全景环带成像镜头

一、背景

全景技术是目前迅速发展的一种新型视觉技术。全景环带成像技术是利用特殊的全景成像装置，获得在水平上有全360°、垂直方向一定视场角度的图像。这种成像方式能实时提供观测工具周围目标和环境的全方位信息。全景环带成像技术在机器视觉、管道探测、医学内窥检查、周视监测等方面有着非常重要的意义。
早期为了获得全景环带视场成像，通常采用多镜头拼接成像技术、单镜头旋转扫描拼接成像技术和鱼眼镜头。多镜头拼接技术和单镜头扫描拼接技术都具有结构复杂、造价昂贵、不易小型化等缺点，并且单镜头扫描拼接技术不能对环境瞬时成像，实时性较差。鱼眼镜头能获得接近半球的视场，在大视场监控方面有明显优势，但是却并是百分百契合全景环带成像的应用场合。
针对全景环带成像问题，为获得360°全景像，人们提出了平面-圆柱投影法（Flat Cylinder Perspective），将一个柱面视场投影到二维像平面。本文中的全景环带成像解决方案就是采用这种方法设计而出的，该方案具有结构简单、体积小、质量轻、视场大、像面照度均匀等优点。

二、原理

全景环带成像光学系统可分成两部分：Block和Relay-lens，如图1所示。全景环带成像镜头的核心元件是前端的Block。Block是一个具有很强负光焦度的凹凸反射镜结构元件，主要作用是收集大视场光线。根据像差理论，这个元件有多种功能，如：（1）有利于系统色差的校正；（2）降低场曲；（3）产生大量桶形畸变；（4）大大地减小轴外斜光束在系统内部的倾斜角，有利于轴外像差的校正。凹凸反射镜结构包括２个折射面和２个反射面（M1，M2），轴上光线及小角度入射光线被反射镜M2阻挡，无法进入全景镜头成像，形成中央盲区。物空间发出的光线（a、b为边缘视场）从边侧折射表面入射，经过反射镜M1反射后，再经过反射镜M2，最后通过底部折射面出射，其先在两镜结构内成一虚像，中间虚像经过中继系统转接后再成像在像面探测器上形成像。其中中继镜Relay-lens就是常规的透射光学结构，同时它的F#必须足够小才能保证整个光学系统有足够小的F#。
 
图1 全景环带成像系统原理图
全景环带系统独特的几何结构与复杂的成像光路导致了它在物像投影关系、畸变特性和入瞳位置等特性上有别于其他光学系统。传统的光学系统物像关系满足针孔成像投影规律，物体的像高符合无畸变的像高公式y=f×tanθ，但是对于某些特殊用途的镜头，并不符合这一投影规律，如鱼眼镜头。全景环带成像光学系统符合的是平面圆柱投影，它将围绕光轴360°范围的圆柱视场投影到一个二维环形区域，同一视场角下的景物在像面上位于同一个圆，该圆的半径就是像高。由于M2的阻挡像面中心将出现一个圆形的盲区。环状像面的内半径由环带镜头视场上边缘对应的视场a决定，外半径由环带镜头的下边缘对应的视场b决定。视场角与环带半径的对应关系一般满足近似y=f×θ的投影关系，这将是计算去畸变的理论基础。
图2是我们设计出的的全景环带成像镜头，主要参数如下：
1) 波段：480nm~650nm
2) F数：2；
3) 焦距：1.33mm；
4) 视场角：50°~105°；
5) f-θ畸变：小于1.5%；
6) 像高：φ3.36mm(6M pixels)。
 
图2 全景环带成像镜头
全景环带成像系统在结构及成像方式上具有特殊性，因此，与普通成像系统的研制相比，它有独特的技术难点，主要有以下几点：
1）全景环带成像镜头具有超大视场角且光线走势复杂，若想保证较高的像质与宽松的公差要求，一般需要使用非球面。但玻璃非球面的加工制造成本较高，因此在光学设计过程中，避免使用非球面是一个技术难点。
2）全景环带成像镜头的第一片折反镜片（Block）采用的是非连续缝合球面，外形怪异，如何以较低成本完成该特殊元件的加工是一个技术难点。
3）全景环带成像镜头最终在探测器上所成的是圆形环带像，环带半径与视场角的对应关系满足r=f×θ的投影关系。因此，在后期的图像处理过程中，如何将圆形环带像矫正为适宜人眼观看的柱状周视像或矩形平面像也是一个技术难点。
目前，课题组针对这三项技术难点都进行了深入研究，并已成功突破，完全有能力实现全景环带成像系统的研制。图2所设计完成的镜头目前已经进入样机制造阶段。
此外，该镜头是针对可见光波段设计而成的，在红外波段同样也可以设计类似的镜头，二者之间在设计上并无差别。
 

三、与鱼眼镜头区别

前文已经提到，鱼眼镜头能获得接近半球的视场，适用于大视场拍摄的应用场景，也可在一定程度上实现全景成像。但它与全景环带成像镜头有一定区别。
首先，全景环带镜头的视场中间有盲区，但边缘视场可做到105°~110°；鱼眼镜头的中心视场没有盲区，但边缘视场一般只做到90°左右，即使强行设计到100°以上也需要应用大非球面的非球面，且像质并不是十分理想。其次，鱼眼镜头的边缘视场区域（如75°~90°视场）一般成像质量较低，低于中间视场成像质量；而全景环带镜头全视场成像质量都比较高，而且比较均匀。
因此，在一些只需要观测四周、天顶方向可忽略的应用场合，全景环带成像镜头相对于鱼眼镜头有较大的优势。

四、应用方向

全景环带成像镜头的特殊性使它有着广泛的应用前景，下面简单举例说明几个有意义的应用方向。
1、 周视监控。
日常生活中，除了交通监控外大多数安全监控场合都是监控人们四周的环境和目标，而并不关心天顶方向。例如在超市、银行、仓库内部的较开阔地带即可安装全景环带监控镜头；又例如，在小区内的路口，仅需设置一个全景环带监控镜头就可满足对该路口四周各个方向的监控，相对于传统枪机、球机监控无死角且成本较低。2016年2月，中共中央国务院发布《中共中央国务院关于进一步加强城市规划建设管理工作的若干意见》，《意见》提出“新建住宅要推广街区制，原则上不再建设封闭住宅小区。已建成的住宅小区和单位大院要逐步打开，实现内部道路公共化，解决交通路网布局问题，促进土地节约利用。”街区制得推广后，住宅区内会频繁出现外来人员和车辆，必然带对住户的生命、财产安全带来一定的隐患。在此背景下，全景环带镜头在周视监控方向将拥有广阔的市场前景。
2、 视频会议
当两组人在异地进行视频会议时，只需在两组参会人员的会议桌中间各放置一个全景环带成像镜头就可以实现全员的视频会议，而且可以同时将所有参会人员的动作、面部表情展现给对方。
3、 管道内壁检测
如果将全景环带成像镜头的规格尺寸设计的小一些并安装在机器人上，就可以让其进入各类管道，对管道内壁破损、锈蚀情况进行检测，快捷方便且成本低廉。与此类似，该镜头也可以用于机器人视觉方面。
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