[发明专利]全景成象装置

说明书

技术领域

本发明涉及超广角视场的全景图象传感，并尤其涉及利用基本上是自校正的两反射镜子系统的图象传感。“全景”一词意指在水平面上360°的视场，而“超广角”一词意指垂直平面上120°或更大的视场。优选垂直平面上的视场大于180°，大于200°更好，并且对于理想的设备，最好大于260°。

背景技术

透视成象系统聚集来自景物的穿过一个参考点的光线并将其投影到传感元件上，如胶片上或电荷耦合器件(CCD)上。透视成象系统中的一个参考点认做是系统的视点。Yamazawa等人在1993年的IEEEInternational Conference on Robotics and Automation中的“Omnidirectional Imaging with Hyperboloidal Projection”、Nalwa在1996年1月的ATT Bell Laboratories Technical Memorandum，BL0115500-960115-01中的“A True Omnidirectional Viewer”和Nayar在1997年5月的DARPA Image Understanding Workshop中的“Omnidirectional Video Camera”中均描述了对单视点的需要，这些文章的内容在此引为参考。我们断定，光传播通过成象系统的性质和图象传感器的形状会在投影到传感元件上的图象中引发几何变形。在包括监视、遥感、巡航、模型采集、虚拟现实、计算机观察和遥控学等大量应用中，出于观察和分析的目的希望可以校正这些几何变形。单视点的缺乏导致光瞳中的象差，这证明它本身是不可校正的几何变形(畸变)。

成象系统根据其视场的分类如下：

1.传统的成象系统，在窄小的视场中成象，通常是球形视场的八分之一圆周(达到90度)。

2.全景成象系统，对景物的全景成象。在水平方向可以把视场看成一个被两个平行平面截顶给出360度视场的球面，在垂直方向是一个有限的视场。

3.全向成象系统，在基本上为球形或半球形视场中成象。

1.只利用折射元件的折光系统；

2.只利用反射元件的反射系统；和

3.利用反射和折射元件的组合的反折射系统。

提供透视投影的最简单的系统大概是针孔相机。按照惯例，用透镜简单地代替针孔是因为透镜有优越的集光能力。但虽然透镜可以是广角，可它受半球形视场的限制，仍然保持单视点，尽管物理上对设计这种广角透镜提出质疑。

E.H.Hall等人在1986年的SPIE Vol.728 Optics，Illumination andImage Sensing for Machine Vision第250页的“Omnidirectional Viewingusing a Fish Eye Lens”一文中描述了改变维持单视点的透镜，这一文章在此引用。这些透镜已知实现大于半球形的视场，在垂直方向上高达280度。但是，这些所谓的鱼眼透镜与常规透镜相比，非常庞大且复杂，且图象在视场上遭受严重的几何变形和分辨率的下降。而且，对透镜成象的光线的单参考点的缺乏使得它们在上述大量应用中不合格。Zimmerman的美国专利5,185,667和Kuban的美国专利US5,359,363描述了附加采用鱼眼透镜，该文在此引用。所以，那些寻求保持单视点的已知的折光系统限制在一个窄小的视场。

只利用反射元件，所以反射成象系统是最接近理想的成象系统。折射元件的缺乏消除了色差的可能性，使得这些系统能在宽范围的照明波长下工作。但是，反射系统最大的优点在于反射元件可以校正几乎所有困扰成象系统的象差，包括场弯曲和光瞳中的球差。这种系统的缺点在于它们的集光能力需要它们以较低的F数工作。