CN101674424B - 一种虚拟扩展成像的装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种虚拟扩展成像的装置及方法，基于图像传感器成像的光电准直和自准直测量系统中，在图像传感器四周设置平面反射镜，使系统原视场外、新视场内的入射光线通过平面反射镜的反射，投影到图像传感器的成像面内形成光斑，从而使系统原视场外、新视场内的入射光线通过图像传感器正常成像。采用本发明所述的装置及方法，在不改变成像分辨率和焦距的情况下，虚拟扩展了图像传感器成像面，从而扩大了参与成像的入射光线的入射角度，进而扩大了系统原视场。
Description
技术领域
本发明涉及成像技术领域，特别是光电准直和自准直测角系统中基于图像传感器成像的一种虚拟扩展成像的装置及方法。
背景技术
在基于图像传感器，如电荷耦合器件(CCD，Charge Coupled Device)、金属氧化物半导体元件(CMOS，Complementary Metal-Oxide Semiconductor)图像传感器的光电准直和自准直测角系统中，目前参与成像的入射光线的入射角度的测量过程是：使系统视场内的平行入射光线入射在图像传感器成像面内形成光斑，并通过图像传感器成像，再通过计算光斑质心在成像面内的坐标，就可以通过几何关系计算出参与成像的平行入射光线的入射角度值。
在光电准直和自准直测角系统中，系统视场是指按一定的系统焦距能入射到图像传感器成像面内的入射光线角度的最大范围，在现有技术中，系统视场的大小受到图像传感器成像面和系统焦距的限制，图像传感器成像面越大，焦距越小，则系统视场越大。而且，只有在系统视场内的入射光线才能够入射在图像传感器成像面内形成光斑，并通过图像传感器成像；在系统视场外的入射光线则无法入射在图像传感器成像面内形成光斑，不能通过图像传感器成像。所以系统视场越大，即参与成像的入射光线的入射角度越大，则系统可测量的参与成像的平行入射光线的角度范围就越大。
但是，对于像元一定的图像传感器来说，扩大视场意味着成像分辨率的下降，虽然为了提高分辨率可以采用更多像元的图像传感器，但大像元的面阵图像传感器数量少，而且价格非常昂贵。
发明内容
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种虚拟扩展成像的装置及方法，使基于图像传感器成像的光电准直和自准直测量系统，在不改变成像分辨率和焦距的情况下，达到扩大系统视场的目的。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
本发明提供了一种虚拟扩展成像的装置，该装置包括：图像传感器、平面反射镜和金属支架；其中，
图像传感器，位于本装置底部，用于捕获图像信息，并将接收到的光信号转化成电信号输出；
平面反射镜，设置在图像传感器成像面四周，用于将光电准直和自准直测角系统原视场外、新视场内的入射光线反射到图像传感器的成像面内；其中，平面反射镜所围成区域的形状根据图像传感器成像面的形状确定；平面反射镜的高度根据光电准直和自准直测量系统的焦距确定；
金属支架，设置在平面反射镜外侧，用于将平面反射镜固定在图像传感器成像面的四周。
上述方案中，所述平面反射镜是高精度平面反射镜。
上述方案中，金属支架的高度根据平面反射镜的高度确定。
本发明还提供了一种虚拟扩展成像的方法，该方法包括：
将平面反射镜设置在图像传感器成像面的四周；其中，平面反射镜所围成区域的形状根据图像传感器成像面的形状确定；平面反射镜的高度根据光电准直和自准直测量系统的焦距确定；
光电准直和自准直测角系统原视场内的入射光线直接入射在图像传感器成像面内；
光电准直和自准直测角系统原视场外、新视场内的入射光线通过平面反射镜的反射，投影在图像传感器成像面内，正常成像。
上述方案中，所述光电准直和自准直测角系统新视场的大小根据平面反射镜的高度、光电准直和自准直测角系统焦距以及图像传感器成像面大小确定。
本发明所提供的虚拟扩展成像的装置及方法，在基于图像传感器成像的光电准直和自准直测量系统中，采用设置在图像传感器四周的平面反射镜，使光电准直和自准直测量系统原视场外、新视场内的入射光线通过平面反射镜的反射，投影到图像传感器的成像面内形成光斑，使系统原视场外、新视场内的入射光线也能通过图像传感器成像，从而在不改变成像分辨率和焦距的情况下，虚拟扩展了图像传感器成像面，扩大了参与成像的入射光线的入射角度，进而扩大了系统原视场。
另外，在该虚拟扩展成像的装置中，在图像传感器四周设置高精度平面反射镜，还能够达到提高成像精度的目的。
附图说明
图1为本发明中虚拟扩展成像装置组成结构图；
图2为本发明中虚拟扩展成像原理示意图；
图3为本发明中扩展成像面与正、反射光线成像位置关系示意图；
图4为本发明中虚拟扩展成像装置设计实物图；
图5为本发明中正射光线与反射光线成像示意图。
具体实施方式
本发明的基本思想是：在图像传感器的四周设置一组平面反射镜，使光电准直和自准直测量系统原视场外、新视场内的入射光线通过平面反射镜的反射，投影在图像传感器的成像面内形成光斑，使系统原视场外、新视场内的入射光线能够通过图像传感器成像，从而在不改变成像分辨率和焦距的情况下，扩大了参与成像的入射光线的入射角度，虚拟扩展了图像传感器成像面，进而扩大了系统原视场。
本发明一种虚拟扩展成像的装置，如图1所示，该装置主要由图像传感器(图中未示)、平面反射镜、和金属支架组成。
其中，图像传感器，位于本装置底部，用于捕获图像信息，并将接收到的 光信号转化成电信号输出；
平面反射镜11，设置在图像传感器成像面四周，用于将光电准直和自准直测角系统原视场外、新视场内的入射光线反射到图像传感器的成像面内；
金属支架12，设置在平面反射镜外侧，用于将平面反射镜固定在图像传感器成像面的四周。
基于上述装置，本发明提供了一种虚拟扩展成像的方法，包括如下步骤：
步骤1：将平面反射镜设置在图像传感器成像面的四周；
本步骤中，将平面反射镜设置在图像传感器成像面的四周，对于平面反射镜与图像传感器之间所设置的角度没有特别的规定，只要能够保证光电准直和自准直测量系统原视场外、新视场内的入射光线通过平面反射镜反射后，投影在图像传感器成像面内即可。
这里，系统原视场，是指没有在图像传感器四周设置平面反射镜之前，光电准直和自准直测量系统的视场。如图2所示，光轴21两侧内侧的对称的两条粗虚线内覆盖的区域为系统原视场22内，这两条粗虚线外覆盖的区域为系统原视场外。系统新视场，是指在图像传感器四周设置平面反射镜之后，光电准直和自准直测量系统的原视场扩大后所形成的视场，如图2所示，光轴21两侧最外侧的对称的两条粗虚线内覆盖的区域为系统新视场27内。
一般情况下，为了便于安装，将平面反射镜垂直设置；对于平面反射镜所围成的区域形状及大小，根据图像传感器成像面的形状及大小而定，例如，图像传感器成像面是正方形或长方形，则平面反射镜围成的区域就是正方体或长方体；对于平面反射镜设置的高度，根据本虚拟扩展成像装置的焦距而定，一般情况，平面反射镜的高度可取光电准直和自准直测量系统焦距的一半。
步骤2：系统原视场内的入射光线直接入射在图像传感器成像面内形成光斑；系统原视场外、新视场内的入射光线通过平面反射镜的反射，投影在图像传感器成像面内形成光斑，正常成像；
本步骤中，如图2所示，图像传感器成像面23位于虚拟扩展成像装置底部，系统原视场22内的入射光线23不用通过平面反射镜24反射，可以直接入射在 图像传感器成像面23内形成光斑，并通过图像传感器成像；系统原视场外、新视场27内的入射光线25不能直接入射在图像传感器成像面23以内，但是通过平面反射镜24的反射后，能够将反射光线投影在图像传感器成像面23内形成光斑，并通过图像传感器成像。
如图2所示，点A即为系统原视场外、新视场27内的入射光线经平面反射镜反射后，投影在图像传感器成像面内的点。沿着系统原视场外、新视场27内的入射光线25的方向划一条虚线，将这条虚线称为虚拟入射光线26，它与图像传感器成像面的延长线所相交的点B称为虚拟入射点，点B就是点A的虚像点，则系统原视场外、新视场27内的入射光线25通过平面反射镜24反射后在图像传感器成像面23内的成像点A，相当于虚拟入射光线26直接入射在图像传感器成像面外的成像点B，如此，显然虚拟扩展了图像传感器成像面，进而扩大了参与成像的入射光线的入射角度，即扩大了系统原视场，使系统原视场外、新视场内的入射光线也能够通过图像传感器成像。
所有在系统原视场外、系统新视场内的入射光线通过平面反射镜反射后，反射光线与图像传感器成像面的所有交点的虚像点，构成了图像传感器的扩展成像面31，如图3所示，使所有虚拟入射在该扩展成像面内的点，都能够通过图像传感器成像。
步骤3：图像传感器将接收到的光信号转化成电信号，最终通过显示设备显示图像。
本步骤中，图像传感器将接收到的光信号转化成电信号后，再通过图像采样、A/D转换，将模拟信号转换为数字信号，再经过数字信号处理，使图像在显示设备中显示。
下面用实验方法来验证本发明所述装置及方法的成像情况：
本实验中使用的图像传感器为CMOS图像传感器。
将本发明所述虚拟扩展成像装置的焦距设置为15.7mm，欲使参与成像的入射光线的入射角度从±10度扩大到±20度，平面反射镜的高度可以取当前虚拟扩展成像装置焦距的一半，为使前后留有余量，取平面反射镜的高度为9mm， 按照上述方法设计出来的虚拟扩展成像装置的实物图如图4(a)所示，其大小与伍角钱硬币大小相当；将虚拟扩展成像装置安装在预先设计好的一块电路板上，如图4(b)所示，其中，该电路板的作用是图像的采集和处理。
在本实验中，为了分清楚正射光线成像和反射光线成像，设计了三束平行入射光线，使这三束平行入射光线入射在图像传感器成像面内，形成三个不对称的光斑，这三个光斑在水平和竖直方向上均不对称。
分别将这三束平行入射光线从两个不同的角度入射，系统原视场内的入射光线直接入射在图像传感器成像面内，并通过该入射光线在图像传感器成像面内形成相应的正射光斑；系统原视场外、新视场内的入射光线入射到平面反射镜后，使其反射光线投影在图像传感器成像面内，并通过反射光线在图像传感器成像面内形成相应的反射光斑。经过图像传感器将光信号转变为电信号后，再经过图像采样、A/D转换、数字信号处理后，将入射光线所形成的正射光斑和反射光斑分别通过显示设备进行显示，其正射光线成像和反射光线成像分别如图5(a)和(b)所示。从图5中看出，因三个光斑的不对称性，在正射光线成像和反射光线成像中，光斑的相对位置关系不同，二者的相位相差180度。其扩展成像面与正、反射光斑成像的位置关系，如图3所示。
图3中，虚线围成的正方形区域为本虚拟扩展成像装置的扩展成像面31，本实验中该扩展成像面为2048×2048像元；中间实线所示的正方形区域为图像传感器成像面32，本实验中该图像传感器成像面为1024×1024像元；正射光斑33，是系统原视场内的入射光线直接入射在图像传感器成像面内，所形成的投影；反射光斑34，是系统原视场外、新视场内的入射光线通过平面反射镜反射后，在图像传感器成像面内的投影。
从图3中可以看出，正射光斑33和反射光斑34的相对位置关系不同，二者的相位相差180度，所以导致正射光斑成像和反射光斑成像中，二者的相位相差180度；虚拟入射光斑35，是将反射光斑34坐标变换后，在扩展成像面31内形成的虚拟投影，它是反射光斑34通过平面反射镜所形成的虚像点。凡是落在扩展成像面31内的虚拟入射光斑35都可以通过本发明的虚拟扩展成像 装置成像，从而虚拟扩展了图像传感器成像面，进而扩大了系统原视场。
在光电准直和自准直测角系统实际应用中，使平行入射光线入射在图像传感器成像面内形成光斑后，可以利用现有的图像识别技术区分出正射光斑和反射光斑，并根据图像传感器成像面内的光斑的质心坐标，并通过几何关系计算出参与成像的平行入射光线的入射角度值。因参与成像的平行入射光线的入射角度的计算不属于本发明的范畴，与本发明技术方案无关，故在这里不做详细说明。
以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种虚拟扩展成像的装置，其特征在于，该装置包括：图像传感器、平面反射镜和金属支架；其中，
图像传感器，位于本装置底部，用于捕获图像信息，并将接收到的光信号转化成电信号输出；
平面反射镜，设置在图像传感器成像面四周，用于将光电准直和自准直测角系统原视场外、新视场内的入射光线反射到图像传感器的成像面内；其中，平面反射镜所围成区域的形状根据图像传感器成像面的形状确定；平面反射镜的高度根据光电准直和自准直测量系统的焦距确定；
金属支架，设置在平面反射镜外侧，用于将平面反射镜固定在图像传感器成像面的四周。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述平面反射镜是高精度平面反射镜。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，金属支架的高度根据平面反射镜的高度确定。
4.一种虚拟扩展成像的方法，其特征在于，该方法包括：
将平面反射镜设置在图像传感器成像面的四周；其中，平面反射镜所围成区域的形状根据图像传感器成像面的形状确定；平面反射镜的高度根据光电准直和自准直测量系统的焦距确定；
光电准直和自准直测角系统原视场内的入射光线直接入射在图像传感器成像面内；
光电准直和自准直测角系统原视场外、新视场内的入射光线通过平面反射镜的反射，投影在图像传感器成像面内，正常成像。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述光电准直和自准直测角系统新视场的大小根据平面反射镜的高度、光电准直和自准直测角系统焦距以及图像传感器成像面大小确定。
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