CN103200352A - 基于折反射式光学结构的全向摄像现场记录仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于折反射式光学结构的全向摄像现场记录仪。该全向摄像现场记录仪包括主机和分机两个部分。分机是对现场进行全方位拍摄的全向成像装置，使用一种基于上、下两个反射镜面二次反射的折反射式全向成像方法，空间场景中物体发出的光线经上方的曲面镜反射后，在下方的反射镜面处二次反射，再进入成像透镜，形成环形的全向图像。主机集全向视频的采集控制、校正处理、压缩、存储及播放控制等功能于一身。主机和分机之间采用高速数据线连接。该全向摄像现场记录仪结构简单，使用方便，既可以拿在手中或佩戴于肩章、大檐帽等部位使用，也可以装配于警车、巡逻车的外顶部，以拍摄记录车辆外围四周的情况。

Description

基于折反射式光学结构的全向摄像现场记录仪

技术领域：

本发明涉及数字视频摄像及录播技术，特指一种可全方位拍摄完整现场的全向摄像现场记录仪，主要广泛应用于安全执法人员在巡逻、值勤时佩带的现场执法取证仪。

背景技术：

科学技术的进步正在推动法治的进步。录音录像作为现代化的取证手段，已经在刑事诉讼、民事诉讼、行政诉讼以及行政执法领域进行了广泛运用。执法记录仪的诞生在执法执勤、侦查破案、信访接待、权益保障等方面发挥了积极作用，取得了较好效果。

北京市公安局2009年12月25日正式发布了《北京市公安局执法大纲》，对民警执法的各个环节进行了统一化、具体化、明确化的规范要求。并从2010年起，推行民警执法记录措施，要求民警在现场执法时必须使用记录仪记录出警全过程，以此规范民警的执法行为，保护当事人和民警的合法权益。

民警在下班(退乘)后，将记录仪记录的数据内容传输到本单位固定的存储介质中，并在《执法执勤日志中》记录备案。各单位均指派专人负责对执法记录仪记录数据的保存、提取、分析。此举既记录了民警勤务工作的过程，又为今后获取案件证据、解决争议问题提供了原始资料。2009年某月，民警在查处一起扰乱车站秩序治安案件，违反治安管理行为人非但不承认自己的违法事实，反而诬告民警对其进行了殴打。在无第三方证实的情况下，民警适时出示了执法记录仪记录的查获全过程，使这类在以往处理中较为棘手的问题迎刃而解。

为了全面地监督执法人员的执法行为，规范对各种事件的处置细节，我们希望对现场执法的完整过程进行真实详细的记录，从而更好地保护当事人的合法权益。同时，清晰完整地记录现场执法的过程，也有助于执法人员对处置事件进行后期分析和现场取证，避免受到歪曲投诉和恶意诽谤，保护执法人员的安全和利益。执法记录仪集数码摄像、照相和同步录音为一体，使民警在出勤过程中做到执法、记录两不误，使执法活动真正做到公平，公正，公开的原则。目前市面上已有的一些现场执法记录设备，如TCL数码鹰、深圳视鑫达的天眼、北京颐信的勤务随录机等，已投入应用于公安、城管、交通巡逻等执法领域，这些产品操作简便、易携带，为执法工作带来便利和提供法律依据。

然而，已有的这些产品存在着一个共同的缺陷，即拍摄视角有限，通常只是对某一方向50～60度的狭窄范围进行摄像，而在很多应用场合，特别是在一些环境复杂的执法现场，执法人员左右两边甚至后方的现场景象，均有可能为处理案件、调解纠纷、监督和评定执法工作提供重要可信的法律依据。虽然最近也有少数生产厂家通过使用广角镜头，推出了具有更宽广视野的现场执法记录仪，如鑫卓越公司的火眼全能录，但最大视角也只有120度左右，且存在一定的成像畸变，无法全方位、无失真地记录执法现场和巡逻实况。

发明内容：

本发明要解决的技术问题是：针对现有的现场记录仪拍摄视角有限的不足，不能提供复杂环境下的影像，提供一种设计精巧、使用方便、可全方位拍摄完整现场的全向摄像现场记录仪，以及在主机上进行快速的图像畸变校正，实现无死角、无失真地记录和展示各种现场情况的方法。该全向摄像现场记录仪结构简单，使用方便，既可以拿在手中或佩戴于肩章、大檐帽等部位使用，也可以装配于警车、巡逻车的外顶部，以拍摄记录车辆外围四周的情况。

本发明为解决上述问题所采取的技术方案是：将折反射全向摄像技术引入现场记录仪的设计中，通过特殊的光学镜头结构设计将360度视角内的光线反射到成像传感器，得到原始的图像。与传统的光学成像技术相比，折反射全景成像技术能反映视点周围的全方位场景，具有视场范围大、视频图像沉浸感和立体感强等优点。但折反射全景成像装置所获取的原始全景图像存在同心圆环状变形，需要经过后续图像处理操作，以得到符合人眼视觉习惯的柱面投影图像。

全向摄像现场记录仪，采用采集与处理分离的方式。包括主机和分机两个部分：分机即是对现场进行全方位拍摄的全向成像装置；主机集全向视频的采集控制、校正处理、压缩、存储及播放控制等功能于一身，主要由嵌入式处理板、液晶显示屏、功能键控面板和外壳组成。主机和分机之间采用高速数据线连接

折反射式全向摄像技术是指利用曲面反射镜将来自成像系统周围360度范围的入射光线经反射作用后，进入常规的光学成像系统(成像透镜+图像传感器)，生成包含空间360度全方位场景信息的环状全向图。本发明使用一种基于上、下两个反射镜面二次反射的折反射式全向成像方法，空间场景中物体发出的光线经上方的曲面镜反射后，在下方的反射镜面处(可以是平面镜，也可以是曲面镜)二次反射，再进入成像透镜。这种结构设计有效地缩短了镜头与反射镜面之间的距离，使得整个成像装置更为小巧精致、便于携带。

基于折反射式的全向摄像技术，采集的原始视频需要经过几何畸变校正、全景投影变换来生成柱面或球面全景视频，此外，在对记录下来的全景视频进行后期查看和分析时，通常需要将其变换为更符合人眼视觉习惯的局部透视图像。张茂军等在专利号为ZL 200810030836.0的发明专利中，公开了一种DSP上用查表法进行折反射全景展开的Cache包围盒加速方法，解决在DSP上用查表法进行全景展开时全向图像数据在Cache中经常失效、全景展开速度较慢的问题。本发明结合特定的全向摄像装置设计结构和嵌入式硬件资源，在主机的硬件开发板上设计高效的嵌入式算法实现这些视频图像处理任务。

另外，主机还具有现场执法记录仪所必备的存储、播放、录音、对讲、授权加密、加印时间截等功能

本发明的有益效果是：

a)分机小巧精致、便于携带，可以固在执法人员身上的多个部位，如佩戴于肩章、大檐帽等，起到解放执法人员的双手作用，在执法的同时，能够快速便捷的对执法过程进行记录和传输。

b)能够实时记录现场图像、声音、时间各种信息。

c)能够实时的采集360度范围内的信息，在执法同时，只需按下录像按钮，无需对镜头对准位置进行定位。

d)采用可移动滤光片，带红外灯，实现白天、夜间(含无光环境)等多种环境下拍摄，白天颜色不偏色。

e)可增加GPS定位模块，可实现对执法人员定位功能，通过3G模块可以将现场的

f)采用高清镜头，通过高清数字处理电路，实现录像分辨1920X1080，拍照达到500万，800万像素等。

本发明设计合理，紧贴应用需求，可实现对各种现场全方位、无失真的视频记录和再现，为执法工作提供更为全面完整的法律依据，适用范围广，推广后具有良好的社会效益和经济效益。

附图说明：

图1是本发明全向摄像现场记录仪的佩戴使用示意图；

图2是本发明中使用的曲面镜+平面镜”二次反射的折反射式全向摄像示意图；

图3是全景图像的一行像素对应于全向图像中一个“圆环”上像素的示意图；

图4是全向摄像现场记录仪的主机嵌入式处理板电路结构框图；

图5是本发明全向摄像现场记录仪的主机面板布局示意图。

在上述附图中：

1-全向摄像现场记录仪分机  2-全向摄像现场记录仪主机  3-高速视频数据线

4-采集视频输入口  5-视频数据导出口  6-液晶显示屏  7-电源开关

8-功能键控按钮  9-立体声扬声器  10-音频录入口  11-微距摄像头

具体实施方式：

以下将结合附图对本发明做进一步详细说明。

参见图1，为本发明全向摄像现场记录仪的佩戴使用示意图，其中1为基于折反射式光学结构的全向摄像装置；2为全向摄像现场记录仪主机；3为连接1和2的高速视频数据线。实现本发明全向摄像现场记录仪包括主机和分机两个部分：分机即为全向摄像装置，执法人员在实际使用时，通常可用活动夹将其固定于大檐帽的上方或左右两肩的肩章上；主机则可固定于警服的外腰带上或放置在上衣口袋中。主机和分机之间采用高速视频数据线连接。

参见图2，以“曲面镜+平面镜”二次反射结构为例，折反射式全向摄像装置主要由高清摄像头、曲面反射镜、平面反射镜及相应的固定装置组成，上方的曲面反射镜中心镂空，高清摄像头置于其中，平面反射镜正对着摄像头放在最下方。空间360度视野中物体发出的光线首先经曲面镜的反射作用后射向下方的平面反射镜，再被平面镜二次反射，进入成像透镜。这种“平面镜+曲面镜”二次反射的折反射式全向摄像结构将整个成像装置的尺寸缩小了近一半，结构更加紧凑、便于携带。

360度球面全景图像变换到环视图像的核心是球面全景图像的反投影变换方法。

对于全景展开的全向图像I′，设P′(x′，y′)是I′上坐标为(x′，y′)的像素点，P(x，y)是全景图像I上的像素点，P′是P的全景展开对应点，即P′＝T(P)。或者，可以用像素坐标形式表示为(x′，y′)＝T(x，y)，其中T是全景图像I到全向图像I′的全景展开坐标变换方程。

当选定全景图像中某个位置(x，y)的时候，其在球面(球面半径为f)的坐标为：

$\left\{\begin{array}{c}u=f\cos (\frac{\mathrm{\π}}{2}-\frac{y^{\′}}{f})\cos \left(\frac{x^{\′}}{f}\right)\\ v=f\sin (\frac{\mathrm{\π}}{2}-\frac{y^{\′}}{f})\\ w=f\cos (\frac{\mathrm{\π}}{2}-\frac{y^{\′}}{f})\sin \left(\frac{x^{\′}}{f}\right)\end{array}\right.$

α角为原点连接点(u，v，w)的直线与x，y平面的夹角，β角为其与x，z平面的夹角。

$\mathrm{\α}=\mathrm{acrtg}\left(\frac{\sqrt{u^2+w^2}}{v}\right)$

$\mathrm{\β}=\arccos \left(\frac{w}{\sqrt{u^2+w^2}}\right)$

将世界坐标系选装到凝视对准的反投影平面，可得到点(u，v，w)在旋转后的坐标为：

$\left[\begin{array}{c}{u}^{\′}\\ v^{\′}\\ w^{\′}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}1& 0& 0\\ 0& \cos \mathrm{\α}& \sin \mathrm{\α}\\ 0& -\sin \mathrm{\α}& \cos \mathrm{\α}\end{array}\right]\left[\begin{array}{ccc}\cos \mathrm{\β}& 0& -\sin \mathrm{\β}\\ 0& 1& 0\\ \sin \mathrm{\β}& 0& \cos \mathrm{\β}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}u\\ v\\ w\end{array}\right]$

那么过点(u′，v′w′)的参数方程为

$\left\{\begin{array}{c}r=r_0+{\mathrm{tu}}^{\′}\\ s=w_0+{\mathrm{tv}}^{\′}\\ q=q_0+{\mathrm{tw}}^{\′}\end{array}\right.$

又已知：q＝-f，且r₀＝0，s₀＝0，q₀＝0

可得到变换后图像中点(x，y)对应原图的像素点(x′，y′)位置的值：

$x=\frac{W}{2}-\frac{f\cos (\frac{\mathrm{\π}}{2}-\frac{y^{\′}}{f})\cos (\mathrm{\β}+\frac{x^{\′}}{f})}{\cos (\frac{\mathrm{\π}}{2}-\frac{y^{\′}}{f})\cos \mathrm{\α}\sin (\mathrm{\β}+\frac{x^{\′}}{f})-\sin (\frac{\mathrm{\π}}{2}-\frac{y^{\′}}{f})\sin \mathrm{\α}}$

$y=\frac{H}{2}-\frac{f\sin (\frac{\mathrm{\π}}{2}-\frac{y^{\′}}{f})\cos \mathrm{\α}+f\cos (\frac{\mathrm{\π}}{2}-\frac{y^{\′}}{f})\sin \mathrm{\α}\sin (\mathrm{\β}+\frac{x^{\′}}{f})}{\cos (\frac{\mathrm{\π}}{2}-\frac{y^{\′}}{f})\cos \mathrm{\α}\sin (\mathrm{\β}+\frac{x^{\′}}{f})-\sin (\frac{\mathrm{\π}}{2}-\frac{y^{\′}}{f})\sin \mathrm{\α}}$

基于以上全景图像变换环视图像的基本原理，图3为全景图像的一行像素对应于全向图像中一个“圆环”上像素的示意图以及变换实例。

图4为本发明全向摄像现场记录仪主机中的嵌入式处理板电路结构图，采用DSP+FPGA异构双核结构的嵌入式图像处理平台设计，将全向视频采集、图像校正及转换，全景视频展开、视频压缩存储、显示输出等任务在主、协处理器之间进行合理的分工和协同，底层较简单的信号预处理算法以及数据的传输控制等由FPGA芯片硬件实现，而较为复杂的图像变换、全景展开以及视频压缩算法，则通过在DSP端设计高效的C语言和汇编程序实现。

参见图5，本发明全向摄像现场记录仪的主机面板的正面主要包括：4-采集视频输入口，5-视频数据导出口，6-液晶显示屏，7-电源开关，8-功能键控按钮(如摄像键、播放键、文件存储及删除键、对讲键、安全锁定键等)；主机的背面包括：9-立体声扬声器，10-音频录入口，还配备有一个可高清晰微距拍摄的微型摄像头11，可用于图像记录当事人的证件信息、小面积的重要物证等。

由于本实施例所述全向摄像现场记录仪的发明点是基于折反射全向成像装置所成的简单结构，以及其在现场记录仪上的应用方法。该柱面全景空间构建方法中具体采用的算法均是已有技术中的公知内容，因此没有对每个算法进行详细描述。

上述实施例提到的折反射全向成像装置及DSP+FPGA处理主机仅起到解释本发明技术方案的作用，本发明所要求的保护范围并不局限于实施例中具体的设备外型、电路处理结构、主机板面等，因此，仅对上述实施例中部分特征进行简单替换，实质内容并没有脱离本发明限定范围的技术方案，均应属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种基于折反射式光学结构的全向摄像现场记录仪，其特征在于：该全向摄像现场记录仪包括主机和分机两个部分。其分机即是对现场进行全方位拍摄的全向成像装置。主机集全向视频的采集控制、校正处理、压缩、存储及播放控制等功能于一身，主要由嵌入式处理板、液晶显示屏、功能键控面板和外壳组成。主机和分机之间采用高速数据线连接。系统能无死角、无失真地记录和展示各种现场情况。

2.根据权利要求1所述现场进行全方位拍摄的全向成像装置，其特征在于：所述装置光学系统由两个反射镜面包括上曲面红外反射镜和下品面反射镜构成，光路设计通过折反射采集生成一幅环状的360度全景范围内的全向图像。该分机装置结构简单，使用方便，既可以拿在手中或佩戴于肩章、大檐帽等部位使用，也可以装配于警车、巡逻车的外顶部，以拍摄记录车辆外围四周的情况。

3.根据权利要求1所述主机，其特征在于：集全向视频的采集控制、校正处理、压缩、存储及播放控制等功能于一身，主要由嵌入式处理板、液晶显示屏、功能键控面板和外壳组成，通过用DSP+FPGA异构双核结构的嵌入式图像处理平台将全向图像转换为符合人眼视觉习惯的柱面投影图像。

4.根据权利要求1所述主机和分机之间采用高速数据线连接。

5.根据权利要求1所述实现无死角、无失真地记录和展示各种现场情况的方法，特征在于：图像通过高速数据线，从分机实时传输到主机，在主机中通过用DSP+FPGA异构双核结构的嵌入式图像处理平台将全向图像转换为符合人眼视觉习惯的柱面投影图像。

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