CN2638156Y - 基于彩色线性ccd的快速二维360°全景成像装置 - Google Patents

Abstract

基于彩色线性CCD的快速二维360°全景成像装置属于二维数字图像处理技术领域，其特征在于：它主要采用了由光学镜头、彩色线性CCD、信号转换和缓存电路依次串接而成的一维图像获取单元，按照预先在预定位置设定的相机初拍位置、步进电机步进角及步距，在计算机的控制下，由单片机经脉冲分配器控制步进电机按步进脉冲对应的旋转角度带动一维图像获取单元作360°全景拍摄。它具有：分辨率高而且可调、可快速拍摄、360°全景图像显示等优点。

Description

基于彩色线性CCD的快速二维360°全景成像装置

技术领域：

基于彩色线性CCD的快速二维360°全景成像装置属于二维数字图像处理技术领域。

背景技术：

具有拍摄全景的数字照相机可以用在网络会议，建筑物的360°全景演示等方面。拍摄全景指的是在水平平面内以一给定的角度(一般是0°～360°)转动照相机，360°的场景能够在一幅二维图像中展现。目前拍摄360°全景图像装置，主要还是通过旋转普通相机到某一角度进行拍摄，然后将获取的顺序二维图像使用通用的配准技术和投影变换达到360°全景显示目的。因此这样的全景照相机所获取的全景图像很大程度上是依靠二维图像的配准技术，以及360°投影技术。本发明通过基于彩色线性CCD成像技术，通过获取的一系列一维彩色图像拼接成一幅全景图像，可以极大地节省图像配准拼接的时间，能够快速获取360°全景图像。另外，由于彩色线性CCD可以达到很高的分辨率，因此在彩色线性CCD感光单元分布方向可以达到比二维CCD更高分辨率的图像信息。而用彩色线性CCD拼接为二维图像的另外一维方向上的分辨率可以通过控制步进电机的步进角大小来调节。

实用新型内容：

本实用新型所述的基于彩色线性CCD的快速二维360°全景成像装置，其特征在于：它含有：

红、绿、蓝三色图像获取装置：由光学镜头和彩色线性CCD器件组成；

信号转换和缓存电路：由输入端分别与红、绿、蓝色线性CCD的输出端相连且由依次串接的电平调整和信号放大电路、CCD信号模/数转换电路和FIFO(先入先出)数据缓冲器共三条串联支路构成；

计算机：数据输入端分别与上述三条信号转换和缓存电路的输出端相连；

单片机：控制和数据信号端经接口与上述计算机互连，且该单片机的读取信号输出端与上述各FIFO数据缓冲器的输入端相连；

可编程逻辑器件：采用Altera公司的EPLD EPM7128SCL84-15，它的控制信号输入端与上述单片机的开启/停止彩色CCD采样控制信号输出端相连，它的驱动时序指令输出端与彩色线性CCD的驱动时序控制信号输入端相连，它的A/D转换控制时序指令输出端与各A/D转换电路的控制信号输入端相连，它的数据写入控制信号输出端与各FIFO数据缓冲器的数据写入控制信号输入端相连；

时钟电路：20M的时钟，其时钟信号输出端与可编程逻辑器件的时钟控制信号输入端相连；

步进电机：采用日本SERVO公司的混和式步进电机KH42JM2-951，其步进控制信号输入端与脉冲分配器的输出端相连；而输出轴又与上述红、绿、蓝色线性CCD相轴接；

脉冲分配器输入端与上述单片机的步进控制信号输出端相连。

试验证明：本实用新型具有图像分辨率高且可调、快速、实时显示的功能。

附图说明：

图1.一维图像合成二维全景图的原理图。

图2.360°全景图像获取系统的系统示意图。

图3.一维图像(线状图)获取单元结构框图。

图4.基于彩色线性CCD的二维360°全景图获取控制框图。

图5.彩色线性CCD电路图

图6.电平平移电路和信号衰减电路

图7.AT89C51控制电路部分

图8.CCD信号的模数转换电路

图9.FIFO存储电路

图10 EPLD各个管腿定义图

具体实施方式：

彩色一维传感器获取空间一维图像拼接为一幅360°全景图像的基本原理如图1所示：空间一幅二维图像可在一个方向，按照一定宽度(或角度)等间隔的分割为一幅幅一维图像(线状图像)。360°全景图像拼接就是上述过程的逆过程。假设一幅全景图像由N幅线状图组成，那么相机旋转360°，彩色线性CCD获取的N幅一维图像，按照拍摄顺序从1到N，将这N幅拼接起来，就可以得到一幅360°全景图像。如果继续拍摄，那么得到的第N+1幅一维图像，将和前面的N幅一维图像有重叠。

360°全景图像获取装置的整体示意如图2所示，光学成像透镜(1)与彩色线性CCD(3)共同安装在旋转平台(2)上，平台由步进电机(4)带动绕铅垂轴线旋转，通过控制电路(5)可以控制上述所说的步距角和旋转角度，控制电路(5)中含有除彩色线性CCD外的一维图像获取单元，以及脉冲分配器。

根据图1给出的原理图，一维图像(线状图)获取单元结构图如图3所示。一维图像获取单元结构中，主要包含的元器件有：海鸥牌广角透镜(1)，彩色线性CCD(3)，放大器(6)，A/D转换芯片(7)，FIFO存储器(8)，20M晶体振荡器(9)，可编程逻辑器件EPLD(10)，单片机(11)以及计算机(12)。计算机是通过并口线(或USB)和FIFO存储器进行数据通讯的。

二维360°全景图的成像方法的控制程序流程图如图4所示，它的工作步骤如下：

针对360°全景图像质量的需求，在开始拍摄之前，首先要设定步进电机(4)的步进角大小。通过步进电机的控制电路(5)，可设定步进电机的分频数为1/2，1/8，1/16还是1/32等等。调整照相机的初始拍摄位置，计算机(12)发出开始拍摄的命令给单片机(11)，单片机(11)执行计算机(12)发出的命令。单片机(11)启动一维图像获取单元的拍摄功能。单片机(11)在一维图像获取单元采集完一场数据之后，停止一维图像获取单元的图像获取，然后给步进电机(4)一个驱动脉冲，步进电机(4)按照一个预先设计好的角度绕系统的中心轴旋转。计算机(12)再依据设定的步进角大小，转换为步进电机(4)驱动的脉冲数。然后传送给单片机(11)。单片机(11)经脉冲分配器根据设置的脉冲数，驱动步进电机(4)旋转到设定的角度。

一维图像获取单元的工作方式为；请见图5～图10：

【1】初始化：输入一维图像获取单元用的彩色线性CCD器件(3)的扫描夹角及步进角的步距，其步距由被控的步进马达(4)的分频数确定；

【2】计算机(12)启动拍摄程序；

【3】单片机(11)置可编程器件EPLD(10)控制命令信号EN，EN＝1；

【4】EPLD(10)向彩色线性CCD(3)发送TR，φ₁(PHI1)，φ₂(PHI2)和RS，并分别同时启动彩色线性CCD(3)的红、绿、蓝三个通道的扫描；

【5】彩色线性CCD(3)的红、绿、蓝三种颜色的象素的电压值VOUT_R，VOUT_G，VOUT_B则分别以1MHz(典型值)的速率输出；

【6】每种颜色的电压值数据经各自的电压平移电路和信号放大电路(6)，输出满足A/D转换器(7)的电压值VOUT_RA，VOUT_GA，VOUT_BA；

【7】A/D转换器(7)在可编程器件EPLD(10)输出的箝位信号CLAMP和A/D转换控制信号VIDSAMP的驱动下，分别同步地对VOUT_RA，VOUT_GA，VOUT_BA信号进行模数转换，并在串行时钟SCLK控制下，输出10MHz(典型值)的串行数据RED，GREEN，BLUE，这三个串行数据经过EPLD(10)的串转并逻辑运算，分别并行地输出8位数字量RD₀，RD₁，…，RD₇，GD₀，GD₁，…，GD₇，BD₀，BD₁，…，BD₇，在写信号WR的控制下将结果存到各自的FIFO数据缓冲器(8)中；

【8】单片机(11)判别FIFO数据缓冲器(8)的状态标志 HF是否为低？

若是，则转【9】；

若否，则等待；

【9】一场信号采集完毕，单片机(11)置低可编程器件EPLD(10)控制命令信号EN，EN＝0，单片机(11)进入到与计算机(12)通讯状态，单片机模拟ECP通讯模式的时序，通过AckReverse，PeriphAck，PeriphClk，ReverseReq，HostAck和Q₀，Q₁，…，Q₇等并口线，完成数据的传送。单片机(11)每发送一个读信号RD，一个字节的数据放在数据总线上，被送到计算机(12)中；

【10】计算机(12)判别扫描是否结束？；

若是，全景成像中止；

若否，则通过单片机和脉冲分配器使步进马达(4)旋转一个步进角，再返回步骤【3】，继续拍摄下一场。

本发明装置的电气连接如下：

图10中可编程逻辑器件芯片的PHI1，PHI2，TR和RS通过图5中的20针IDC插座，和图5的彩色线性CCD的PHI1_1，PHI1_2，TR_1和RS_1相连接。图5中的红信号(VOUT_R_1)通过图5中的20针IDC插座和图6中的VOUT_R相连接，图6输出调整过的红信号(VOUT_RA)和到图8中的VOUT_RA相连。图8转换后的信号RED和图10中的RED管脚相连接，输出的8位数字量信号RD0，RD1，……，RD7和图9对应的RD0，RD1，……，RD7相连接。图9中的状态信号线 EF， HF， FF， RT，FIFORS和图7中的EF， HF， FF， RT，FIFORS相连接，图9中的RD_RED和图10中的RD_RED相连接。图8中的控制信号线CLAMP，VIDSAMP，SCLK和图10中的CLAMP，VIDSAMP，SCLK相连接。图7中的RD_IN，INTO和图10中的RD_IN，INTO相连接。图9的8位输出量Q0，Q1，……，Q7在图7控制线AckReverse，PeriphAck，PeriphClk，ReverseReq，HostAck的作用下和计算机的并口线插座相连接。上述部分主要描述了红色信号获取的电气连接，绿色信号和蓝色信号获取的电气连接，方式同红色信号的电气连接。

在一维图像获取单元将一维图像数据传送给计算机之后，计算机要针对这样的一维图像数据进行处理。一维图像获取单元获得的数据是R、G、B三种颜色的数据，而一幅彩色图像是RGB三原色的组合色彩。根据计算机获取这三种基色的方式有两种，第一种方式为，三种基色数据相互间隔着传送，如RGBRGBRGB……，第二种方式为，三种基色分别传送，比如先传送完红色，然后绿色，最后蓝色，如RRR……GGG……BBB……。因此在计算机显示软件的色彩合成设计中要考虑数据的存储方式。

在合成二维图像方面，因为计算机获取的是彩色的一维图像，因此在合成360°全景时不需要考虑多幅二维图像融合中的配准问题，这样大大减少了一幅全景图像显示的时间。并且本全景拍摄装置可以做到实时显示功能。另外在图像畸变矫正上，大大减少矫正的难度，因为获得的是一维图像，在采用广角镜头时，只需要做一维图像畸变矫正，大大降低了畸变矫正的难度，提高了图像的精度。

本实用新型提出的成像装置，其特征在于，它含有：由光学成像镜头(3)和彩色线性CCDILX533K(1)构成的一维图像获取单元组成的红、绿、蓝三色图像获取装置和驱动电路；依次与红、绿、蓝色线性CCD的输出端相串的三条各自通过MAX4020ESD芯片(6)的电平调整和信号放大电路、通过MAX1101芯片(7)的CCD信号模/数转换电路和利用型号为IDT7205的FIFO数据缓冲器(8)构成的信号转换和缓存电路；数据输入端分别与上述三条信号转换和缓存电路和输出端相连的计算机DELL-L600(12)；通过ECP模式(或USB接口)控制信号线与上述计算机互连且向上述各FIFO数据缓冲器(8)发送读取信号的单片机AT89C51(11)；接收单片机(11)发送的开启/停止CCD(3)采样控制信号且在时钟电路(9)控制下分别向彩色线性CCD(3)发送驱动时序指令向模数转换电路发送A/D转换控制时序指令，向上述各FIFO数据缓存器8发送数据写入控制信号的可编程逻辑器件Altera公司的EPLD EPM7128SCL84-15(10)以及一端经脉冲分配器受控于单片机(11)而又与红、绿、蓝色线性CCD(3)轴联接的日本SERVO公司混和式步进电机KH42JM2-951(4)。

试验证明：它可以快速、准确地拍摄二维全景图，而且还能够在拍摄过程中用软件实现360°的场景显示。

本装置的主要优点有以下几方面：

1.采用高分辨率的彩色线性CCD ILX533K作为获取图像彩色信息的设备。并只需要通过更换更高象素的彩色线性CCD器件，得到更高分辨率的图像。

2.采用Altera的EPLD器件集成彩色线性CCD象素的控制时序，A/D转换(数字化)和放大器的控制时序。系统结构紧凑，集成度高。

3.采用IDT7205 FIFO存储器存储获取的每一场图像数据，通过并口ECP模式，将数据实时传送给计算机，通过显示软件实现全景图像的实时显示。

4.采用高分辨率的日本SERVO公司混和式步进电机KH42JM2-951来驱动相机镜头的转动，根据对图像质量的实际需求，增加或者减少步进电机每一步的转角来获得相应的图像。通过步进电机的转动，可以获取360度或者任意方向和角度的图像。

5.得到的全景图像是经过每一次获取到的线状彩色图像拼接而成的，因此避免了通过二维图像拼接成360度全景图像的配准问题。

Claims (1)

1.基于彩色线性CCD的快速二维360度全景用的成像装置，其特征在于，它含有：

红、绿、蓝三色图像获取装置：由光学镜头和彩色线性CCD器件ILX533K依次串联组成；

信号转换和缓存电路：由输入端分别与红、绿、蓝色线性CCD的输出端相连且由依次串接的通过MAX4020ESD芯片的电平调整和信号放大电路、通过MAX1101芯片的CCD信号模/数转换电路和型号为IDT7205的FIFO先入先出数据缓冲器共三条串联支路构成；

计算机：型号为DELL-L600的笔记本电脑，它的数据输入端分别与上述三条信号转换和缓存电路的输出端相连；

单片机：型号为AT89C51的单片机，控制和数据信号端经接口与上述计算机互连，且该单片机的读取信号输出端与上述各FIFO数据缓冲器的输入端相连；

可编程逻辑器件：采用Altera公司的EPLD EPM7128SCL84-15，它的控制信号输入端与上述单片机的开启/停止彩色CCD采样控制信号输出端相连，它的驱动时序指令输出端与彩色线性CCD的驱动时序控制信号输入端相连，它的A/D转换控制时序指令输出端与各A/D转换电路的控制信号输入端相连，它的数据写入控制信号输出端与各FIFO数据缓冲器的数据写入控制信号输入端相连；

时钟电路：20M的时钟，其时钟信号输出端与可编程逻辑器件的时钟控制信号输入端相连；

步进电机：采用日本SERVO公司的混和式步进电机KH42JM2-951，其步进控制信号输入端与脉冲分配器的输出端相连；而输出轴又与上述红、绿、蓝色线性CCD相轴接；脉冲分配器输入端与上述单片机的步进控制信号输出端相连。

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