本發(fā)明屬于光電探測領(lǐng)域，具體涉及一種通過外視場拼接來實現(xiàn)大視場成像的成像系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

在使用相機(jī)根據(jù)雷達(dá)提供的目標(biāo)方位角和高低角對目標(biāo)進(jìn)行捕捉時，由于雷達(dá)提供的數(shù)據(jù)有一定的誤差，傳統(tǒng)的長焦相機(jī)(由單個鏡頭和成像器件組成的相機(jī))由于視場角度過小無法完全覆蓋目標(biāo)可能范圍，降低了相機(jī)對目標(biāo)捕捉的成功率。增大傳統(tǒng)長焦相機(jī)的視場角度主要存在兩方面的困難：一是鏡頭由于視場的增大，增加了圖像的畸變，需要設(shè)計復(fù)雜的矯正透鏡，增大了鏡頭的重量、設(shè)計和制造復(fù)雜性；二是現(xiàn)有的光電傳感器一般尺寸較小，一些大尺寸的傳感器價格昂貴。

目前主要通過視場拼接來解決長焦相機(jī)視場角度小的問題。當(dāng)前的視場拼接技術(shù)可以分為外視場拼接和內(nèi)視場拼接兩種。外視場拼接型成像系統(tǒng)將多個相機(jī)進(jìn)行一定排列組成陣列來獲得大的視場，通過控制相鄰相機(jī)之間有一定程度的視場重合來獲得完整的大視場圖像。內(nèi)視場拼接型成像系統(tǒng)將多個成像器件拼接為等效的大尺寸傳感器，配合相應(yīng)的光學(xué)系統(tǒng)獲得大視場圖像。內(nèi)視場拼接型成像系統(tǒng)成像器件拼接精度要求高，技術(shù)實現(xiàn)困難，而且需要處理電子系統(tǒng)的溫控問題。此外內(nèi)視場拼接型成像系統(tǒng)直接將成像器件在相機(jī)焦平面進(jìn)行機(jī)械拼接時成像器件之間存在縫隙，導(dǎo)致系統(tǒng)存在視場盲區(qū)，影響圖像質(zhì)量，而如圖1所示，加入第一分光鏡1、第二分光鏡2和第三分光鏡3三個半反半透鏡分光來進(jìn)行內(nèi)視場拼接時，雖然能夠獲得完整的視場圖像，但會降低成像器件接收到的能量，由于遠(yuǎn)距離目標(biāo)信號弱，因此這種方法不適用于遠(yuǎn)距離目標(biāo)成像系統(tǒng)。比較而言，外視場拼接型成像系統(tǒng)技術(shù)實現(xiàn)簡單，但由于使用了多個相機(jī)，而且需要專門設(shè)計支撐結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)體積和重量很大，不利于安裝到跟蹤設(shè)備上。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了解決采用多相機(jī)陣列來獲得大視場圖像的成像系統(tǒng)的體積和重量大的問題，提供了一種視場可定制的外視場拼接成像系統(tǒng)。

本發(fā)明解決技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案如下：

一種視場可定制的外視場拼接成像系統(tǒng)，包括電腦和多套具有相同的組成和構(gòu)造的子系統(tǒng)，子系統(tǒng)通過位姿變換實現(xiàn)對視場不同區(qū)域成像，通過電腦對不同區(qū)域圖像拼接得到總體視場圖。

進(jìn)一步的，所述子系統(tǒng)包括：第一調(diào)心球軸承、相機(jī)、第二調(diào)心球軸承、調(diào)節(jié)旋鈕、電機(jī)、編碼器和dsp；第一調(diào)心球軸承、相機(jī)和第二調(diào)心球軸承依次連接，調(diào)節(jié)旋鈕位于第二調(diào)心球軸承上，第二調(diào)心球軸承與電機(jī)連接，電機(jī)安裝編碼器，編碼器連接dsp，dsp與相機(jī)、電機(jī)和總系統(tǒng)的電腦分別連接，相機(jī)連接總系統(tǒng)的電腦；第一調(diào)心球軸承的軸線與系統(tǒng)軸線重合，第二調(diào)心球軸承的軸線與系統(tǒng)軸線存在偏心距；第一調(diào)心球軸承固定支撐相機(jī)圓錐旋轉(zhuǎn)，調(diào)節(jié)旋鈕通過改變第二調(diào)心球軸承的偏心距以改變相機(jī)的圓錐旋轉(zhuǎn)頂角；電腦通過dsp控制電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度，dsp驅(qū)動電機(jī)帶動第二調(diào)心球軸承旋轉(zhuǎn)，相機(jī)圓錐旋轉(zhuǎn)即位姿變換，編碼器反饋相機(jī)的旋轉(zhuǎn)角度發(fā)送至dsp，在旋轉(zhuǎn)角度達(dá)到設(shè)定的角度時dsp控制相機(jī)拍攝，dsp同時發(fā)送所拍攝視場的位置信息至電腦，相機(jī)曝光后將圖像數(shù)據(jù)傳給電腦，電腦對圖像進(jìn)行拼接得到總體視場圖。

進(jìn)一步的，所述圓錐旋轉(zhuǎn)為內(nèi)旋式圓錐旋轉(zhuǎn)。

進(jìn)一步的，所述圓錐旋轉(zhuǎn)為外旋式圓錐旋轉(zhuǎn)。

進(jìn)一步的，所述子系統(tǒng)能夠組合使用或單獨(dú)使用。

進(jìn)一步的，視場可定制的實現(xiàn)包括對軸線方位角、相機(jī)圓錐旋轉(zhuǎn)的頂角和曝光位置的調(diào)節(jié)。

本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明中采用多個子系統(tǒng)分別控制相機(jī)做位姿變換來實現(xiàn)大視場的拼接，系統(tǒng)體積和重量明顯減小，同時成本明顯降低。成像系統(tǒng)可以對各個子系統(tǒng)單獨(dú)控制，同一成像系統(tǒng)，實現(xiàn)相對較大視場的成像拼接，關(guān)閉部分子系統(tǒng)，可實現(xiàn)相對較小視場的成像拼接。系統(tǒng)的成像視場可以根據(jù)任務(wù)需求靈活定制，對各個子系統(tǒng)的軸線方位角、相機(jī)圓錐旋轉(zhuǎn)的頂角和相機(jī)曝光位置的調(diào)整，可以滿足不同任務(wù)的要求?？傁到y(tǒng)將總體視場劃分為多個小視場，通過對每個小視場進(jìn)行曝光獲得多幅子圖像，相鄰子圖像間有一定的重合量，不存在視場盲區(qū)，提高了圖像質(zhì)量。

附圖說明

圖1現(xiàn)有技術(shù)中使用半反半透鏡實現(xiàn)內(nèi)視場拼接的裝置圖。

圖2本發(fā)明一種視場可定制的外視場拼接成像系統(tǒng)的相機(jī)外旋式圓錐旋轉(zhuǎn)示意圖。

圖3本發(fā)明一種視場可定制的外視場拼接成像系統(tǒng)的相機(jī)內(nèi)旋式圓錐旋轉(zhuǎn)示意圖。

圖4本發(fā)明一種視場可定制的外視場拼接成像系統(tǒng)的子系統(tǒng)的機(jī)械裝置結(jié)構(gòu)圖。

圖5本發(fā)明一種視場可定制的外視場拼接成像系統(tǒng)的系統(tǒng)電子學(xué)架構(gòu)圖。

圖6本發(fā)明一種視場可定制的外視場拼接成像系統(tǒng)的包含三套子系統(tǒng)的成像系統(tǒng)示意圖。

圖7本發(fā)明一種視場可定制的外視場拼接成像系統(tǒng)的視場拼接實施例一的示意圖。

圖8本發(fā)明一種視場可定制的外視場拼接成像系統(tǒng)的視場拼接實施例二的示意圖。

圖9本發(fā)明一種視場可定制的外視場拼接成像系統(tǒng)的視場拼接實施例三的示意圖。

圖10本發(fā)明一種視場可定制的外視場拼接成像系統(tǒng)的視場拼接實施例四的示意圖。

圖11本發(fā)明一種視場可定制的外視場拼接成像系統(tǒng)的視場拼接實施例五的示意圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說明。

視場可定制的外視場拼接成像系統(tǒng)由多套子系統(tǒng)組成，每套子系統(tǒng)有相同的組成和構(gòu)造，系統(tǒng)的總視場由各子系統(tǒng)的視場組合而成，并可以通過調(diào)節(jié)子系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行視場定制。相關(guān)參數(shù)包括軸線方位角、相機(jī)圓錐旋轉(zhuǎn)頂角及相機(jī)曝光位置等。其中軸線方位角指子系統(tǒng)系統(tǒng)軸線的指向角。

子系統(tǒng)的成像通過控制相機(jī)進(jìn)行連續(xù)圓錐旋轉(zhuǎn)實現(xiàn)，旋轉(zhuǎn)頂角可調(diào)節(jié)。各子系統(tǒng)相機(jī)的光軸在視場中的軌跡為圓，其半徑大小可以通過調(diào)整相機(jī)圓錐旋轉(zhuǎn)頂角來調(diào)節(jié)。通過控制相機(jī)進(jìn)行連續(xù)圓錐旋轉(zhuǎn)，在特定的旋轉(zhuǎn)位置即相機(jī)對應(yīng)特定的視場區(qū)域時觸發(fā)相機(jī)進(jìn)行圖像采集，獲得多幅相鄰圖像間有一定重合量的子圖像，所有子系統(tǒng)采集的圖像經(jīng)拼接后獲得完整的大視場圖像即總體視場圖。相機(jī)圓錐旋轉(zhuǎn)有兩種方式，一種為外旋式圓錐旋轉(zhuǎn)如圖2所示，一種為內(nèi)旋式圓錐旋轉(zhuǎn)如圖3所示。外旋式圓錐旋轉(zhuǎn)為相機(jī)4繞系統(tǒng)軸線旋轉(zhuǎn)，所拍照的方向的反向延長線的交點在系統(tǒng)軸線上。內(nèi)旋式圓錐旋轉(zhuǎn)為相機(jī)4繞系統(tǒng)軸線旋轉(zhuǎn)，所拍照的方向的延長線的交點在系統(tǒng)軸線上。相機(jī)4圓錐每旋轉(zhuǎn)到觸發(fā)點時進(jìn)行一次拍攝。

針對一定的任務(wù)要求，確定系統(tǒng)的總體視場，總體視場分為由各個子系統(tǒng)負(fù)責(zé)的多個小視場；設(shè)計好視場后，再對每個子系統(tǒng)的視場進(jìn)行校準(zhǔn)。在校準(zhǔn)時可以使系統(tǒng)對含有五角星等一些特殊圖案的目標(biāo)成像作為參考，需要調(diào)整的參數(shù)包括子系統(tǒng)軸線方位角、各相機(jī)4圓錐旋轉(zhuǎn)頂角和相機(jī)4曝光位置。校準(zhǔn)結(jié)果應(yīng)使子系統(tǒng)對應(yīng)的視場、相鄰子圖像間有一定的重合量，以及相機(jī)4曝光位置準(zhǔn)確，從而系統(tǒng)在每個運(yùn)動周期中獲得一幀完整的大視場圖像即總體視場圖。

所述子系統(tǒng)的機(jī)械裝置結(jié)構(gòu)圖如圖4所示，包括第一調(diào)心球軸承5、相機(jī)4、第二調(diào)心球軸承6、調(diào)節(jié)旋鈕7、電機(jī)8和編碼器9。第一調(diào)心球軸承5、相機(jī)4和第二調(diào)心球軸承6依次連接，調(diào)節(jié)旋鈕7位于第二調(diào)心球軸承6上，第二調(diào)心球軸承6與電機(jī)8連接，電機(jī)8后側(cè)安裝編碼器9。第一調(diào)心球軸承5的軸線與系統(tǒng)軸線重合，第二調(diào)心球軸承6的軸線與系統(tǒng)軸線錯開一定偏心距，這樣在電機(jī)8帶動第二調(diào)心球軸承6的軸承座旋轉(zhuǎn)時相機(jī)4就可以實現(xiàn)圓錐旋轉(zhuǎn)。第一調(diào)心球軸承5對相機(jī)4的圓錐旋轉(zhuǎn)的左端起固定支撐作用，在第二調(diào)心球軸承6的支撐塊上設(shè)計了調(diào)節(jié)旋鈕7，調(diào)節(jié)旋鈕7通過改變第二調(diào)心球軸承6的偏心距以調(diào)節(jié)相機(jī)4圓錐旋轉(zhuǎn)的頂角，即控制相機(jī)4的右端的圓錐旋轉(zhuǎn)的頂角角度。編碼器9用于反饋相機(jī)4的旋轉(zhuǎn)角度，在轉(zhuǎn)到設(shè)定的特定角度時觸發(fā)相機(jī)4進(jìn)行圖像采集。

視場可定制的外視場拼接成像系統(tǒng)的系統(tǒng)電子學(xué)架構(gòu)如圖5所示，各個子系統(tǒng)的組成和構(gòu)造相同。電機(jī)8后側(cè)安裝編碼器9，編碼器9連接dsp10，dsp10與連接相機(jī)4、電機(jī)8和總系統(tǒng)的電腦11分別連接，相機(jī)4連接總系統(tǒng)的電腦11。

工作原理：電腦11通過向dsp10發(fā)出指令來控制電機(jī)8的旋轉(zhuǎn)速度，dsp10控制電機(jī)驅(qū)動器驅(qū)動電機(jī)8帶動第二調(diào)心球軸承6的軸承座旋轉(zhuǎn)，相機(jī)4圓錐旋轉(zhuǎn)即子系統(tǒng)位姿變換，編碼器9反饋相機(jī)4的旋轉(zhuǎn)角度發(fā)送至dsp10，在旋轉(zhuǎn)角度達(dá)到設(shè)定的角度時dsp10發(fā)送拍攝指令至相機(jī)4，dsp10同時發(fā)送所拍攝視場的位置信息至電腦11，相機(jī)4曝光后將圖像數(shù)據(jù)傳給電腦11，電腦11對所有子圖像進(jìn)行拼接得到總體視場圖。

相機(jī)4曝光得到的圖像數(shù)據(jù)傳給電腦11，圖像數(shù)據(jù)會首先存入緩存中，并替換在上一周期中相應(yīng)位置的圖像，在一個周期完畢后再將所有子圖像按相對位置拼接為完整的視場圖像后顯示到相應(yīng)的顯示設(shè)備上。電腦11通過向dsp10發(fā)出指令來控制電機(jī)8的旋轉(zhuǎn)速度，從而控制系統(tǒng)進(jìn)行總體視場成像的幀頻。

實施例一：以3套子系統(tǒng)的成像系統(tǒng)為例對系統(tǒng)進(jìn)行說明，如圖6所示，成像系統(tǒng)的構(gòu)成包括3套相同的子系統(tǒng)。如圖7所示，3套子系統(tǒng)的系統(tǒng)軸線平行，3套子系統(tǒng)設(shè)置圓錐旋轉(zhuǎn)的頂角，驅(qū)動相機(jī)做同步圓錐旋轉(zhuǎn)，使子系統(tǒng)1、子系統(tǒng)2和子系統(tǒng)3的軸線在視場中的軌跡分別為r1，r2和r3對應(yīng)的圓。視場分為16個均等的正方形小視場區(qū)域，相機(jī)同時進(jìn)行內(nèi)旋式圓錐旋轉(zhuǎn)，相機(jī)旋轉(zhuǎn)到對應(yīng)圖中每個小視場區(qū)域的旋轉(zhuǎn)位置時觸發(fā)拍照，子系統(tǒng)3的相機(jī)在旋轉(zhuǎn)到對應(yīng)1、2、3、4小視場的視場區(qū)域，即相機(jī)拍攝區(qū)域的中心為正方形小視場的正方形對角線交點，分別對1、2、3、4小視場曝光，子系統(tǒng)2的相機(jī)在旋轉(zhuǎn)到對應(yīng)5、6、8、9、11、12、14、15小視場的視場區(qū)域，分別對5、6、8、9、11、12、14、15小視場曝光，子系統(tǒng)1的相機(jī)在旋轉(zhuǎn)到對應(yīng)7、10、13、16小視場的視場區(qū)域，分別對7、10、13、16小視場曝光，然后將各個小視場區(qū)域的圖像即子圖像拼接為整幅大視場圖像，即實現(xiàn)總體視場圖的拼接。該系統(tǒng)在每個運(yùn)動周期獲得一幀完整的總體視場圖像。

實施例二：在實際任務(wù)中可能需要成像系統(tǒng)的視場在長度方向上的距離遠(yuǎn)大于在高度方向上的距離，這通過特定的方式對子系統(tǒng)相機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)時對應(yīng)的視場進(jìn)行調(diào)整即可實現(xiàn)。如圖8，通過調(diào)整實施例一的3個子系統(tǒng)的軸線方位角即改變實施例一中3套子系統(tǒng)的系統(tǒng)軸線重合平行的狀態(tài)、調(diào)整相機(jī)圓錐旋轉(zhuǎn)頂角和改變相機(jī)曝光位置，子系統(tǒng)1的相機(jī)對圖中2、5、7、10小視場曝光，子系統(tǒng)2的相機(jī)對圖中3、6、8、11小視場曝光，子系統(tǒng)3的相機(jī)對圖中1、4、9、12小視場曝光，然后將各個小視場區(qū)域的子圖像拼接得到總體視場圖像，實現(xiàn)矩形視場拼接。

實施例三：如圖9所示，調(diào)整實施例一和實施例二的成像系統(tǒng)，獲得的矩形寬視場。子系統(tǒng)1的相機(jī)對圖中1、2、7、8小視場曝光，子系統(tǒng)2的相機(jī)對圖中3、4、9、10小視場曝光，子系統(tǒng)3的相機(jī)對圖中5、6、11、12小視場曝光。

實施例四：調(diào)整上述成像系統(tǒng)，關(guān)閉子系統(tǒng)3，僅使用子系統(tǒng)1和子系統(tǒng)3，獲得如圖10所示的視場。子系統(tǒng)1的相機(jī)對圖中1、3小視場曝光，子系統(tǒng)2的相機(jī)對圖中2、4、小視場曝光。

實施例五：調(diào)整實施例四成像系統(tǒng)的子系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)，獲得如圖11所示的視場。子系統(tǒng)1的相機(jī)對圖中1、2、5、6小視場曝光，子系統(tǒng)2的相機(jī)對圖中3、4、7、8小視場曝光。

系統(tǒng)可以對各個子系統(tǒng)單獨(dú)控制，控制一個子系統(tǒng)工作、一部分子系統(tǒng)工作或所有子系統(tǒng)工作。當(dāng)使用更多個數(shù)的子系統(tǒng)時還可以實現(xiàn)其它不同的視場范圍，以滿足不同任務(wù)的要求。具體子系統(tǒng)的數(shù)量可以根據(jù)項目要求確定。