[发明专利]圆柱物体360度全景成像镜面设计方法及镜面及成像装置

说明书

技术领域

本发明涉及成像装置，尤其涉及一种圆柱物体360度全景成像镜面设计方法及成像装置。

背景技术

对物体进行360度成像是机器视觉的一个难点问题，目前已有一些技术能够对周围环境进行360成像，例如专利CN101122734A公布了一种全景成像装置，通过一个透镜阵列和光电检测器阵列每次实现180度成像；专利CN102495460A发明了一种全景成像镜头，利用该镜头可以用于管道内壁检测、医用内窥镜观察等领域；专利CN201725141U提出了一种多镜头实时全景成像系统，能对周围环境进行全景成像；专利CN201820028U提出了一种全景相机镜头，通过同轴的透镜组实现全景成像；专利CN201607607U利用转台装置实现全景图像合成。其他专利基本与上述专利技术类似，不同之处在于所用的传感器不同。上述的全景相机装置均是对周围的场景进行拍摄，如图1A、图1B、图1C所示为已有技术拍摄全景图像示意图，图1A为已有的全景拍摄装置，图1B为已有的拍摄的全景图、图1C为图1B展开后的图像。图中001为全景拍摄相机，002为需要拍摄的周围场景，003为拍摄的全景图。

在机器视觉系统中经常需要对如图2所示的圆柱(圆柱或方形柱等)物体外表面成像，用于缺陷检测等质量控制系统中。图2中，环形的箭头代表需要成像的圆柱物体外表面。已有的技术通常有以下几种：

1、让圆柱物体旋转，每转一个角度，拍摄一张图像；

2、采用多个相机从多个角度进行拍照然后对每幅图像分别进行处理；

3、采用意大利OPTO公司的远心360度镜头、PCCD折反射环外侧镜头及多视角光学元件多面镜头，均可以对圆柱物体外侧成360度全景图像。

在上述的机器视觉360度全景成像技术中，采用第一和第二种技术，存在两方面的缺陷，1.每次成像只在一个较小的角度，效率很低；2.只使用普通镜头，在柱面，尤其是圆柱面的边缘畸变较大，相邻图像间存在很大的误差。对于第三种技术虽然能够一次性完成柱面外侧360度成像，但需要特制的360度成像镜头，结构复杂、成本高。

发明内容

为了解决现有技术中问题，本发明提供了一种圆柱物体360度全景成像镜面设计方法，包括如下步骤：

步骤1、设计镜面形状：利用单视点约束计算镜面点满足的方程，得到镜面形状是椭圆体，椭圆的几何参数方程为：

r²＝x²+y²，c＞0and0＜k＜2，

其中c是椭圆两个焦点间距离，k为常数；

步骤2、设计镜面参数：对于任意给定的圆柱物体半径R和高H，根据以下四个约束方程计算椭圆镜面参数k和c，确定镜面方程具体参数：

(1)被拍圆柱物体外表面全部成像约束：|T|≥R，其中：

通过作图的方法确定参数c的取值范围，并且存在参数k的值满足条件|T|≥R；

(2)高分辨率约束，成像装置的分辨率为通过作图的方法得到结果：c取值越小，分辨率越高；

(3)相机景深较小约束，当圆柱物体位置固定时，系统景深为(z₀-z₁)，通过作图的方法得知c取值越大并且k取值越小，系统景深越小；

(4)视场角不能过大约束，视场角不希望系统产生过大的径向畸变，所以要求视场角2ω≤90°；

步骤3、求解最优椭圆镜面具体参数，沿中心轴线调整圆柱物体的位置，设计在满足圆柱物体外表面全部成像的基本约束下，优先满足高分辨率和相机景深约束，最后要求视场角低于90°角的算法，设计出最优的镜面参数。

一种圆柱物体360度全景成像的镜面，其为由上述的设计方法得到的镜面。

一种圆柱物体360度全景成像的装置包括内曲面反射镜、镜面支架、光源，相机、被拍摄的圆柱物体、夹持装置；镜面支架固定内曲面反射镜，光源对被拍摄的圆柱物体进行照明，夹持装置固定被拍摄的圆柱物体，内曲面反射镜满足单视点约束的镜面形状，单视点约束是指传感器接收到的光强集中在三维空间的同一点，称为有效点υ，当相机是一个理想的透视相机，忽略相机的离焦模糊，相机模型化为透视投影中心，称为有效孔p，单视点约束要求通过有效孔p的光线在被镜面反射之前经过有效点υ。

作为本发明的进一步改进，还包括一个平面反射镜，所述平面反射镜的镜面与水平面的夹角θ＝45°，相机水平放置，相机安装的高度为平面反射镜的镜面垂直高度的一半。