CN114584688B - 拍摄和处理数字全景图像的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于拍摄和处理数字全景图像的方法。该方法包括借助一全景物镜(3)将一全景图(1)投影到一图像传感器(4)上，以获得一原始图像(6)。然后，基于原始图像(6)建立一组(7)N幅输出图像(8)。N大于或等于二，并且每幅输出图像(8)用一给定焦距显示全景图(1)的一直线投影。输出图像(8)具有一共同的预定分辨率，第一输出图像(8.1)的焦距具有一预定焦距值，各其他输出图像(8.2；8.3)的焦距短于先前输出图像(8.1；8.2)的焦距。此外，本发明还涉及一种数字全景摄像机系统(2)，所述系统包括一全景物镜(3)、一图像传感器(4)和一图像处理电子器件(5)。图像处理电子器件(5)设置用于执行以上所述方法。

Description

拍摄和处理数字全景图像的方法
技术领域
本发明涉及一种拍摄和处理数字全景图像的方法以及一种数字全景摄像机系统。
背景技术
数字全景图像具有广泛的应用范围并可由例如车载摄像机或监控摄像机等数字全景摄像机系统拍摄。
例如，在美国专利申请US 2004/0136092 A1中公布了一种用于拍摄和显示一分辨率可变的数字全景图像的方法。所述方法借助一全景物镜将一全景图投影到一图像传感器上。全景物镜具有相对于全景图对象点视场角的一非线性像素分布函数。与线性分布函数相比，所述非线性像素分布函数具有至少±10％的最大发散度，由此使所得全景图像具有至少一基本上被扩展的区域和至少一基本上被压缩的区域。以此方式，物镜会对图像中取决于预期应用的、最有用的区域进行扩展。分辨率在所述有用区域中非常出色，但在不太重要的区域中却很一般。
然而，这种方法会产生一失真的图像，尤其是全景图中的直线在图像中并非是笔直的。然而，例如对基于人工智能的对象识别，保持直线笔直正是后续图像分析的一重要特征。
发明内容
本发明的一项任务是提供一种用于拍摄和处理数字全景图像的方法，其中，全景图中的直线在图像中是笔直的，并且图像某些区域的分辨率很好。
该项任务通过所附独立权利要求的主题解决。从属权利要求和以下描述及附图提供了实施方式。
根据本发明的第一方面，提供一种用于拍摄和处理数字全景图像的方法。在该方法的一第一步骤中，借助一全景物镜将全景图投影到一图像传感器上，以获得一原始图像。所述全景图可是特定应用感兴趣的各类场景。在车载摄像机中，全景图例如可是从挡风玻璃或后窗玻璃向外观察的场景。全景物镜可是各种广角物镜，例如一鱼眼镜头或一广角直线镜头。全景物镜将全景图投影到图像传感器上，其中，图像传感器可是各类适用的数字图像传感器，例如一电荷耦合器件(CCD)传感器或一互补金属氧化物半导体(CMOS)传感器。
在该方法一第二步骤中，基于在第一步骤中获得的原始图像建立一组N幅输出图像。数字N是一大于或等于二的自然数，即基于原始图像建立至少两幅输出图像。每幅输出图像表示具有一给定焦距的全景图直线投影/球心投影(gnomonic projection)。一直线投影是由一针孔相机获得的投影，即具有一f·tan(θ)映射函数的投影。因此，全景图中的直线是输出图像中的直线。直线投影的焦距定义为针孔和图像平面间的距离。
输出图像具有一共同的预定分辨率，即，它们表示一图像传感器上带有预定分辨率的全景图投影。所述分辨率例如是每个长度的一预定像素数。
输出图像的建立方法是，使第一输出图像的焦距具有一预定焦距值，各其他输出图像的焦距短于先前输出图像的焦距。即，第二输出图像的焦距短于第一输出图像的焦距，第三输出图像的焦距短于第二输出图像的焦距，以此类推。
因此，第一输出图像在全景图中具有最高的细节分辨率，即，第一输出图像覆盖区域的分辨率非常好。这N幅输出图像组的后续图像在全景图中的细节分辨率越来越低，而第N幅输出图像在全景图中具有最低的细节分辨率。
根据一实施方式，数字N在3和7之间，尤其是4或5。所述数字与许多全景物镜的物理分辨力良好匹配。
根据一实施方式，预定分辨率基本上等于原始图像的分辨率。与原始图像相比，这提供了输出图像的良好确认性，并简化了建立输出图像时的转换。
根据一实施方式，预定焦距值基本上等于全景物镜在全景物镜光轴处的焦距。与基本等于原始图像分辨率的预定分辨率一起，使得第一输出图像能覆盖全景物镜光轴区域中由原始图像提供的所有细节。另一方面，全景物镜光轴区域的第一输出图像中没有记录多余的信息。由于全景物镜通常在光轴区域具有最高分辨力，这使得第一输出图像覆盖了借助全景物镜将全景图投影到图像传感器上所提供的所有细节。在此意义上，分辨力是指在一直线投影中的分辨率。因此，例如具有一f·θ映射函数的鱼眼镜头由于其构造在光轴区域具有最高分辨力。如果要使用远离其光轴的区域中具有最高分辨力的一特别全景物镜，则可对第一输出图像的焦距进行调整，使第一输出图像覆盖原始图像提供的、在远离具有最高分辨力的光轴的所述区域中的所有细节。
根据一实施方式，除了第一输出图像外，每幅输出图像的焦距是前一输出图像焦距的一半。这就能在同一组输出图像的两幅输出图像间简单进行像素匹配。
根据一实施方式，除第一输出图像外，每幅输出图像的焦距和尺寸使输出图像外部区域中的像素密度近似等于输出图像外部区域的对应于原始图像区域中的平均像素密度。输出图像的尺寸是指以像素为单位的输出图像的高度和宽度。当例如具有f·θ映射函数的鱼眼镜头等全景物镜的分辨力随距光轴的距离增加而降低时，焦距和尺寸的这一选择特别合理。焦距和尺寸的选择可确保在建立输出图像时几乎不会丢失信息，即不会丢失图像传感器检测到的细节。另一方面，输出图像中只记录很少的多余信息。多余信息例如是指通过插值获得的、但实际不包含附加细节的像素。
信息的丢失和多余信息的记录当然具有相反的作用。也就是说，如果例如针对给定的焦距选择更大尺寸的输出图像，则信息丢失更少，但多余信息的记录更多，反之亦然。这类信息丢失和多余信息记录之间的平衡可通过外部区域的选择加以控制：如果外部区域非常接近与先前输出图像相对应的区域，则信息损失很小，但如果外围区域非常靠近输出图像的角落，则仅记录很少的多余信息。
根据一实施方式，输出图像具有相同的尺寸，尤其是具有与原始图像相同的尺寸。该选择简化了输出图像的管理。
根据一实施方式，建立除第一输出图像外的输出图像包括以先前输出图像焦距除以当前输出图像焦距的因子对先前输出图像进行降低分辨率，并将降低分辨率的结果分配到当前输出图像的对应区域。因此，对原始图像的每个区域，通常只需执行一次原始图像到一直线投影的计算密集型转换。例如，先建立第一幅输出图像。对第一输出图像，没有可降低分辨率的先前输出图像，因此必须为完整的第一输出图像执行原始图像到直线投影的转换。针对第二幅输出图像实施第一幅输出图像计算速度较快的降低分辨率，并将降低分辨率结果分配给第二幅输出图像的对应区域。仅须对与第一幅输出图像区域不对应的剩余区域执行原始图像到直线投影的计算密集型转换。
根据一实施方式，建立输出图像包括至少对没有分配降低分辨率结果的那些区域计算与输出图像坐标相对应的非规范化坐标的一步骤。非规范化坐标尤其说明主点相对于输出图像原点的位置。例如可使用一针孔相机的逆矩阵进行这类非规范化坐标的计算。此外，输出图像的建立还包括通过一透镜函数计算在原始图像上的非规范化坐标投影的一步骤。这意味着，确定原始图像中对应于非规范化坐标的位置。为建立输出图像，最后从原始图像投影非规范化坐标处的像素获得输出图像坐标处的像素颜色值。一灰度图像中的颜色值只是亮度值。输出图像的所述建立避免使用透镜函数的倒数，因此计算速度快。
根据一实施方式，从已由实际镜头拍摄的一预定图表的原始图像确定透镜函数。透镜函数的所述确定包括调整预定图表的点，使其与和预定图表点相对应的原始图像的像素相匹配。在一示例中，通过调整适配一给定透镜函数模型的几个参数确定透镜函数。通过根据实际镜头所拍摄的原始图像确定透镜函数，不仅顾及全景物镜样本间的变化，也顾及全景物镜安装的变化。
根据一实施方式，输出图像组被保存到一非易失性存储器中。由此，可在一稍后的时间点对输出图像进行检查和/或分析。
根据一实施方式，所述输出图像组中的一输出图像被显示在一显示器上，并且要显示的输出图像是基于一用户所选的缩放等级选择的。尤其是，用户可离散地缩放到输出图像组中的一输出图像。由于已建立了所有输出图像，缩放到一特定输出图像不需要任何额外的计算工作。
根据一实施方式，通过一对象识别单元访问所述输出图像组。由于在许多情况下，对象识别单元依赖于全景图中的直线在图中是否笔直，因此以输出图像为基础的直线投影是这些对象识别单元的理想选择。对象识别单元尤其从输出图像组最后一输出图像，即具有最大视野的输出图像开始对象识别。如果对象识别单元识别到一潜在感兴趣的对象，则在之前的输出图像中寻找所述对象一更高分辨率的图像。此外，当对象识别单元完成对最后一输出图像的分析后，尽管视野更小，它也会分析先前显示更多细节的输出图像。
根据本发明另一观点，提供一种数字全景摄像机系统，它包括一全景物镜、一图像传感器和一图像处理电子器件。全景物镜可是各类广角物镜，例如一鱼眼镜头或一广角直线镜头。全景物镜将一全景图投影到图像传感器上，其中，图像传感器可是各类适用的数字图像传感器，例如一电荷耦合器件(CCD)传感器或一互补金属氧化物半导体(CMOS)传感器。图像处理电子器件设计用于执行根据以上所述的方法。尤其用于处理一原始图像，以获得一组N幅输出图像，其中，每幅输出图像显示全景图的一直线投影，即全景图中的直线在输出图像中是笔直的。此外，该组输出图像中的第一输出图像在全景图中具有一高分辨率细节，即第一输出图像覆盖区域的分辨率很好。
根据本发明另一观点，提供一种包括根据以上所述数字全景摄像机系统的车辆。
参考下文描述的实施方式，本发明的这些观点和其他观点将变得显而易见，并得到阐明。
附图说明
下面参考以下附图描述本发明示例性实施方式：
图1该图展示一全景图和一数字全景摄像机系统，
图2该图展示一原始图像，以及
图3a—3c该图展示一组输出图像。
附图仅是示意图，并仅用于图示本发明实施方式。原则上，相同或等效部分具有相同的附图标记。
具体实施方式
图1展示一被描绘为房屋和一汽车的全景图1，但原则上可是各类感兴趣的全景图1。此外，图1还展示一数字全景摄像机系统2，它包括一全景物镜3、一图像传感器4和一图像处理电子器件5。
全景物镜3可是各广角物镜中的一类，例如一鱼眼镜头或一广角直线镜头。图像传感器4可是各类适用的数字图像传感器，例如一电荷耦合器件(CCD)传感器或一互补金属氧化物半导体(CMOS)传感器。全景物镜3和图像传感器4设置用于，使全景图1通过全景物镜3被投射到图像传感器4上。图像传感器4与图像处理电子器件5相连接，其中，图像处理电子器件5例如可是全景摄像机系统2或一单独处理器的板载芯片。
图2展示从全景摄像机系统2的图像传感器4直接获得的全景图1的原始图像6。原始图像6中心的对象在此是汽车，它展示大量细节，并几乎没有失真。原始图像6外部区域的对象在此是房屋，它展示很少细节，并很多失真。这类失真对大部分情况下基于在图中依然笔直的自然中的直线的自动对象识别特别不利。
图3a—3c展示由图像处理电子器件5基于原始图像6建立由三幅输出图像8组成的输出图像组7。
图3a展示第一输出图像8.1，它具有一等于原始图像6分辨率的分辨率和等于全景物镜3焦距的焦距(对应于针孔相机)。因此，第一输出图像8.1展示与原始图像6相同的细节。然而，由于第一输出图像8.1是全景图1的一直线投影，原始图像6的外部区域不被第一输出图像8.1所覆盖。
通过计算与第一输出图像8.1每个像素的坐标相对应的非规范化坐标，基于原始图像6建立第一输出图像8.1。然后，使用与全景物镜3相对应的透镜函数，将非规范化坐标投影到原始图像6上，并从原始图像6投影所得非规范化坐标处的像素获得第一输出图像8.1坐标处的像素颜色值。
图3b展示第二输出图像8.2，它具有等于原始图像6分辨率和第一输出图像8.1分辨率的分辨率以及等于第一输出图像8.1焦距一半的焦距。在建立第二输出图像8.2时，第一输出图像8.1的分辨率被降低为二分之一，并且所述降低分辨率的第一输出图像8.1被分配给第二输出图像8.2的中心区域。然后采用类似于建立第一输出图像8.1的所述方法建立第二输出图像8.2的外部区域。
图3c展示第三输出图像8.3，该图像所具有的分辨率等于原始图像6的分辨率、第一输出图像8.1和第二输出图像8.2的分辨率，它所具有的焦距等于第二输出图像8.2的焦距的一半。如上所述，第三输出图像8.3的建立与第二输出图像8.2的建立相似。第三输出图像8.3展示原始图像6的边缘细节，所述原始图像在此是房屋。这些细节是未失真的，并由此可供取决于是笔直的直线的对象识别单元访问。
一输出图像8组7覆盖了由原始图像6给定的、提供一全景图1直线投影的视野，该输出图像组在中央区域具有一很好的分辨率(与全景摄像机系统2的分辨率相对应)，并仅占用合理的存储器数量。
所公布实施方式的其他变异可由专业人员在实施要求保护的发明时，通过研究附图、公布内容和所附权利要求加以理解并予以实施。在权利要求中，“包括”一词不排除其他部分或步骤，不定冠词“一”不排除多个。事实上，在相互不同的从属权利要求中所引用的特定措施并不表示不能以有益的方式应用这些措施的组合。权利要求中的所有附图标记不应被解释为对权利要求范围的限制。

Claims (16)

1.一种拍摄和处理数字全景图像的方法，包括：
借助一全景物镜(3)将一全景图(1)投影到一图像传感器(4)上，以获得原始图像(6)，以及
基于原始图像(6)建立一组(7)N幅输出图像(8)，其中
N大于或等于二，
每幅输出图像(8)用一给定焦距展示全景图(1)的一直线投影，
输出图像(8)具有一共同的预定分辨率，
第一输出图像(8.1)的焦距具有一预定焦距值，以及
各其他输出图像(8.2；8.3)的焦距短于上一输出图像(8.1；8.2)的焦距，其中，建立除第一输出图像(8.1)外的输出图像(8.2；8.3)，包括
将上一输出图像(8.1；8.2)的分辨率降低为当前输出图像(8.2；8.3)的焦距除以上一输出图像(8.1；8.2)的焦距，以及
将降采样结果分配给当前输出图像(8.2；8.3)的相应区域。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，数字N在3和7之间。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，数字N是4或5。
4.根据权利要求1到3中任一项所述的方法，其中，预定分辨率基本上等于原始图像(6)的分辨率。
5.根据权利要求1到3中任一权利要求所述的方法，其中，预定焦距值基本上等于全景物镜(3)光轴处的全景物镜(3)的焦距。
6.根据权利要求1到3中任一权利要求所述的方法，其中，除第一输出图像(8.1)外，每幅输出图像(8.2；8.3)的焦距是上一输出图像(8.1；8.2)焦距的一半。
7.根据权利要求1到3中任一权利要求所述的方法，其中，除第一输出图像(8.1)外，每幅输出图像(8.2；8.3)的焦距和尺寸使输出图像(8)的外部区域中的像素密度大致等于与输出图像(8)的外部区域相对应的原始图像(6)的区域中的平均像素密度。
8.根据权利要求1到3中任一权利要求所述的方法，其中，输出图像(8)具有相同的尺寸。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，输出图像(8)具有与原始图像(6)相同的尺寸。
10.根据权利要求1到3中任一权利要求所述的方法，其中，建立输出图像(8)包括至少对未分配降采样结果的那些区域，
计算对应于输出图像(8)的坐标的非规范化坐标，
通过一透镜函数计算原始图像(6)上的非规范化坐标的投影，以及
从原始图像(6)投影得到的非规范化坐标处的像素获得输出图像(8)的坐标处像素的颜色值。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，透镜函数由实际透镜得出的预定图表的原始图像(6)确定。
12.根据权利要求1到3中任一权利要求所述的方法，其中，输出图像(8)的组(7)被存储到一非易失性存储器中。
13.根据权利要求1到3中任一权利要求所述的方法，其中，输出图像(8)的组(7)中的一个输出图像(8)被显示在一显示器上，并且基于用户所选缩放等级选择要显示的输出图像(8)。
14.根据权利要求1到3中任一权利要求所述的方法，其中，输出图像(8)的组(7)被一对象识别单元访问，并且对象识别单元从输出图像(8)的组(7)的最后一个输出图像(8.3)开始对象识别。
15.一种数字全景摄像机系统(2)，它包括
一全景物镜(3)，
一图像传感器(4)以及
图像处理电子器件(5)，其中
图像处理电子器件(5)设置用于执行根据权利要求1至14中任一权利要求所述的方法。
16.一种车辆，包括根据权利要求15所述数字全景摄像机系统(2)。
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