[发明专利]适用于无活动机构摄像机的图像形成与处理装置及其方法

说明书

本发明主要涉及图像监视系统领域。更具体地，它涉及一个含有鱼眼式镜头的图像形成和处理装置，其中鱼眼式镜头大致具有半球形视场。该发明允许一个操作人员观察由鱼眼式镜头通过模仿一般镜头的扫视、俯仰运动或图像放大所形成的图像的一部分，就象一个一般镜头所形成的图像一样。这使得可以不使用镜头的活动机构来完成扫视、俯仰运动或图像放大。

监视摄像机一般用来监视零售店、工厂、机场等区域。为了利用一个摄像机来监视一个比较大的区域，摄像机一般具有进行扫视、俯仰运动或图像放大的机械机构。这样的机械机构增加了摄像机的复杂程度，从而增加了其造价，而且使其可靠性受到了影响。由于活动机构的存在，机械扫视、俯仰运动或图像放大装置受由于温度、湿度、灰尘极限引起的损坏和性能降低的影响。此外，这样的机械系统相对要消耗大量的能量。因而能够利用无活动机构的进行扫视、俯仰运动或图像放大的监视摄像机可以具有明显优于目前存在的监视摄像机的优点。

在美国专利5185667中，Zimmermann提出这样一种具有无活动机构的摄像机。在该专利详细说明的装置中，一个鱼眼式镜头与一个视频摄像机相配合，使该摄像机产生一个电子图像。由于鱼眼式镜头的本身特性，该图像失真。通过一种算法来修正图像的失真。

由Zimmermann提出的系统的缺陷是该摄像机对有效的图像放大无法提供足够的分辨力。由于鱼眼式镜头使整个半球形视场变形，其部分图像，特别是在其周边失真。在一个具有有限像素点数的电荷耦合器件(CCD)上形成该图像。为了象一个正常图像(无失真)一样观察图像，必须将其进行电子转换。CCD的有限像素点数造成变换的图像分辨很差。为了提供可以接受的分辨率，需要一个由156,000,000个像素组成的CCD。

可以得到的最好的CCD具有大约16,000,000(4,000×4,000)个像素，并且它工作在10MHz的时钟速率。然而，为了满足NTSC每秒30个采样点的采样率，需要一个480MHz的时钟速率。因此，利用目前的技术无法实现一个所希望放大倍率的NTSC画面所要求的分辨率。

在美国专利5,200,818中，Neta等描述了一个通过安装在一般的半球形表面上的多个传感器阵列来监视宽阔视野的系统。每个传感器阵列具有自己的镜头系统。这使得可以不需要活动机构实现扫视、俯仰运动或图像放大来监视一个宽阔视场。由于多个阵列的原因，系统具有相对较高的分辨率。然而，Neta等描述的这样一个系统由于需要许多高性能的器件，在实现起来的造价昂贵。

本发明的一个目的是提供一个监视摄像机装置，它基本具有半球形视场，能够不使用镜头的活动机构来完成扫视、俯仰运动或图像放大，而同时对所要求的图像放大倍率仍具有足够的分辨率。

本发明的另外一个目的是提供一个大致具有半球形视场的监视摄像机装置，允许一个操作人员观察整个视场的各个部分，如同一个一般镜头所获取的一样，并能够进行扫视、俯仰运动或图像放大。

通过下面说明的发明可以实现诸如此类的优点。

本发明是一个包括下列步骤的视频监视方法。一个具有图像平面和一个鱼眼式镜头的视频摄像机。鱼眼式镜头具有表示由鱼眼式镜头造成的失真的镜头常数、一个主轴和一个大致半球形视场。摄像机具有一个主轴通过其中心点的图像平面。摄像机安装在一个垂直于监视平面之上的一个安装点上，这样鱼眼式镜头的主轴大致垂直于监视平面。视频摄像机形成一个由鱼眼式镜头造成失真的鱼眼式图像。鱼眼式图像由许多像素组成，每个像素具有唯一的鱼眼式图像坐标。

通过模仿一个具有一个虚拟轴的虚拟摄像机提供正确的目标坐标来产生视场中的子区域的修正图像。虚拟轴通过中心点，及以一定的扫视、俯仰运动角位于视场中的目标。监视人员选择鱼眼式图像的某个区域，该区域包括鱼眼式图像的像素的一个子集。子集的每个像素以角b偏移所述特定扫视角。

通过包括镜头常数、特定俯仰运动角和角b的公式确定像素子集的每个像素的鱼眼式坐标。通过将像素的子集映射到正常的坐标上形成子区域的校正图像。

图1是一个实现该发明的一个方框图；

图2A是一个表示一个失真鱼眼式图像的鱼眼式镜头的图像平面的平面图；

图2B是一个使用本发明纠正的鱼眼式图像的选择部分的示意图；

图3是一个本发明的图像分离器的透视图；

图4是一个图像分离器中的光纤束的透视图；

图5是一个本发明的鱼眼式失真纠正系统的方框图；

图6是一个说明由于鱼眼式失真造成的点C以俯仰角b投射到图像平面的Y轴上的示意图；