CN107561821A - 全方位图像采集复合镜头 - Google Patents

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Abstract

一种全方位图像采集复合镜头，包括一摄像镜头，其具有一预设的光学视角并据此确定了一前方视野；两个以上形状相同的凸面反射镜以所述摄像镜头光轴c为中心对称设置在所述摄像镜头的上述前方视野范围内，用于将摄像镜头周围及部分摄像镜头后方的景物反射至所述摄像镜头；所述对称设置的凸面反射镜之间具有一可使所述摄像镜头能够直接获取其正前方一定范围内景物的反射镜间隙。据此，通过摄像镜头直接摄取前方预定视野范围的图像，同时通过凸面反射镜摄取周边与部分摄像镜头后方的视野景物，达到接近整个球面的视野涵盖效果。

Description

全方位图像采集复合镜头
技术领域
本发明涉及光学镜头结构，特别是全方位图像采集复合镜头。
背景技术
目前典型的全景镜头通常是借助曲面反射镜扩大视角范围，使用一台普通摄像机获得周边环景的视野范围，例如中国专利申请公开CN1975554A，即描述了基于双曲面取景器的全景视觉系统，旨在对上述曲面反射镜的改进，减少系统设计的复杂性和难度，获得更宽泛的适用性。随着图像处理电子技术(特别是计算机图形学)的发展，通过对所采集图像的叠加、矫正得到正常透视全景效果的技术也有公开，例如中国专利申请公开CN104835117A，描述了采用重叠方式的球面全景图生成方法，包括基于图像融合原理进行像素的融合，针对两个半球空间的重叠区域进行数值计算，对重叠区域的位置关系定量计算像素点的相对位置，根据球面全景图生成原理，将球面空间上的点映射到球面全景图上生成球面全景图。
可见，上述两种典型的全景图象采集技术中，前者虽然结构简单，但因为其通过设置在镜头正上方的曲面反射镜的反射进行图像采集，仅仅是曲面镜反射范围内的环景，而非真正意义上可覆盖整个球面的全方位取景；后者则需通过复杂的运算得到虚拟图像，不但需要加入图像处理装置导致结构复杂成本高昂，数据处理后的虚拟图像还存在无法作为司法证据的可能，例如在车辆保险理赔、事故监控等需要司法取证的场合便可能遇到麻烦。
发明内容
本发明的目的在于提供一种全方位图像采集复合镜头，以克服上述传统结构与方法的缺陷，通过简单的光学直接成像结构获得更接近球面全景而非环景的技术效果，以用于全方位图像采集。
根据本发明，一种全方位图像采集复合镜头，包括一摄像镜头，其具有一预设的光学视角并据此确定了一前方视野；多个形状相同的凸面反射镜以所述摄像镜头光轴c为中心对称设置在所述摄像镜头的上述前方视野范围内，用于将摄像镜头周围及部分摄像镜头后方的景物反射至所述摄像镜头；所述对称设置的凸面反射镜之间具有一可使所述摄像镜头能够直接获取其正前方一定范围内景物的反射镜间隙。
根据上述，所述凸面反射镜数量为两个。
根据上述，所述凸面反射镜的为球面镜。
根据上述，所述凸面反射镜为抛物面镜。
根据上述，所述凸面反射镜为双曲面镜。
根据上述，所述各相邻凸面反射镜所反射的视野范围周边具有一定的重叠区域。
根据上述，所述摄像镜头为变焦距镜头。
根据上述，摄像镜头连接有图像电子处理装置。
本发明有益效果：本发明通过对称布置的多个凸面反射镜取代传统的设置于摄像镜头前方的单个凸面反射镜，不会遮挡摄像镜头正前方的预定视野；多个凸面反射镜视野范围的适当重叠不会遗漏周边环景的任何方向；通过选取合适的摄像镜头的焦距、视角、孔径，以及适当调节多个凸面反射镜的曲率、倾角、位置与镜面口径，即可最大限度地涵盖甚至包括摄像镜头后方的大部分球面视野范围；据此，通过摄像镜头直接摄取前方预定视野范围的图像，同时通过凸面反射镜摄取周边与部分摄像镜头后方的视野景物，达到接近整个球面的视野涵盖效果。由于原始图像直接采集于几何光学成像系统，而且是能够同时、同步、双向摄录事件关联双(多)方的信息、起因、过程和结果，特别有利于诸如保险理赔、事故认定以及需要司法等取证的场合。
附图说明
图1(A)和(B)是本发明结构中凸面反射镜的布置及取景原理示意图；
图2是本发明结构及全方位成像原理示意图；
图3是图2的俯视结构示意图；
图4是图2的侧视结构示意图；
图5是本发明全方位取景范围的效果示意图；
图6(A)至(D)是将本发明复合镜头应用于车辆环境监视的实例；
图7是图6中摄像镜头前方视野的图像采集效果图；
图8是图6中通过凸面反射镜对周围视野的图像采集效果图。
附图标记说明：摄像镜头1，前方视野10，凸面反射镜2，等效凸面反射镜20，切割线21，透明壳罩3，反射镜间隙30，前方视野30’；摄像镜头节点0；摄像镜头光轴c。
具体实施方式
作为核心的技术及结构原理，图1展示了本发明全方位图像采集复合镜头结构中凸面反射镜的布置及取景原理。基于几何光学基本原理，凸面反射镜2通常具有效率较高的圆形投影形状，如无特别声明，本发明后述的反射镜镜面结构都具有圆形投影形状。
参见图1(A)，图中标注“左”“右”的两个相邻的凸面反射镜2，即使对称地裁切掉相邻的如图中阴影部分“L”“R”所覆盖区域的两部分镜面，使其具有一反射镜间隙30，仍可获得等效于单个完整凸面反射镜视野范围的，如图1(B)所示的等效凸面反射镜20的技术效果。上述反射镜间隙30则有利于使摄像镜头1在获得凸面反射镜2所反射周围景物的同时直接获取镜头前方的预定视野范围。摄像镜头1前方的预定视野范围取决于预设的镜头焦距所决定的视角，如果采用变焦距镜头，则该视角在焦距变化范围内是可以任意改变的。根据对两侧凸面反射镜2的不同裁切程度，保留较大的反射镜面积，或较小的反射镜间隙30时，反射得到的两侧的视野范围可能会有部分重叠；而过度的裁切，即保留较小的反射镜面积，或较大的反射镜间隙30时，则会使两侧视野范围不连贯。通常，只要保留部分大于半个圆面，即可比较容易地获得等效全圆面凸面反射镜的视野范围，如图1(B)所示。特别地，相邻凸面反射镜2视野范围周边具有一定的重叠区域，目前可以容易地通过图像电子处理系统去重处理而得到连贯的影像用于记录或显示。
综上所述，从取景空间上看，凸面反射镜2使摄像镜头1可同时获得镜头预定前方视野30’范围(球面空间的上方小半部分)以及通过反射得到的下方大半个球面空间的取景范围。
图2展示了本发明复合镜头的机械结构及几何光学原理。摄像镜头1设置于透明壳罩3的底部，摄像镜头1具有预设的视角范围，相应于图中所示的∠a0e，其中0为摄像镜头1的节点；两个对称设置在摄像镜头1光轴c两侧的凸面反射镜2，可对称地选取不同的曲率、投影半径和安装角度，图中所示的R1、R2或R3即展示了不同的凸面反射镜2曲率半径的多种选择，但必须使其位置和形状完全对称地设置，且位于摄像镜头1视角∠a0e范围内，使摄像镜头1能够无遗漏地获得全部反射景物，并能够通过反射镜间隙30直接获得正前方的景物；凸面反射镜2的有效反射区域如a⌒b和d⌒e所标示的弧度范围。显而易见，根据几何光学基本原理，凸面反射镜可以选择不同的投影半径、曲率，曲率半径R越小、曲率越大，反射图像的畸变就越大，反射视野范围就越宽；反之，曲率半径越R大，反射图像的畸变就越小，反射得到的视野范围就越狭窄。实际应用中需要根据场合和目的进行适当的协调选择。
根据图3和4，在俯视方向(即正投影方向)上看，两凸面反射镜2的反射镜间隙30可以沿切割线21所标示的弦线裁切得到，选择该弦线位置时，如前所述，保留的镜面面积较大时，会导致两侧反射镜一部分反射视野范围的重叠(可通过后期图像处理软件去重处理)，反之，保留的镜面面积过小的情况下，可能会出现反射视野范围的间断。这些都可以根据使用场合对凸面反射镜2的曲率、安放角度、投影半径、摄像镜头1的设定视角，以及与摄像镜头1的距离来综合协调设置，以达到预期的视野范围。优选的方式是使用变焦距镜头以方便地调节视角范围；以及，凸面反射镜可以根据对图像像差、畸变的要求采用球面、抛物面、双曲面等反射镜面形状。通过上述设定，在最全面获得取景范围的理想情况下，除两侧凸面反射镜2和摄像镜头1本身遮挡的少部分区域外，取景范围几乎可以覆盖整个球面。
根据图5，摄像镜头1可直接获取前方视野30’的景物；位于摄像镜头1前方视野30’范围内对称布置的两个凸面反射镜2将周围及后方的景物反射至摄像镜头1，即摄像镜头1同时获取了整个球面的景物。根据前面的论述，凸面反射镜2的投影半径、安装角度与摄像镜头视角等几何光学参数相匹配时，完全可以将摄像镜头1视角所确定的前方视野30’范围与通过凸面反射镜2反射的周围及后方视野范围无间隙地完整拼合。
图6(A)至(D)展示了用于汽车状态监控的实施例，由于本发明复合镜头具有极简单的光学和机械结构，可以制作得非常纤小，利于同时或选择性地设置在汽车车身的各个部位(例如图中虚线圆环所标示的位置)，达到全方位、同时、同步、双向监控摄录事件关联双(多)方监控的技术效果，相较于传统的行车记录仪，其优点不言而喻。
图7和8展示了根据图6在车身各部位设置本发明镜头通过电子屏幕显示的图像采集效果，摄像镜头1可以通过连接图像电子处理装置对整个复合镜头所采集的原始图像进行简单处理，例如去重、叠加以及电子显示等。

Claims (8)

1.一种全方位图像采集复合镜头，包括一摄像镜头(1)，其具有一预设的光学视角并据此确定了一前方视野(30’)；多个形状相同的凸面反射镜(2)以所述摄像镜头(1)光轴c为中心对称设置在所述摄像镜头(1)的上述前方视野(30’)范围内，用于将摄像镜头(1)周围及部分摄像镜头(1)后方的景物反射至所述摄像镜头(1)；所述对称设置的凸面反射镜(2)之间具有一可使所述摄像镜头(1)能够直接获取其正前方一定范围内景物的反射镜间隙(30)。
2.根据权利要求1所述全方位图像采集复合镜头，其特征在于，所述凸面反射镜(2)数量为两个。
3.根据权利要求1或2所述全方位图像采集复合镜头，其特征在于，所述凸面反射镜(2)为球面镜。
4.根据权利要求1或2所述全方位图像采集复合镜头，其特征在于，所述凸面反射镜(2)为抛物面镜。
5.根据权利要求1或2所述全方位图像采集复合镜头，其特征在于，所述凸面反射镜(2)为双曲面镜。
6.根据权利要求1或2所述全方位图像采集复合镜头，其特征在于，所述各相邻凸面反射镜(2)所反射的视野范围周边具有一定的重叠区域。
7.根据权利要求1或2所述全方位图像采集复合镜头，其特征在于，所述摄像镜头(1)为变焦距镜头。
8.根据权利要求1或2所述全方位图像采集复合镜头，其特征在于，所述摄像镜头(1)连接有图像电子处理装置。
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