CN110381237B - 一种基于单视点成像的曲面反射式全景视觉系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于单视点成像的曲面反射式全景视觉系统，其由全景视觉采集单元、CMOS图像传感器和图像还原单元构成。本发明系统的全景视觉采集单元共设计三个反射回转椭圆面，在环境光经过三次反射，被置于下部的CMOS图像传感器采集，被CMOS图像传感器采集后的图像经图像还原单元得到水平方向360度全景图像。本发明是一种无活动元件、且只有一个摄像头的曲面反射式全景视觉系统。

Description

一种基于单视点成像的曲面反射式全景视觉系统
技术领域
本发明涉及一种全景视觉系统，更特别地说，是指一种基于单视点成像的曲面反射式全景视觉系统。
背景技术
光学传感器是一种依据光学原理进行测量的检测装置。它能感受到被测量的信息，并能将感受到的信息按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。光学传感器种类主要有激光、红外光、照度、可见光以及图像传感器等等，它们分别利用光的一些固有特性，快速发展起来的传感技术。
全景视觉系统属于一种光学传感器。全景视觉系统主要有云台旋转式、鱼眼镜头式、多相机拼接式、折反式和曲面镜曲面反射式5种类型。曲面反射式全景视觉系统由于有结构简单、成本低廉、反射镜面易于设计和加工，且兼容于已有成像设备等优点，近年来获得较快发展。
目前应用中的曲面反射式全景视觉系统存在体积大、成像质量差、图像还原效果差的缺陷，因此本发明设计了一种无活动元件、且只有一个摄像头的曲面反射式全景视觉系统。
发明内容
本发明设计的基于单视点成像的曲面反射式全景视觉系统，是基于单视点成像原理，在像差最小和光路未遮挡的条件下，利用三次反射曲面形成水平方向360度全景图像。本发明系统是将CMOS图像传感器采集的初始拍摄信息采用图像还原单元进行还原得到水平方向360度全景图像。本发明的全景视觉采集单元共设计三个反射回转椭圆面，在环境光经过三次反射，被置于下部的CMOS图像传感器采集，被CMOS图像传感器采集后的图像经图像还原单元得到水平方向360度全景图像。
本发明的一种基于单视点成像的曲面反射式全景视觉系统，其特征在于：是由全景视觉采集单元、CMOS图像传感器和图像还原单元构成；
全景视觉采集单元利用三次反射曲面形成水平方向360度全景图像；
CMOS图像传感器用于将采集的图像信息转换为电信号输出给图像还原单元；
图像还原单元用于将电信号还原成水平方向360度全景图像信息。
在本发明中，所述的全景视觉采集单元由上端盖(1)、透明外壳(2)、下端盖(3)、下镜面体(4)、垫圈(5)和基座(6)构成；透明外壳(2)的下端与下端盖(3)的上端连接，透明外壳(2)的上端与上端盖(1)连接；下镜面体(4)安装在下端盖(3)内，且位于下端盖(3)的上端；下镜面体(4)与下端盖(3)的内壁或侧壁可以安装垫圈(5)；基座(6)螺纹连接在下端盖(3)的内螺纹上；
上端盖(1)上设有上端盖端面板(1A)、上端盖连接段(1B)、上端盖凸圆台(1C)、第一椭圆面(1D)和第二椭圆面(1E)；上端盖凸圆台(1C)设置在上端盖(1)下面板的中心位置，所述上端盖凸圆台(1C)上设有第一椭圆面(1D)和第二椭圆面(1E)；
第一椭圆面(1D)为外凸非球面，所述外凸非球面满足圆锥曲线镜面；
第二椭圆面(1E)为内凹非球面，所述内凹非球面满足圆锥曲线镜面；
上端盖(1)的第一种圆锥曲线镜面尺寸可以是
Figure BDA0002115448570000021
且k≥2；或者上端盖(1)的第二种圆锥曲线镜面尺寸可以是
Figure BDA0002115448570000022
且k＞0；z为图像坐标系O1X1Y1中Y1轴上的值，c为交点s与坐标原点q的距离，r为图像坐标系O1X1Y1中X1轴上的值，k为圆锥系数；
下镜面体(4)的中心是DA通孔(4D)，下镜面体(4)上设有下镜面体端面板(4A)、第三椭圆面(4B)、下镜面体凸圆台(4C)；下镜面体凸圆台(4C)的端面是第三椭圆面(4B)；
第三椭圆面(4B)为内凹非球面，所述内凹非球面满足圆锥曲线镜面；
下镜面体(4)的第一种圆锥曲线镜面尺寸可以是
Figure BDA0002115448570000031
且k≥2；或者下镜面体(4)的第二种圆锥曲线镜面尺寸可以是
Figure BDA0002115448570000032
且k＞0。
在本发明中，CMOS图像传感器(7)的镜头安装在下镜面体(4)的DA通孔(4D)中。
本发明基于单视点成像的曲面反射式全景视觉系统的优点在于：
①本发明系统变形小、为半球视角成像。
②本发明系统应用单摄像头，成本较低。
③本发明系统中无活动元件，可靠性更高。
④本发明系统中各个单元为独立设计，如反射镜面型函数与图像还原算法分开且互不影响，如机械结构上的反射镜面与CMOS图像传感器互不影响。
⑤本发明系统可移植性高，可应用于光学及位置感知传感器中。
附图说明
图1是本发明基于单视点成像的全景视觉系统的结构框图。
图2是本发明中全景视觉采集单元的外部结构图。
图2A是本发明中全景视觉采集单元的剖视结构图。
图3是本发明上端盖的前视图。
图3A是本发明上端盖的结构图。
图3B是本发明上端盖的另一视角结构图。
图3C是本发明上端盖的照片。
图4是本发明下镜面体的前视图。
图4A是本发明下镜面体的结构图。
图4B是本发明下镜面体的另一视角结构图。
图4C是本发明下镜面体的照片。
图5是本发明基于单视点成像的全景视觉系统的三次反射成像原理图。
图5A是本发明基于单视点成像的全景视觉系统的三次反射成像原理的另一示意图。
图5B是本发明系统中被CMOS图像传感器的成像面所采集的影像简示图。
图5C是本发明系统中经图像还原单元处理得到水平方向360度全景图像示意图。
图6是本发明系统的调制传递函数(MTF)图。
图7是本发明系统的场曲图。
1.上端盖 1A.上端盖端面板 1B.上端盖连接段
1C.上端盖凸圆台 1D.第一椭圆面 1E.第二椭圆面
2.透明外壳 3.下端盖 4.下镜面体
4A.下镜面体端面板 4B.第三椭圆面 4C.下镜面体凸圆台
4D.DA通孔 5.垫圈 6.基座
7.CMOS图像传感器
具体实施方式
下面将结合附图和实施例对本发明做进一步的详细说明。
参见图1所示的一种基于单视点成像的曲面反射式全景视觉系统，其由全景视觉采集单元、CMOS图像传感器和图像还原单元构成。
全景视觉采集单元利用三次反射曲面形成水平方向360度全景图像。
CMOS图像传感器用于将采集的图像信息转换为电信号输出给图像还原单元。
图像还原单元用于将电信号还原成水平方向360度全景图像信息。
参见图2、图2A所示的一种基于单视点成像的全景视觉采集单元的结构，所述的全景视觉采集单元由上端盖1、透明外壳2、下端盖3、下镜面体4、垫圈5和基座6构成；透明外壳2的下端与下端盖3的上端连接，透明外壳2的上端与上端盖1连接；下镜面体4安装在下端盖3内，且位于下端盖3的上端；为了保证下镜面体4的平稳，以及防抖动，下镜面体4与下端盖3的内壁或侧壁可以安装垫圈5；基座6螺纹连接在下端盖3的内螺纹上。
上端盖1
上端盖1的结构如图3、图3A、图3B、图3C所示，上端盖1上设有上端盖端面板1A、上端盖连接段1B、上端盖凸圆台1C、第一椭圆面1D和第二椭圆面1E；上端盖凸圆台1C设置在上端盖1下面板的中心位置，所述上端盖凸圆台1C上设有第一椭圆面1D和第二椭圆面1E。
在本发明中，第一椭圆面1D为外凸非球面，所述外凸非球面满足圆锥曲线镜面。
在本发明中，第二椭圆面1E为内凹非球面，所述内凹非球面满足圆锥曲线镜面。
在本发明中，上端盖1为金属材质，如铝合金。对于第一椭圆面1D和第二椭圆面1E采用铣磨技术加工，以保证第一椭圆面1D和第二椭圆面1E的光洁平滑。
在本发明中，上端盖1的第一种圆锥曲线镜面尺寸可以是
Figure BDA0002115448570000051
且k≥2；或者上端盖1的第二种圆锥曲线镜面尺寸可以是
Figure BDA0002115448570000052
且k＞0。z为图像坐标系O1X1Y1中Y1轴上的值，c为交点s与坐标原点q的距离，r为图像坐标系O1X1Y1中X1轴上的值，k为圆锥系数。
下端盖3
下端盖3的结构如图2、图2A所示，下端盖3的内壁上设有内螺纹3A和卡槽3B，卡槽3B用于放置下镜面体4的下镜面体端面板4A，内螺纹3A用于与基座6连接。
下镜面体4
下镜面体4的结构如图4、图4A、图4B、图4C所示，下镜面体4的中心是DA通孔4D，所述DA通孔4D用于放置CMOS图像传感器7的镜头；下镜面体4上设有下镜面体端面板4A、第三椭圆面4B、下镜面体凸圆台4C；下镜面体凸圆台4C的端面是第三椭圆面4B。
在本发明中，第三椭圆面4B为内凹非球面，所述内凹非球面满足圆锥曲线镜面。
在本发明中，下镜面体4为金属材质，如铝合金。对于下镜面体4上的第三椭圆面4B采用铣磨技术加工，以保证第三椭圆面4B的光洁平滑
在本发明中，下镜面体4的第一种圆锥曲线镜面尺寸可以是
Figure BDA0002115448570000061
且k≥2；或者下镜面体4的第二种圆锥曲线镜面尺寸可以是
Figure BDA0002115448570000062
且k＞0。
成像原理
参见图5、图5A所示，设第二椭圆面1E(即反射镜面)的视点记为坐标原点q(0,0)，第二椭圆面1上的任意一反射点记为p(r,z)。沿任意反射点p作水平线和竖直线，水平线与第二次反射光之间的夹角记为θ(即第一夹角θ)，第二次反射光与竖直线之间的夹角记为γ(即第二夹角γ)，镜面法线与竖直线之间的夹角记为β(即第三夹角β)，镜面法线与第三次反射光之间的夹角记为δ(即第四夹角δ，且δ＝γ-β)，第三次反射光与水平线之间的夹角记为α(即第五夹角α)。
第三次反射光的反向延长线与上端盖1的中心轴线的交点记为s(0,c)，交点s与坐标原点q的距离记为c，所述c的取值大于0，即c＞0。
在本发明中，图5A中的各个夹角的关系为：
Figure BDA0002115448570000071
在本发明中，依据三角函数则有：
Figure BDA0002115448570000072
tanα表示第五夹角的正切值；tanβ表示第三夹角的正切值；tanθ表示第一夹角的正切值。
在本发明中，依据三角关系有：
Figure BDA0002115448570000073
其中，dz为在图像坐标系O1X1Y1中Y1轴上数值的微分，dr为在图像坐标系O1X1Y1中X1轴上数值的微分。
将公式(4)代入公式(3)中，得到：
Figure BDA0002115448570000074
对公式(5)通解为：
Figure BDA0002115448570000075
k为圆锥系数，c＞0。
在本发明中，公式(6)定义了所有满足单视点限制的旋转面曲线，选择不同的c、k值可以得到不同种类的旋转面，包括锥面、球面、椭球面、双曲面、抛物面等。本发明选用了椭圆面作为全景视觉反射镜面。
在本发明中，为了实现小型化结构体，减小摄像头的横向尺寸，在CMOS图像传感器的上方增加了一个透镜。当第三次反射光透过所述透镜后，被CMOS图像传感器的成像面所采集，所述CMOS图像传感器采集获得的图像信息经图像还原单元处理得到水平方向360度全景图像。
图像还原单元的定标
参见图5B所示的被CMOS图像传感器的成像面所采集的影像简示图，设CMOS图像传感器7的镜头外圈7A为影像采集范围，并以全向视觉中心点为图像坐标系原点O1，做图像坐标系O1X1Y1。在O1X1Y1中任意一点p可用极坐标表示为p(r,z)。参见图5、图5A所示，设第二椭圆面1E(即反射镜面)的视点记为坐标原点q(0,0)，第二椭圆面1上的任意一反射点记为p(r,z)，所述任意反射点p(r,z)中r为图像坐标系O1X1Y1中X1轴上的值，z为图像坐标系O1X1Y1中Y1轴上的值。
参见图5C所示的经图像还原单元处理得到水平方向360度全景图像，在还原图像坐标系O2X2Y2中任意一点p与在图像坐标系O1X1Y1之间存在有映射关系。考虑图像坐标值离散性，通过建立查找映射关系表的方式表示图像坐标到还原图像坐标的距离映射关系，其中映射关系表由光学仿真软件导出。在图像还原单元的定标中利用一块条形标定板对全向视觉影像进行标定，标定板由黑白相间的色块组成，并在末端设置橙色色标，各色块宽度根据标定的精度要求和CMOS图像传感器所使用的全向反射镜面的结构特点设定，使其成像宽度适中，并基本一致。标定开始前，标定板起始端放置于全向视觉中心在参考平面的投影位置，在参考平面上向外延伸，并将末端的部分色块垂直于地面放置，以减小对标定板长度的要求。标定过程中，在全景图像中进行边缘提取获取标定板色块的边缘点，这样就使条形标定板近似地与一个铺满整个场地的环形标定板等效，大大简化了标定板的制作，从而完成全向视觉系统的标定。
实施例1
采用本发明设计的基于单视点成像的曲面反射式全景视觉系统进行全景图像获取。例1中系统的总宽度110mm，总长度210mm(如图2所示)，其中光学结构长110mm，可形成视场范围水平方向360°，竖直方向－30°～80°固定基座采用硬铝材质，透明外壳采用石英玻璃材质。反射镜为硬铝抛光镀膜制成。CMOS摄像头分辨率1280×960，帧率20fps，像元尺寸1.4um。
图6所示为专业光学仿真软件ZEMAX评估的例1结构尺寸的曲面反射式全景视觉系统调制传递函数(MTF)图，它可以评估光学系统的成像对比度和分辨率。在光学工程设计中，纵坐标OTF值表示对比度，在0.2～0.3以上时认为人眼可辨，对应的横坐标每毫米线对数(lp/mm)反映了系统成像的分辨率。能分辨的线对数越多，表示仪器的分辨率越好。如图6所示，当OTF值为2时，对应横坐标最小值约为100lp/mm，说明三次反射效果每毫米至少能分辨100线对，最大分辨率约为100lp/mm。取结构公差0.02mm时(曲率公差：0.02mm厚度公差：0.02mm面偏心：0.02mm元件偏心：0.02mm)，图像仍然满足要求，分辨率达80线对/毫米。说明本系统成像分辨率较高。
图7是垂直于主轴的平面物体经光学系统所结成的清晰影像，若不在一垂直于主轴的像平面内，而在一以主轴为对称的弯曲表面上，即最佳像面为一曲面，则此光学系统的成像误差称为场曲。场曲的存在使光学系统成像面为曲面，而CMOS器件的成像面是平面的。因此场曲过大，会导致视场不能聚焦在同一个焦平面上，造成成像模糊，影响清晰度。
图7所示为专业光学仿真软件ZEMAX评估的系统场曲图，其中横轴表示成像面的偏移量，纵轴上不设置单位，因为场曲曲线是用最大的径向视场归一化的。图7上方的T线表示子午场曲，S线表示弧矢场曲。由图可知本系统最大视场处子午场曲有最大值0.02毫米，弧失场曲有最大值0.02毫米。
本发明是一种基于单视点成像的曲面反射式全景视觉系统，所要解决的是如何提高成像质量、减小结构体积的技术问题；本发明运用的技术手段是：基于单视点成像原理，在像差最小和光路未遮挡的条件下，利用三次反射曲面形成水平方向360度全景图像。本发明的全景视觉采集单元共设计三个反射回转椭圆面，在环境光经过三次反射，被置于下部的CMOS图像传感器采集。本发明系统是将CMOS图像传感器采集的初始拍摄信息采用图像还原单元进行还原得到水平方向360度全景图像。

Claims (1)

1.一种基于单视点成像的曲面反射式全景视觉系统，是由全景视觉采集单元、CMOS图像传感器和图像还原单元构成；
CMOS图像传感器用于将采集的图像信息转换为电信号输出给图像还原单元；
图像还原单元用于将电信号还原成水平方向360度全景图像信息；
其特征在于：
全景视觉采集单元利用三次反射曲面形成水平方向360度全景图像；
所述的全景视觉采集单元由上端盖(1)、透明外壳(2)、下端盖(3)、下镜面体(4)、垫圈(5)和基座(6)构成；透明外壳(2)的下端与下端盖(3)的上端连接，透明外壳(2)的上端与上端盖(1)连接；下镜面体(4)安装在下端盖(3)内，且位于下端盖(3)的上端；下镜面体(4)与下端盖(3)的内壁或侧壁安装垫圈(5)；基座(6)螺纹连接在下端盖(3)的内螺纹上；
上端盖(1)上设有上端盖端面板(1A)、上端盖连接段(1B)、上端盖凸圆台(1C)、第一椭圆面(1D)和第二椭圆面(1E)；上端盖凸圆台(1C)设置在上端盖(1)下面板的中心位置，所述上端盖凸圆台(1C)上设有第一椭圆面(1D)和第二椭圆面(1E)；
第一椭圆面(1D)为外凸非球面，所述外凸非球面满足圆锥曲线镜面；
第二椭圆面(1E)为内凹非球面，所述内凹非球面满足圆锥曲线镜面；
上端盖(1)的第一种圆锥曲线镜面尺寸是
Figure FDA0002396760150000021
且k≥2；或者上端盖(1)的第二种圆锥曲线镜面尺寸是
Figure FDA0002396760150000022
且k＞0；z为图像坐标系O1X1Y1中Y1轴上的值，c为交点s与坐标原点q的距离，r为图像坐标系O1X1Y1中X1轴上的值，k为圆锥系数；
下镜面体(4)的中心是DA通孔(4D)，下镜面体(4)上设有下镜面体端面板(4A)、第三椭圆面(4B)、下镜面体凸圆台(4C)；下镜面体凸圆台(4C)的端面是第三椭圆面(4B)；
第三椭圆面(4B)为内凹非球面，所述内凹非球面满足圆锥曲线镜面；
下镜面体(4)的第一种圆锥曲线镜面尺寸是
Figure FDA0002396760150000023
且k≥2；或者下镜面体(4)的第二种圆锥曲线镜面尺寸是
Figure FDA0002396760150000024
且k＞0；
CMOS图像传感器(7)的镜头安装在下镜面体(4)的DA通孔(4D)中；
CMOS图像传感器(7)的成像定标为设CMOS图像传感器(7)的镜头外圈(7A)为影像采集范围，并以全向视觉中心点为图像坐标系原点O1，做图像坐标系O1X1Y1；在O1X1Y1中任意一点p可用极坐标表示为p(r,z)；设第二椭圆面(1E)的视点记为坐标原点q(0,0)，第二椭圆面(1)上的任意一反射点记为p(r,z)，所述任意反射点p(r,z)中r为图像坐标系O1X1Y1中X1轴上的值，z为图像坐标系O1X1Y1中Y1轴上的值；在还原图像坐标系O2X2Y2中任意一点p与在图像坐标系O1X1Y1之间存在有映射关系。
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