[发明专利]全方位成像和传递的方法及其系统

说明书

本发明提供了一系列全方位成像和传递的方法，以及实现这一方法的装置系统。所谓“全方位成像系统”，是指能捕捉涵盖整个半球(也就是180度空间角度)视场图像的系统，同时没有机械移动部件。这种系统与传递网络连接并增加适应信息传递需要的相关设备，即形成全方位成像和传递系统。

在传统的光学领域，技术人员曾经尝试过许多方法要获取宽视场，包括常规照相机、鱼眼镜、多相机系统或旋转成像系统等多种宽视场成像系统，但几乎都不能产生三维全方位图像。现有的数字成像系统使用电子传感芯片，模拟成像系统使用静态摄影胶片，但两者都是由光学镜头系统记录图像。大多数照相机镜头图像投影可以看作单一中心投影的针孔，由于照相机镜头的尺寸和所用的传感器本身都有局限，他们收集到的光线一般形成角度非常小的圆锥，常规照相机的视场在5-50度范围。比如，装在1/2英寸电荷耦合芯片上，一个8.5mm，焦距1.3的镜头视场只有41.2度。光学工程师们设计过几种版本的大广角透镜系统，叫鱼眼镜(见图1，2)。鱼眼镜的特征在于焦距非常短，用它代替普通照相机镜头，能使照相机捕捉到大角度几乎180度半球内的物体。一般来说，视场越大，鱼眼镜的设计越复杂。为获得半球宽的视场，鱼眼镜的直径必须很大，结构复杂，因此价格昂贵。同时，设计一个能符合单一视点约束的鱼眼镜也很困难。单一视点是指所有入射光交于一点形成固定的视点。这对于市场所售的鱼眼镜来讲，的确是个问题，包括Nikon 8mm，f/2.8镜头。尽管鱼眼镜获得的图像对于某些应用已足够，但它的失真补偿没得到解决，另外昂贵的价格仍是广泛运用的障碍。鱼眼镜技术的优点在于采用确定位置不变的照相机获取大视角。其缺点是：视场图像的圆形边界通常是在地面附近，对于大多数图象系统来说，这正是需要高分辨率的地方；但是，半球型光学镜头的球面像差的非线性特征却使图像的圆形边界附近的分辨率很差，因此无法满足实际工作的需要。多相机系统是使用多部相机同时捕捉宽视场内的物体，每一点指向不同方向，可以用多个图象合成出一个完整的全方位图象。但合成无缝的图像依然相当复杂，因为每个相机有不同的投影中心。这样一个系统通常花费很高。另外一种增大视场的简单方法是围绕投影中心旋转整个摄像系统(图1)，即旋转成像系统，相机在不同位置摄到的图像按次序缝合，以获取全景图像。最近有多位研究者提出这种方法。旋转成像系统的缺点首先在于需要使用可移动部件和精确的定位装置。更突出的缺点是：该系统获取整个图象需要一个时间跨度，尽管系统能得到在全方位视场精确的方位信息，但处理过程很花时间，即该系统没有在瞬间同时获取整个宽视场图像的能力，因此不适合实时实地解决诸如避免移动障碍物的碰撞等问题。这些不足限制了旋转成像系统只能用于静态，非实时的应用。图2所示为全方位照相机、全景照相机和常规照相机的视场比较。我们可以看到，全景照相机仍然不是全方位的，它只提供在某一时间瞬间一个宽角度的视场，而不是在所有方向。所谓“全方位图像”，是指同时涵盖整个半球(180度空间)视场的图像。在现有技术中尚没有能满足这种要求的技术方案或装置。