專利名稱：全景立體攝像裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于全方位視覺技術(shù)、光學技術(shù)、計算機視覺技術(shù)在全景立體攝像方面的應(yīng)用。
背景技術(shù)：
隨著立體電視在全球的普及和互聯(lián)網(wǎng)的飛速發(fā)展，三維成像技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴大，商業(yè)前景十分廣闊。三維成像技術(shù)應(yīng)用的范圍目前非常廣泛，在影視、軍事、攝影、手機、電腦、廣告、教育、設(shè)計、醫(yī)學、魔術(shù)、展覽展示、航空航天、遠程醫(yī)療、文體觀賞、娛樂游戲、電子商務(wù)等領(lǐng)域均可規(guī)模應(yīng)用。立體電視系統(tǒng)主要由立體攝像機和立體顯示設(shè)備組成。 作為立體攝像機，它具有雙鏡頭，綜合計算機、測控、圖像處理技術(shù)，拍攝過程符合人的視覺機理。目前立體攝像機技術(shù)已經(jīng)比較成熟，但是在全景立體攝像方面的技術(shù)極為鮮見。作為立體顯示設(shè)備，目前不少國家已研發(fā)出立體電視機、電腦顯示器、手機、投影機等顯示設(shè)備。 在這個背景下需要發(fā)展一種新型的全景立體攝像技術(shù)。立體攝像的基本原理是從兩個視點拍攝同一景物，以獲取在不同視角下的感知圖像，通過三角測量原理計算圖像像素間的位置偏差、即視差，來獲取景物的三維信息，這一過程與人類視覺的立體感知過程是類似的。中國發(fā)明專利申請?zhí)枮?00710042938. X公開了一種全景立體環(huán)攝數(shù)碼照相機， 其步進電機、控制電路、A/D轉(zhuǎn)換器、計算機和與多個如二個照相機鏡頭配套使用的二條線陣CCD之間電連接或信號連接；控制電路、A/D轉(zhuǎn)換器及步進電機安裝在底座內(nèi)，二個照相機鏡頭安裝在基座上，并以步進電機轉(zhuǎn)軸的軸線為對稱中心而分列兩側(cè)，二個照相機鏡頭在一條水平線上；安裝在基座上的二條陣CCD與其相對應(yīng)的照相機鏡頭在一個焦平面上； 基座設(shè)置在步進電機的轉(zhuǎn)軸上。該發(fā)明合成后的圖像為360°全景，該技術(shù)由于存在著時間延遲和拍攝死角，要拍攝運動物體的全景立體視頻圖像就難以實現(xiàn)。在實時全景立體攝像方面的技術(shù)方面，中國發(fā)明專利申請?zhí)枮?00510045648. 1 公開了一種全向立體視覺成像方法及裝置，該專利中將一透視相機鏡頭的光軸和兩反射鏡面的共同對稱軸重合放置，空間中的一點分別經(jīng)兩反射鏡面反射后分別在所述透視相機的像平面成像于不同的兩點，相當于兩個相機成像；裝置包括兩個反射鏡面、相機，所述相機鏡頭的光軸和兩反射鏡面的共同對稱軸重合。這種方案的存在的問題是1)由于一幅圖像包括了的特征點“兩幅”全向圖像，允許的圖像視差減小了一半，因此視覺系統(tǒng)的測量范圍至少也減少了一半；2)上下兩個反射鏡面會出現(xiàn)遮擋，影響立體視覺范圍；3)由于同一物體的特征點在上下兩個反射鏡面上經(jīng)折反射后的成像點在一幅圖像上離中心點的位置不同，上反射鏡面的成像分辨率要比下反射鏡面的成像分辨率高兩倍以上；4)由于透視相機鏡頭存在的對焦問題，只能滿足兩個反射鏡面中的某一個反射鏡面為最佳焦距，因而必然會影響成像質(zhì)量；5)兩個反射鏡面的焦點距離就是該系統(tǒng)的基線距，因而造成基線距過短；6)這種方式所拍攝的全景立體圖像是上下兩個視角所形成的，不符合人的水平方向的兩個視角所形成的立體視覺習慣。中國發(fā)明專利申請?zhí)枮?00810062128. 5公開的基于雙目全方位攝像裝置的立體視覺測量裝置、中國發(fā)明專利申請?zhí)枮?00810121672. 2公開的新型的雙目立體視覺測量裝置、中國發(fā)明專利申請?zhí)枮?00810061255. 3公開的無死角的雙目立體全方位視覺傳感裝置同樣也存在著所拍攝的全景立體圖像是上下兩個視角所形成的，不符合人的水平方向的兩個視角所形成的立體視覺習慣問題。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服已有全景立體視覺成像裝置的不符合人的視覺習慣、制造成本高、視覺范圍有限、缺乏實時全景拍攝能力等不足，本發(fā)明提供一種性價比高、操作簡單、能實時地拍攝全景立體視頻圖像的全景立體攝像裝置。本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是一種全景立體攝像裝置，所述全景立體攝像裝置包括四臺具有相同成像參數(shù)的全方位攝像裝置和用于對四臺全方位攝像裝置的圖像進行全景立體成像處理的微處理器，四臺全方位攝像裝置的中心軸垂直均勻地配置在同一平面上的四個點上，兩個相鄰的全方位攝像裝置的中心軸之間的距離都為一個定值；對四個全方位攝像裝置進行編號，全方位攝像裝置的編號從第1象限開始以逆時針方向為順序；所述全方位攝像裝置包括雙曲面鏡面、上蓋、支撐桿、透明玻璃面、附加鏡頭框和攝像單元；所述的雙曲面鏡面中間開有一個第一小孔，所述的支撐桿為上粗下細的圓臺，支撐桿粗的上端安裝在所述第一小孔內(nèi)，支撐桿的下端垂直安裝在透明玻璃面上，且所述支撐桿的下端穿過透明玻璃面上的第二小孔；所述的附加鏡頭框的下部與攝像單元連接，所述的透明玻璃面嵌入在所述的附加鏡頭框上部內(nèi)；所述的微處理器包括全景圖像讀取與預(yù)處理單元，用于讀取四臺全方位攝像裝置的全景圖像并對全景圖像做簡單圖像預(yù)處理，分別啟動4個線程，每個線程讀取一個全方位攝像裝置的全景圖像，然后用4種不同的模版對相應(yīng)的全方位攝像裝置進行圖像預(yù)處理，其輸出與透視展開單元連接；透視展開單元，用于對全方位攝像裝置的全景圖像中的對立體成像提供成像的扇形圖像部分進行透視展開，首先將所述的全景圖像讀取與預(yù)處理單元處理得到的4幅圖像進行分割處理，分割成8個扇形圖像部分，即0DVS1L、0DVS2L、0DVS3L、0DVS4L、0DVS2R, 0DVS3R、0DVS4R和ODVSlR ；然后分別對8個扇形圖像部分進行透視展開得到4幅0DVS1L、 0DVS2L、0DVS3L 和 0DVS4L 的左透視展開圖像和 4 幅 0DVS2R、0DVS3R、0DVS4R 和 ODVSlR 的右透視展開圖像；其輸出與全景立體圖像輸出單元連接；全景立體圖像輸出單元，用于輸出全景立體圖像給立體顯示設(shè)備，將在所述的透視展開單元中以Viewerl、Viewer2、Viewer3和Viewer4四個視角進行展開的左右圖像分兩個通道輸出給立體顯示設(shè)備，其中4幅0DVS1L、0DVS2L、0DVS3L和0DVS4L的左透視展開圖像合成一個視頻流圖像傳輸給立體顯示設(shè)備的左側(cè)視頻圖像輸入端，4幅0DVS2R、0DVS3R、 0DVS4R和ODVSlR的右透視展開圖像合成一個視頻流圖像傳輸給立體顯示設(shè)備的右側(cè)視頻圖像輸入端。進一步，所述全方位攝像裝置中，支撐桿粗的一端為外螺紋，支撐桿細的一端為內(nèi)螺紋；所述的雙曲面鏡面中間開有一個第一小孔，所述第一小孔的直徑與支撐桿的外螺紋直徑相同，連接時將支撐桿的外螺紋穿入雙曲面鏡面的第一銷孔孔中用螺帽將雙曲面鏡面與支撐桿連接起來；所述的透明玻璃面中間開有一個第二小孔，所述第二小孔的直徑與與支撐桿的內(nèi)螺紋孔徑相同，連接時將支撐桿細的一端垂直于透明玻璃面用螺釘穿過透明玻璃面上的第二小孔將支撐桿與透明玻璃面連接起來；所述的附加鏡頭框的下面有一個與攝像單元鏡頭前口徑相同的外螺紋，通過旋緊螺紋的方式將附加鏡頭框固定在攝像單元上， 所述的透明玻璃面嵌入在所述的附加鏡頭框內(nèi)。再進一步，在所述全景立體圖像輸出單元中，采用柱狀模型建模的方式對全景立體視覺進行建模，將構(gòu)成全景立體視覺的四個全方位攝像裝置均勻配置在柱狀模型的中部，在所述的全景立體視覺柱狀模型中有八個點，其中P1、P2、P3和P4這四個點是雙目立體視覺的轉(zhuǎn)折點，Pl 0 P2范圍是ODVSl和0DVS2的雙目立體視覺范圍，屬于Viewerl的雙目立體視覺范圍，在該立體視覺范圍中ODVSl承擔右眼的角色，0DVS2承擔左眼的角色； 其中Μ"、M2_3、M3_4和Mf1這四個點分別為雙目立體視覺水平視場中間點，M1^2是ODVSl和 0DVS2的雙目立體視覺的中間點，M2_3是0DVS2和0DVS3的雙目立體視覺的中間點，M3_4是 0DVS3和0DVS4的雙目立體視覺的中間點，M4^是0DVS4和ODVS1的雙目立體視覺的中間點； 對于Viewerl的雙目立體視覺范圍ODVSl的水平方向上的成像是45° 180° _Φ2，本發(fā)明中以逆時針方向為正方向，0DVS2的水平方向上的成像是Φ2 135°，將ODVS的中心點
到雙目立體視覺水平視場中間點之間的距離定義為D的話，通過公式(9)計算出角度Φ2，
權(quán)利要求
1.一種全景立體攝像裝置，其特征在于所述全景立體攝像裝置包括四臺具有相同成像參數(shù)的全方位攝像裝置和用于對四臺全方位攝像裝置的圖像進行全景立體成像處理的微處理器，四臺全方位攝像裝置的中心軸垂直均勻地配置在同一平面上的四個點上，兩個相鄰的全方位攝像裝置的中心軸之間的距離都為一個定值；對四個全方位攝像裝置進行編號，全方位攝像裝置的編號從第1象限開始以逆時針方向為順序；所述全方位攝像裝置包括雙曲面鏡面、上蓋、支撐桿、透明玻璃面、附加鏡頭框和攝像單元；所述的雙曲面鏡面中間開有一個第一小孔，所述的支撐桿為上粗下細的圓臺，支撐桿粗的上端安裝在所述第一小孔內(nèi)，支撐桿的下端垂直安裝在透明玻璃面上，且所述支撐桿的下端穿過透明玻璃面上的第二小孔；所述的附加鏡頭框的下部與攝像單元連接，所述的透明玻璃面嵌入在所述的附加鏡頭框上部內(nèi)；所述的微處理器包括全景圖像讀取與預(yù)處理單元，用于讀取四臺全方位攝像裝置的全景圖像并對全景圖像做簡單圖像預(yù)處理，分別啟動4個線程，每個線程讀取一個全方位攝像裝置的全景圖像，然后用4種不同的模版對相應(yīng)的全方位攝像裝置進行圖像預(yù)處理，其輸出與透視展開單元連接；透視展開單元，用于對全方位攝像裝置的全景圖像中的對立體成像提供成像的扇形圖像部分進行透視展開，首先將所述的全景圖像讀取與預(yù)處理單元處理得到的4幅圖像進行分割處理，分割成8個扇形圖像部分，即0DVS1L、0DVS2L、0DVS3L、0DVS4L、0DVS2R、0DVS3R、 0DVS4R和ODVSlR ；然后分別對8個扇形圖像部分進行透視展開得到4幅0DVS1L、0DVS2L、 0DVS3L和0DVS4L的左透視展開圖像和4幅0DVS2R、0DVS3R、0DVS4R和ODVSlR的右透視展開圖像；其輸出與全景立體圖像輸出單元連接；全景立體圖像輸出單元，用于輸出全景立體圖像給立體顯示設(shè)備，將在所述的透視展開單元中以Viewerl、Viewer2、Viewer3和Viewer4四個視角進行展開的左右圖像分兩個通道輸出給立體顯示設(shè)備，其中4幅0DVS1L、0DVS2L、0DVS3L和0DVS4L的左透視展開圖像合成一個視頻流圖像傳輸給立體顯示設(shè)備的左側(cè)視頻圖像輸入端，4幅0DVS2R、0DVS3R、 0DVS4R和ODVSlR的右透視展開圖像合成一個視頻流圖像傳輸給立體顯示設(shè)備的右側(cè)視頻圖像輸入端。
2.如權(quán)利要求1所述的全景立體攝像裝置，其特征在于所述全方位攝像裝置中，支撐桿粗的一端為外螺紋，支撐桿細的一端為內(nèi)螺紋；所述的雙曲面鏡面中間開有一個第一小孔，所述第一小孔的直徑與支撐桿的外螺紋直徑相同，連接時將支撐桿的外螺紋穿入雙曲面鏡面的第一銷孔孔中用螺帽將雙曲面鏡面與支撐桿連接起來；所述的透明玻璃面中間開有一個第二小孔，所述第二小孔的直徑與與支撐桿的內(nèi)螺紋孔徑相同，連接時將支撐桿細的一端垂直于透明玻璃面用螺釘穿過透明玻璃面上的第二小孔將支撐桿與透明玻璃面連接起來；所述的附加鏡頭框的下面有一個與攝像單元鏡頭前口徑相同的外螺紋，通過旋緊螺紋的方式將附加鏡頭框固定在攝像單元上，所述的透明玻璃面嵌入在所述的附加鏡頭框內(nèi)。
3.如權(quán)利要求1或2所述的全景立體攝像裝置，其特征在于在所述全景立體圖像輸出單元中，采用柱狀模型建模的方式對全景立體視覺進行建模，將構(gòu)成全景立體視覺的四個全方位攝像裝置均勻配置在柱狀模型的中部，在所述的全景立體視覺柱狀模型中有八個點，其中PI、P2、P3和P4這四個點是雙目立體視覺的轉(zhuǎn)折點，Pl 0 P2范圍是ODVSl 和0DVS2的雙目立體視覺范圍，屬于Viewerl的雙目立體視覺范圍，在該立體視覺范圍中 ODVSl承擔右眼的角色，0DVS2承擔左眼的角色；其中Mi_2、M2_3、M3_4和M4^這四個點分別為雙目立體視覺水平視場中間點，Mp2是ODVS1和0DVS2的雙目立體視覺的中間點，M2_3是0DVS2 和0DVS3的雙目立體視覺的中間點，M3_4是0DVS3和0DVS4的雙目立體視覺的中間點，M4^ 是0DVS4和ODVSl的雙目立體視覺的中間點；對于Viewerl的雙目立體視覺范圍ODVSl的水平方向上的成像是45° 180-Φ2，以逆時針方向為正方向，0DVS2的水平方向上的成像是Φ2 135°，將ODVS的中心點到雙目立體視覺水平視場中間點之間的距離定義為D的話，通過公式(9)計算出角度Φ2，
4.如權(quán)利要求3所述的全景立體攝像裝置，其特征在于在所述的透視展開單元中，其透視展開算法實現(xiàn)如下首先，建立全景圖像上的任意一點P (x，y)與空間坐標系中一點P(X，Y，Z)的對應(yīng)關(guān)系， 空間中的一點Ρ(Χ，Y，Ζ)，經(jīng)過雙曲鏡面反射后，在全方位視覺傳感器成像平面上形成對應(yīng)的像點P(x，y)，根據(jù)光學原理，得出像點Ρ (χ，y)與空間物點P (X，Y，Z)的一一對應(yīng)關(guān)系
5.如權(quán)利要求1或2所述的全景立體攝像裝置，其特征在于在所述的全方位攝像裝置中采用固定單視點全方位攝像裝置的設(shè)計，進入雙曲面鏡的中心的光，根據(jù)雙曲面的鏡面特性向著其虛焦點折射，實物圖像經(jīng)雙曲面鏡反射到聚光透鏡中成像，在該成像平面上的一個點P(x，y)對應(yīng)著實物在空間上的一個點的坐標A(X，Y，Ζ)； 雙曲面鏡構(gòu)成的光學系統(tǒng)由下面5個等式表示；
全文摘要
一種全景立體攝像裝置，通過四臺具有相同成像參數(shù)的全方位攝像裝置集成構(gòu)建而成的，采用一個平面將四臺具有相同成像參數(shù)的全方位攝像裝置連接起來，通過這樣的連接能保證四臺具有相同成像參數(shù)的ODVS的固定單視點在同一平面上；連接的方式是將4個具有相同參數(shù)的雙曲面鏡面固定在一個透明玻璃面上，將4臺具有相同內(nèi)外參數(shù)的攝像頭固定在一個平面上；通過微處理器對四臺ODVS的圖像進行立體成像處理，包括全景圖像讀取與預(yù)處理單元、透視展開單元、全景立體圖像輸出單元，可廣泛應(yīng)用于機器人視覺、動畫電影、游戲等許多應(yīng)用領(lǐng)域。本發(fā)明提供一種性價比高、操作簡單、能實時地拍攝全景立體視頻圖像的全景立體攝像裝置。
文檔編號H04N5/232GK102243432SQ201110176998
公開日2011年11月16日 申請日期2011年6月28日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月28日
發(fā)明者吳立娟, 孫軍, 孟炎, 宗明理, 湯一平, 田旭園 申請人:浙江工業(yè)大學