CN112269300A - 基于多镜片的广角相机成像镜头及其成像方法 - Google Patents

Abstract

基于多镜片的广角相机成像镜头，包括镜片固定装置，所述镜片固定装置为半球形，在镜片固定装置上设有多个凸透镜，所述凸透镜用于成像，每个凸透镜分别设置有相对应的光圈和机械快门，所述机械快门用于控制光线是否通过光圈；在光圈后方设有光方向补偿器，在光方向补偿器的后方设有感光器件，所述光方向补偿器用于使凸透镜在感光器件上形成正的图像，所述感光器件用于形成图像的电信号；采用分时复用的控制方式，结合二分法和余弦相似度算法，以多个成像镜片为基础，配合外部结构来替代现有单镜片成像方式，获取相应的修正点来处理图像，避免出现失真模糊的现象，在相同的拍摄距离上，可以获得更大的视角，能够拍摄较大面积的景物。

Description

基于多镜片的广角相机成像镜头及其成像方法

技术领域：

本发明涉及基于多镜片的广角相机成像镜头及其成像方法。

背景技术：

照相机是一种利用光学成像原理形成影像并使用底片记录影像的设备，是用于摄影的光学器械；在现代社会生活中有很多可以记录影像的设备，它们都具备照相机的特征，比如医学成像设备、天文观测设备等；被摄景物反射出的光线通过照相镜头和控制曝光量的快门聚焦后，被摄景物在暗箱内的感光材料上形成潜像，经冲洗处理构成永久性的影像。

照相机品种繁多，按用途可分为风光摄影照相机、印刷制版照相机、文献缩微照相机、显微照相机、水下照相机、航空照相机、高速照相机等；按照相胶片尺寸，可分为110照相机(画面13×17毫米)、126照相机(画面28×28毫米)、135照相机(画面24×18，24×36毫米)、127照相机(画面45x45毫米)、120照相机(包括220照相机，画面60×45,60×60,60×90毫米)、圆盘照相机(画面8.2x10.6毫米)；按取景方式分为透视取景照相机、双镜头反光照相机、单镜头反光照相机。

在照相机的整体结构中，相机镜头无疑是重要组成部件，镜头质量的好坏会直接影响成像质量，现有的相机镜头往往都是采用单镜片成像的方式进行拍摄，虽然可以快速获取所需要的照片或图像，但是由于受到单镜片的影响，拍摄得到的图像易出现失真模糊的现象，照片质量较低，清晰度不够；并且照片视角较小，容易出现呈现内容不足的情况，从而使获取的照片不能满足用户的使用需求。

发明内容：

本发明实施例提供了基于多镜片的广角相机成像镜头及其成像方法，结构和方法设计合理，采用分时复用的控制方式，结合二分法和余弦相似度算法，以多个成像镜片为基础，配合外部结构来替代现有单镜片成像方式，获取相应的修正点来处理图像，避免出现失真模糊的现象，能够获取质量更高、拍摄角度更广、更加清晰的图像，解决了现有技术中存在的问题。

本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：

基于多镜片的广角相机成像镜头，包括镜片固定装置，所述镜片固定装置为半球形，在镜片固定装置上设有多个凸透镜，所述凸透镜用于成像，每个凸透镜分别设置有相对应的光圈和机械快门，所述机械快门用于控制光线是否通过光圈；在光圈后方设有光方向补偿器，在光方向补偿器的后方设有感光器件，所述光方向补偿器用于使凸透镜在感光器件上形成正的图像，所述感光器件用于形成图像的电信号。

所述凸透镜的数量为5个，包括一号凸透镜、二号凸透镜、三号凸透镜、四号凸透镜和五号凸透镜；所述凸透镜的排列方式为一号凸透镜、二号凸透镜、四号凸透镜和五号凸透镜等间距分布在以三号凸透镜为中心的圆周上。

在镜头固定装置外部设有遮罩，所述遮罩用于保护内部结构。

所述光方向补偿器为上半部分有曲率半径的凸透镜。

所述一号凸透镜、二号凸透镜、三号凸透镜、四号凸透镜和五号凸透镜为相同大小的凸透镜。

基于多镜片的广角相机成像方法，所述成像方法包括以下步骤：

S1，5个凸透镜对应的机械快门依次动作，获取一号图像、二号图像、三号图像、四号图像和五号图像，并通过感光器件依次将光信号转化成电信号进行输出；

S2，以三号图像为基准，对一号图像、二号图像、四号图像和五号图像分别空间变换和灰度插值，以消除一号图像、二号图像、四号图像和五号图像的几何失真；

S3，将一号图像、二号图像、三号图像、四号图像和五号图像按照一定规则进行合并处理，分别获取三号图像左上角修正点An、右上角修正点Bm、左下角修正点Cx和右下角修正点Dy；

S4，将一号图像以An为基点平移到三号图像的左上顶点，将二号图像以Bm为基点平移到三号图像的右上顶点，将四号图像以Cx为基点平移到三号图像的左下顶点，将五号图像以Dy为基点平移到三号图像的右下顶点，以获取清晰的图像。

将一号图像、二号图像、三号图像、四号图像和五号图像按照一定规则进行合并处理，分别获取三号图像左上角修正点An、右上角修正点Bm、左下角修正点Cx和右下角修正点Dy包括以下步骤：

S3(1)，选取三号图像上左上角四分之一大小的图像，定义为基准处理图像a0，左上角顶点为A0；

S3(2)，选取一号图像上左上角四分之一大小的图像和右下角四分之一大小的图像，分别定义为第一处理图像a1、左上角顶点A1、第二处理图像a2和左上角顶点A2；

S3(3)，选取A1和A2之间的中点A3，以A3为左上角顶点做与基准处理图像相同大小的第三处理图像a3；

S3(4)，对基准处理图像a0和第一处理图像a1、第二处理图像a2、第三处理图像a3分别进行余弦相似计算，从而得出余弦相似度r1、r2和r3，并与基准余弦相似度r0相比；

S3(5)，对余弦相似度r1、r2和r3，选取出其中较大的两个，并以选取出的两个余弦相似度相对应的处理图像上的左上角顶点之间的中点为左上角顶点A4做与基准处理图像相同大小的第四处理图像a4，再将基准处理图像和第四处理图像a4进行余弦相似计算，得出余弦相似度r4；

S3(6)，重复步骤S4和S5，直到第n处理图像an的余弦相似度rn小于基准余弦相似度r0，从而获取对应的三号图像左上角修正点An；

S3(7)，重复步骤S1到S6，按照同样的原理，分别获取三号图像对应的右上角修正点Bm，左下角修正点Cx和右下角修正点Dy。

将一号图像以An为基点平移到三号图像的左上顶点，将二号图像以Bm为基点平移到三号图像的右上顶点，将四号图像以Cx为基点平移到三号图像的左下顶点，将五号图像以Dy为基点平移到三号图像的右下顶点，以获取清晰的图像包括以下步骤：

S4(1)，对合成的图像进行空间平滑滤波，以减少噪声；

S4(2)，在获取的图像中截取最大的一个矩形并输出，得到清晰的图像。

本发明采用上述结构，通过镜片固定装置上均匀设置的多个凸透镜来获取相对应的多个图像，来替代现有的单镜片的拍摄模式，对获取的图像采用二分法和余弦相似度算法从而获取清晰高质量的图像；通过光方向补偿器使凸透镜在感光器件上形成正的图像，通过感光器件形成图像相对应的电信号；通过机械快门来控制光线是否通过光圈以进行成像，属于触发装置，具有图像清晰、操作简便、实用性强的优点。

附图说明：

图1为本发明的结构示意图。

图2为图1的侧视图。

图3为本发明的光方向补偿器的结构示意图。

图4为本发明图像处理前的成像示意图。

图5为本发明图像处理后的成像示意图。

图中，1、镜片固定装置，2、凸透镜，3、机械快门，4、光方向补偿器，5、感光器件，6、遮罩。

具体实施方式：

为能清楚说明本方案的技术特点，下面通过具体实施方式，并结合其附图，对本发明进行详细阐述。

如图1-5中所示，基于多镜片的广角相机成像镜头，包括镜片固定装置1，所述镜片固定装置1为半球形，在镜片固定装置1上设有多个凸透镜2，所述凸透镜2用于成像，每个凸透镜2分别设置有相对应的光圈和机械快门3，所述机械快门3用于控制光线是否通过光圈；在光圈后方设有光方向补偿器4，在光方向补偿器4的后方设有感光器件5，所述光方向补偿器4用于使凸透镜在感光器件5上形成正的图像，所述感光器件5用于形成图像的电信号。

所述凸透镜2的数量为5个，包括一号凸透镜、二号凸透镜、三号凸透镜、四号凸透镜和五号凸透镜；所述凸透镜的排列方式为一号凸透镜、二号凸透镜、四号凸透镜和五号凸透镜等间距分布在以三号凸透镜为中心的圆周上。

在镜头固定装置1外部设有遮罩6，所述遮罩6用于保护内部结构。

所述光方向补偿器4为上半部分有曲率半径的凸透镜。

所述一号凸透镜、二号凸透镜、三号凸透镜、四号凸透镜和五号凸透镜为相同大小的凸透镜。

基于多镜片的广角相机成像方法，所述成像方法包括以下步骤：

S1，5个凸透镜2对应的机械快门3依次动作，获取一号图像、二号图像、三号图像、四号图像和五号图像，并通过感光器件5依次将光信号转化成电信号进行输出；

S2，以三号图像为基准，对一号图像、二号图像、四号图像和五号图像分别空间变换和灰度插值，以消除一号图像、二号图像、四号图像和五号图像的几何失真；

S3，将一号图像、二号图像、三号图像、四号图像和五号图像按照一定规则进行合并处理，分别获取三号图像左上角修正点An、右上角修正点Bm、左下角修正点Cx和右下角修正点Dy；

S4，将一号图像以An为基点平移到三号图像的左上顶点，将二号图像以Bm为基点平移到三号图像的右上顶点，将四号图像以Cx为基点平移到三号图像的左下顶点，将五号图像以Dy为基点平移到三号图像的右下顶点，以获取清晰的图像。

将一号图像、二号图像、三号图像、四号图像和五号图像按照一定规则进行合并处理，分别获取三号图像左上角修正点An、右上角修正点Bm、左下角修正点Cx和右下角修正点Dy包括以下步骤：

S3(1)，选取三号图像上左上角四分之一大小的图像，定义为基准处理图像a0，左上角顶点为A0；

S3(2)，选取一号图像上左上角四分之一大小的图像和右下角四分之一大小的图像，分别定义为第一处理图像a1、左上角顶点A1、第二处理图像a2和左上角顶点A2；

S3(3)，选取A1和A2之间的中点A3，以A3为左上角顶点做与基准处理图像相同大小的第三处理图像a3；

S3(4)，对基准处理图像a0和第一处理图像a1、第二处理图像a2、第三处理图像a3分别进行余弦相似计算，从而得出余弦相似度r1、r2和r3，并与基准余弦相似度r0相比；

S3(5)，对余弦相似度r1、r2和r3，选取出其中较大的两个，并以选取出的两个余弦相似度相对应的处理图像上的左上角顶点之间的中点为左上角顶点A4做与基准处理图像相同大小的第四处理图像a4，再将基准处理图像和第四处理图像a4进行余弦相似计算，得出余弦相似度r4；

S3(6)，重复步骤S4和S5，直到第n处理图像an的余弦相似度rn小于基准余弦相似度r0，从而获取对应的三号图像左上角修正点An；

S3(7)，重复步骤S1到S6，按照同样的原理，分别获取三号图像对应的右上角修正点Bm，左下角修正点Cx和右下角修正点Dy。

将一号图像以An为基点平移到三号图像的左上顶点，将二号图像以Bm为基点平移到三号图像的右上顶点，将四号图像以Cx为基点平移到三号图像的左下顶点，将五号图像以Dy为基点平移到三号图像的右下顶点，以获取清晰的图像包括以下步骤：

S4(1)，对合成的图像进行空间平滑滤波，以减少噪声；

S4(2)，在获取的图像中截取最大的一个矩形并输出，得到清晰的图像。

本发明实施例中的基于多镜片的广角相机成像镜头及其成像方法的工作原理为：基于多成像凸透镜的结构，采用分时复用的控制方式，结合二分法和余弦相似度算法，配合外部结构来替代现有单镜片成像方式，获取相应的修正点来处理图像，避免出现失真模糊的现象，能够获取质量更高、视角更大、更加清晰的图像，与现有的单镜片成像方式相比，拍摄获取的图像不会出现失真模糊，实用性更强。

在整体方案中，凸透镜2以圆周均布的方式进行设置，并且在圆周的圆心上设置基准凸透镜，凸透镜之间是等间距进行分布，为后面图像的处理带来便利，减少拍摄误差；优选的，镜片固定装置1上的凸透镜2大小和曲率都是相同的，进一步降低噪声干扰。

一般情况下，镜片固定装置1为半球形固定装置，其中安装的凸透镜2数量为5个，就可以实现多镜头修正和成像，保证成像质量清晰不失真。

最外部的遮罩6能够有效保护内部结构，每个凸透镜2都对应设置有光圈和机械快门3机械快门3于控制光线是否透过光圈照射在感光器件5，可以保证五个凸透镜2在感光器件5同一个位置上进行成像，良好的控制成本；由于三号凸透镜位于感光器件5最中央，因此三号凸透镜成的像会正好照射在感光器件5，形成图像的电信号，而一号凸透镜、二号凸透镜、四号凸透镜和五号凸透镜都位于偏置的各侧，所以需要使用光方向补偿器4使偏置的凸透镜也能在感光器件上形成正的像；而光方向补偿器4就是一个只有上半部分具有特定曲率半径的一个凸透镜，从而可以使偏置的凸透镜能够形成正的像。

整个拍摄过程采用分时复用的思想，通过每个凸透镜2后面对应的机械快门3进行控制，在一次成像过程中，使一号凸透镜、二号凸透镜、三号凸透镜、四号凸透镜和五号凸透镜依次完成成像和拍摄。

获取的图像再通过二分法和余弦相似度算法进行计算，从而获取四个对应的图像修正点对三号图像进行修正，并且再通过空间平滑滤波和矩形截取以取得清晰的图像，避免出现失真模糊。

综上所述，本发明实施例中的基于多镜片的广角相机成像镜头及其成像方法基于多成像凸透镜的结构，采用分时复用的拍摄控制方式，结合二分法和余弦相似度算法进行计算，配合外部结构来替代现有单镜片成像方式，获取相应的修正点来处理图像，避免出现失真模糊的现象，能够获取质量更高、视角更大、更加清晰的图像，与现有的单镜片成像方式相比，拍摄获取的图像不会出现失真模糊，实用性更强、精准简便。

上述具体实施方式不能作为对本发明保护范围的限制，对于本技术领域的技术人员来说，对本发明实施方式所做出的任何替代改进或变换均落在本发明的保护范围内。

本发明未详述之处，均为本技术领域技术人员的公知技术。

Claims (8)

1.基于多镜片的广角相机成像镜头，其特征在于：包括镜片固定装置，所述镜片固定装置为半球形，在镜片固定装置上设有多个凸透镜，所述凸透镜用于成像，每个凸透镜分别设置有相对应的光圈和机械快门，所述机械快门用于控制光线是否通过光圈；在光圈后方设有光方向补偿器，在光方向补偿器的后方设有感光器件，所述光方向补偿器用于使凸透镜在感光器件上形成正的图像，所述感光器件用于形成图像的电信号。

2.根据权利要求1所述的基于多镜片的广角相机成像镜头，其特征在于：所述凸透镜的数量为5个，包括一号凸透镜、二号凸透镜、三号凸透镜、四号凸透镜和五号凸透镜；所述凸透镜的排列方式为一号凸透镜、二号凸透镜、四号凸透镜和五号凸透镜等间距分布在以三号凸透镜为中心的圆周上。

3.根据权利要求1所述的基于多镜片的广角相机成像镜头，其特征在于：在镜头固定装置外部设有遮罩，所述遮罩用于保护内部结构。

4.根据权利要求1所述的基于多镜片的广角相机成像镜头，其特征在于：所述光方向补偿器为上半部分有曲率半径的凸透镜。

5.根据权利要求2所述的基于多镜片的广角相机成像镜头，其特征在于：所述一号凸透镜、二号凸透镜、三号凸透镜、四号凸透镜和五号凸透镜为相同大小的凸透镜。

6.基于多镜片的广角相机成像方法，其特征在于，所述成像方法包括以下步骤：

S1，5个凸透镜对应的机械快门依次动作，获取一号图像、二号图像、三号图像、四号图像和五号图像，并通过感光器件依次将光信号转化成电信号进行输出；

S2，以三号图像为基准，对一号图像、二号图像、四号图像和五号图像分别空间变换和灰度插值，以消除一号图像、二号图像、四号图像和五号图像的几何失真；

S3，将一号图像、二号图像、三号图像、四号图像和五号图像按照一定规则进行合并处理，分别获取三号图像左上角修正点An、右上角修正点Bm、左下角修正点Cx和右下角修正点Dy；

S4，将一号图像以An为基点平移到三号图像的左上顶点，将二号图像以Bm为基点平移到三号图像的右上顶点，将四号图像以Cx为基点平移到三号图像的左下顶点，将五号图像以Dy为基点平移到三号图像的右下顶点，以获取清晰的图像。

7.根据权利要求6所述的基于多镜片的广角相机成像方法，其特征在于，将一号图像、二号图像、三号图像、四号图像和五号图像按照一定规则进行合并处理，分别获取三号图像左上角修正点An、右上角修正点Bm、左下角修正点Cx和右下角修正点Dy包括以下步骤：

S3(1)，选取三号图像上左上角四分之一大小的图像，定义为基准处理图像a0，左上角顶点为A0；

S3(2)，选取一号图像上左上角四分之一大小的图像和右下角四分之一大小的图像，分别定义为第一处理图像a1、左上角顶点A1、第二处理图像a2和左上角顶点A2；

S3(3)，选取A1和A2之间的中点A3，以A3为左上角顶点做与基准处理图像相同大小的第三处理图像a3；

S3(4)，对基准处理图像a0和第一处理图像a1、第二处理图像a2、第三处理图像a3分别进行余弦相似计算，从而得出余弦相似度r1、r2和r3，并与基准余弦相似度r0相比；

S3(5)，对余弦相似度r1、r2和r3，选取出其中较大的两个，并以选取出的两个余弦相似度相对应的处理图像上的左上角顶点之间的中点为左上角顶点A4做与基准处理图像相同大小的第四处理图像a4，再将基准处理图像和第四处理图像a4进行余弦相似计算，得出余弦相似度r4；

S3(6)，重复步骤S4和S5，直到第n处理图像an的余弦相似度rn小于基准余弦相似度r0，从而获取对应的三号图像左上角修正点An；

S3(7)，重复步骤S1到S6，按照同样的原理，分别获取三号图像对应的右上角修正点Bm，左下角修正点Cx和右下角修正点Dy。

8.根据权利要求6所述的基于多镜片的广角相机成像方法，其特征在于，将一号图像以An为基点平移到三号图像的左上顶点，将二号图像以Bm为基点平移到三号图像的右上顶点，将四号图像以Cx为基点平移到三号图像的左下顶点，将五号图像以Dy为基点平移到三号图像的右下顶点，以获取清晰的图像包括以下步骤：

S4(1)，对合成的图像进行空间平滑滤波，以减少噪声；

S4(2)，在获取的图像中截取最大的一个矩形并输出，得到清晰的图像。

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