CN106547165A - 一种用于全景成像的光学系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于全景成像的光学系统，其具体包括：反射镜、透光窗口、镜头、摄像头、主板及电池、底座，底座下方具有用于向外部输出设备发送全景图像或全景视频的通信接口，本发明还公开了一种用于全景成像的光学系统的工作方法，本发明由于使用单个摄像头即可采集到全景影像，无需多路图像处理和后期拼接，不存在多摄像头同步、盲点夹缝和边缘畸变的问题，也使得还原算法逻辑难度大幅度降低。
Description
技术领域
本发明涉及视频采集、工程光学、机电一体化领域，具体涉及一种用于全景成像的光学系统。
背景技术
现有的全景拍摄方法主要分为拼接式、鱼眼式。
其中拼接式需要2个以上的摄像机，其缺陷在于：
(1)原始数据量巨大，多个相机需要多路的图像处理，成本指数级上升；
(2)由于使用多个摄像机或镜头，拼接时存在明显的接缝，多个摄像头之间很难实现白平衡、帧率的同步；
(3)需要较大安全距离，拍摄物体不能距离相机过近；
(4)拍摄、后期极其复杂，成本很高。
典型的鱼眼式全景相机采用前后各一个鱼眼镜头，实现360°拍摄，其缺陷在于：
(1)与拼接式一样，同样存在接缝、难以同步、安全距离过高等问题；
(2)多摄像头需要处理大量数据，难以实现机内还原解算；
(3)多摄像头存在瓶颈。
尤其是在安防监控领域，现有监控摄像头通常由镜头、CMOS、控制电路、外壳等组成，其主要问题在于：
(1)视角单一，有死角，需要多台设备协作；
(2)多设备协作导致数据碎片化，误差值大；
(3)移动监视设备视角受限，观测效率有限。
而在远程会议领域，现有的远程会议系统摄像头部分通常为标准40°～60°可视角的网络摄像头，其位置通常在于屏幕附近，面向所有与会者，其缺陷在于：
(1)相机位置、角度固定，无法移动调整；
(2)拍摄视角受限，远处成员被遮挡或拍摄不清；
(3)拍摄面积有限，无法覆盖全部会场。
此外，在无人机领域，当前无人机全景视频拍摄领域主要采用无人机下加装多台运动相机的方法实现，其主要缺陷在于：
(1)多目或鱼眼拼接方案设备多，功耗大；
(2)需要云台及多个设备，复杂笨重；
(3)占用过多无人机本身有限的资源及载重；
(4)无法进行防抖补偿。
当应用于机器人传感器领域时，当前机器人视觉传感器主要采用多台相机进行图像合成拼接，其主要缺陷在于：
(1)传统的机器人需要多个摄像头协同工作，功耗与排错量大
(2)需要运动部件移动视角，结构与功能落后
(3)功能受视角与感应器限制，互动识别慢
当应用于在影视拍摄领域时，当前全景影视拍摄领域主要使用多台拼接式或鱼眼式全景相机，其问题在于：
(1)拼接式或鱼眼式全景相机所存在的上述问题；
(2)大部分剧组已有普通单反，需要再次购买全景相机，资源浪费；
(3)现有全景相机CMOS、光学素质无法与传统的单反厂家进行比较；而使用多台单反相机拼接的拍摄设备体积庞大、安全距离大、调试复杂。
当应用于个人移动设备领域时，当前个人移动设备包括但不限于为手机、平板、笔记本电脑、台式电脑等，其主要问题在于：
(1)如手机、平板等设备需要拍摄全景照片，需要横向移动手机以拍摄全景，拍摄速度慢、不允许被摄物体移动；
(2)笔记本电脑、台式电脑受摄像头的限制，无法拍摄全景。
发明内容
对于现有全景拍摄技术中存在的上述问题，本发明公开了一种用于全景成像的光学系统，其具体包括：
反射镜、透光窗口、镜头、摄像头、主板及电池、底座。
其中所述反射镜位于光学系统的所述透光窗口顶部，所述镜头、所述摄像头和所述主板及电池位于所述透光窗口内部并自上而下依次固定连接，所述透光窗口固定在所述底座上。
在本发明的实施例中，所述反射镜为二次旋转非球面或高次回转非球面，其表面函数可根据不同要求进行调整。
所述反射镜材料选自以下方法中的一种制备工艺而得到：
(1)将金属胚材使用CNC加工成型后精密抛光或在金属上电镀其他金属；
(2)将金属胚材使用模具铸造成型后精密抛光或在金属上电镀其他金属；
(3)使用其他非金属材质(如塑料、陶瓷等)制作基底，再在基地材料表面镀银镀银、钛、金或铜等反光性好的金属。
其中，所述透光窗口为石英玻璃或高硼硅玻璃，外层镀有高透光减反射膜，并涂有防指纹疏油图层，其透光率大于99.5。
所述反射镜与所述透光窗口的连接方式选自以下连接方式中的一种或多种：(1)机械连接(2)胶接(3)化学连接(4)热连接。
所述镜头为3.5mm焦距标准CS接口工业镜头，并可以根据不同要求更换不同焦距、规格的镜头，所述镜头材质为光学玻璃或塑料。
镜头能够根据不同要求进行更换为其他普通镜头或远心镜头。
所述镜头与所述摄像头的连接方式选自以下连接方式中的一种：(1)CS/C标准连接方式(2)金手指连接(3)插座连接(4)连接器连接。
所述摄像头为工业C/CS口摄像头或摄像模组，其成像原理包括CCD、CMOS，所述摄像头主要组成部分为：光学视角部件，内置镜头，镜座，滤光片，传感器，PCB电路板，连接器。
所述滤光片的规格根据用途来选择并进行更换。
所述主板及电池由采集系统、运算系统、控制系统、输出系统、控制系统构成，其中所述主板可与散热器进行连接，从而降低系统运行温度。
所述底座包含多个接口，所述多个接口包括：(1)固定接口；(2)通信接口；(3)天线；(4)充电接口。
所述通信接口为WIFI、USB、HDMI接口中的一种或多种。
所述主板及电池中的控制系统，与手机、电脑、电视或可穿戴设备通信，通过所述输出系统传输全景成像的光学系统所拍摄到的图像或全景成像的光学系统的状态。
本发明还公开了一种用于全景成像的光学系统的工作方法，其包括以下步骤：
1)外部图像经过反射镜进入透光窗口中后光路改变朝向镜头传播；
2)镜头收集外部图像的光路并在摄像头处汇聚成原始图像或原始视频；
3)将摄像头处生成的所述原始图像或原始视频传输至主板及电池并使用相关算法进行还原解算得到全景图像或全景视频；
4)将所述全景图像或全景视频通过所述底座的通信接口发送至外部输出设备以供使用或调试；
5)全景图像或全景视频还可以被存储在摄像头内的储存介质中，所述储存介质为SD卡、microSD卡中的其中一种。
其中，上述用于全景成像的光学系统的工作方法的步骤4)中，所述通信接口为WIFI、USB或HDMI接口中的一种或多种。
其中，上述用于全景成像的光学系统的工作方法的步骤4)中，所述外部输出设备包括：手机、电视、电脑或可穿戴设备。
本发明还公开了一种用于全景成像的光学系统的用途，所述用于全景成像的光学系统可被用于全景相机领域、安防监控领域、远程会议领域、无人机领域、机器人传感器领域、影视拍摄领域、个人移动设备领域。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)使用单个摄像头即可采集到全景影像，不存在多路图像处理，有效降低成本。
(2)本发明使用单个摄像头，无需后期进行拼接，不存在多摄像头同步的问题。
(3)本发明使用单个镜头，无需后期拼接，不存在盲点夹缝，所以可以达到非常近的安全距离。
(4)由于反射镜为线性畸变，不存在鱼眼镜头边缘非常大的畸变，还原算法的逻辑难度大幅度降低。
(5)实现了360°全景拍摄无死角，可选空间内任意位置设置，重量轻，安装简易，可适用于搭接各种外部设备，应用于多种领域。
附图说明
图1是由全景成像的光学系统构成的典型的全景相机的结构图。
图2是摄像头的结构分解图。
图3是全景成像的光学系统用于安防监控领域的一个实施例的示意图。
图4是全景成像的光学系统用于安防监控领域的另一个实施例的示意图。
图5是全景成像的光学系统用于影视拍摄领域的一个实施例的示意图。
图6是全景成像的光学系统用于个人移动设备领域的一个实施例的示意图。
附图标记说明：
100-反射镜，101-透光窗口，102-镜头，103-摄像头，104-主板及电池，105-底座，106-光学视角部件，107-内置镜头，108-镜座，109-滤光片，110-传感器，111-PCB电路板，112-连接器。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合实施例及附图，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示的全景成像的光学系统，其由反射镜100、透光窗口101、镜头102、摄像头103、主板及电池104、底座105和外部输出设备(未示出)组成，其中反射镜100位于光学系统的透光窗口101顶部，镜头102、摄像头103和主板及电池104位于透光窗口101内部并自上而下依次固定连接，透光窗口101固定在底座105上。
参考附图2，其进一步示出了摄像头103结构分解图，摄像头103自上而下依次由光学视角部件106、内置镜头107、镜座108、滤光片109、传感器110、PCB电路板111、连接器112这几个部分组成。
在本发明的实施例中，反射镜100可以是二次旋转非球面或高次回转非球面，其表面函数可根据不同要求进行调整。透光窗口101可以是石英玻璃或高硼硅玻璃，外层镀有高透光减反射膜，并涂有防指纹疏油图层，其透光率可以达到99.5以上。反射镜100与透光窗口101的连接方式包括机械连接、胶接、化学连接和热连接中的一种或多种的结合。反射镜100可以由以下方法中的一种或多种制备而得到：
将金属胚材使用CNC加工成型后精密抛光或在金属上电镀其他金属以达到其反射镜效果；将金属胚材使用模具铸造成型后精密抛光或在金属上电镀其他金属；使用其他非金属材质(如塑料、陶瓷等)制作基底，再在基地材料表面镀银或钛、金、铜等其他反光性较好的金属。
镜头102可以是3.5mm焦距标准CS接口工业摄像头，并可以根据不同要求更换不同焦距、规格的其他镜头，其材质为光学玻璃或塑料。在特殊要求下，可以使用远心镜头。镜头102与摄像头103的连接方式包括：CS/C标准连接方式、金手指连接、插座连接或连接器连接。摄像头103可以是工业C/CS口摄像头或摄像模组，其成像原理包括CCD、CMOS。其主要组成部分为：106-FOV(光学视角部件)，107-LENS(内置镜头)，108-Holder(镜座)，109-IR(滤光片)，110-Sensor(传感器)，111-PCB线路板，112-Connector(连接器)。其中109-IR滤光片的规格根据用途可发生相应的变化，例如红外型则去掉IR红外滤光片。
主板及电池104的主板部分由采集系统、运算系统、控制系统、输出系统、控制系统构成。其中主板可与散热器进行连接，从而降低系统运行温度。主板及电池104中的通信系统，可以与外部如手机、电脑等设备通信，传输相机所拍摄到的图像或相机的状态等其他数据。
主板及电池104中的运算系统的核心还原算法包括下述4种：(1)全景图像柱面展开、(2)全景图像快速展开、(3)全景图像透视还原和(4)全景图像差值还原。
在配合不同的反射镜100、镜头102、摄像头103时，可以调整算法中的相关参数，以达到更好的显示效果。
底座105包含若干功能，包括：固定接口、通信接口(包括USB、HDMI等)、天线和充电接口中的一种或多种。底座的通信接口为WIFI、USB或HDMI接口。或者底座的通信接口为同时具有WIFI、USB或HDMI接口中的多种。
本发明还公开了全景成像的光学系统的工作方法，其包括以下步骤：
1)外部图像经过反射镜进入透光窗口中后光路改变朝向镜头传播；
2)镜头收集外部图像的光路并在摄像头处汇聚成原始图像或原始视频；
3)将摄像头处生成的所述原始图像或原始视频传输至主板及电池并使用相关算法进行还原解算得到全景图像或全景视频；
4)将所述全景图像或全景视频通过所述底座的通信接口发送至外部输出设备以供使用或调试；
5)全景图像或全景视频还可以被存储在摄像头内的储存介质中，所述储存介质为SD卡、microSD卡中的其中一种。
其中，上述全景成像的光学系统的工作方法的步骤4)中，通信接口为WIFI、USB或HDMI接口中的一种或多种。
其中，上述全景成像的光学系统的工作方法的步骤4)中，外部输出设备包括：手机、电视、电脑或可穿戴设备。
下面通过实施例对本发明作进一步的详细说明：
实施例1
该实施例为典型的全景相机解决方案示例，具体地，可直接采用图1中所描述的全景成像的光学系统进行影像拍摄。使用单个摄像头即可采集到全景影像，不存在多路图像处理，无需后期进行拼接，不存在多摄像头同步问题，不存在盲点夹缝，所以可以达到非常近的安全距离，有效地使整套全景成像系统小型化、轻量化，同时降低系统成本，提升拍摄品质。此外由于使用单个镜头，还原算法复杂度低，可以在内置ARM芯片或FPGA、DSP芯片内进行还原解锁，从而实现机内还原解算。
实施例2
在该实施例中，全景成像的光学系统被用于安防监控领域，将本发明中的该全景成像的光学系统设置于需要安防监控区域，如图3，并通过通信接口经通信网络与远程监控中心中的监控终端进行通信，可实现可选空间内任意位置设置同时实现全景无死角观测。当用于已安装的监控设备中时，可以与已安装的设备镜头接口按图4方式结合，进行全景监测，而无需对监控设备进行复杂的升级改造，节省了成本同时使设备整体更轻量化。
实施例3
在该实施例中，全景成像的光学系统被用于远程会议领域，将本发明中的该全景成像的光学系统设置于远程会议会场中任意位置，并通过通信接口经通信网络将获取的会议会场实时图像实时显示于会场中的显示屏中，并及时传输给远程会议中的远程方，本发明中的全景成像的光学系统由于是360°全景拍摄，因此不受场地限制，可根据情况在会场内随意摆放并可以呈现全部成员与设施。
实施例4
在该实施例中，全景成像的光学系统被用于无人机领域，通过底座上的固定接口与无人机的对应接口相连，实现全景成像的光学系统的搭载和连接，通过通信接口传输获取的图像或接收控制指令，也可以通过通信接口(如USB，HDMI、WIFI等)将获取的图像储存在无人机内部存储介质中，还可以将获取的图像存储于全景成像的光学系统的摄像头内的存储介质中。将全景成像的光学系统与无人机接合，由于无需安装多个镜头所需的云台或旋转部件，有利于减轻配重及降低功耗从而增强无人机载重与续航。同时由于无人机系统中存在多重震动，本系统支持电子防抖、机械云台防抖等多种方式，使相机可以在无人机上稳定的拍摄。
实施例5
在该实施例中，全景成像的光学系统被用于机器人传感器领域。可将本系统安装到机器人的任何位置，由于使用单一镜头实现360°全景观测取景，可以解决由于多个传感器对机器人相对运动辨别固有的不确定性，同时不再需要额外配置移动视角所需的运动部件，使得机器人可以具有更好的空间感知能力与人机互动识别能力。
实施例6
在该实施例中，全景成像的光学系统被用于影视拍摄领域，采用本发明全景成像的光学系统，将其与剧组中任一现有摄像机或单反相机结合,如图5，即可实现全景拍摄，解决了使用多台摄像机或单反相机拼接拍摄带来的设备体积庞大、安全距离大、调试复杂的问题。
实施例7
现有情景下当手机、平板、笔记本电脑、台式电脑等设备需要拍摄全景照片时，则需要横向移动手机以拍摄全景，拍摄速度慢且不允许被摄物体移动，在该实施例中，全景成像的光学系统也可以被用于个人移动设备领域以解决上述问题，将本发明中全景成像的光学系统与手机摄像头相连接，如图6，可以实现在手机上直接拍摄全景照片或视频，本发明中全景成像的光学系统与笔记本、平板电脑、台式电脑或可穿戴设备摄像头相连接，则同样可以实现在笔记本、平板电脑、台式电脑或可穿戴设备上直接拍摄全景照片或视频。
以上所述实施例仅表达了本发明的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (15)
1.一种用于全景成像的光学系统，其特征在于，包括：
反射镜、透光窗口、镜头、摄像头、主板及电池、底座；
其中所述反射镜位于所述光学系统的所述透光窗口顶部，所述镜头、所述摄像头和所述主板及电池位于所述透光窗口内部并自上而下依次固定连接，所述透光窗口固定在所述底座上。
2.如权利要求1所述的全景成像的光学系统，其特征在于，所述反射镜为二次旋转非球面或高次回转非球面，所述二次旋转非球面或高次回转非球面的表面函数能够根据不同要求进行调整。
3.如权利要求1所述的全景成像的光学系统，其特征在于，所述反射镜由选自以下方法中的一种制备工艺而得到：
(1)将金属胚材使用CNC加工成型后精密抛光或在金属上电镀不同于金属胚材的金属；
(2)将金属胚材使用模具铸造成型后精密抛光或在金属上电镀不同于金属胚材的金属；
(3)使用其他非金属材质制作基底，再在基底材料表面镀银、镀钛、镀金或镀铜。
4.如权利要求1所述的全景成像的光学系统，其特征在于，所述透光窗口为石英玻璃或高硼硅玻璃，外层镀有高透光减反射膜并涂有防指纹疏油图层，所述透光窗口的透光率大于99.5。
5.如权利要求1所述的全景成像的光学系统，其特征在于，所述反射镜与所述透光窗口的连接方式选自以下连接方式中的一种或多种：机械连接、胶接、化学连接和热连接。
6.如权利要求1所述的全景成像的光学系统，其特征在于，所述镜头能够根据不同要求更换为其他普通镜头或远心镜头。
7.如权利要求1所述的全景成像的光学系统，其特征在于，所述镜头与所述摄像头的连接方式为CS/C标准连接方式、金手指连接、插座连接或连接器连接。
8.如权利要求1所述的全景成像的光学系统，其特征在于，所述摄像头为工业C/CS接口摄像头或摄像模组，所述摄像头成像原理包括CCD、CMOS，所述摄像头主要组成部分包括：光学视角部件、内置镜头、镜座、滤光片、传感器、PCB电路板和连接器。
9.如权利要求8所述的全景成像的光学系统，其特征在于，所述滤光片的规格根据用途来选择并进行更换。
10.如权利要求1所述的全景成像的光学系统，其特征在于，所述主板及电池由采集系统、运算系统、控制系统、输出系统、控制系统构成，其中所述主板及电池与散热器进行连接以降低系统运行温度。
11.如权利要求1所述的全景成像的光学系统，其特征在于，所述底座包含多个接口，所述多个接口包括：固定接口、通信接口、天线和充电接口。
12.如权利要求11所述的全景成像的光学系统，其特征在于，所述通信接口为WIFI、USB、HDMI接口中的一种或多种。
13.如权利要求10所述的全景成像的光学系统，其特征在于，所述主板及电池中的控制系统，与手机、电脑、电视或可穿戴设备通信，通过所述输出系统传输全景成像的光学系统所拍摄到的图像或全景成像的光学系统的状态数据。
14.一种权利要求1-13中所述的用于全景成像的光学系统的工作方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)外部图像经过所述反射镜进入所述透光窗口中后光路改变朝向所述镜头传播；
2)所述镜头收集所述外部图像的光路并在所述摄像头处汇聚成原始图像或原始视频；
3)将所述摄像头处生成的所述原始图像或原始视频传输至所述主板及电池并使用相关算法进行还原解算得到全景图像或全景视频；
4)将所述全景图像或全景视频通过所述底座的通信接口发送至外部输出设备以供使用或调试；
5)所述全景图像或全景视频还可以被存储在所述摄像头内的储存介质中，所述储存介质为SD卡、microSD卡中的其中一种。
15.一种权利要求1-13中所述的用于全景成像的光学系统的用途，其特征在于，所述用于全景成像的光学系统可被用于全景相机领域、安防监控领域、远程会议领域、无人机领域、机器人传感器领域、影视拍摄领域或个人移动设备领域。
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