[发明专利]全方向成象装置、全方向图象投影装置和全方向成象方法

说明书

政府权利声明

本发明属于以国家科学基金青年研究人员奖金，在国防部/原子研究局MURI协议No.00014-95-1-0601下作出的发明，美国政府享有特定的权利。

发明背景

1.发明领域

本发明涉及参照单个观察点的全方向图象探测和投影技术，更具体地说，涉及利用一截削的其表面基本遵从方程z＝(h²-r²)/2h的凸面反射器进行的这种图象探测和投影的技术。

2.现有技术

对于很多应用场合，例如监视、远程通信、远程探测、摄影测量、样本搜索、模拟真实、计算机制图，机器观测以及机器人技术，需要成象系统具有大的视场，以便能够获取其周围世界尽可能多的信息。

传统的成象系统包括一个摄影机，它带有能提供图象透视投影的镜头。然而，即使具有极宽角镜头的摄影机也仅具有有限的视场(即覆盖面小于整个半球)。通过使整个成象系统绕其投影中心作俯仰和随动拍摄，可以扩展此有限视场。S.E.Chen的“Quicktime VR-An Image-BasedApproach to Virtual Environment Navigation”〔Proc.of SIGGRAPH 95，(8)：29-38，August(1995)〕一文中描述了一种这样的系统。L.McMillan和G.Bishop的“Plenoptic Modeling：An Image-Based Rendering System”(Computer Graphics：Proc.of SIGGRAPH，August 1995，pp.39-46)一文中也描述了一种传统的俯仰随动系统。但是这种类型的系统具有两个严重的缺陷，一是具有严密运动部件的装置所固有的显著缺点，二是为观察周围世界进行一次完全转动所需的较长时间。这种时间限制使其不适于实时应用场合。

增大成象系统视场的另一种方法是采用所谓的“鱼眼”透镜，如E.L.Hall等人的“Omnidirectional Viewing Using a Fish Eye Lens”〔SPIEVol.728 Optics，Illumination，and Image Sensing for MachineVision(1986)，p.250〕一文中所述。由于鱼眼透镜具有很短的焦距，其视场可以大至半球面。但是，由于这种透镜明显大于传统透镜且更加复杂，使得在成象系统中采用这种透镜会产生很多问题。另外，制作一个对于相关场面所有点均具有一固定观察点的鱼眼透镜也是很困难的。授予Zimmerman的美国专利US 5,187,667以及授予Kuban等人的美国专利US5,359,363都在于采用鱼眼透镜替代传统的俯仰随动机构，从而具有相同的缺陷。

其它现有技术的装置采用反射面来增大视场。V.S.Nalwa的“A TrueOmnidirectional Viewer”(ATT Bell Laboratories TechnicalMemorandum，BL0115500-960115-01，Jan.1996)一文中公开了一种此类现有技术的装置。Nalwa公开了采用多个平面反射面与多个电荷耦合器件(“CCD”)摄影机一起，获得具有50°半球场面的360°全景图象的方法。特别是，在Nalwa的方法中，以金字塔形设置了四个平面反射镜，在每个平面反射边的上方设有一个摄影机，各摄影机观察略大于90°×50°的半球场面。该系统由于需要多个探测器来获取半球图象而产生严重缺陷。另外，该系统在将分离图象结合在一起以提供完全的360°视场时，由于在“接合处”的象差也会产生许多固有问题。

还可采用弯曲反射面与图象探测器相结合。然而，本领域技术人员公知，对于透视投影，能够产生如同从单个观察点所看到的外界图象的唯一反射面为通过透镜与观察点之间线段中点的平面，其法线沿该线段的方向。因而，对于透视投影，任何曲面都必须具有多个观察点。