CN104252097A - 圆柱物体360度全景成像镜面设计方法及镜面及成像装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种圆柱物体360度全景成像镜面设计方法及镜面及成像装置，方法：步骤1、设计镜面形状，步骤2、设计镜面参数，步骤3、求解最优椭圆镜面具体参数。一种圆柱物体360度全景成像的镜面，其为由上述的设计方法得到的镜面。一种圆柱物体360度全景成像的装置，包括内曲面反射镜、镜面支架、光源，相机、被拍摄的圆柱物体、夹持装置。本发明通过圆柱物体的尺寸设计出一种圆柱物体外表面360度成像装置，具有装置简单、镜面设计方法准确、成像质量高、畸变小、成本低的有点，克服了传统的圆柱物体外表面360度成像硬件装置复杂、价格昂贵的缺点。为机器视觉提供了一种圆柱物体外表面360度成像的装置和镜面设计方法。

Description

圆柱物体360度全景成像镜面设计方法及镜面及成像装置

技术领域

本发明涉及成像装置，尤其涉及一种圆柱物体360度全景成像镜面设计方法及成像装置。

背景技术

对物体进行360度成像是机器视觉的一个难点问题，目前已有一些技术能够对周围环境进行360成像，例如专利CN101122734A公布了一种全景成像装置，通过一个透镜阵列和光电检测器阵列每次实现180度成像；专利CN102495460A发明了一种全景成像镜头，利用该镜头可以用于管道内壁检测、医用内窥镜观察等领域；专利CN201725141U提出了一种多镜头实时全景成像系统，能对周围环境进行全景成像；专利CN201820028U提出了一种全景相机镜头，通过同轴的透镜组实现全景成像；专利CN201607607U利用转台装置实现全景图像合成。其他专利基本与上述专利技术类似，不同之处在于所用的传感器不同。上述的全景相机装置均是对周围的场景进行拍摄，如图1A、图1B、图1C所示为已有技术拍摄全景图像示意图，图1A为已有的全景拍摄装置，图1B为已有的拍摄的全景图、图1C为图1B展开后的图像。图中001为全景拍摄相机，002为需要拍摄的周围场景，003为拍摄的全景图。

在机器视觉系统中经常需要对如图2所示的圆柱(圆柱或方形柱等)物体外表面成像，用于缺陷检测等质量控制系统中。图2中，环形的箭头代表需要成像的圆柱物体外表面。已有的技术通常有以下几种：

1、让圆柱物体旋转，每转一个角度，拍摄一张图像；

2、采用多个相机从多个角度进行拍照然后对每幅图像分别进行处理；

3、采用意大利OPTO公司的远心360度镜头、PCCD折反射环外侧镜头及多视角光学元件多面镜头，均可以对圆柱物体外侧成360度全景图像。

在上述的机器视觉360度全景成像技术中，采用第一和第二种技术，存在两方面的缺陷，1.每次成像只在一个较小的角度，效率很低；2.只使用普通镜头，在柱面，尤其是圆柱面的边缘畸变较大，相邻图像间存在很大的误差。对于第三种技术虽然能够一次性完成柱面外侧360度成像，但需要特制的360度成像镜头，结构复杂、成本高。

发明内容

为了解决现有技术中问题，本发明提供了一种圆柱物体360度全景成像镜面设计方法，包括如下步骤：

步骤1、设计镜面形状：利用单视点约束计算镜面点满足的方程，得到镜面形状是椭圆体，椭圆的几何参数方程为：

$\frac{1}{a^2}{(z-\frac{c}{2})}^2+\frac{r^2}{b^2}=1,$

r²＝x²+y²， $a=\sqrt{\frac{2k+c^2}{4}},b=\sqrt{\frac{k}{2}},$ c＞0and0＜k＜2，

其中c是椭圆两个焦点间距离，k为常数；

步骤2、设计镜面参数：对于任意给定的圆柱物体半径R和高H，根据以下四个约束方程计算椭圆镜面参数k和c，确定镜面方程具体参数：

(1)被拍圆柱物体外表面全部成像约束：|T|≥R，其中：

$T=\frac{c*r_1}{c-z_1},r_1=\frac{\frac{\mathrm{Hc}}{a^{2}R}-\frac{2}{\mathrm{Ra}}\sqrt{H^2+R^2}}{2(\frac{H^2}{R^2{a}^2}+\frac{1}{b^2})},z_1=\frac{H}{R}{r}_1$

通过作图的方法确定参数c的取值范围，并且存在参数k的值满足条件|T|≥R；

(2)高分辨率约束，成像装置的分辨率为通过作图的方法得到结果：c取值越小，分辨率越高；

(3)相机景深较小约束，当圆柱物体位置固定时，系统景深为(z₀-z₁)，通过作图的方法得知c取值越大并且k取值越小，系统景深越小；

(4)视场角不能过大约束，视场角不希望系统产生过大的径向畸变，所以要求视场角2ω≤90°；

步骤3、求解最优椭圆镜面具体参数，沿中心轴线调整圆柱物体的位置，设计在满足圆柱物体外表面全部成像的基本约束下，优先满足高分辨率和相机景深约束，最后要求视场角低于90°角的算法，设计出最优的镜面参数。

一种圆柱物体360度全景成像的镜面，其为由上述的设计方法得到的镜面。

一种圆柱物体360度全景成像的装置包括内曲面反射镜、镜面支架、光源，相机、被拍摄的圆柱物体、夹持装置；镜面支架固定内曲面反射镜，光源对被拍摄的圆柱物体进行照明，夹持装置固定被拍摄的圆柱物体，内曲面反射镜满足单视点约束的镜面形状，单视点约束是指传感器接收到的光强集中在三维空间的同一点，称为有效点υ，当相机是一个理想的透视相机，忽略相机的离焦模糊，相机模型化为透视投影中心，称为有效孔p，单视点约束要求通过有效孔p的光线在被镜面反射之前经过有效点υ。

作为本发明的进一步改进，还包括一个平面反射镜，所述平面反射镜的镜面与水平面的夹角θ＝45°，相机水平放置，相机安装的高度为平面反射镜的镜面垂直高度的一半。

作为本发明的进一步改进，内曲面反射镜的镜面形状是椭圆体，椭圆的几何参数方程为：

$\frac{1}{a^2}{(z-\frac{c}{2})}^2+\frac{r^2}{b^2}=1,$

r²＝x²+y²， $a=\sqrt{\frac{2k+c^2}{4}},b=\sqrt{\frac{k}{2}},$ c＞0and0＜k＜2，

其中c是椭圆两个焦点间距离，k为常数。

作为本发明的进一步改进，内曲面反射镜的镜面参数：对于任意给定的圆柱物体半径R和高H，根据以下四个约束方程计算椭圆镜面参数k和c，确定镜面方程具体参数：

(1)被拍圆柱物体外表面全部成像约束：|T|≥R，其中：

$T=\frac{c*r_1}{c-z_1},r_1=\frac{\frac{\mathrm{Hc}}{a^{2}R}-\frac{2}{\mathrm{Ra}}\sqrt{H^2+R^2}}{2(\frac{H^2}{R^2{a}^2}+\frac{1}{b^2})},z_1=\frac{H}{R}{r}_1$

通过作图的方法确定参数c的取值范围，并且存在参数k的值满足条件|T|≥R；

(2)高分辨率约束，成像装置的分辨率为通过作图的方法得到结果：c取值越小，分辨率越高；

(3)相机景深较小约束，当圆柱物体位置固定时，系统景深为(z₀-z₁)，通过作图的方法得知c取值越大并且k取值越小，系统景深越小；

(4)视场角 $2\mathrm{\ω}=2\arctan \frac{\left|r_1\right|}{c-z_1},$ 要求视场角2ω≤90°；

作为本发明的进一步改进，所述圆柱物体为圆柱、圆台或圆锥。

本发明的有益效果是：

本发明通过圆柱物体的尺寸设计出一种圆柱物体外表面360度成像装置，具有装置简单、镜面设计方法准确、成像质量高、畸变小、成本低的有点，克服了传统的圆柱物体外表面360度成像硬件装置复杂、价格昂贵的缺点。为机器视觉提供了一种圆柱物体外表面360度成像的装置和镜面设计方法。

附图说明

图1A已有的全景拍摄装置；

图1B已有的拍摄的全景图；

图1C已有的展开后的图像；

图2是圆柱物体360度全景成像示意图；

图3A本发明内曲面反射360度成像硬件结构；

图3B本发明内曲面反射360度成像硬件结构俯视图；

图3C本发明内曲面反射360度成像硬件结构(增加了平面反射镜)；

图4是本发明单视点约束结构示意图；

图5是本发明椭圆镜面及参数结构示意图；

图6是本发明全景成像模型结构示意图；

图7是参数k和c变化时|T|≥R取值范围三维图；

图8参数k和c变化时|T|≥R取值范围二维图；

图9全景成像系统分辨率；

图10参数k和c变化时景深的取值范围三维图；

图11参数k和c变化时景深的取值范围二维图；

图12景成像系统模型。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。

1、内曲面反射360度成像硬件结构

内曲面反射360度成像的硬件结构如图3A所示，1为内曲面反射镜，2为镜面支架，用来固定反射镜面，3为光源，对被拍摄物体进行照明，4为工业相机及镜头，5为被拍摄的圆柱物体，6为被拍摄物夹持装置，通过该装置将被拍物体放置到反射镜面内合适的位置。图3A所成的像为单次反射的像，会造成像与实际物体相反的情况。如果需要像与物体一致，如图3C所示，7为平面反射镜，在被拍物体的下面放置一个平面反射镜，镜面与平面的夹角θ＝45°，相机水平放置，相机安装的高度为镜面垂直高度的一半。

2.镜面设计过程

2.1.内曲面反射镜的镜面形状设计

本发明设计了一种全景成像装置，它是由一个传统相机和一个镜面按照一定的摆放规则组成，用来获得圆柱物体的360度成像效果。设计360全景成像系统时，选择满足单视点约束的镜面形状，目的是将全景成像系统拍摄的全景图片通过展开可以得到几何图形不失真的透视图。单视点约束是指传感器接收到的光强集中在三维空间的同一点，称为有效点υ。当相机是一个理想的透视相机，我们忽略相机的离焦模糊，相机可以模型化为透视投影中心，称为有效孔p。单视点约束要求通过有效孔p的光线在被镜面反射之前经过有效点υ。

首先，假设有效点υ位于笛卡尔坐标系的原点，z轴沿υp方向，被拍圆柱物体中心轴线与z轴重合。由于透视投影和圆柱物体都是关于z轴旋转对称的，假设设计的镜面也是旋转对称的，所以我们只需要研究二维平面(υ，r，z)，其中r是xy(XY平面是经过原点v垂直于Z轴的平面)平面极坐标轴。最后假设υ和p两点间距离为c，如图4。

根据图4，圆柱物体外表面物点的主光线经镜面反射达到镜头中心(有效孔)p点，设镜面点坐标为(r，z)，入射光线物点的主光线与横轴r的夹角θ。因为入射光线的反向延长线经过原点(有效点)υ(0，0)，可以得到tanθ＝(0-z)/r。定义镜面点到相机中心p的反射光线与横轴r的夹角是α，可以得到tanα＝(c-z)/r。定义镜面点(r，z)处的法线与z轴的夹角是β，得到dz/dr＝tanβ。定义反射光线与z轴夹角为γ，由反射定律知反射角等于入射角，可以得到

将(1)式消去γ，得到2β＝180°-(θ+α)，对两边取正切得到

                                        tan2β＝-tan(θ+α)(2)

将以上几何关系式代入公式(2)得到镜面方程：

$r(c-2z){\left(\frac{\mathrm{dz}}{\mathrm{dr}}\right)}^2-2(r^2+\mathrm{cz}-z^2)\frac{\mathrm{dz}}{\mathrm{dr}}+r(2z-c)=0---\left(3\right)$

通过Simon Baker反折射成像理论(A theory of catadioptric imageformation，ICCV 1998)得到方程的解，即镜面几何轨迹：

${(z-\frac{c}{2})}^2-r^2(\frac{k}{2}-1)=\frac{c^2}{4}\left(\frac{k-2}{k}\right),(k\≥2)---\left(4\right)$

${(z-\frac{c}{2})}^2+r^2(1+\frac{c^2}{2k})=\left(\frac{2k+c^2}{4}\right),(k>0)---\left(5\right)$

其中c是坐标原点υ到相机中心p的距离，k为常数。

根据Simon Baker反折射成像理论，我们知道，参数c和k取不同值时，镜面形状可以是平面镜，锥形，球形，双曲线和椭圆。其中，平面镜不能扩大视野；锥形，球形与镜头相对位置摆放正确时只拍到一个点，得不到全景图，摆放位置不正确的情况下可以得到全景图，但是此时不能满足单视点要求；双曲线和椭圆不仅可以满足单视点要求，而且能增大视场。由于被拍物体是圆柱物体的外表面，所以我们选择镜面形状为椭圆形，见图5。椭圆的几何参数方程为

$\frac{1}{a^2}{(z-\frac{c}{2})}^2+\frac{r^2}{b^2}=1---\left(6\right)$

其中c是椭圆两个焦点间距离，即坐标原点υ到相机中心p的距离，k为常数：

$a=\sqrt{\frac{2k+c^2}{4}}b=\sqrt{\frac{k}{2}}c>0,$ 0＜k＜2。

2.2镜面参数设计

通过单视点约束得到镜面参数方程以后，对于任意给定的被拍对象圆柱物体尺寸，通过约束条件设计椭圆参数k和c的值来获得相对应的椭圆镜面的具体尺寸。

由于被拍对象是圆柱物体外表面，镜面形状为椭圆关于长轴即z轴旋转得到的立体，因此整个全景成像系统为旋转对称的，从而只研究其过坐标原点的截面即可。假设坐标原点位于椭圆的其中一个焦点F₁，即有效点υ与F₁重合；则相机中心位于椭圆的另一个焦点F₂，即有效孔p与F₂重合。首先固定被拍对象圆柱物体的位置，将其上底的中心与原点υ重合，见图6。

镜面参数需要满足以下几个条件，才能得到适合给定被拍对象尺寸特定的最优镜面尺寸：

(1)被拍对象全部成像：被拍对象圆柱物体的外表面物点全部可以经椭圆镜面反射，到达相机中心，通过相机成像：|T|≥R；

(2)分辨率：通过调整系数c和k使得到的全景图的分辨率尽可能的大；

(3)相机景深：通常相机景深比较小，设计镜面要满足景深要求；

(4)相机视场：相机的视场角过大时容易产生径向畸变，设计镜面应使得系统视场角不要过大。

2.2.1圆柱物体外侧完全成像

假设给定圆柱物体被拍对象尺寸底面半径为R，高H，见图6。首先是圆柱物体外表面全部可以成像，圆柱物体外表面物点的主光线(反向延长线都经过焦点F₁)经镜面反射到达相机镜头中心然后成像。由于圆柱物体表面最上端的物点的主光线是通过横轴的镜面点p₀(0，z₀)反射成像为Ima0，最下端的物点经镜面点p₁(r₁，z₁)反射成像为Ima1，圆柱物体其他物点通过p₁(r₁，z₁)与p₀(0，z₀)两点间的镜面反射成像在Ima0与Ima1之间。圆柱物体物点的主光线经镜面点反射的反射光线可能会被圆柱物体本身遮挡，当最下端物点的反射光线不被遮挡时，由几何关系可知反射光线不会被遮挡。圆柱物体外表面最下端物点的反射光线与圆柱物体上底面所在平面的交点距离圆柱物体上底面中心的距离为T，当T大于圆柱物体半径R时，反射光线不会被遮挡。所以只要|T|≥R同时p₀点到p₁点间镜面存在，可使圆柱物体外表面全部成像。根据图6中椭圆参数和圆柱物体尺寸，经过几何关系计算得到p₁点处坐标及T的值：

$r_1=\frac{\frac{\mathrm{Hc}}{a^{2}R}-\frac{2}{\mathrm{Ra}}\sqrt{H^2+R^2}}{2(\frac{H^2}{R^2{a}^2}+\frac{1}{b^2})}{z}_1=\frac{H}{R}{r}_{1}T=\frac{c*r_1}{c-z_1}---\left(7\right)$

其中 $a=\sqrt{\frac{2k+c^2}{4}},b=\sqrt{\frac{k}{2}},$ c＞0and0＜k＜2。

然后我们寻找满足条件|T|≥R的k、c的值，因为k和c的取值范围是一定的，我们通过作图得到满足条件的k，c。

通过图7，随着k从0到2变化，c从0到6变化过程中，T-R的取值范围曲线可知：在c取值一定时，随着k的增大，T-R的值是逐渐增大的。在k取值一定时，随着c的增大，T-R的值先增大，后减小。当c＜0.06或者c＞6时，无论k取何值，|T|≥R均不成立；当0.06＜c＜6时，存在k使得|T|≥R成立。

图8是随着k和c变化，T-R取值范围的二维图，从而我们得到结论，当0.07＜c＜6m时，存在k使得|T|≥R成立。此例中R＝0.025m，H＝0.06m时，参数c的取值范围是为0.07≤c≤6m时，存在k使得满足条件|T|≥R。

2.2.2分辨率要求

普通相机的分辨率是指，成像面积dA与其所对应的立体角之比dA/dw，全景成像系统的分辨率是成像面积dA与物点发出光的立体角dα之比dA/dα，见图9。由Simon Baker反折射成像理论可知，全景成像系统的分辨率为：

$\frac{\mathrm{dA}}{\mathrm{a\α}}=\frac{r^2+z^2}{{(c-z)}^2+r^2}\frac{\mathrm{dA}}{\mathrm{d\ω}}---\left(8\right)$

由式(8)可以看出，系统的分辨率是由相机的分辨率和因子共同决定，而因子的几何意义是焦点F₁到镜面点p的距离平方与镜面点p到焦点F₂距离平方之比，如图9所示。由椭圆曲线特性可知，分辨率从p₀到p₁处逐渐减小。

一方面，选取相机时在满足其他性能的前提下，尽可能的选取高分辨率的相机，从而提高全景成像系统的分辨率。另一方面，因子的几何意义是焦点F₁到镜面点p的距离平方与镜面点p到焦点F₂距离平方之比，通过几何关系可以知道，通过减小两个焦点之间的距离，即减小c的值，从而提高因子的值，提高全景成像系统的分辨率。

2.2.3相机景深要求

由于普通相机的景深一般很小，通常就5mm左右，所以我们希望所设计的镜面可以使得所拍范围满足景深限制。如图6所示，根据几何关系可知所拍摄范围上界在镜面点p₀处反射，所拍摄范围的下界在镜面点p₁处反射，即第一个约束条件使得对象全部成像的界限。所以可以得到所拍范围的垂直距离是(0-z1)。所要满足的景深条件即所拍范围(0-z1)小于相机镜头景深。当镜面参数c取值范围是[0，6]，k的取值范围是[0，2]时，研究全景成像系统的景深，见图10。

由图10和图11知，c-定时，随着k的增大，所拍摄范围(0-z1)逐渐增加，系统要求的相机景深也就越大。k-定时，随着c的增大，所拍摄范围逐渐减小，系统需求的相机景深就越小。因此，满足景深条件需要取尽量小的k和尽量大的c。

2.2.4相机视场角要求

根据视场角的大小选择最合适的相机，由图3可知需要的视场角最小为：

$2\mathrm{\ω}=2\arctan \frac{\left|r_1\right|}{c-z_1}---\left(9\right)$

当所拍摄范围的视场角2ω过大时，需要用到广角镜头，容易产生径向畸变，因此，在满足以上三个约束条件的同时，控制视场角大小，避免使用广角镜头。

总之，通过以上四个约束条件我们得到：1).满足条件|T|≥R，c取0.07m≤c≤6m，存在k的值满足条件；2).c越小，分辨率越大；3).k越小，c越大，所需景深越小；4)视场角不能过大。根据以上要求设计算法获得最优解。

通过上面的约束条件可以得到一系列的镜面方程，可以选取满足条件的相机镜头组成全景成像系统。通过结果分析发现，在全景成像系统获得高分辨率时，所拍摄范围和视场角都很大，需要大景深、广角的相机，对相机要求比较高；当成像系统所拍摄范围和视场角只需求普通相机时，全景成像系统的分辨率会比较低。为了获得高分辨率、景深和视场角较小的全景成像系统，我们需要对系统模型进行优化，获得最优的镜面参数。

2.3模型优化方法

在以上模型中，我们是固定了被拍对象的位置，得到的结果使得系统的分辨率和景深不能同时达到最优。因此需要通过改变被拍对象圆柱物体与镜面的相对位置，得到优化模型。

2.3.1优化圆柱物体位置

(1)被拍对象上移被拍圆柱物体沿z轴正方向移动同时圆柱中心轴线仍与z轴重合，根据几何关系可知系统分辨率增大，系统所需景深也会增加，视场角有可能超过平角。所以将被拍圆柱物体向上移动不会降低景深。

(2)被拍对象下移被拍圆柱物体沿z轴负方向移动同时圆柱中心轴线仍与z轴重合。根据几何关系在镜面一定时，所拍摄范围就会减小，对相机景深和视场角的要求就会大大减小。如图12所示，当圆柱物体向下移动距离x，x越大，在满足其他约束条件的情况下，所拍摄范围也就越小，系统所需相机的景深也就越小，所以可以用来优化全景成像系统的景深，获得最优系统。

2.3.2优化镜面大小

通过上节优化，可以得到最优系统。当环境对镜面的大小有一定限制时，所设计的方法仍可以根据实际要求在实际过程中全景成像系统整体的对镜面大小进行一定的约束，更好的满足实际需求。

本发明的一种圆柱物体一次性360度成像的装置，具有成本低、使用方便、成像分辨率高的特点。通过特殊设计的锥形反射装置、支撑台和透明防尘罩、广角镜头及CCD/CMOS工业相机构成360度全景成像装置，本发明的360度全景成像装置能对圆柱物体外表面进行360度一次性成像，可以用在机器视觉中对产品进行检测时的成像，也可以用在其他机器视觉中需要360度成像的应用方面，如测量、检测等。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种圆柱物体360度全景成像镜面设计方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤1、设计镜面形状：利用单视点约束计算镜面点满足的方程，得到镜面形状是椭圆体，椭圆的几何参数方程为：

$\frac{1}{a^2}{(z-\frac{c}{2})}^2+\frac{r^2}{b^2}=1,$

r²＝x²+y²， $a=\sqrt{\frac{2k+c^2}{4}},b=\sqrt{\frac{k}{2}},$ c＞0and0＜k＜2，

其中c是椭圆两个焦点间距离，k为常数；

步骤2、设计镜面参数：对于任意给定的圆柱物体半径R和高H，根据以下四个约束方程计算椭圆镜面参数k和c，确定镜面方程具体参数：

(1)被拍圆柱物体外表面全部成像约束：|T|≥R，其中：

$T=\frac{c*r_1}{c-z_1},r_1=\frac{\frac{\mathrm{Hc}}{a^{2}R}-\frac{2}{\mathrm{Ra}}\sqrt{H^2+R^2}}{2(\frac{H^2}{R^2{a}^2}+\frac{1}{b^2})},z_1=\frac{H}{R}{r}_1$

通过作图的方法确定参数c的取值范围，并且存在参数k的值满足条件|T|≥R；

(2)高分辨率约束，成像装置的分辨率为通过作图的方法得到结果：c取值越小，分辨率越高；

(3)相机景深较小约束，当圆柱物体位置固定时，系统景深为(z₀-z₁)，通过作图的方法得知c取值越大并且k取值越小，系统景深越小；

(4)视场角不能过大约束，视场角不希望系统产生过大的径向畸变，所以要求视场角2ω≤90°；

步骤3、求解最优椭圆镜面具体参数，沿中心轴线调整圆柱物体的位置，设计在满足圆柱物体外表面全部成像的基本约束下，优先满足高分辨率和相机景深约束，最后要求视场角低于90°角的算法，设计出最优的镜面参数。

2.一种圆柱物体360度全景成像的镜面，其特征在于：其为由权利要求1的设计方法得到的镜面。

3.一种圆柱物体360度全景成像的装置，其特征在于：包括内曲面反射镜(1)、镜面支架(2)、光源(3)，相机(4)、被拍摄的圆柱物体(5)、夹持装置(6)；镜面支架(2)固定内曲面反射镜(1)，光源(3)对被拍摄的圆柱物体(5)进行照明，夹持装置(6)固定被拍摄的圆柱物体(5)，内曲面反射镜(1)满足单视点约束的镜面形状，单视点约束是指传感器接收到的光强集中在三维空间的同一点，称为有效点υ，当相机是一个理想的透视相机，忽略相机的离焦模糊，相机模型化为透视投影中心，称为有效孔p，单视点约束要求通过有效孔p的光线在被镜面反射之前经过有效点υ。

4.根据权利要求3所述的一种圆柱物体360度全景成像的装置，其特征在于：还包括一个平面反射镜(7)，所述平面反射镜(7)的镜面与水平面的夹角θ＝45°，相机(4)水平放置，相机(4)安装的高度为平面反射镜(7)的镜面垂直高度的一半。

5.根据权利要求3所述的一种圆柱物体360度全景成像的装置，其特征在于：内曲面反射镜(1)的镜面形状是椭圆体，椭圆的几何参数方程为：

$\frac{1}{a^2}{(z-\frac{c}{2})}^2+\frac{r^2}{b^2}=1,$

r²＝x²+y²， $a=\sqrt{\frac{2k+c^2}{4}},b=\sqrt{\frac{k}{2}},$ c＞0and0＜k＜2，

其中c是椭圆两个焦点间距离，k为常数。

6.根据权利要求5所述的一种圆柱物体360度全景成像的装置，其特征在于：内曲面反射镜(1)的镜面参数：对于任意给定的圆柱物体半径R和高H，根据以下四个约束方程计算椭圆镜面参数k和c，确定镜面方程具体参数：

(1)被拍圆柱物体外表面全部成像约束：|T|≥R，其中：

$T=\frac{c*r_1}{c-z_1},r_1=\frac{\frac{\mathrm{Hc}}{a^{2}R}-\frac{2}{\mathrm{Ra}}\sqrt{H^2+R^2}}{2(\frac{H^2}{R^2{a}^2}+\frac{1}{b^2})},z_1=\frac{H}{R}{r}_1$

通过作图的方法确定参数c的取值范围，并且存在参数k的值满足条件|T|≥R；

(2)高分辨率约束，成像装置的分辨率为通过作图的方法得到结果：c取值越小，分辨率越高；

(3)相机景深较小约束，当圆柱物体位置固定时，系统景深为(z₀-z₁)，通过作图的方法得知c取值越大并且k取值越小，系统景深越小；

(4)视场角 $2\mathrm{\ω}=2\arctan \frac{\left|r_1\right|}{c-z_1},$ 要求视场角2ω≤90°。

7.根据权利要求3所述的一种圆柱物体360度全景成像的装置，其特征在于：所述圆柱物体包括圆柱、圆台或圆锥。