通过半球全景环形透镜PAL成环带像，由面阵CCD或者线阵CCD通过沿环带像位置扫描成像，每一帧像都通过数据线传入计算机，通过计算机图像处理将各图像拼接后展开成全景图像。系统是把CCD固定在可以转动的机械转盘上，由电机控制转盘转动，电机通过电机控制电路模块由计算机控制，从而控制CCD转动扫描全景透镜所成像，采集的图像通过数据传输接口，传输入计算机，用图像处理程序完成对每副图像的拼接与展开。本发明通过计算机视觉技术，使得可以实时地产生360度全景图像，不但景深无限，而且有很好的分辨率，使用简单的线性化校正算法就可以对全景图像进行无畸变的校正，特别适合用于实时监控、防空领域。

Description

基于彩色CCD的全景扫描成像方法及其系统
技术领域
本发明涉及一种基于彩色CCD的全景扫描成像方法及其系统。
背景技术
全景成像技术是采用特殊的成像装置获得水平或者垂直方向上的大于180度半球视场或者全360度的视场。传统的光学系统遵循中心投影法为获得360°的全景成像，必须旋转整个成像系统，通过在各方向采集来的图像拼接得到全景图像。该方法的缺点是无法在同一时刻观察到整个视场的成像，并且难于控制整个成像系统旋转所带来的采集图像误差。为了克服这个缺点，人们提出了平面圆柱投影法FCP，并以此为基础设计出了PAL镜头，即全景环形透镜，在监控领域、机器人视觉和虚拟现实方面有着极大的应用价值。如中国专利文献200480018781.1公开，用PAL镜头、单位摄像机和基于PC的软件系统实时显示全景视频。该专利利用的是大面积的面阵CCD，这类CCD不但价格昂贵，而且国内难于购买。
发明内容：
本发明的目的是提供一种基于彩色CCD的全景扫描成像方法及其系统。
基于彩色CCD的全景扫描成像方法是通过半球全景环形透镜PAL成环带像，由面阵CCD或者线阵CCD通过沿环带像位置扫描成像，每一帧像都通过数据线传入计算机，通过计算机图像处理将各图像拼接后展开成全景图像；面阵CCD或者线阵CCD固定在机械转盘上，转盘的轴承与电机相连接，转盘转速由控制电路控制；面阵CCD或者线阵CCD镜头采用半球全景环形透镜，半球全景环形透镜(1)包括第一反射球面、两个第二反射球面、两个第一折射球面、第二折射球面；第一反射球面为前曲面，朝向半球全景环形透镜内部，两个第二反射球面为后曲面，朝向半球全景环形透镜内部，两个第一折射球面和第二折射球面为呈环状的外凸曲面，第一反射球面的四周与两第一折射球面一侧相连接；两个第一折射球面另一侧与两个第二反射球面一侧相连接，两个第二反射球面另一侧分别与第二折射球面两侧相连接。
所述的控制电路的内部模块连接关系为：微处理器与RS232接口芯片、A/D转换芯片、电流反馈单元、位置速度反馈单元、电机控制芯片相连接，电机控制芯片与电流反馈单元、电机、编码器相连接，编码器与位置速度反馈单元相连接，RS232串行总线与计算机相连接，I/O扩展口与A/D转换芯片相连接。
本发明具有的有益效果是：采用半球全景环形透镜作为镜头，通过用较小面积的面阵CCD或者线阵CCD旋转扫描成像，传输入计算机通过配套的软件对图像进行拼接与全景展开，可以近于实时的展现360度全景图像，也克服了大面积的面阵CCD分辨率不高、昂贵、难于购买的缺点。本发明通过数字图像处理和计算机视觉技术，使得可以实时地产生360度全景图像，不但景深无限，而且有很好的分辨率，使用简单的线性化校正算法就可以对全景图像进行无畸变的校正，特别适合用于实时监控、防空领域。
附图说明
图1是本发明中全景扫描成像机械装置示意图；
图2是本发明中的半球全景环形透镜结构示意图；
图3是本发明中电机控制电路示意图；
图4是本发明中计算机处理流程图。
具体实施方式
基于彩色CCD的全景扫描成像方法是通过半球全景环形透镜PAL成环带像，由面阵CCD或者线阵CCD通过沿环带像位置扫描成像，每一帧像都通过数据线传入计算机，通过计算机图像处理将各图像拼接后展开，成全景图像。所选的面阵图像传感器或者线阵CCD固定在机械转盘上，转盘由轴承连接与电机相连，通过控制转盘的转速，从而控制图像传感器的扫描速度。因为图像传感器有一定的响应时间，所以要通过电机控制软件优化电机的转动速度，使得电机配合图像的采集速度，采集到图像质量好的图像。采集来的图像通过数据传输接口包括USB2.0，并口，以太网或者1394传输入计算机，用图像处理程序完成对每副图像的拼接与展开，使用了简单的线性化校正算法就可以对全景图像进行无畸变的校正与展开。
如图1、2所示，基于彩色CCD的全景扫描成像系统中彻面阵CCD或者线阵CCD 2固定在机械转盘3上，转盘3的轴承与电机5相连接，转盘转速由控制电路6控制；面阵CCD或者线阵CCD镜头采用半球全景环形透镜，半球全景环形透镜1包括第一反射球面7、两个第二反射球面8、两个第一折射球面9、第二折射球面10；第一反射球面7为前曲面呈内凹的球面朝向透镜1内部的一面，两个第二反射球面8为后曲面呈环状的外凸的球面朝向透镜1内部的一面，两个第一折射球面9和第二折射球面10为呈环状的外凸曲面，第一反射球面7的四周与两第一折射球面9一侧相连接；两个第一折射球面9另一侧与两个第二反射球面8一侧相连接，两个第二反射球面8另一侧分别与第二折射球面10两侧相连接。图2中示出了A和B两条光线通过半球全景环形透镜经两次交替折反射的成像过程，它们经第一折射球面9折射，再经第一反射球面7和第二反射球面8反射，最后从第二折射球面10射出。在像面上形成像点A′和B′，转像透镜4的作用在于将物点经半球全景环形透镜所成的位于透镜内部或后方的虚像点成像为实像点并能为CCD等探测器所接收。半球全景环形透镜沿光轴方向的视场角范围为(90-α2，90+α1，)，可以成像的空间是该视场角绕光轴旋转所形成的三维立体空间。
如图3所示，控制电路的内部模块连接关系为：微处理器与RS232接口芯片、A/D转换芯片、电流反馈单元、位置速度反馈单元、电机控制芯片相连接，电机控制芯片与电流反馈单元、电机、编码器相连接，编码器与位置速度反馈单元相连接，RS232串行总线与计算机相连接，I/O扩展口与A/D转换芯片相连接。RS232把计算机输入数据传入微处理器，微处理器通过电机控制芯片控制电机的启停、转向、调速，从编码器引出位置速度反馈给微处理器，从而调节电机稳定运行，I/O扩展口为了实现更进一步的控制，通过A/D转换芯片与微处理器连接。
如图4所示，当软件开始时，检查各硬件设备是否连接好，如果连接好就开始初始化电机的运转参数，初始化成功之后，开始采集图像，保存图像，图像的两两拼接，然后整副图像的展开，成功后图像显示，再次循环到开始采集图像，依此循环，直到用户停止操作。采集来的图像通过数据传输接口包括USB2.0，并口，以太网或者1394传输入计算机，用基于计算机的图像处理程序完成对每副图像的拼接与展开，其中使用了简单的线性化校正算法就可以对全景图像进行无畸变的校正与展开。

Claims (2)

1.一种基于彩色CCD的全景扫描成像方法，其特征在于通过半球全景环形透镜PAL成环带像，由面阵CCD或者线阵CCD通过沿环带像位置扫描成像，每一帧像都通过数据线传入计算机，通过计算机图像处理将各图像拼接后展开成全景图像；面阵CCD或者线阵CCD固定在机械转盘(3)上，转盘(3)的轴承与电机(5)相连接，转盘转速由控制电路(6)控制；面阵CCD或者线阵CCD镜头采用半球全景环形透镜，半球全景环形透镜(1)包括第一反射球面(7)、两个第二反射球面(8)、两个第一折射球面(9)、第二折射球面(10)；第一反射球面(7)为前曲面，朝向半球全景环形透镜(1)内部，两个第二反射球面(8)为后曲面，朝向半球全景环形透镜(1)内部，两个第一折射球面(9)和第二折射球面(10)为呈环状的外凸曲面，第一反射球面(7)的四周与两第一折射球面(9)一侧相连接；两个第一折射球面(9)另一侧与两个第二反射球面(8)一侧相连接，两个第二反射球面(8)另一侧分别与第二折射球面(10)两侧相连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于彩色CCD的全景扫描成像方法，其特征在于所述的控制电路的内部模块连接关系为：微处理器分别与RS232接口芯片、A/D转换芯片、电流反馈单元、位置速度反馈单元、电机控制芯片相连接，电机控制芯片分别与电流反馈单元、电机、编码器相连接，编码器与位置速度反馈单元相连接，RS232串行总线与计算机相连接，I/O扩展口与A/D转换芯片相连接。
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Assignee: Hangzhou Zheda Three Color Instrument Co., Ltd.

Assignor: Zhejiang University

Contract record no.: 2013330000079

Denomination of invention: Panoramic scanning and imaging method and system based on colored CCD

Granted publication date: 20100825

License type: Common License

Record date: 20130419

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