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拼接全景相機(jī)視域的調(diào)節(jié)裝置及調(diào)節(jié)方法

文檔序號(hào):2753190閱讀:303來(lái)源:國(guó)知局
專利名稱:拼接全景相機(jī)視域的調(diào)節(jié)裝置及調(diào)節(jié)方法
技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明涉及拼接全景成像領(lǐng)域,特指一種在保證拼接全景無(wú)缺口、無(wú)錯(cuò)位的前提 下,能適應(yīng)不同視域要求,且簡(jiǎn)單有效的拼接全景相機(jī)視域的調(diào)節(jié)裝置及方法。
背景技術(shù)
拼接全景成像技術(shù)采用圍繞某個(gè)固定視點(diǎn)朝各個(gè)方向拍攝多張有邊界重疊的圖 像,然后根據(jù)邊界重疊部分的信息(或者相機(jī)位置信息)進(jìn)行無(wú)縫拼接,獲得全景圖像。與 折反射全景成像技術(shù)相比,拼接全景成像技術(shù)具有分辨率高、成像均勻等優(yōu)點(diǎn),能夠廣泛應(yīng) 用于大視場(chǎng)、大范圍全方位視頻監(jiān)控(機(jī)場(chǎng)、廣場(chǎng)等)。常用拼接全景成像系統(tǒng),比如馬力等在2008年第12期《中國(guó)圖象圖形學(xué)報(bào)》中提 出的“采用視頻拼圖方法構(gòu)建高分辨率全景視頻監(jiān)控系統(tǒng)”,如圖1所示,將各路攝像頭固 定在多個(gè)具有相同傾角的環(huán)形放置的斜面上,以捕捉均勻分布的不同方向的場(chǎng)景,再利用 各路攝像頭所獲場(chǎng)景的邊界重疊部分信息與相機(jī)位置信息進(jìn)行無(wú)縫拼接(如圖2所示),實(shí) 現(xiàn)了全景視頻監(jiān)控。但是,這類拼接全景成像系統(tǒng)將攝像頭固定安裝,會(huì)導(dǎo)致一旦攝像頭固定后其俯 仰角便無(wú)法改變,從而無(wú)法調(diào)整相機(jī)視域,只能對(duì)固定區(qū)域監(jiān)控。然而,在實(shí)際應(yīng)用中,一 方面,不同應(yīng)用場(chǎng)合下,相機(jī)安裝高度不盡相同,用戶觀察視域需求也不盡相同,從而需要 的攝像頭俯仰角也不盡同,因此不得不為不同應(yīng)用場(chǎng)合設(shè)計(jì)不同傾斜角度的攝像頭固定裝 置,必然導(dǎo)致生產(chǎn)成本上升;另一方面,在部分應(yīng)用場(chǎng)合中,例如機(jī)場(chǎng)監(jiān)控,用戶還希望根據(jù) 不同情況,大范圍地快速調(diào)節(jié)監(jiān)控視域,以實(shí)現(xiàn)更大范圍(甚至是對(duì)天、對(duì)地)內(nèi)對(duì)不同區(qū) 域的全方位監(jiān)控,常用拼接全景相機(jī)并不能滿足此類需求。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中常用拼接全景相機(jī)因各路攝像頭安裝在固定傾角的斜面上而無(wú) 法調(diào)節(jié)相機(jī)視域的問(wèn)題,本發(fā)明旨在提出一種拼接全景相機(jī)視域的調(diào)節(jié)裝置及方法,在保 證拼接全景效果的前提下,能通過(guò)簡(jiǎn)單有效快速地同步調(diào)整每一路攝像頭俯仰角實(shí)現(xiàn)拼接 全景相機(jī)視域的調(diào)節(jié),以滿足拼接全景相機(jī)實(shí)際應(yīng)用中對(duì)相機(jī)視域進(jìn)行調(diào)節(jié)的客觀需求。本發(fā)明提出的解決方案是一種拼接全景相機(jī)視域調(diào)節(jié)裝置,包括安裝了攝像頭 的斜面、導(dǎo)桿和由上連桿和下連桿組成的調(diào)節(jié)桿,所述導(dǎo)桿上設(shè)有沿導(dǎo)桿作直線滑動(dòng)的套 筒,所述斜面通過(guò)與其上沿鉸接的上連桿與套筒鉸接,斜面內(nèi)側(cè)垂直固定有與攝像頭光軸 同軸的下連桿,所述斜面通過(guò)該下連桿與導(dǎo)桿下端鉸接,且各鉸接點(diǎn)處于同一水平高度;各 路攝像頭所在的斜面、上連桿、下連桿具有相同的形狀和尺寸,且均勻分布于導(dǎo)桿四周。所述各路攝像頭的調(diào)節(jié)桿均勻分布于導(dǎo)桿四周具體是指所述上連桿均勻地環(huán)繞 套筒并與套筒鉸接,下連桿均勻地環(huán)繞固定于導(dǎo)桿上的下連桿鉸接盤并與下連桿鉸接盤鉸 接。作為優(yōu)選方案,所述導(dǎo)桿頂部設(shè)有由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的卷輪,所述套筒套裝在導(dǎo)桿上,套筒通過(guò)與之連接的皮帶與所述卷輪連接,上連桿優(yōu)選為片狀結(jié)構(gòu)。同時(shí),本發(fā)明還提出了一種拼接全景相機(jī)視域調(diào)節(jié)方法,包括如下步驟第一步根據(jù)相機(jī)視域調(diào)節(jié)范圍,計(jì)算出攝像頭光軸所需傾斜角α工及攝像頭光軸 的當(dāng)前傾斜角Citl;第一種情況相機(jī)安裝位置和對(duì)地面成像盲區(qū)大小均可調(diào)時(shí),根據(jù)相機(jī)安裝高度 H和對(duì)地面成像盲區(qū)半徑R,調(diào)節(jié)相機(jī)視域。為了簡(jiǎn)化計(jì)算,將各路攝像頭視點(diǎn)虛擬在攝像
頭固定點(diǎn)0,由公式<formula>formula see original document page 4</formula>計(jì)算出視域調(diào)節(jié)后攝像頭光軸傾斜角α工,其中攝像頭
垂直視角為2γ ;第二種情況相機(jī)安裝位置不變,且需適時(shí)調(diào)節(jié)相機(jī)視域時(shí),在柱面全景上選擇一
點(diǎn)S作為攝像頭光軸與柱面全景的交點(diǎn),則OS(0點(diǎn)為柱面投影中心)為視域調(diào)節(jié)后攝像頭
的光軸位置。視域調(diào)節(jié)前攝像頭光軸與柱面全景相交于點(diǎn)P',調(diào)節(jié)后光軸與柱面全景相
交于點(diǎn)S,如圖10(c)所示,P'、S分別對(duì)應(yīng)于展開(kāi)后柱面全景上的P"、s",其坐標(biāo)分別為
<formula>formula see original document page 4</formula>由公式<formula>formula see original document page 4</formula>計(jì)算出視域調(diào)節(jié)前后攝像頭光軸傾斜角
α。、α工,其中W為展開(kāi)后柱面圖像寬度,坐標(biāo)系為展開(kāi)后柱面全景坐標(biāo)系(具體如圖10 (c) 所示);第二步在滿足拼接全景相機(jī)各路攝像頭的光軸相交于固定點(diǎn)、各路攝像頭的光 心到光軸交點(diǎn)距離相等、各路攝像頭的光心共圓、各路攝像頭水平視角平面與過(guò)其光軸的 豎直面始終垂直的條件下,同步地將各路攝像頭光軸傾斜角調(diào)整為α ??;第三步根據(jù)調(diào)節(jié)后的攝像頭光軸傾斜角α ”重新生成拼接全景圖像,完成視域 調(diào)節(jié)。本發(fā)明的設(shè)計(jì)原理及工作過(guò)程是在進(jìn)行視域調(diào)節(jié)時(shí),首先根據(jù)用戶所需觀察區(qū) 域位置,計(jì)算出攝像頭所需傾斜角;再根據(jù)第一步算出的攝像頭傾斜角,在保證左右邊界完 全重疊的前提下,控制攝像頭同步做相應(yīng)傾斜動(dòng)作。本發(fā)明采用了一種拼接全景相機(jī)視域 的調(diào)節(jié)裝置,其通過(guò)同步調(diào)節(jié)各路攝像頭俯仰角實(shí)現(xiàn)全景相機(jī)視域的調(diào)節(jié)。具體是將每一 路攝像頭安裝在可同步控制傾斜角的相同尺寸的斜面上,其中各個(gè)斜面的形狀、尺寸相同。 斜面上沿通過(guò)上連桿與可在導(dǎo)桿上滑動(dòng)的套筒鏈接,各個(gè)上連桿的形狀、尺寸相同。斜面中 心位置固定連接的下連桿與導(dǎo)桿下端鏈接,各個(gè)下連桿的形狀、尺寸相同。在使用時(shí),首先 將各路攝像頭安裝在斜面上,計(jì)算出套筒在導(dǎo)桿上的對(duì)應(yīng)位置,再控制套筒沿導(dǎo)桿滑動(dòng)到 對(duì)應(yīng)位置,套筒將同步地帶動(dòng)每一個(gè)斜面轉(zhuǎn)動(dòng)到期望位置,將攝像頭俯仰角調(diào)整到位,完成 全景相機(jī)視域調(diào)節(jié),從而獲取所需觀察區(qū)域內(nèi)圖像,將各個(gè)攝像頭采集的視域圖像利用公 知的方法,比如背景技術(shù)中馬力等提出的拼接全景圖像生成算法,拼接生成新視域全景圖 像,實(shí)現(xiàn)用戶所需觀察區(qū)域全景監(jiān)控。本發(fā)明所提出的拼接全景相機(jī)視域的調(diào)節(jié)裝置及調(diào)節(jié)方法主要有以下優(yōu)點(diǎn)1)可同步調(diào)節(jié)多路攝像頭視角,簡(jiǎn)單、有效,且成本低;本發(fā)明利用拼接全景相機(jī)各路攝像頭的同構(gòu)性,使用一對(duì)多同步控制方法,將多路攝像頭的控制轉(zhuǎn)換為套筒滑動(dòng)距離的控制。不但簡(jiǎn)化了控制過(guò)程,而且能夠同步調(diào)節(jié)多 路攝像頭視角保證各路攝像頭具有相同的傾斜角,還減少了運(yùn)動(dòng)控制裝置數(shù)量(只需要一 個(gè)運(yùn)動(dòng)控制部件),降低了成本。2)視域調(diào)節(jié)不影響全景圖像拼接效果;拼接全景相機(jī)視域調(diào)整過(guò)程中,如果不能保證所有攝像頭俯仰角相同,將會(huì)導(dǎo)致 相鄰攝像頭拍攝圖像產(chǎn)生垂直方向錯(cuò)位,影響拼接效果;另外,如圖8(b)所示,如果不能保 證相鄰攝像頭獲取的圖像左右邊界完全重疊,將會(huì)導(dǎo)致拼接全景圖像相鄰圖像拼接處產(chǎn)生 缺口。在拼接全景視域調(diào)節(jié)裝置中,每路攝像頭的光軸相交于固定點(diǎn)、攝像頭光心到光軸交 點(diǎn)距離相等、各路攝像頭光心共圓、各路攝像頭水平視角平面與過(guò)其光軸的豎直面始終垂 直,因而,采用該裝置進(jìn)行視域調(diào)節(jié),能夠始終保證攝像頭俯仰角相同和相鄰圖像垂直邊界 完全重疊,不會(huì)產(chǎn)生相鄰圖像垂直方向錯(cuò)位和拼接缺口,并且避免投影視域水平扭轉(zhuǎn)變形, 不會(huì)影響全景圖像拼接效果,不會(huì)增加全景拼接難度。3)可調(diào)節(jié)視域范圍廣,可幫助獲取成像均勻的高分辨率球面全景;
采用本方法進(jìn)行相機(jī)視域調(diào)節(jié),可以通過(guò)選擇合適的設(shè)計(jì)尺寸,使視域調(diào)節(jié)范圍 俯仰可達(dá)90度,在豎直方向上180度范圍內(nèi)調(diào)節(jié)相機(jī)視域,從而滿足諸如機(jī)場(chǎng)監(jiān)控等需要 進(jìn)行大范圍(甚至對(duì)天、對(duì)地)視域調(diào)整的應(yīng)用需求。另外,通過(guò)該裝置可以實(shí)現(xiàn)在豎直方 向上的全景掃描,從而獲取成像均勻的高分辨率球面全景,而攝像頭光軸相交于固定點(diǎn)的 特性又能夠簡(jiǎn)化球面全景圖像拼接過(guò)程。綜上所述,本發(fā)明拼接全景相機(jī)視域的調(diào)節(jié)裝置及調(diào)節(jié)方法在保證拼接全景效果 的前提下,能通過(guò)簡(jiǎn)單有效快速地同步調(diào)整每一路攝像頭俯仰角實(shí)現(xiàn)拼接全景相機(jī)視域的 調(diào)節(jié),以滿足拼接全景相機(jī)實(shí)際應(yīng)用中對(duì)相機(jī)視域進(jìn)行調(diào)節(jié)的客觀需求。


圖1是背景技術(shù)所述拼接全景相機(jī)固定裝置形狀示意圖;圖2是全景圖像拼接示意圖;其中圖2(a)是邊界重疊的四路原始圖像;圖2(b)是全景拼接圖;圖3是拼接全景相機(jī)視域調(diào)節(jié)裝置原理圖;圖4是拼接全景相機(jī)視域調(diào)節(jié)裝置設(shè)計(jì)圖;圖5是圖4中托盤的仰視圖;圖6是圖4中上連桿示意圖;其中圖6 (a)是圖4中上連桿的側(cè)視圖;圖6 (b)是圖4中上連桿的正視圖;圖7是拼接全景相機(jī)視域調(diào)節(jié)裝置簡(jiǎn)化模型及調(diào)節(jié)原理圖;其中圖7 (a)是視域調(diào)整過(guò)程簡(jiǎn)化圖;圖7(b)是視域調(diào)節(jié)裝置簡(jiǎn)化模型圖(只畫其中出一路);圖7 (C)是攝像頭俯視外形及尺寸圖;圖8是相鄰圖像拼接示意圖;其中圖8(a)是相鄰圖像左右邊界完全重疊無(wú)拼接缺口示意圖8(b)是相鄰圖像左右邊界不完全重疊產(chǎn)生拼接缺口示意圖;圖8(c)是相鄰攝像頭傾斜角不相等時(shí)導(dǎo)致拼接全景垂直方向上的錯(cuò)位示意圖;圖8(d)是攝像頭水平視角與過(guò)光軸的豎直面不垂直時(shí)產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)變形示意圖;圖9是調(diào)節(jié)視域不產(chǎn)生拼接缺口原理圖;其中圖9(a)是拼接全景相機(jī)視域重疊示意圖;圖9 (b)是光軸轉(zhuǎn)動(dòng)示意圖;圖9 (C)是攝像頭仰視面水平面投影圖;圖9 (d)是攝像頭仰視面水平面在柱面上的投影;圖10是柱面全景圖像生成原理圖;其中圖10(a)是原始采集圖像坐標(biāo)系;圖10(b)是柱面全景投影示意圖;圖10(c)是展開(kāi)柱面全景圖像坐標(biāo)系;在上述附圖中1-導(dǎo)桿2-套筒3-上連桿4-斜面5-攝像頭6_下連桿7_下連桿鏈接8-托盤 9-透明罩 10-相機(jī)外殼 11-固定盤 12-步進(jìn)電機(jī) 13-卷輪 14-皮帶
具體實(shí)施例方式本實(shí)施例提供一種拼接全景相機(jī)視域的調(diào)節(jié)裝置,如圖2、3所示,包括由相機(jī)外 殼10和透明罩9組成的拼接全景相機(jī)視域調(diào)節(jié)裝置外殼,外殼內(nèi)部設(shè)置有用于安裝攝像頭 5的斜面4和垂直安裝在水平放置的托盤8上的導(dǎo)桿1,所述相機(jī)外殼10的內(nèi)側(cè)固定有水 平放置的固定盤11,固定盤11底部垂直吊裝有導(dǎo)桿1和步進(jìn)電機(jī)12。所述導(dǎo)桿1上設(shè)有 沿導(dǎo)桿作直線滑動(dòng)的套筒2,所述斜面4通過(guò)與其上沿鉸接的上連桿3與套筒2鉸接,斜面 內(nèi)側(cè)垂直固定有與攝像頭光軸同軸的下連桿6,所述斜面通過(guò)該下連桿6與導(dǎo)桿1下端鉸 接。其中每路攝像頭的調(diào)節(jié)桿,即上連桿3、下連桿6和安裝攝像機(jī)的斜面4都具有相同形 狀和尺寸,并且均勻環(huán)繞在導(dǎo)桿四周。在使用時(shí),攝像頭5安裝在斜面4上,斜面中心位置焊接有下連桿6,下連桿6的另一端鏈接在導(dǎo)桿下端鏈接盤7上。根據(jù)全景拼接攝像頭數(shù)量n,在套筒和導(dǎo)桿下端鏈接盤上 均勻安裝每一對(duì)上連桿和下連桿;套筒2套在導(dǎo)桿1上,上端連接皮帶14 ;皮帶上端卷在與 步進(jìn)電機(jī)12相連的卷輪13上。通過(guò)步進(jìn)電機(jī)12驅(qū)動(dòng)卷輪13卷動(dòng)皮帶14的拉力和攝像 頭自身重力協(xié)同控制套筒2沿導(dǎo)桿1滑動(dòng),同步控制每一個(gè)斜面,帶動(dòng)每一路攝像頭5繞固 定點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng),實(shí)現(xiàn)相機(jī)視域調(diào)節(jié)。在攝像頭向下轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中,運(yùn)動(dòng)到其底邊連接成正η邊形時(shí),達(dá)到了極限位置,為 了防止在到達(dá)極限位置后相鄰攝像頭相互擠壓,特在導(dǎo)桿的下端設(shè)置了一個(gè)邊長(zhǎng)與攝像頭 寬度w相同的正η邊形托盤8,如圖5所示,以保證在極限位置處各路攝像頭平穩(wěn)地連接成 正η邊形。另外,為保證視域調(diào)節(jié)過(guò)程中各路攝像頭始終均勻分布,如圖6所示,本實(shí)施例 將上連桿設(shè)計(jì)成梯形片狀結(jié)構(gòu),上、下兩端分別與套筒、斜面上沿鏈接。采用片狀結(jié)構(gòu)可以 保證上連桿繞套筒上固定軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)不會(huì)帶動(dòng)攝像頭左右偏移,從而使各路攝像頭始終均勻分布,同時(shí)使攝像頭的水平視角始終與過(guò)其光軸的豎直面垂直,從而確保全景拼接效果。如圖7(a)、(b)所示,拼接全景相機(jī)視域調(diào)節(jié)裝置的簡(jiǎn)化模型中,0' T為導(dǎo)桿,Q 點(diǎn)為套筒,0點(diǎn)為下連桿固定點(diǎn),QF為上連桿,OE為下連桿,GF為攝像頭安裝斜面,0' G' 是底部托盤,LJ為攝像頭感光芯片,I為光心,MK為地平面,攝像頭垂直視角2 γ,EI為攝 像頭光心到斜面的距離,由攝像頭決定。攝像頭安裝斜面高度GF由攝像頭底邊長(zhǎng)度1決定 (圖7(c)),托盤8內(nèi)切圓半徑0' G'由攝像頭底邊w決定(圖7(c))。上連桿、下連桿、導(dǎo) 桿長(zhǎng)度,由相機(jī)視域調(diào)節(jié)范圍需求決定。由相機(jī)安裝高度H(0M = H)、對(duì)地面成像盲區(qū)半徑R(MK = R),可求得下連桿OE的 長(zhǎng)度,運(yùn)算方法參見(jiàn)公式1。由下連桿OE的長(zhǎng)度可求得上連桿QF、下連桿固定點(diǎn)到導(dǎo)桿頂 端0T、下連桿固定點(diǎn)到導(dǎo)桿底端00'的長(zhǎng)度,具體參見(jiàn)公式2、3、4。若以盲區(qū)半徑R為 時(shí) 確定的調(diào)節(jié)裝置尺寸進(jìn)行調(diào)節(jié)裝置設(shè)計(jì),就能夠?qū)崿F(xiàn)在豎直方向180度范圍內(nèi)調(diào)節(jié)相機(jī)視 域。
<formula>formula see original document page 7</formula>在上述公式中,如圖7(b)所示,OE為下連桿長(zhǎng)度;EI是攝像頭光心I到斜面的距 離;H為相機(jī)安裝高度,即OM ;R為拼接全景相機(jī)對(duì)地面成像的盲區(qū)半徑,即MK ; P為攝像頭 俯視邊界線IK與垂直方向的夾角;攝像頭垂直視角為2 γ ;0' G'為底部托盤的內(nèi)切圓半 徑;η為攝像頭個(gè)數(shù);QF為上連桿長(zhǎng)度;OT為下連桿固定點(diǎn)到導(dǎo)桿頂端距離;00'為下連桿 固定點(diǎn)到導(dǎo)桿底端的距離;如圖7(c)所示,w、1為攝像頭底邊尺寸。其中公式2中的Ad 是一個(gè)可變量,并不能唯一確定,當(dāng)△(!較大時(shí),調(diào)節(jié)裝置尺寸相對(duì)較大,△(!較小時(shí),所需 電機(jī)扭矩大,實(shí)際應(yīng)用中要折衷考慮。上述拼接全景相機(jī)視域的調(diào)節(jié)裝置在調(diào)節(jié)過(guò)程當(dāng)中由于景深遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于拼接全景 相機(jī)視域的調(diào)節(jié)裝置尺寸,可以將每個(gè)攝像頭的視點(diǎn)虛擬為固定點(diǎn)0,并以0點(diǎn)作為拼接全 景虛擬單視點(diǎn)。由圖7中的拼接全景相機(jī)視域調(diào)節(jié)裝置簡(jiǎn)化模型,可以得出OQ與攝像頭光<formula>formula see original document page 8</formula>在公式5中,如圖7所示,OQ為下連桿鏈接盤到套筒的距離;OE為下連桿長(zhǎng)度;1 為攝像頭底邊尺寸;QF為上連桿長(zhǎng)度;α為下連桿與垂直方向的夾角;Φ為中間變量。如圖10(b),拼接全景相機(jī)成像模型中,固定點(diǎn)0為透視投影中心,OP為攝像頭光 軸,ABCD為焦平面。OP與Z軸的夾角為α,攝像頭焦距為f,投影圓柱面底面半徑為r,W為 展開(kāi)后柱面圖像寬度。根據(jù)透視投影模型,得到展開(kāi)柱面全景上一點(diǎn)N(x,y)與其在焦平面 上對(duì)應(yīng)點(diǎn)T(u,ν)之間映射關(guān)系(公式6)。
<formula>formula see original document page 8</formula>
在公式6中,x、y為柱面全景展開(kāi)圖像中像素點(diǎn)坐標(biāo)(圖10(b)) ;W為展開(kāi)后柱面 圖像寬度,即圓柱面周長(zhǎng);α為OP與Z軸的夾角;f為攝像頭焦距;相機(jī)水平視角為2 β ;垂 直視角為;r為投影圓柱面底面半徑;如圖10(a)所示,u、v分別為焦平面上對(duì)應(yīng)點(diǎn)的橫 縱坐標(biāo)(圖10(c))。本實(shí)施例所述拼接全景相機(jī)視域的調(diào)節(jié)裝置的調(diào)節(jié)方法是第一步,首先根據(jù)相機(jī)視域調(diào)節(jié)范圍,計(jì)算攝像頭光軸所需傾斜角α !和當(dāng)前傾斜 角α—具體分以下兩種情況分析第一種情況相機(jī)安裝位置和對(duì)地面成像盲區(qū)大小均可調(diào)時(shí),根據(jù)相機(jī)安裝高度 H、對(duì)地面成像盲區(qū)半徑R,調(diào)節(jié)相機(jī)視域。為了簡(jiǎn)化計(jì)算,將各路攝像頭視點(diǎn)虛擬在攝像頭 安裝固定點(diǎn)0,則可由公式7計(jì)算出視域調(diào)節(jié)后攝像頭光軸傾斜角α工,其中攝像頭垂直視 角為2Y。
<formula>formula see original document page 8</formula>( 7 )其中,R為相機(jī)對(duì)地面成像的盲區(qū)半徑;H為相機(jī)安裝高度;α工為視域調(diào)節(jié)后攝像 頭光軸傾斜角。針對(duì)本實(shí)施例所提出的拼接全景相機(jī)視域調(diào)節(jié)裝置,還需要用公式8計(jì)算出當(dāng)前 傾斜角為α”<formula>formula see original document page 9</formula>在公式8中,如圖7(b)所示,0' G'為托盤8內(nèi)切圓半徑,00'為下連桿固定點(diǎn) 到導(dǎo)桿底端的距離,GF為攝像頭安裝斜面尺寸,OE為下連桿長(zhǎng)度,α ^為套筒處于導(dǎo)桿下端 極限位置處的攝像頭光軸傾斜角。第二種情況適應(yīng)相機(jī)安裝位置不變、且需適時(shí)調(diào)節(jié)相機(jī)視域等應(yīng)用場(chǎng)合,進(jìn)行相 機(jī)視域調(diào)節(jié)。如圖10所示,由透視投影模型知,柱面全景上像素點(diǎn)與原始圖像點(diǎn)一一對(duì)應(yīng), 因此可以在柱面全景上選擇一點(diǎn)S作為攝像頭光軸與柱面全景的交點(diǎn),則OS (0點(diǎn)為柱面投 影中心)為視域調(diào)節(jié)后攝像頭的光軸位置。因此,可以通過(guò)柱面全景圖像確定光軸傾斜角 α。調(diào)節(jié)前攝像頭光軸與柱面全景相交于點(diǎn)P',其在展開(kāi)后柱面全景的坐標(biāo)為P' (X。, %),調(diào)節(jié)后光軸與柱面全景相交于點(diǎn)S,其在展開(kāi)后柱面全景的坐標(biāo)為S(Xl, yi),則可由公 式9計(jì)算出視域調(diào)節(jié)前后攝像頭光軸傾斜角α(ι、αι。
<formula>formula see original document page 9</formula>在公式9中,W為展開(kāi)后柱面圖像寬度,即圓柱面周長(zhǎng);α ρ α 1分別為視域調(diào)節(jié)前 后攝像頭光軸傾斜角;%、Y1分別為視域調(diào)節(jié)前后攝像頭光軸與柱面全景交點(diǎn)在展開(kāi)后柱 面全景中的縱坐標(biāo)(如圖10(c)所示)。由上述拼接全景相機(jī)視域的調(diào)節(jié)裝置的結(jié)構(gòu)可知,在實(shí)時(shí)對(duì)攝像頭進(jìn)行傾斜角度 進(jìn)行調(diào)整時(shí),所述接全景相機(jī)視域的調(diào)節(jié)裝置能滿足拼接全景相機(jī)各路攝像頭的光軸相交 于固定點(diǎn)、各路攝像頭的光心到光軸交點(diǎn)距離相等、各路攝像頭的光心共圓、各路攝像頭水 平視角平面與過(guò)其光軸的豎直面始終垂直等條件,這樣就能實(shí)現(xiàn)各路攝像頭光軸傾斜角同 步調(diào)整為α 且避免了全景圖像拼接時(shí)產(chǎn)生缺口和錯(cuò)位,確保了視域調(diào)整后的全景拼接效 果。具體分析如下拼接全景相機(jī)視域調(diào)整過(guò)程中,如圖8所示,如果不能保證所有攝像頭光軸傾斜 角相同,將會(huì)導(dǎo)致相鄰攝像頭拍攝圖像產(chǎn)生垂直方向錯(cuò)位(圖8(c));如果不能保證相鄰攝 像頭獲取的圖像左右邊界完全重疊,將會(huì)導(dǎo)致拼接全景圖像相鄰圖像拼接處產(chǎn)生缺口(圖 8(b));如果不能保證攝像頭水平視角平面與其過(guò)光軸的豎直面垂直,將導(dǎo)致拍攝圖像在柱 面的投影發(fā)生扭轉(zhuǎn)變形(圖8(d)),而需要對(duì)其扭轉(zhuǎn)變形進(jìn)行校正處理,增加全景拼接難 度,嚴(yán)重時(shí)還會(huì)導(dǎo)致相鄰圖像拼接處產(chǎn)生缺口。而當(dāng)拼接全景相機(jī)各路攝像頭的光軸相交于固定點(diǎn)、各路攝像頭的光心到光軸交 點(diǎn)距離相等、各路攝像頭的光心共圓、各路攝像頭水平視角平面與過(guò)其光軸的豎直面始終 垂直時(shí),同步地將各路攝像頭光軸傾斜角調(diào)整為任意相同角度,不會(huì)產(chǎn)生拼接缺口和錯(cuò)位, 不會(huì)增加全景拼接難度。下面進(jìn)行證明如圖8(a)所示,攝像頭向下(上)拍攝時(shí),相鄰圖像下(上)沿較上(下)沿重 疊部分多,因此,只要保證攝像頭向下(上)拍攝時(shí),相鄰圖像上(下)沿具有重疊區(qū)域,就 能保證相鄰圖像左右邊界完全重疊,不會(huì)產(chǎn)生拼接缺口。
如圖9(a)所示,以四路拼接全景相機(jī)為例,由于攝像頭尺寸限制不能使各路攝像頭的光心共點(diǎn),相鄰攝像頭的水平視角總能在以光軸交點(diǎn)0為圓心半徑大于r的圓上發(fā)生 重疊,r為光軸交點(diǎn)0到相鄰攝像頭水平視角邊交點(diǎn)的距離,因此,可以選擇半徑大于r的圓 柱(即圖9(a)中的半徑R)進(jìn)行全景圖像拼接。由幾何知識(shí)知,相鄰攝像頭仰視角在該圓柱 面上也具有重疊區(qū)域。如圖9(b)所示,弧AB為攝像頭仰視角平面與半徑為R圓心為光軸 交點(diǎn)0的圓柱面的交線,攝像頭仰視角為Z AIB,I為光心。當(dāng)各路攝像頭光軸交點(diǎn)0固定 不動(dòng)時(shí),以各路攝像頭水平視角共面位置為初始位置,攝像頭光軸繞固定點(diǎn)0在過(guò)光軸的 豎直平面內(nèi)向下轉(zhuǎn)動(dòng)任意角度Φ后,光心為I',仰視角為ZA' I' B',且ZA' I' B' = ZAIBjA' B' =ΑΒ,過(guò)A'、Β'兩點(diǎn)做垂直于Z軸的平面,與Z軸相交于點(diǎn)0',將光心 I'投影到水平面0'得到I",將I投影到水平面得到Γ。由于光軸繞固定點(diǎn)0在過(guò)光軸 的豎直平面內(nèi)向下轉(zhuǎn)動(dòng),則由圖9(c)可知0' I" <0' Γ,又A' B' =ΑΒ,則可以證得 弧Α" B" >弧々8。因此,如圖9(d)所示,當(dāng)攝像頭繞固定的光軸交點(diǎn)0向下轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),該攝 像頭所獲圖像在柱面全景上的投影的上沿(對(duì)應(yīng)于仰視角)寬度將增大?;谝陨献C明, 容易得知,以各路攝像頭水平視角共面位置為初始位置,攝像頭繞固定的光軸交點(diǎn)0向上 轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),攝像頭成像視域下沿(對(duì)應(yīng)于俯視角)寬度也將增大。η個(gè)攝像頭水平視角平面相交可以構(gòu)成一個(gè)η棱體,當(dāng)各路攝像頭光軸相交于固 定點(diǎn),各路攝像頭光心到光軸距離相等、光心共圓時(shí),必然使各路攝像頭光軸在豎直方向上 的傾斜角相等,而攝像頭水平視角平面與過(guò)光軸的豎直面始終保持垂直,由幾何知識(shí)可知, 各路攝像頭水平視角平面構(gòu)成的η棱體為正η棱體。與此類似,可以得到各路攝像頭仰視 角(俯視角)邊的交點(diǎn)與光軸交點(diǎn)0也構(gòu)成正η棱體。從而,各路攝像頭在半徑為R的圓 柱上具有相同形狀與面積的投影區(qū)域,再結(jié)合前面關(guān)于攝像頭轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中投影區(qū)域上、下 沿的寬度變化情況的分析,可以得到以下結(jié)論在滿足各路攝像頭的光軸相交于固定點(diǎn)、各 路攝像頭的光心到光軸交點(diǎn)距離相等、各路攝像頭的光心共圓、各路攝像頭水平視角平面 與過(guò)其光軸的豎直面始終垂直這四個(gè)條件時(shí),進(jìn)行全景相機(jī)視域調(diào)整,不會(huì)產(chǎn)生拼接缺口。 另外,由于各路攝像頭的傾斜角相等,因此也不會(huì)使拼接全景產(chǎn)生垂直方向錯(cuò)位;攝像頭水 平視角平面與過(guò)光軸的豎直面始終垂直,也避免了攝像頭所獲圖像的柱面投影發(fā)生扭轉(zhuǎn)變 形,避免了對(duì)扭轉(zhuǎn)變形的校正操作,不會(huì)增加視域調(diào)整過(guò)程中的全景拼接難度。綜上所述,在滿足全景拼接相機(jī)各路攝像頭的光軸相交于固定點(diǎn)、各路攝像頭的 光心到光軸交點(diǎn)距離相等、各路攝像頭的光心共圓、各路攝像頭水平視角平面與過(guò)其光軸 的豎直面始終垂直這四個(gè)條件時(shí),進(jìn)行全景相機(jī)視域調(diào)整,不會(huì)產(chǎn)生拼接缺口和錯(cuò)位,不會(huì) 增加全景拼接難度,不會(huì)影響全景拼接效果。在拼接全景視域調(diào)節(jié)裝置中,下連桿6與攝像頭光軸同軸,下連桿鉸接于下連桿 鉸接盤7,下連桿鉸接盤尺寸(約為IOmm)較全景相機(jī)拍攝場(chǎng)景(大于20000mm)小很多,因 此,可以忽略光軸交點(diǎn)在沿導(dǎo)桿方向上的微小擺動(dòng),近似認(rèn)為光軸相交于固定點(diǎn);各個(gè)上連 桿3、攝像頭安裝斜面4、下連桿6,都具有相同的形狀和尺寸,且與導(dǎo)桿一起構(gòu)成穩(wěn)定的三 角形結(jié)構(gòu),均勻分布于導(dǎo)桿周圍,因此,能夠使各路攝像頭光心到光軸交點(diǎn)距離相等,各路 攝像頭光心共圓;另外,采用片狀結(jié)構(gòu)的上連桿3,能夠防止攝像頭轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中發(fā)生左右偏 轉(zhuǎn)和保證各路攝像頭均勻分布,從而保證了各路攝像頭的水平視角平面與過(guò)光軸的豎直面 始終垂直。綜上,本實(shí)施例提出的全景相機(jī)視域調(diào)節(jié)裝置滿足視域調(diào)節(jié)不產(chǎn)生拼接缺口、錯(cuò)位,不增加拼接難度的上述四個(gè)條件。采用本實(shí)施例提出的全景相機(jī)視域調(diào)節(jié)裝置進(jìn)行視域調(diào)節(jié)時(shí),根據(jù)第一步計(jì)算出 的視域調(diào)節(jié)前后攝像頭光軸傾斜角α ^a1,計(jì)算套筒移動(dòng)距離QciQJ分別令α = α 0> α = α 再分別代入上述公式5,計(jì)算出Q點(diǎn)位置QpQ1,則套筒移動(dòng)距離為QtlQ1 = OQ1-OQtl,再控 制步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)套筒從當(dāng)前位置Qtl到達(dá)預(yù)定位置Q1,使各路攝像頭光軸傾斜角同步地調(diào)整 為α P第三步采用馬力等提出的拼接全景圖像生成算法(公式6),根據(jù)調(diào)節(jié)后的攝像 頭光軸傾斜角Ci1,重新生成拼接全景圖像,g卩令α = Ci1,再代入上述公式6中,生成新視 域范圍內(nèi)的柱面全景圖像,完成拼接全景 相機(jī)視域調(diào)節(jié)。
權(quán)利要求
一種拼接全景相機(jī)視域的調(diào)節(jié)裝置,其特征是,包括安裝了攝像頭(5)的斜面(4)、導(dǎo)桿(1)和由上連桿(3)和下連桿(6)組成的調(diào)節(jié)桿,所述導(dǎo)桿(1)上設(shè)有沿導(dǎo)桿作直線滑動(dòng)的套筒(2),所述斜面(4)通過(guò)與其上沿鉸接的上連桿(3)與套筒(2)鉸接,斜面內(nèi)側(cè)垂直固定有與攝像頭光軸同軸的下連桿(6),所述斜面通過(guò)該下連桿(6)與導(dǎo)桿(1)下端鉸接,且各鉸接點(diǎn)處于同一水平高度;各路攝像頭所在的斜面(4)、上連桿(3)、下連桿(6)具有相同的形狀和尺寸,且均勻分布于導(dǎo)桿四周。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述拼接全景相機(jī)視域的調(diào)節(jié)裝置,其特征是,所述導(dǎo)桿(1)頂部設(shè) 有由步進(jìn)電機(jī)(12)驅(qū)動(dòng)的卷輪(13),所述套筒(2)套裝在導(dǎo)桿(1)上,套筒(2)通過(guò)與之 連接的皮帶(14)與所述卷輪(13)連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述拼接全景相機(jī)視域的調(diào)節(jié)裝置,其特征是,所述各路攝像 頭的調(diào)節(jié)桿均勻分布于導(dǎo)桿四周具體是指所述上連桿(3)均勻地環(huán)繞套筒(2)并與套筒 鉸接,下連桿(6)均勻地環(huán)繞固定于導(dǎo)桿(1)上的下連桿鉸接盤(7)并與下連桿鉸接盤(7) 鉸接。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述拼接全景相機(jī)視域的調(diào)節(jié)裝置,其特征是,所述上連桿(3) 為片狀結(jié)構(gòu)。
5.一種拼接全景相機(jī)視域的調(diào)節(jié)方法,其特征在于包括如下步驟第一步根據(jù)相機(jī)視域調(diào)節(jié)范圍,計(jì)算出攝像頭光軸所需傾斜角a工及攝像頭光軸的當(dāng) 前傾斜角a Q ;第二步在滿足拼接全景相機(jī)各路攝像頭的光軸相交于固定點(diǎn)、各路攝像頭的光心到 光軸交點(diǎn)距離相等、各路攝像頭的光心共圓、各路攝像頭水平視角平面與過(guò)其光軸的豎直 面始終垂直四個(gè)條件時(shí),同步地將各路攝像頭光軸傾斜角調(diào)整為a ??;第三步根據(jù)調(diào)節(jié)后的攝像頭光軸傾斜角a ”重新生成拼接全景圖像,完成視域調(diào)節(jié)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述拼接全景相機(jī)視域的調(diào)節(jié)方法,其特征在于所述步驟1中攝像 頭光軸的傾斜角度的計(jì)算分為兩種情況第一種情況相機(jī)安裝位置和對(duì)地面成像盲區(qū)大小均可調(diào)時(shí),根據(jù)相機(jī)安裝高度H和 對(duì)地面成像盲區(qū)半徑R,調(diào)節(jié)相機(jī)視域設(shè)定各路攝像頭視點(diǎn)虛擬在攝像頭固定點(diǎn)0,由<formula>formula see original document page 2</formula>計(jì)算出視域調(diào)節(jié)后攝像頭光軸傾斜角a工,其中攝像頭垂直視角為2 Y ; 第二種情況相機(jī)安裝位置不變,且需適時(shí)調(diào)節(jié)相機(jī)視域時(shí),在柱面全景上選擇一點(diǎn)S作為攝像頭光軸與柱面全景的交點(diǎn),0點(diǎn)為柱面投影中心,則OS為視域調(diào)節(jié)后攝像頭的光 上的P〃、S',其坐標(biāo)分別為<formula>formula see original document page 2</formula>由<formula>formula see original document page 2</formula>計(jì)算出視域調(diào)節(jié) 前后攝像頭光軸傾斜角c^、a工,其中W為展開(kāi)后柱面圖像寬度。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種拼接全景相機(jī)視域的調(diào)節(jié)裝置及調(diào)節(jié)方法。該調(diào)節(jié)裝置包括安裝了攝像頭的斜面、導(dǎo)桿和由上連桿和下連桿組成的調(diào)節(jié)桿,所述導(dǎo)桿上設(shè)有沿導(dǎo)桿作直線滑動(dòng)的套筒,所述斜面通過(guò)與其上沿鉸接的上連桿與套筒鉸接,斜面內(nèi)側(cè)垂直固定有與攝像頭光軸同軸的下連桿,所述斜面通過(guò)該下連桿與導(dǎo)桿下端鉸接。所述調(diào)節(jié)方法是,首先根據(jù)相機(jī)視域調(diào)節(jié)范圍,計(jì)算出攝像頭光軸所需傾斜角α1及攝像頭光軸的當(dāng)前傾斜角α0;將拼接全景相機(jī)各路攝像頭光軸傾斜角同步地調(diào)整為α1;根據(jù)調(diào)節(jié)后的攝像頭光軸傾斜角α1,重新生成拼接全景圖像,完成視域調(diào)節(jié)。本發(fā)明簡(jiǎn)單有效,滿足了拼接全景相機(jī)實(shí)際應(yīng)用中對(duì)相機(jī)視域進(jìn)行調(diào)節(jié)的客觀需求。
文檔編號(hào)G03B37/04GK101833231SQ20101012801
公開(kāi)日2010年9月15日 申請(qǐng)日期2010年3月19日 優(yōu)先權(quán)日2010年3月19日
發(fā)明者張茂軍, 徐瑋, 熊志輝, 王斌, 王煒 申請(qǐng)人:中國(guó)人民解放軍國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)
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