本發(fā)明涉及監(jiān)控領域，尤其涉及一種全景360度空間還原高清智能球監(jiān)控方法。

背景技術：

魚眼全景監(jiān)控攝像機稱得上是對現(xiàn)有監(jiān)控系統(tǒng)的改造與升級。一般的監(jiān)控探頭視場角度在60度—90度左右，如果監(jiān)控場所有大范圍的監(jiān)控需求，就不得不依賴多支攝像頭實現(xiàn)對監(jiān)控區(qū)域的覆蓋，這無疑會增加攝像頭成本與安裝成本，而且后端的顯示與存儲成本也會相應的增加；即便是球機可以通過云臺實現(xiàn)360度全范圍監(jiān)控，但卻不能達到同時監(jiān)控360度的范圍，而且在實際應用當中，多數(shù)球機都通過設置預置位對場景進行監(jiān)控，難以避免重要事件被“漏控”的情況出現(xiàn)。

隨著視頻監(jiān)控盲點越發(fā)不被人們所忍受，市場對無盲點視頻監(jiān)控系統(tǒng)的要求也愈來愈烈。相比傳統(tǒng)的視頻監(jiān)控探頭，全景攝像機可以填補特定監(jiān)控場所因視場角受限而需要跟換前端探頭的市場空缺，恰恰這個空缺也只有全景攝像機產(chǎn)品能勝任。全景攝像機的出現(xiàn)可在真正意義上消除監(jiān)控盲區(qū)，確保視頻的可靠性、完整性，對用戶乃至對社會而言意義非凡。

全景攝像機特殊的構造造就其獨有的無盲區(qū)監(jiān)控，讓其在民用、商用、警用或是特殊領域中的應用都十分適合。具體而言，全景攝像 機的實際應用需求一般可分為高分辨率監(jiān)控需求和標準分辨率監(jiān)控需求。

高分辨率的場所是指在那些容易發(fā)生搶劫、盜竊等安全事件的場合，如銀行、商場、超市等，這類場所需要高清晰的圖像畫質(zhì)，不僅需要將整個作案過程全景監(jiān)控錄像，更需要清晰的辨認嫌疑人的面孔，對后期的刑偵調(diào)查提供便利。標準分辨率的監(jiān)控場所只要求監(jiān)控全范圍局勢，對視頻細節(jié)要求不高，如空曠的廣場、運動場館、大范圍的公共場所、交通路口、交通樞紐等。這類場所只需要有清晰的大范圍監(jiān)控畫面從而實現(xiàn)監(jiān)控調(diào)度即可，對視頻質(zhì)量要求并不高，而且也很難專為監(jiān)控攝像機建立太多的支點，所以在制高點設置一臺全景攝像機完全可以滿足應用需求。魚眼攝像機獲得的全方位圖像存在嚴重的扭曲現(xiàn)象，要有效的利用圖像信息進行導航跟蹤，需恢復還原圖像，研究雙魚眼鏡頭的成像機理，魚眼鏡頭投影成像規(guī)律，進而開發(fā)一種算法，使魚眼圖像得到實時、精確的恢復，進而實現(xiàn)三維空間信息的重建復原。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供了一種彌補了單魚眼鏡頭展開圖像的缺陷，能夠?qū)⒊上裼蓤A型立體變換成平面，最大程度地利用全景資源保存場景信息的技術方案：

一種全景360度空間還原高清智能球監(jiān)控方法，涉及基于球面投影模型的魚眼鏡頭成像的復原與校正，該方法包括以下步驟：

(1)建立魚眼圖像的球面投影模型；

(2)建立3D球面投影模型的坐標系；

(3)建立球面投影模型還原后坐標系以及坐標點關系；

(4)建立平面投射坐標系與以及坐標點關系。

作為優(yōu)選，全景360度空間還原高清智能球的結構為：主要包括球形攝像體、魚眼鏡頭，魚眼鏡頭設置兩個，分別為第一魚眼鏡頭、第二魚眼鏡頭，所述第一魚眼鏡頭、所述第二魚眼鏡頭結構完全一致，所述第一魚眼鏡頭與所述第二魚眼鏡頭鏡像對稱設置在所述球形攝像體上，所述第一魚眼鏡頭、所述第二魚眼鏡頭之間設有成像裝置，成像裝置連接監(jiān)視器，第一魚眼鏡頭主要包括框架、第一透鏡、第二透鏡、第三透鏡以及濾光片，從物方至像方依次設置所述第一透鏡、第二透鏡、第三透鏡、濾光片；第一透鏡、第二透鏡的焦距均為負焦距，第三透鏡的焦距為正焦距，第一透鏡設置在所述第一魚眼鏡頭的最前端，第一透鏡為凸面透鏡，濾光片設置在第一魚眼鏡頭的最末端，第三透鏡為雙凸透鏡。

作為優(yōu)選，全景360度空間還原高清智能球還包括第四透鏡，第四透鏡為粘合透鏡，粘合透鏡分為第一鏡片和第二鏡片，第一鏡片的光焦度為0.3-0.5，第二鏡片的光焦度為-0.3—-0.2，所述第四透鏡設置在沿光軸方向的第三透鏡與濾光片之間，所述第一鏡片與所述第二鏡片的粘合面傾斜角度為35°-45°。

作為優(yōu)選，步驟(1)主要為通過球面投影模型，把魚眼圖像上每個2D像平面點(x,y)映射到3D場景(X,Y,Z)，根據(jù)圖像像素點和對應光線3D向量間關系，再將空間分成如正立體的六個成像 面中的五個面，將(X,Y,Z)分別映射到五個面中的(x’，y’)，再將兩個攝像頭各自的五個面合成，可以組合成完全表達空間的六面成像。

作為優(yōu)選，步驟(2)主要為：P為空間中任意一點，連接單位球的圓心O與空間點P得到射線OP，射線OP映射到球面上，得到與球面的交點p，將p平行于Z軸投影到XOY平面上，得到魚眼圖像上的成像點m，空間中的點與魚眼圖像上的點一一對應，其中投影球面可以表達為：x²+y²+z²＝R²。

作為優(yōu)選，步驟(3)主要為：p(x,y,z)是空間點P與球面交點，m(u,v)為p(x,y,z)的球面投影點，由于m與同P是一一對應關系，他們之間的坐標變換關系如下：

$\frac{x}{u}=\frac{y}{u}=\frac{z}{\sqrt{R^2-u^2-v^2}}=\frac{\sqrt{x^2+y^2+z^2}}{R}$

根據(jù)上式可得：

$x=\frac{\mathrm{zu}}{\sqrt{R^2-u^2-v^2}},y=\frac{\mathrm{zv}}{\sqrt{R^2-u^2-v^2}}$

通過以上公式可以從魚眼圖像點m(u,v)求得p(x,y,z)。從而還原空間點P的光路PO。

作為優(yōu)選，步驟(4)主要為：以XOZ平面作為投射面，OP與平面XOZ平面的交點n(x,z)是點P在XOZ平面的投射點，其中m(u,v)與n(x,z)是一一對應關系，它們之間的轉(zhuǎn)換關系如下：

$\frac{u}{n_x}=\frac{v}{L}$根據(jù)公式可得：$n_x=\frac{\mathrm{uL}}{v}$

$\frac{\sqrt{R^2-u^2-v^2}}{n_z}=\frac{\sqrt{u^2+v^2}}{\sqrt{{n_x}^2+L^2}}$

根據(jù)上式可得：

$n_2=\frac{\sqrt{R^2-u^2-v^2}\sqrt{{n_x}^2+L^2}}{\sqrt{u^2+v^2}}$

本發(fā)明的有益效果在于：

(1)本發(fā)明基于魚眼鏡頭的球面成像模型，彌補了單魚眼鏡頭展開圖像的缺陷，可以還原側面任意方向的信息，將成像由圓型立體變換成平面，最大程度地利用全景資源保存場景信息。

(2)本發(fā)明采用雙魚眼鏡頭，解決了傳統(tǒng)監(jiān)控探頭不能真正實現(xiàn)立體360度全景監(jiān)控，能夠同時連續(xù)監(jiān)控360度全景空間，一覽無遺，不會漏掉或錯過突發(fā)事件，真正無盲點。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的正視圖。

圖2為本發(fā)明的剖視結構圖。

圖3為本發(fā)明的3D球面投影模型。

圖4為本發(fā)明的平面投射圖。

具體實施方式

為使本發(fā)明的發(fā)明目的、技術方案和優(yōu)點更加清楚，下面將結合附圖對本發(fā)明的實施方式作進一步地詳細描述。

如圖1-2所示，一種全景360度空間還原高清智能球裝置，主要包括球形攝像體1、魚眼鏡頭2，魚眼鏡頭2設置兩個，分別為第一魚眼鏡頭21、第二魚眼鏡頭22，第一魚眼鏡頭21、第二魚眼鏡頭22 結構完全一致，第一魚眼鏡頭21與第二魚眼鏡頭22鏡像對稱設置在球形攝像體1上，第一魚眼鏡頭21、第二魚眼鏡頭22之間設有成像裝置3，成像裝置3連接監(jiān)視器，第一魚眼鏡頭21主要包括框架211、第一透鏡212、第二透鏡213、第三透鏡214以及濾光片215，從物方至像方依次設置第一透鏡212、第二透鏡213、第三透鏡214、濾光片215，第一透鏡212、第二透鏡213的焦距均為負焦距，第三透鏡214的焦距為正焦距，第一透鏡212設置在第一魚眼鏡頭21的最前端，第一透鏡212為凸面透鏡，濾光片215設置在第一魚眼鏡頭21的最末端，第三透鏡214為雙凸透鏡。

還包括第四透鏡4，第四透鏡4為粘合透鏡，粘合透鏡分為第一鏡片41和第二鏡片42，第一鏡片41的光焦度為0.3-0.5，第二鏡片42的光焦度為-0.3—-0.2，第四透鏡4設置在沿光軸方向的第三透鏡214與濾光片215之間，第一鏡片41與第二鏡片42的粘合面傾斜角度為35°-45°。

一種全景360度空間還原高清智能球監(jiān)控方法，涉及基于球面投影模型的魚眼鏡頭成像的復原與校正，其特征在于：該方法包括以下步驟：

(1)建立魚眼圖像的球面投影模型；

(2)建立3D球面投影模型的坐標系；

(3)建立球面投影模型還原后坐標系以及坐標點關系；

(4)建立平面投射坐標系與以及坐標點關系。

步驟(1)主要為通過球面投影模型，把魚眼圖像上每個2D像平 面點(x,y)映射到3D場景(X,Y,Z)，根據(jù)圖像像素點和對應光線3D向量間關系，再將空間分成如正立體的六個成像面中的五個面，將(X,Y,Z)分別映射到五個面中的(x’，y’)，再將兩個攝像頭各自的五個面合成，可以組合成完全表達空間的六面成像。

步驟(1)主要為通過球面投影模型，如圖3所示，把魚眼圖像上每個2D像平面點(x,y)映射到3D場景(X,Y,Z)，根據(jù)圖像像素點和對應光線3D向量間關系，再將空間分成如正立體的六個成像面中的五個面，將(X,Y,Z)分別映射到五個面中的(x’，y’)，再將兩個攝像頭各自的五個面合成，可以組合成完全表達空間的六面成像。

步驟(2)主要為：P為空間中任意一點，連接單位球的圓心O與空間點P得到射線OP，射線OP映射到球面上，得到與球面的交點p，將p平行于Z軸投影到XOY平面上，得到魚眼圖像上的成像點m，空間中的點與魚眼圖像上的點一一對應，其中投影球面可以表達為：x²+y²+z²＝R²。

步驟(3)主要為：p(x,y,z)是空間點P與球面交點，m(u,v)為p(x,y,z)的球面投影點，由于m與同P是一一對應關系，他們之間的坐標變換關系如下：

$\frac{x}{u}=\frac{y}{u}=\frac{z}{\sqrt{R^2-u^2-v^2}}=\frac{\sqrt{x^2+y^2+z^2}}{R}$

根據(jù)上式可得：

$x=\frac{\mathrm{zu}}{\sqrt{R^2-u^2-v^2}},y=\frac{\mathrm{zv}}{\sqrt{R^2-u^2-v^2}}$

通過以上公式可以從魚眼圖像點m(u,v)求得p(x,y,z)。從而還原空間點P的光路PO。

如圖4所示，步驟(4)主要為：以XOZ平面作為投射面，OP與平面XOZ平面的交點n(x,z)是點P在XOZ平面的投射點，其中m(u,v)與n(x,z)是一一對應關系，它們之間的轉(zhuǎn)換關系如下：

$\frac{u}{n_x}=\frac{v}{L}$根據(jù)公式可得：$n_x=\frac{\mathrm{uL}}{v}$

$\frac{\sqrt{R^2-u^2-v^2}}{n_z}=\frac{\sqrt{u^2+v^2}}{\sqrt{{n_x}^2+L^2}}$

根據(jù)上式可得：

$n_2=\frac{\sqrt{R^2-u^2-v^2}\sqrt{{n_x}^2+L^2}}{\sqrt{u^2+v^2}}$

上述表達式，其中L代表放大系數(shù)，n(x,z)是m(u,v)在XOZ平面的映射點。同上所述，可以分別求得兩個球面各五個平面的映圖像，根據(jù)兩球面所得各五平面圖像，將除XOY平面外的其它四個平面對應合成四面圖像，從面可以獲得空間六平面還原圖像。

本發(fā)明基于魚眼鏡頭的球面成像模型，彌補了單魚眼鏡頭展開圖像的缺陷，將兩個魚眼鏡頭的成像將立體360度全景完全地顯示在六個方位的畫面中。利用180°魚眼鏡頭180*360的成像特性，雙高清攝像頭就可以組成360*360成像效果，將成像由圓型立體變換成平面，最大程度地利用全景資源保存場景信息。

本發(fā)明安裝簡單，可以吊裝，可以平放，不需要完全像單魚眼球 一定要在高空吊裝，能夠提供對目標的大范圍覆蓋和無盲點監(jiān)測，同時采用鏡像對稱設置的雙魚眼鏡頭，解決了傳統(tǒng)監(jiān)控探頭不能真正實現(xiàn)立體360度全景監(jiān)控，能夠同時連續(xù)監(jiān)控360度全景空間，一覽無遺，不會漏掉或錯過突發(fā)事件，真正無盲點。

上述實施例只是本發(fā)明的較佳實施例，并不是對本發(fā)明技術方案的限制，只要是不經(jīng)過創(chuàng)造性勞動即可在上述實施例的基礎上實現(xiàn)的技術方案，均應視為落入本發(fā)明專利的權利保護范圍內(nèi)。