CN101639621B - 以圆柱型模式或透视模式输出影像的方法 - Google Patents

Abstract

本发明是提供一种将方位角模式的影像转换成圆柱型模式或透视模式影像的方法。本发明的以圆柱型模式或透视模式输出影像的方法包括：(1)撷取一个广角影像，即一个圆型投影影像，其格式可以为下列任一种：全圆型、圆角型矩形与全投影；(2)利用一个视域角与该广角影像的一个圆柱型投影区域的半径，以在一个具有多方位角模式的影像中作选择；(3)详细定义一个来源投射影像区域的水平视域与垂直视域，且该来源投射影像区域是方位角模式；(4)转换该方位角模式的来源投射影像区域为一个圆柱型模式的来源投射影像区域；(5)转换该圆柱型模式的来源投射影像区域为一个透视型模式的来源投射影像区域；及(6)产生该输出影像。

Description

以圆柱型模式或透视模式输出影像的方法

技术领域

本发明是提供一种以圆柱型模式或透视模式输出影像的方法，尤其是涉及一种将方位角模式的影像转换成圆柱型模式或透视模式影像的方法。 

背景技术

在影像系统，一般使用广角镜头这样的状况已经很久了。尤其是180度的鱼眼镜头在这个行业已经是很知名的。鱼眼镜头产生的影像一般与半球形、部分半球形、与视域有关。也就是说，广角镜头有较大的视角，这是相对于一般的照相机镜头而言。由于广角镜头所撷取的影像，一般都有镜像桶状的变形。因此，在撷取影像时，为校正影像的变形，大部分的浸入式观察器(immersiveviewer)会在来源影像的图像上执行几何式转换程序。依据“透视型校正(perspective correction)”或“减少变形(dewarping)”方法，转换程序中会扭曲影像，以校正透视型影像。“透视型校正”方法会基于影像观察位置(imageviewing position)的方向，调整影像至合适的透视型影像。 

目前，可以防止鱼眼影像的部分变形已有很好的方法与装置了。但是，这些传统的方法与装置依然受限于许多限制。例如： 

(1)半球形模式(hemisphere model)受到180度的限制。 

(2)当视角位置越接近180度时，透视型视图(perspective view)的变形也增加。 

(3)无法产生180度的视野或超过透视视图(perspective view)的影像。 

(4)仅以半球形来描述真实的鱼眼镜头或广角镜头是不够的。 

(5)透视视图可显示鱼眼影像中未变形部分视图，但无法让观察器同时观察未变形的视图与整个影像以及他们之间的关系。 

因此，找到一种可以撷取并观察广角影像的方法与装置视有必要的。其条件必须如下： 

(1)180度视域角的限制必须打破，甚至，视域角必须可以达到360度。 

(2)广角镜头必须可以表示出整个影像。 

(3)必须有一种方法可以运用于真实的广角镜头上。 

(4)当变形部分已经校正过或减少时，投影器可将完整的广角影像投射成所要的标的影像。 

找出一种可以选择并防止由广角镜头所撷取的影像变形的方法是非常重要的，尤其是针对鱼眼镜头所撷取的影像。 

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种以圆柱型模式或透视模式输出影像的方法，意在于将广角的动态影像转换成变形减少的圆柱型模式或透视模式影像。 

以圆柱型模式或透视模式输出影像的方法，包括：(1)撷取一个广角影像，是一个圆型投影影像(circular projection image)，其格式可以为下列任一种：全圆型(full circle)、圆角型矩形(rounded rectangle)或全投影(fullprojection)；(2)利用一个视域角(degree of view)与该广角影像的一个圆柱型投影区域的半径，以在一个具有多方位角模式(Azimuthal Mode)的影像中作选择；(3)详细定义一个来源投射影像区域的水平视域(HFOVR；horizontalfield of view range)与垂直视域(VFOVR；vertical field of view range)，且该来源投射影像区域是方位角模式；(4)转换该方位角模式的来源投射影像区域为一个圆柱型模式(Cylindrical Mode)的来源投射影像区域；(5)转换该圆柱型模式的来源投射影像区域为一个透视型模式(Perspective Mode)的来源投射影像区域；及(6)产生输出影像。 

进一步的，所述的广角影像所具有的视域角大于或等于180度，所述的投射的水平视域角大于或等于180度，垂直视域角大于或等于90度，且当广角影像被位于影像墙上的广角镜头所撷取时，广角影像可涵盖全部景像。优选的，所述的广角影像所具有的视域角大于或等于109.47122度，所述的投射的水平视域角大于或等于90度，垂直视域角大于或等于90度，且当广角影像被位于影像墙角落上的广角镜头所撷取时，广角影像可涵盖全部景像。 

进一步的，所述的圆型投影影像是一个赤道线投影影像。或者，所述的圆型投影影像是一个极点投影影像。或者，所述的圆型投影影像是一个斜角投影影像。 

进一步的，所述的方位角模式包括直角模式、蓝伯特等面积模式、等距离模式、立体模式、日晷模式或垂直透视模式。 

进一步的，所述的输出影像是一个透视型模式的影像。或者，所述的输出影像是一个圆柱型模式的影像。或者，所述的输出影像包含多个子影像，且所述的子影像是圆柱型模式或透视型模式。针对三种不同的输出影像用相应不同的方式实现。 

本发明是有关于利用一种装置、算法与方法将一个单一且变形的广角影像转换成单一或多个子影像组合成的影像，再行输出。直接利用人的眼睛所视来比较判断，该标的子影像已经是明显是变形已经减少了的，或者在透视模式下以经校正过了的。因此，本发明解决已有技术的难题，具有相当优势。 

附图说明

图1A是本发明的以圆柱型模式或透视模式输出影像的方法的实施例一的示意图； 

图1B是本发明的以圆柱型模式或透视模式输出影像的方法的实施例二的示意图； 

图1C是本发明的以圆柱型模式或透视模式输出影像的方法的实施例三的示意图； 

图1D是本发明的以圆柱型模式或透视模式输出影像的方法的实施例四的示意图； 

图1E是本发明的以圆柱型模式或透视模式输出影像的方法的实施例五的示意图； 

图1F是本发明的以圆柱型模式或透视模式输出影像的方法的实施例六大示意图； 

图1A-1是一个极坐标方位的方位角投影示意图； 

图1A-1’是一个赤道线方位的方位角投影图； 

图1A-2是一个方位角至圆柱型投影的正切示意图； 

图1A-3是一个方位角至圆柱型投影的正割示意图； 

图1B-1是一个极坐标投影示意图； 

图1B-2是一个赤道线投影示意图； 

图1B-3是一个斜角投影示意图； 

图1B-4是图1A-2的另一观察方向的示意图； 

图1B-5是图1A-3的另一观察方向的示意图； 

图2是广角影像中不同的方位角模式与不同的视域角比较的一览表； 

图3是圆柱型模式至方位角模式的反向图像投影示意图； 

图4A是一个延展的来源广角影像的示意图； 

图4B是一个标的影像的示意图； 

图4C是一个具有详细说明的水平视域与垂直视域的标的影像的示意图； 

图5A～图5D是包括了三个控制因素与圆柱型影像的示意图； 

图6是转换一个方位角模式的动态影像至一个圆柱型模式的动态影像的连续图像示意图； 

图7是利用图像投影技术推衍出相关新的圆柱型影像； 

图8是可能的镜头投影型式与结果影像的一览表； 

图9是方位角与蒂梭扭曲指数对照图(Tissot distortion indicatrix)一览表； 

图10是具有透视投影的方位角的示意图； 

图11是一个方位角模式的等面积影像与方位角模式的等距离影像； 

图12是多个立体投影示意图； 

图13是在一个房间内观察整个区域并装设一个摄影机于该方间的墙面示意图； 

图14是装设一台摄影机于一个房间的角落的较高处与角锥体视野空间图式； 

图15是可求得最小视域角的方程式与相关图像图式； 

图16是一个圆柱型模式的等距离投影与蒂梭扭曲指数对照图； 

图17根据量测并绘出图像变形的概念图； 

图18是对应着一个圆柱型标的平面的经度角与纬度角的计算示意图； 

图19是产生一个可输出的透视型影像的连续图像示意图。 

【主要组件符号说明】 

球状体101’    平面102’ 

极点投影或圆柱型投影121    赤道线投影(Equatorial projection)122 

斜角投影(Oblique projection)123    反向图像(inverse map)300 

圆柱型坐标(λ，φ)的影像301    方位角坐标(x，y)的影像302 

视域611、612、613、614    输出动态影像1003 

全圆形影像(full circle)801    圆角型矩形(rounded rectangle)802、803 

全投影(full projection)804    光学CCD/CMOS感应器810 

方位角投影区域811    球状体(spheroid)101’ 

经纬线(graticule)105    正交投影901、903 

等面积投影902、1101    等距离投影903、1102 

立体投影904、1002、1200    日晷投影905、1001 

垂直透视投影1004    正切圆柱表面103 

正割圆柱表面104    方形经纬线105 

房间1302    房间1402 

角锥体视野空间(cone viewing space)1401    方程式1501 

方向1504    直角投影901、1003 

方位角等距离投影903、1102    蓝伯特方位角等面积投影902、1101 

正切点1005    方位角立体投影904、1002、1200 

投影1204、1202    投影501、502、504、505、506、507、508、706 

经度水平视域404    纬度垂直视域405 

旋转-拉近拉远-对焦(PAN-TILT-ZOOM)108 

具体实施方式

现结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明。 

本发明系有关于利用一个广角镜头产生的影像。如图1A-1、图1A-1’、图1A-2、图1B-4所示，该影像可以是一个球状体101’，并投影至平面102’。该平面102’通常正切(tangent)于该球状体101’，但是横切(secant)的，如图1A-3与图1B-5所示。这些影像也是方位角模式(Azimuthal Mode)或天顶模 式(Zenithal Mode)的投影影像。正切点(the point of tangency)详细定义出投影的方位。以功能性而言，该方位是投影的聚焦(focus)。平面投影(planarprojection)的一般方位(regular aspect)是一个极点投影121、一个赤道线投影(Equatorial projection)122、与一个斜角投影(Oblique projection)123，如图1B-1、图1B-2与图1B-3所示。本发明的广角影像是由方位角模式投影的，该方位角模式投影有如直角投影(orthographic projection)、立体投影(stereographic projection)、日晷投影(gnomonic projection)、等距离投影(equal-distance projection)、等距离投影(equal-area projection)、与垂直透视投影(vertical perspective projection)，如图2所示。且所述的广角影像很容易延展至所有的方位角模式。 

介于方位角模式与圆柱型模式(Cylindrical Mode)的投影可以被定义出二组图像方程式(mapping equation)。第一组是前向方程式(forward equation)或直接关联(direct relation)。该前向方程式或直接关联可转换极坐标(经度λ，纬度φ，半径R)至笛卡儿坐标(Cartesian coordinate)(距原点的水平距离x，具原点的垂直距离y)，并且可提供一个方便的比例因素(scale factor)，而这个比例因素与地图的比例是不同的。设定此处的方程式是具有单一比例因素。第二组是一个反向方程式(inverse equation)，其是第一组的反向变换式。一个反向图像(inverse map)300被从一个圆柱型坐标(λ，φ)的影像301转换成一个方位角坐标(x，y)的影像302，如图3所示。本发明仅采用反向方程式。 

因为所述的广角影像会有严重的桶状变形(barrel distortion)，原因是与非广角影像相比较时，广角影像的视域角会有些许增加。这样的变形在平面影像上是从中心而发散对称的，在球状面上是从一个轴而对称的，如图4A与图5A所示。因此，找到一种可以解决变形的广角影像是必须的，特别视广角镜头具有广大的应用特色。 

本发明共利用三种投影，以推衍出标的影像(object image)。首先，该广角动态影像(wide-angle video image)是一种方位角模式的动态投影。透过这三种投影方式，具有的不同角度与光学特性的标的影像即衍生出来的，例如圆柱型投影(Cylindrical projection)动态影像或透视型投影(perspectiveprojection)动态影像。该三种投影将于以下内容中详细讨论。 

模式【1】：本模式是将方位角模式的动态影像转换成圆柱型模式的动态影像。图6中的多个视域611、612、613、614利用圆柱型投影影像的特征撷取每一个像素(pixel)(x，y)，该像素(x，y)具有经度λ与纬度φ的数值。其中，F1λ(x，y)与F1φ(x，y)是与每一个像素(x，y)中的经度值λ和纬度值φ有关的方程式，且如下式表示： 

λ[x，y]＝F1λ(x，y)..................(1-1)，与 

φ[x，y]＝F1φ(x，y)..................(1-2)。 

其中，x与y是笛卡儿坐标的平面，且是针对每一个圆柱型投影影像像素，λ与φ分别是经度与纬度上的弧度。 

模式【2】：此处的投影系采取模式【1】中圆柱型动态影像为来源影像，再利用局部影像透视技术(local image perspective view technique)以推衍出一个输出动态影像1003，如图10所示。从方程式(1-1)与方程式(1-2)中可知，每一点皆可用(λ，φ)显示，并可由以下式子获得： 

λ[x，y]＝F2λ(x，y)...............(2-1)，与 

φ[x，y]＝F2φ(x，y)...............(2-2)。 

其中，F2λ(x，y)与F2φ(x，y)是由相关的每一个像素(x，y)的经度值λ与纬度值φ所推衍出来。 

模式【3】：与模式【1】相比较，本模式的投影系利用一个反向图像投影(inverse mapping projection)，如图3所示，而将影像301转换为影像302。模式【3】的来源影像是采取来自模式【2】的透视型模式的影像。每一个透视型模式的影像的像素是有关于方位角影像的经度值λ与纬度值φ。以下是二个反向方程式(inverse equation)F3x(λp，φp)与F3y(λp，φp)： 

从一个圆柱形影像中定义一个特定点(λp，φp)，于是一个相关方位角影像的动态影像位置(x，y)可以由以下方程是求得： 

X[λp，φp]＝F3x(λp，φp)...............(3-1)，与 

y[λp，φp]＝F3y(λp，φp)...............(3-2)。 

其中，x与y是笛卡儿坐标的平面，且是方位角影像。方程式(3-1)与方程式(3-2)是圆柱型动态影像至方位角动态影像的反向方程式。 

本发明提供一种从一个选取的区域或减少变形的全区域中获取多个广角影像并产生透视型视图(perspective view)来形成一个标的影像的方法。请参考图1，是本发明的步骤示意图。本发明的方法包括以下步骤： 

(1)撷取一个广角影像，是一个方位角模式的圆型投影影像(circularprojection image)，且格式可以为下列任一种：全圆型(full circle)、圆角型矩形(rounded rectangle)或全投影(full projection)，如图8所示。 

(2)利用一个视域角(degree of view)与该广角影像的一个圆柱型投影区域的半径，以在一个具有多个方位角模式(Azimuthal Mode)的影像中作选择； 

(3)详细定义一个来源投射影像区域的水平视域(HFOVR；horizontal fieldof view range)与垂直视域(VFOVR；vert ical field of view range)，且该来源投射影像区域是方位角模式； 

(4)转换该方位角模式的来源投射影像区域为一个圆柱型模式 (Cylindrical Mode)的来源投射影像区域； 

(5)转换该圆柱型模式的来源投射影像区域为一个透视型模式(Perspective Mode)的来源投射影像区域；及 

(6)产生该输出影像。 

较佳的实施例一，请参考图1A所示，该输出影像是一个透视型影像，因此在上述步骤(5)之后包含以下步骤： 

(121)详细定义一个兴趣点与在该水平视域与该垂直视域的水平视域角； 

(122)产生该输出投影，且是透视型模式；及 

(123)推导出该影像，且是一个透视型模式的局部投影影像。 

较佳的实施例二，请参考图1B所示，当该输出影像包括多个子影像时，该子影像是圆柱型模式或透示型模式，因此在上述步骤(3)之后包含以下步骤： 

(131)详细定义一个兴趣点(hot-spots)、一个在该水平视域的中的水平视域角(HFOV)与垂直视域角(VFOV)，与每一个子影像的垂直视域(VFOVR)； 

(132)转换该方位角模式的来源投射影像区域为一个圆柱型模式(Cylindrical Mode)的来源投射影像区域； 

(133)推导出该子影像，且是圆柱型模式；及 

(134)产生出该输出影像，输出影像包括多个子影像，且是圆柱型模式或透视型模式。 

较佳的实施例三，请参考图1C所示，当该输出影像包括多个子影像时，该子影像是圆柱型模式或透示型模式，因此在上述步骤(3)之后包含以下步骤： 

(131’)详细定义一个水平视域角与一个垂直视域角，以相等于该水平视域与该垂直视域； 

(132’)转换该方位角模式的来源投射影像区域为一个圆柱型模式的全来源投射影像区域(source full projection region)；及 

(133’)产生出该输出影像，输出影像包括多个子影像，且是圆柱型模式或透视型模式。 

较佳的实施例四，请参考图1D所示，当该输出影像包括多个子影像时，该子影像是圆柱型模式或透示型模式，因此在上述步骤(4)之后包含以下步骤： 

(131”)详细定义一个兴趣点(hot-spots)、一个在该水平视域的中的一个水平视域角(HFOV)与一个在该垂直视域中的垂直视域角(VFOV)； 

(132”)转换该圆柱型模式的来源投射影像为一个透视型模式的来源投射影像； 

(133”)推导出该子影像，且是透视型模式的局部投影影像；及 

(134”)产生出该输出影像，输出影像包括多个子影像，且是圆柱型模式或透视型模式。 

较佳的实施例五，请参考图1E所示，当该输出影像是一个圆柱型影像时，在上述步骤(3)之后包含以下步骤： 

(141)详细定义一个兴趣点、一个水平视域与在该水平视域和该垂直视域中的垂直视域角； 

(142)转换该方位角模式的来源投射影像区域为一个圆柱型模式的来源投射影像区域；及 

(143)推导出该子影像，且是圆柱型模式的部分投影影像。 

较佳的实施例六，请参考图1F所示，当该输出影像是一个圆柱型影像时，在上述步骤(3)之后包含以下步骤： 

(141’)详细定义一个水平视域角与一个垂直视域角，以相等于该水平视域与该垂直视域； 

(142’)转换该方位角模式的来源投射影像区域为一个圆柱型模式的来源投射影像区域；及 

(143’)推导出该子影像，且是圆柱型模式的全投影影像。 

具有一个广角镜头或鱼眼镜头(fisheye lens)的数字动态影像相机是可撷取真实世界的景象(scene)，具有特别广角镜头视域角的数字化动态影像信号会被转换。请参考图8，不同的投影方法导致不同的影像，如全圆形影像(full circle)801、圆角型矩形(rounded rectangle)802、803与全投影(full projection)804，该些影像皆显示于光学CCD传感器/CMOS传感器810。该来源影像可以是一个种方位角模式的方位角投影区域811。如图1A-1所示，该极坐标方位(polar aspect)的多个方位角投影，如图1A-1’所示，赤道线方位的方位角模式投影，与方位角投影区域411是一个球状体(spheroid)101’的投影。该些投影点的多个方位角正对着球状体101’的中心。该方位角可以中心参考点(central reference point)与经度值、纬度值表示。 

目前有几种方位角的方位(azimuthal aspect)，且其投影系统的定位(placement)与球状体的轴是有关联的。这些方位是如图1A-1、图1B-1的极坐标方位(polar aspect)，如图1A-1′、图1B-2的赤道线方位(equatorial aspect)，如图1A-2、图1A-3、图1B-3、图1B-4、与图1B-5的斜角方位(oblique aspect)。极坐标方位是正切于球状体101’的极点。赤道线方位则正切于球状体101’的赤道线。斜角方位则正切于其它部位。本发明的较佳实施利则采用赤道线方位。本发明中的方位角投影具有下列特性：(a)当描述到一个方位角投影，且一个中心纬度与经度可以被清楚地定义时，一个标准点(standard point)其作用如一个投影的焦点。(b)如图1A-1所示，一个经纬线(graticule)105的九十度相交， 所有的线皆汇聚在中心点上，其中的经纬线是由地图上的纬度圈(parallel)与子午线(meridian)形成的格子(grid)定义出的。(c)如图8所示，所有自该中心点发出的方向皆是“真方向(true direction)”。(d)变型图像则是绕着中心点呈圆形。 

本发明利用了多个个方位角投影的模型，为来源输入动态影像。该多个模型有：(a)如图9、图10所示的正交投影901、903。(b)如图9、图11所示的等面积投影902、1101。(c)如图9、图11所示的等距离投影903、1102。(d)如图9、图10、图12所示的立体投影904、1002、1200。(e)如图9、图10所示的日晷投影905、1001。(f)如图10所示的垂直透视投影1004。若反向方程式(3-1)与方程式(3-2)可以推导出来，这些投影皆可被归纳为方位角模式。 

如图6与图8所示，输入单元依据投射到CCD(电荷耦合组件)传感器/CMOS(互补式金氧半导体)传感器上的影像的“真位置(true position)”，而定义出多个标的影像的水平视域(HFOVR)611与垂直视域(VFVOR)612、镜头的视域角、与投影种类。方位角模式的输出标的影像受限于水平视域与垂直视域。球状体表面的圆柱型投影被投影至一个正切圆柱表面103，如图1A-2所示，或是一个正割圆柱表面104，如图1A-3所示。然后，该正切圆柱表面103或正割圆柱表面104就延展如一平面。 

在如图6中的水平视域(HFOVR)611与垂直视域(VFVOR)612与图7中的一个兴趣点被定义时，可利用图像投影技术将相关新的圆柱型影像推衍出来。圆柱型模式由此而来，盖因投影的表面是一个圆柱状，如该正切圆柱表面103，如图1A-2所示，或是该正割圆柱表面104，如图1A-3所示。一个基本坐标系统的极坐标轴恰好是球状体101’与圆柱表面103的多个轴。子午线与并行线就被镜射至一个方形经纬线105。因此，圆柱型投影即可被方程所定义。于是，回到笛卡儿坐标。所有的圆柱型投影在一个参考点上时，皆由该基本坐标系统所组成。本发明的定义如下所示： 

(λ0，φ0)Cylindrical＝(0，0)...............(5-1) 

请参考图6，是本发明一个较佳实施例示意图。该较佳实施例包括了图1中的部分步骤。该实施例的步骤包括：(601)自一个广角镜头投影一个方位角的全/部分圆形区域；(602)自该方位角的全/部分圆形区域得出一个方位角投影影像；(603)依据水平视域613与垂直视域614在该方位角投影影像中选择一局部方位角投影影像；及(604)转换该局部方位角投影影像成一个局部圆柱型投影影像，该局部圆柱型投影影像具有一个新的水平视域611与一个新的垂直视域612。与原始方位角的全/部分圆形区域相比较，局部圆柱型投影影像在变形的方位有减少。使用者也可在水平视域与垂直视域中选择一组经度与纬度，及一个详细定义的兴趣点，以达到旋转-拉近拉远-对焦(PAN-TILT-ZOOM)的特性。 

请参考图2，一个完美的广角镜头，尤其是一个完美的鱼眼镜头，其该有下列特色：(1)在一镜子中投影的影像是从中心作对称分布的；(2)延着从原点至一标的点(object point)的投影影像平面的径向距离与一角度成正比，该角度是通过该投影影像平面的原点的一垂直线与从该原点至该标的点的一直线间的夹角。这意味着该完美的广角镜头所涵盖的全部景象(scene)是平均的。换句话说，影像中心的像素与影像边缘的像素是一样的。 

不幸地，不同的反正切镜头(arctangent lens)有不同的特性。这些特性包括了镜头视域角与投影特性(projection characteristic)。当视域角增加时，桶状变形也增加。方位角投影、日晷投影与立体投影是模拟真实广角镜头在光学与物理方面最好的模式。但每一种模式在不同范围的视域角都有其不同的限制，如图2所示。 

本发明可以看到整个视野(entire viewing)。请参考图13，当监视一房间1302的整个区域且一台摄影机装设于该房间1302的墙上时，该摄影机的镜头所捕捉到的影像可以提供其水平视域不小于180度，且垂直视域不小于90度。如图14所示，当一台摄影机装设于一房间1402的一角落的较高处时，一角锥体视野空间(cone viewing space)1401视可以涵盖整个视野。该角锥体的整个体积必须涵盖三顶点(vertex)(1，0，0)、(0，1，0)、(0，0，1)。最小镜头之视域角可由方程式1501求出。该方程式1501是2acos(1/sqrt(3))，结果是109.47度，其摄影机位置坐标是(0，0，0)，镜头位置坐标是(1/3，1/3，1/3)，并朝着一方向1504，如图15所示。结论是这个具有视域角不小于180度特征与CCD/CMOS传感器的镜头，而该传感器的水平视域不小于180度、垂直视域不小于90度，且其摄影机是装设于一房间的墙壁上等这样的条件是可以利用的；或是具有视域角不小于109.47度特征与CCD/CMOS传感器的镜头，而该传感器的水平视域不小于90度、垂直视域不小于90度，且其摄影机是装设于一房间的角落等这样的条件也是可以利用的，以提供一整个的视野。 

因为等距离投影是所有图像中最简单的。经纬线是属于圆柱型投影121的赤道线方位，如图1B-1所示。它是圆柱形投影，并具备有标准的纬度圈(parallel)与子午线(meridian)。所有的子午线都具有一定的比例，所有的纬度圈也都具有一定的比例。本发明采取的是圆柱型等距离投影，如图16所示。图16中的附数个小圆圈叫做底索指示线(Tissot indicatrix)或变形的椭圆(ellipse ofdistortion)，详见图17。图17是一种概念图，由工程师Nicolas Auguste Tissot量测并绘出图像变形概念图。当然，圆柱型等距投影并非仅单纯的圆柱型投影的转换，而是可以延展如其它的圆柱型投影，如莫卡托投影(Mercator)、米勒投影(Miller)、等面积投影(equal-area)等。方程式(1-1)与(1-2)可以用图18表示之： 

一个在圆柱型标地平面上的像素(x，y)，一个相关的经度

角度λ与一个相关的纬度角度φ，可由以下导出，其中：  w：圆柱型影像的宽度，以像素为单位  H：圆柱型影像的高度，以像素为单位  λ1：圆柱型影像的起始经度角  φ1：圆柱型影像的起始纬度角  λ2：圆柱型影像的结束经度角  φ2：圆柱型影像的结束纬度角  与  水平视域＝λ2-λ1  垂直视域＝φ2-φ1  且，相关的经度与纬度可以如下计算：  λ[x，y]＝F1λ(x，y)＝λ1+水平视域×x/w  φ[x，y]＝F1φ(x，y)＝φ1+垂直视域×y/h

(7-1)  (7-2)

方程式(7-1)与方程式(7-2)所导出的是标的圆柱型影像中的像素。为产生与一个来源广角影像相符的圆柱型投影，从方位角模式转换到圆柱型模式的反向图像方程式(2-1)与方程式(2-2)开始是必要的要件。本发明使用方位角是以模拟该广角圆形(wide-angle circular)投影、全投影(full projection)、或圆角形区域，皆是圆柱型影像(λ，φ)，如图8所示。因而得出该反向图像方程式(2-1)与(2-2)。而反向图像方程式(2-1)与(2-2)对应着该来源广角影像的位置(x，y)。本发明举出六个实施例来描述反向图像方程式。 

(a)如图9与图10所示的直角投影901与1003，方位角的直角投影的透视图可从一无限远之处看到地球。该透视图给了这个立体的的图一个有错觉的假象。其在尺寸与面积上的变形近乎投影的限制，以显示出更真实的影像，且较其它投影更真实，但不包括透视图。方位角模式的直角投影被从该中间点开始的90度所限制，因此呈现半球形。反向图像方程式(2-1)与(2-2)是利用方位角模式的直角投影所导出，且如下所述： 

x[φ，λ]＝cos(φ)sin(λ-λ0)  y[φ，λ]＝cos(φ1)sin(φ)-sin(φ1)cos(φ)cos(λ-λ0)   φ是纬度，λ是经度，λ0与φ1是参考经度与参考纬度。

(8-1)   (8-2)

(b)方位角等距离投影903与1102：依据一等比例因素，一图像投影中二点间的距离与每一个点与其它点的距离和该球状体上的相关距离是不同的。事实上，方位角等距离投影是非透视投影。令λ0与φ1是该投影中心的经度与纬度，因此，利用方位角等距离投影衍生的反向方程式(2-1)与(2-2)则可衍生出以下的方程式： 

x[φ，λ]＝kcos(φ)sin(λ-λ0)  y[φ，λ]＝k[cos(φ1)sin(φ)-sin(φ  1)cos(φ)cos(λ-λ0)]   k＝c/sin(c)  c是从中心开始的角距离，且  cos(c)＝sin(φ1)sin(φ)+cos(φ1)cos(φ)cos(λ-  λ0)

(9-1)   (9-2)

(c)蓝伯特方位角等面积投影902与1101：蓝伯特方位角等面积投影的面积与该球状体的面积成正比，且是一非透视投影，如图9的投影902所示。因此，利用蓝伯特方位角等面积投影，反向方程式(2-1)与(2-2)可以导衍出以下方程式： 

x[φ，λ]＝kcos(φ)sin(λ-λ0)  y[φ，λ]＝k[cos(φ1)sin(φ)-sin(φ1)cos(φ)cos(λ-  λ0)]  φ1是标准纬度圈，λ0是中心经度，且  k＝sqrt(2/[1+sin(φ1)sin(φ)+cos(φ1)cos(φ)cos(λ-  λ0)])

(10-1)   (10-2)

(d)方位角立体投影904、1002、1200：方位角立体投影是一平面透视投影，如图10所示的正切点1005对面的地球上的点所连接而成的影像轮廓。其中，所有的子午线与纬度圈显示出来的皆是圆形弧线或直线。经纬线的交叉是呈90度的。在赤道线投影方面，该纬度圈的曲线是以赤道为主轴而成对称性分布。相对于中心纬度的纬度圈是一直线，其它的纬度圈是呈凹状，且其凹向是与该直线纬度圈相同边的极地，如此形状线于分布在半球上，其半径是从中心开始的90度计算。因此，当反向方程式(2-1)、(2-2)利用了方位角立体投影后，可衍生出下列方程式： 

已知一球状体的半径R：  x[φ，λ]＝kcos(φ)sin(λ-λ0)   y[φ，λ]＝k[cos(φ1)sin(φ)-sin(φ1)cos(φ)cos(λ-  λ0)]  λ0是中心经度，φ1是中心纬度，且k＝2R[1+sin(φ  1)sin(φ)+cos(φ1)cos(φ)cos(λ-λ0)]

(11-1)   (11-2)

(e)日晷投影：日晷投影是一种方位角投影，其利用该球状物(Globe)的中 心为一透视点(perspective point)。所有的大圆(great circle)都是直线，除了方位(aspect)之外。本投影对航海是非常有用的，因其大圆所标示出的航道的距离是最短的。本投影却受限于其透视点，且无法投射出一条垂直于该中心点的直线，或大于90度的直线。也就是说，赤道线方位无法投射出该些轴极(pole)，极坐标方位无法投射出该赤道。因此，当反向方程式(2-1)、(2-2)利用了方位角日晷投影后，可衍生出下列方程式： 

λ0是中心经度，φ1是中心纬度，P是透视点的距离，其  是球状体半径的单位，与   x[φ，λ]＝kcos(φ)sin(λ-λ0)  y[φ，λ]＝k[cos(φ1)sin(φ)-sin(φ1)cos(φ)cos(λ-  λ0)]，  与  k＝(P-1)/[P-sin(φ1)sin(φ)-cos(φ1)cos(φ)cos(λ-  λ0)]  其中，c是投影中心点至点(x，y)的角距离，其关系是如下：  cos(c)＝sin(φ1)sin(φ)+cos(φ1)cos(φ)cos(λ-λ0)

(12-1)   (12-2)

(f)垂直透视投影：请参考图12，该方位角模式的垂直透视投影从一距离观察该球状物(globe)，该距离较直角投影的距离还远。该透视投影正如从一卫星或太空交通工具上看到地球全貌的效果一样。其正确度的范围将视与该球状物的距离而定。从所有讨论的状况来看，其角度范围是小于90度的，如图12的投影1202所示。投影1204所示的是距离增加时，投影所显示的效果。因此，当反向方程式(2-1)、(2-2)利用了方位角模式的垂直透视投影后，可衍生出下列方程式： 

λ0是中心经度，φ1是中心纬度，P是透视点的距离，其  是球状体半径1400单位，与   x[φ，λ]＝kcos(φ)sin(λ-λ0)  y[φ，λ]＝k[cos(φ1)sin(φ)-sin(φ1)cos(φ)cos(λ  -λ0)]  其中，  cos(c)＝sin(φ1)sin(φ)+cos(φ1)cos(φ)cos(λ-λ  0)  k＝(P-1)/(P-cos(c))其中，P是在球状物(Globe)的背

(13-1)   (13-2)

面，且在投影时会被抑制。

请参考图10，是描述利用一广角影像产生一透视视图的方法。 

请参考图19，是描述产生一透视模式影像的步骤。在圆柱型转换(cylindrical transform)中，整个影像不可在单一的转换中，而只有部分才可以。本发明利用三个控制参数产生标的影像，其包括：(a)摇摆角(pan angle)，即一兴趣点经度角(hot-spots point longitude angle)，如图5D的投影506所示。(b)俯仰角(tilt angle)，即一兴趣点纬度角(hot-spots point longitudeangle)，如图5D的投影506所示。(c)水平视域角，如图5D的投影505所示，且被视为一放大因素，水平视域角是在标的影向垂直中心。 

(g)最后一个投影是自一圆柱型影像创造出一透视模式影像。以下是本发明原理的方程式的揭露。其基础方程式系可用以计算出影像平面位置，以得出圆柱型影像像素，并具有相对应的(x，y)坐标的位置。 

方程式(14)导出一圆柱型坐标的透视型影像。为求得一正确的影像，从圆柱型坐标转换至方位角位置是有必要的。利用反向方程式(2-1)与(2-2)，所有对应的(x，y)坐标的位置都会从来源方位影像中撷取得。当所有反向程序(8)～反向程序(13)都加入到方程式(14)中时，方程式(14)会从圆柱型影像中产生一透视型模式影像。方程式(14)也对等于从方位角模式的广角影像中产生的透视模式影像。而圆柱型的部分则不会产生。该方程式适用所有本发明中的方位角模式，其可选择不同的反向方程式。本发明提供一种自所有的方位角模式投影中导衍出透视投影影像的方法。 

具有多个标的影像的多个图像可以利用圆柱型或透视型，如图4A、图4B、图4C所示。图4A、图5A～图5D是变形的广角来源影像。图4B、4C是标的影像，且具有特定的经度水平视域404与纬度垂直视域405。图5A～图5D的四个图像包括了三个控制因素与一圆柱型影像。也就是说，任何一个透视型子标的影像皆包括如图7的图像704的水平视域角，图5B的投影502的水平视域角，与如图7的投影706的兴趣点(λ，φ)。图5D中的投影504是组合四个子标的影像成一单一的标的影像，并且输出的例子。图4A～图4C则是从方位角模式转 换至圆柱型模式的步骤。图5A～图5D则包括了一透视型图像与三个标的影像。很明显地，本发明具有以下的特点：(a)圆柱型模式的子标的影像之投影505自来源广角影像提供一完整的投影，其变形状况远少于图5A中的投影501的这个来源影像。(b)透视的子标的影像，如投影506、507、508自来源影像提供了透视型影像的三个部分，且每个子标的影像包括三个控制因素，即经由调整兴趣点、经度水平视域角、纬度垂直视域角而成旋转-拉近拉远-对焦(PAN-TILT-ZOOM)108的特性。 

尽管结合优选实施方案具体展示和介绍了本发明，但所属领域的技术人员应该明白，在不脱离所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围内，在形式上和细节上可以对本发明做出各种变化，均为本发明的保护范围。 

Claims (14)

1.以圆柱型模式或透视模式输出影像的方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)撷取一个广角影像，是一个圆型投影影像，其格式可以为下列任一种：全圆型、圆角型矩形或全投影；

(2)利用一个视域角与该广角影像的一个圆柱型投影区域的半径，以在一个具有多方位角模式的影像中作选择；

(3)详细定义一个来源投射影像区域的水平视域与垂直视域，且该来源投射影像区域是方位角模式；

(4)转换该方位角模式的来源投射影像区域为一个圆柱型模式的来源投射影像区域；

(5)转换该圆柱型模式的来源投射影像区域为一个透视型模式的来源投射影像区域；及

(6)产生输出影像。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的广角影像所具有的视域角大于或等于180度，所述的投射的水平视域角大于或等于180度，垂直视域角大于或等于90度，且当广角影像被位于影像墙上的广角镜头所撷取时，广角影像可涵盖全部景像。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的广角影像所具有的视域角大于或等于109.47122度，所述的投射的水平视域角大于或等于90度，垂直视域角大于或等于90度，且当广角影像被位于影像墙角落上的广角镜头所撷取时，广角影像可涵盖全部景像。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的圆型投影影像是一个赤道线投影影像，或者是一个极点投影影像，或者是一个斜角投影影像。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的方位角模式包括直角模式、蓝伯特等面积模式、等距离模式、立体模式、日晷模式或垂直透视模式。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的输出影像是一个透视型模式的影像。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：产生所述的输出影像进一步为，将所述的步骤(5)之后的步骤替换为以下步骤：

(121)详细定义一个兴趣点与在该水平视域与该垂直视域的水平视域角；

(122)产生所述的输出投影，且是透视型模式；及

(123)推导出该影像，且是一个透视型模式的局部投影影像。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的输出影像是一个圆柱型模式的影像。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于：产生所述的输出影像进一步为，将所述的步骤(3)之后的步骤替换为以下步骤：

(141)详细定义一个兴趣点、一个水平视域与在该水平视域和该垂直视域中的垂直视域角；

(142)转换所述的方位角模式的来源投射影像区域为一个圆柱型模式的来源投射影像区域；及

(143)产生输出所述的输出影像，输出影像包括多个子影像，且是圆柱型模式的部分投影影像。

10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于：产生所述的输出影像进一步为，将所述的步骤(3)之后的步骤替换为以下步骤：

(141’)详细定义一个水平视域角与一个垂直视域角，以相等于该水平视域与该垂直视域；

(142’)转换所述的方位角模式的来源投射影像区域为一个圆柱型模式的来源投射影像区域；及

(143’)产生输出所述的输出影像，输出影像包括多个子影像，且是圆柱型模式的全投影影像。

11.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的输出影像包含多个子影像，且所述的子影像是圆柱型模式或透视型模式。

12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于：产生所述的输出影像进一步为，将所述的步骤(3)之后的步骤替换为以下步骤：

(131)详细定义一个兴趣点、在所述的水平视域的中的一个水平视域角与一个垂直视域角，与每一个子影像的垂直视域；

(132)转换该方位角模式的来源投射影像区域为一个圆柱型模式的来源投射影像区域；

(133)推导出该子影像，且是圆柱型模式；及

(134)产生输出所述的输出影像，输出影像包括多个子影像，且是圆柱型模式或透视型模式。

13.根据权利要求11所述的方法，其特征在于：产生所述的输出影像进一步为，将所述的步骤(3)之后的步骤替换为以下步骤：

(131’)详细定义一个水平视域角与一个垂直视域角，以相等于该水平视域与该垂直视域；

(132’)转换所述的方位角模式的来源投射影像区域为一个圆柱型模式的全来源投射影像区域；及

(133’)产生输出所述的输出影像，输出影像包括多个子影像，且是圆柱型模式或透视型模式。

14.根据权利要求11所述的方法，其特征在于：产生所述的输出影像进一步为，将所述的步骤(4)之后的步骤替换为以下步骤：

(131”)详细定义一个兴趣点、一个在该水平视域的中的一个水平视域角与一个在该垂直视域中的垂直视域角；

(132”)转换所述的圆柱型模式的来源投射影像为一个透视型模式的来源投射影像；

(133”)推导出该子影像，且是透视型模式的局部投影影像；及

(134”)产生输出所述的输出影像，输出影像包括多个子影像，且是圆柱型模式或透视型模式。

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