圓柱物體360度全景成像鏡面設計方法及鏡面及成像裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種圓柱物體360度全景成像鏡面設計方法及鏡面及成像裝置，方法：步驟1、設計鏡面形狀，步驟2、設計鏡面參數(shù)，步驟3、求解最優(yōu)橢圓鏡面具體參數(shù)。一種圓柱物體360度全景成像的鏡面，其為由上述的設計方法得到的鏡面。一種圓柱物體360度全景成像的裝置，包括內曲面反射鏡、鏡面支架、光源，相機、被拍攝的圓柱物體、夾持裝置。本發(fā)明通過圓柱物體的尺寸設計出一種圓柱物體外表面360度成像裝置，具有裝置簡單、鏡面設計方法準確、成像質量高、畸變小、成本低的有點，克服了傳統(tǒng)的圓柱物體外表面360度成像硬件裝置復雜、價格昂貴的缺點。為機器視覺提供了一種圓柱物體外表面360度成像的裝置和鏡面設計方法。
【專利說明】圓柱物體360度全景成像鏡面設計方法及鏡面及成像裝置

【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及成像裝置，尤其涉及一種圓柱物體360度全景成像鏡面設計方法及成 像裝置。

【背景技術】
[0002] 對物體進行360度成像是機器視覺的一個難點問題，目前已有一些技術能夠對周 圍環(huán)境進行360成像，例如專利CN101122734A公布了一種全景成像裝置，通過一個透鏡陣 列和光電檢測器陣列每次實現(xiàn)180度成像；專利CN102495460A發(fā)明了一種全景成像鏡頭， 利用該鏡頭可以用于管道內壁檢測、醫(yī)用內窺鏡觀察等領域；專利CN201725141U提出了一 種多鏡頭實時全景成像系統(tǒng)，能對周圍環(huán)境進行全景成像；專利CN201820028U提出了一種 全景相機鏡頭，通過同軸的透鏡組實現(xiàn)全景成像；專利CN201607607U利用轉臺裝置實現(xiàn)全 景圖像合成。其他專利基本與上述專利技術類似，不同之處在于所用的傳感器不同。上述 的全景相機裝置均是對周圍的場景進行拍攝，如圖1A、圖1B、圖1C所示為已有技術拍攝全 景圖像示意圖，圖1A為已有的全景拍攝裝置，圖1B為已有的拍攝的全景圖、圖1C為圖1B 展開后的圖像。圖中001為全景拍攝相機，002為需要拍攝的周圍場景，003為拍攝的全景 圖。
[0003] 在機器視覺系統(tǒng)中經常需要對如圖2所示的圓柱（圓柱或方形柱等）物體外表面 成像，用于缺陷檢測等質量控制系統(tǒng)中。圖2中，環(huán)形的箭頭代表需要成像的圓柱物體外表 面。已有的技術通常有以下幾種：
[0004] 1、讓圓柱物體旋轉，每轉一個角度，拍攝一張圖像；
[0005] 2、采用多個相機從多個角度進行拍照然后對每幅圖像分別進行處理；
[0006] 3、采用意大利0ΡΤ0公司的遠心360度鏡頭、PC⑶折反射環(huán)外側鏡頭及多視角光 學元件多面鏡頭，均可以對圓柱物體外側成360度全景圖像。
[0007] 在上述的機器視覺360度全景成像技術中，采用第一和第二種技術，存在兩方面 的缺陷，1.每次成像只在一個較小的角度，效率很低；2.只使用普通鏡頭，在柱面，尤其是 圓柱面的邊緣畸變較大，相鄰圖像間存在很大的誤差。對于第三種技術雖然能夠一次性完 成柱面外側360度成像，但需要特制的360度成像鏡頭，結構復雜、成本高。


【發(fā)明內容】

[0008] 為了解決現(xiàn)有技術中問題，本發(fā)明提供了一種圓柱物體360度全景成像鏡面設計 方法，包括如下步驟：
[0009] 步驟1、設計鏡面形狀：利用單視點約束計算鏡面點滿足的方程，得到鏡面形狀是 橢圓體，橢圓的幾何參數(shù)方程為：
[0010]

【權利要求】
1. 一種圓柱物體360度全景成像鏡面設計方法，其特征在于：包括如下步驟： 步驟1、設計鏡面形狀：利用單視點約束計算鏡面點滿足的方程，得到鏡面形狀是橢圓 體，橢圓的幾何參數(shù)方程為：
其中c是橢圓兩個焦點間距離，k為常數(shù)； 步驟2、設計鏡面參數(shù)：對于任意給定的圓柱物體半徑R和高H，根據(jù)以下四個約束方程 計算橢圓鏡面參數(shù)k和c，確定鏡面方程具體參數(shù)： (1) 被拍圓柱物體外表面全部成像約束：|T|彡R，其中：
通過作圖的方法確定參數(shù)c的取值范圍，并且存在參數(shù)k的值滿足條件|Τ|彡R; (2) 高分辨率約束，成像裝置的分辨率為
通過作圖的方法得到 結果：c取值越小，分辨率越高； (3) 相機景深較小約束，當圓柱物體位置固定時，系統(tǒng)景深為（Ζ(ΓΖι)，通過作圖的方法 得知c取值越大并且k取值越小，系統(tǒng)景深越?。? (4) 視場角不能過大約束，視場角
不希望系統(tǒng)產生過大的徑向畸 變，所以要求視場角2ω<90° ; 步驟3、求解最優(yōu)橢圓鏡面具體參數(shù)，沿中心軸線調整圓柱物體的位置，設計在滿足圓 柱物體外表面全部成像的基本約束下，優(yōu)先滿足高分辨率和相機景深約束，最后要求視場 角低于90°角的算法，設計出最優(yōu)的鏡面參數(shù)。
2. -種圓柱物體360度全景成像的鏡面，其特征在于：其為由權利要求1的設計方法 得到的鏡面。
3. -種圓柱物體360度全景成像的裝置，其特征在于：包括內曲面反射鏡（1)、鏡面支 架（2)、光源（3)，相機（4)、被拍攝的圓柱物體（5)、夾持裝置（6);鏡面支架（2)固定內曲 面反射鏡（1)，光源（3)對被拍攝的圓柱物體（5)進行照明，夾持裝置（6)固定被拍攝的圓 柱物體（5)，內曲面反射鏡（1)滿足單視點約束的鏡面形狀，單視點約束是指傳感器接收到 的光強集中在三維空間的同一點，稱為有效點υ，當相機是一個理想的透視相機，忽略相機 的離焦模糊，相機模型化為透視投影中心，稱為有效孔Ρ，單視點約束要求通過有效孔Ρ的 光線在被鏡面反射之前經過有效點υ。
4. 根據(jù)權利要求3所述的一種圓柱物體360度全景成像的裝置，其特征在于：還包括 一個平面反射鏡（7)，所述平面反射鏡（7)的鏡面與水平面的夾角Θ = 45°，相機（4)水 平放置，相機（4)安裝的高度為平面反射鏡（7)的鏡面垂直高度的一半。
5. 根據(jù)權利要求3所述的一種圓柱物體360度全景成像的裝置，其特征在于：內曲面 反射鏡（1)的鏡面形狀是橢圓體，橢圓的幾何參數(shù)方程為：
其中c是橢圓兩個焦點間距離，k為常數(shù)。
6. 根據(jù)權利要求5所述的一種圓柱物體360度全景成像的裝置，其特征在于：內曲面 反射鏡（1)的鏡面參數(shù)：對于任意給定的圓柱物體半徑R和高H，根據(jù)以下四個約束方程計 算橢圓鏡面參數(shù)k和c，確定鏡面方程具體參數(shù)： (1) 被拍圓柱物體外表面全部成像約束：|T|彡R，其中：
通過作圖的方法確定參數(shù)c的取值范圍，并且存在參數(shù)k的值滿足條件|Τ|彡R; (2) 高分辨率約束，成像裝置的分辨率為
通過作圖的方法得到 結果：c取值越小，分辨率越高； (3) 相機景深較小約束，當圓柱物體位置固定時，系統(tǒng)景深為（Ζ(ΓΖι)，通過作圖的方法 得知c取值越大并且k取值越小，系統(tǒng)景深越小； (4) 視場角
要求視場角2ω < 90°。
7. 根據(jù)權利要求3所述的一種圓柱物體360度全景成像的裝置，其特征在于：所述圓 柱物體包括圓柱、圓臺或圓錐。
【文檔編號】G03B37/00GK104252097SQ201410414939
【公開日】2014年12月31日 申請日期:2014年8月20日 優(yōu)先權日:2014年8月20日
【發(fā)明者】吳曉軍, 郭亞雪 申請人:吳曉軍