專利名稱：具有考慮心里感覺功能的全方位監(jiān)控視覺裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光學(xué)技術(shù)、計算機(jī)圖像處理技術(shù)和嵌入式軟硬件技術(shù)在視頻監(jiān)控設(shè)備方面的應(yīng)用，主要適用于各種遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控設(shè)備方面，尤其是一種具有考慮心里感覺功能的全方位監(jiān)控視覺裝置。
背景技術(shù)：
現(xiàn)代社會，電子監(jiān)控設(shè)備在城市交通要道、高級寫字樓、小區(qū)、大型商場超市已經(jīng)有了廣泛的運用，合理的使用電子監(jiān)控技術(shù)能有效地維護(hù)公共安全，為社會安全提供有力的保障。
目前市場上銷售的各種視頻監(jiān)控設(shè)備，典型的是各種攝像頭，在攝像時要將設(shè)備的攝像鏡頭瞄準(zhǔn)攝像目標(biāo)，通過這種攝像方法拍攝到的圖像的范圍限制在攝像設(shè)備瞄準(zhǔn)的小視野內(nèi)，不能一次拍攝360度范圍內(nèi)的全方位圖像；另外在使用這些攝像設(shè)備瞄準(zhǔn)監(jiān)控對象時，很多人會產(chǎn)生心理上的各種反映和擔(dān)憂，有些人看見有攝像頭對著自己就會感到“很反感”、“覺得有點壓抑”、“總被盯著”……，總之這種視頻監(jiān)控設(shè)備讓人一目了然而產(chǎn)生不舒服、厭煩的心理感覺。
根據(jù)海南新聞網(wǎng)http://www.hinews.cn2006年5月4日北京工地攝像頭對準(zhǔn)居民樓遭百人堵路抗議兩小時，居民稱，堵路的原因是因為附近施工工地的監(jiān)控攝像頭照向居民樓，侵犯了居民隱私。上海準(zhǔn)備在2010年前安裝20萬個監(jiān)控攝像頭在街道馬路上，旨意是全面建立起“社會防控體系”，但是這一消息在上海市民中招來了一些非議和不安。

發(fā)明內(nèi)容為了克服已有的監(jiān)控攝像頭視角范圍小、需要瞄準(zhǔn)目標(biāo)、隱蔽性差、容易給人以被監(jiān)視的感覺的不足，本發(fā)明提供一種視角范圍大、不需要瞄準(zhǔn)目標(biāo)、隱蔽性好的具有考慮心里感覺功能的全方位監(jiān)控視覺裝置。
本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是
一種具有考慮心里感覺功能的全方位監(jiān)控視覺裝置，該裝置包括直向垂下的折反射鏡、透明圓筒體、攝像頭、安裝支架，所述的折反射鏡位于透明圓筒體的上部，所述的透明圓筒體的下部設(shè)有反射平鏡，所述的折反射凸鏡的中間設(shè)有通孔，攝像頭位于所述折反射凸鏡的上方，在反射平鏡和折反射鏡之間設(shè)有直徑逐漸變小的黑色圓錐狀體，所述圓錐狀體固定在反射平鏡的中部，所述的折反射鏡、反射平鏡、圓錐狀體以及攝像頭的鏡頭的中心位置在同一中心軸上，所述的攝像頭的輸出連接用于處理圖像的微處理器。
進(jìn)一步，上固定式雙曲面型全方位視覺裝置的方案是所述的折反射鏡為雙曲面鏡，所述的攝像頭包括聚光透鏡和攝像單元，所述的攝像單元位于所述雙曲面鏡的實焦點位置；所述雙曲面鏡構(gòu)成的光學(xué)系統(tǒng)由下面5個等式表示；((X2+Y2)/a2)-(Z2/b2)＝-1(Z＞0) (13)c=a2+b2---(14)]]>β＝tan-1(Y/X) (15)α＝tan-1[(b2+c2)sinγ-2bc]/(b2+c2)cosγ (16)γ=tan-1[f/(X2+Y2)]---(17)]]>上式中，X，Y，Z表示空間坐標(biāo)，c表示雙曲面鏡的焦點，2c表示兩個焦點之間的距離，a，b分別是雙曲面鏡的實軸和虛軸的長度，β表示入射光線在XY平面上的夾角-方位角，α表示入射光線在XZ平面上的夾角-俯角，f表示成像平面到雙曲面鏡的實焦點的距離。
或者是，上固定式水平方向無形變?nèi)轿灰曈X裝置的方案是所述的折反射鏡為水平方向無形變的折反射透鏡，攝像頭的投影中心C在水平場景上方距離水平場景h處，折反射透鏡的頂點在投影中心上方，距離投影中心zo處，以攝像頭投影中心為坐標(biāo)原點建立坐標(biāo)系，折反射透鏡的面形用z(X)函數(shù)表示，在像平面內(nèi)距離像中心點ρ的像素q接受了來自水平場景O點，距離Z軸d，在折反射透鏡M點反射的光線，水平場景無畸變要求場景物點的水平坐標(biāo)與相應(yīng)像點的坐標(biāo)成線性關(guān)系；由式(8)、(9)、(10)和初始條件，解微分方程得到折反射透鏡面形的數(shù)字解，系統(tǒng)外形尺寸指反射鏡離攝像頭的距離Ho和反射鏡的口徑D，根據(jù)應(yīng)用要求選擇合適的攝像頭，標(biāo)定出Rmin，透鏡的焦距f確定折反射透鏡離攝像頭的距離Ho，由式(1)計算出折反射透鏡的口徑Dod(ρ)＝αρ(1)式(1)中，ρ是與反射鏡的面形中心點的距離，α為成像系統(tǒng)的放大率。
設(shè)折反射透鏡在M點的法線與Z軸的夾角為γ，入射光線與Z軸的夾角為Φ，反射光線與Z軸的夾角為θ；tg(x)=d(x)-xz(x)-h---(2)]]>tgγ=dz(x)dx---(3)]]>tg(2γ)=2dz(x)dx1-d2z(x)dx2---(4)]]> 由反射定律2γ＝φ-θ(6)∴tg(2γ)=tg(φ-θ)=tgφ-tgθ1+tgφtgθ]]>由式(2)、(4)、(5)和(6)得到微分方程(7)d2z(x)dx2+2kdz(x)dx-1=0---(7)]]>式中；k=z(x)[z(x)-h]+x[d(x)-x]z(x)[d(x)-x]+x[z(x)-h]---(8)]]>由式(7)得到微分方程(9)dz(x)dx+k-k2+1=0---(9)]]>由式(1)、(5)得到式(10)d(x)=afxz(x)---(10)]]>根據(jù)應(yīng)用所要求的高度方向的視場確定系統(tǒng)參數(shù)af，由式(1)、(2)和(5)得到式(11)，將z(x)≈z0；
tgφ=(af-z0)ρfz0-h---(11)]]>在像平面以像中心點為圓心的最大圓周處ρ=Rmin→ωmax=Rminf]]>對應(yīng)的視場為фmax，得到式(12)；ρf=(z0-h)tgφmaxωmax+z0---(12)]]>設(shè)光源在攝像頭投影中心，在像平面內(nèi)等間距的選取像素點，通過像素點的光線，經(jīng)折反射透鏡反射后與水平面相交，若交點是等間距的，判定折反射透鏡為水平場景無畸變。
再進(jìn)一步，所述的微處理器包括圖像展開處理模塊，所述的圖像展開處理模塊包括讀取坐標(biāo)信息單元，用于讀取上述計算得到的圓形全方位圖像的中心坐標(biāo)以及圖像的內(nèi)外圓半徑；近似展開計算單元，用于將圓形全方位圖像的中心坐標(biāo)設(shè)定平面坐標(biāo)系的原點O**(0，0)、X*軸、Y*軸，圖像的內(nèi)徑為r，外徑為R，設(shè)定中間圓的半徑r1＝(r+R)/2，方位角為β＝tan-1(y*/x*)；矩形柱面全景圖像以坐標(biāo)原點O**(0，0)、X**軸、Y**軸為平面坐標(biāo)系，將圓形全方位圖像中的內(nèi)徑為r與X*軸的交點(r，0)作為坐標(biāo)原點O**(0，0)，以方位角β逆時針方向展開；建立矩形柱面全景圖像中任意一點像素坐標(biāo)P**(x**，y**)與圓形全方位圖像中的像素坐標(biāo)Q*(x*，y*)的對應(yīng)關(guān)系，其計算式為x*＝y(tǒng)*/(tan(360x**/π(R+r))) (18)y*＝(y**+r)cosβ (19)上式中，x**，y**為矩形柱面全景圖像的像素坐標(biāo)值，x*，y*為圓形全方位圖像的像素坐標(biāo)值，R為圓形全方位圖像的外徑，r為圓形全方位圖像的內(nèi)徑，β為圓形全方位圖像坐標(biāo)的方位角；圖像輸出單元，用于將展開后的圖像輸出到顯示裝置。
或者是所述的微處理器包括圖像展開處理模塊，所述的圖像展開處理模塊包括讀取坐標(biāo)信息單元，用于讀取上述初始化模塊中計算得到的圓形全方位圖像的中心坐標(biāo)以及圖像的內(nèi)外圓半徑；映射矩陣展開單元，用于將圓形全方位圖像的中心坐標(biāo)設(shè)定平面坐標(biāo)系的原點O**(0，0)、X*軸、Y*軸，圖像的內(nèi)徑為r，外徑為R，方位角為β＝tan-1(y*/x*)；矩形柱面全景圖像以坐標(biāo)原點O**(0，0)、X**軸、Y**軸為平面坐標(biāo)系，將圓形全方位圖像中的內(nèi)徑為r與X*軸的交點(r，0)作為坐標(biāo)原點O**(0，0)，以方位角β逆時針方向展開；根據(jù)圓形全方位圖像中的任意一點像素坐標(biāo)Q*(x*，y*)與矩形柱面全景圖像中像素坐標(biāo)P**(x**，y**)的對應(yīng)關(guān)系，建立從Q*(x*，y*)到P**(x**，y**)的映射矩陣對應(yīng)關(guān)系，其計算式為P**(x**，y**)←M×Q*(x*，y*) (20)上式中，Q*(x*，y*)為全方位圖像上的各個像素坐標(biāo)的矩陣，M為從全方位圖像坐標(biāo)到矩形柱面全景圖像坐標(biāo)的對應(yīng)關(guān)系矩陣，P**為矩形柱面全景圖像上的各個像素坐標(biāo)的矩陣；圖像輸出單元，用于將展開后的圖像輸出到顯示裝置。
再或者是所述的微處理器包括圖像展開處理模塊，所述的圖像展開處理模塊包括讀取坐標(biāo)信息單元，用于讀取上述計算得到的圓形全方位圖像的中心坐標(biāo)以及圖像的內(nèi)外圓半徑；極坐標(biāo)展開計算單元，用于根據(jù)全方位圖像的中心點的位置和內(nèi)徑為r、外徑為R，r*為圖像上任意點距離內(nèi)圓的徑向長度，方位角為β＝tan-1(y*/x*)，建立極坐標(biāo)(r*，β)，與全方位內(nèi)外圓邊界的交點坐標(biāo)分別為(x*inner(β)，y*inner(β))和(x*outer(β)，y*outer(β))；矩形柱面全方位圖像以坐標(biāo)原點O**(0，0)、X**軸、Y**軸為平面坐標(biāo)系，將圓形全方位圖像中的內(nèi)徑為r與X*軸的交點(r，0)作為坐標(biāo)原點O**(0，0)，以方位角β逆時針方向展開；根據(jù)圓形全方位圖像中的任意一點象素坐標(biāo)(r*，β)與矩形柱面全方位圖像中象素坐標(biāo)P**(x**，y**)的對應(yīng)關(guān)系，其計算式為
x**(r*,β)=(1-r*)x*inner(β)+r*x*outer(β)y**(r*,β)=(1-r*)y*inner(β)+r*y*outer(β)---(21);]]>圖像輸出單元，用于將展開后的圖像輸出到顯示裝置。
更進(jìn)一步，所述的圖像展開處理模塊還包括插值計算單元，用于消除在所述的展開計算單元取整計算所帶來的誤差，計算得到的矩形柱面全方位圖像的某個象素坐標(biāo)P**(x**，y**)的象素點為(k0，j0)，所述的象素點坐標(biāo)落在由(k，j)，(k+1，j)，(k，j+1)，(k+1，j+1)四個相鄰整數(shù)象素為頂點坐標(biāo)所構(gòu)成的正方形內(nèi)，用式(8)插值計算P**(x**，y**)＝(P*(x*+1，y*)-P*(x*，y*))*(k0-k)+(P*(x*，y*+1)-P*(x*，y*))*(j0-j)+(P*(x*+1，y*+1)+P*(x*，y*)-P*(x*+1，y*)-P*(x*，y*+1))*(k0-k)*(j0-j)+P*(x*，y*)(22)所述的插值計算單元的輸入端連接展開計算單元的輸出端，所述的插值計算單元的輸出端連接圖像輸出模塊。
所述的圖像展開處理模塊還包括圖像增強(qiáng)單元，用于對圖像輸出單元輸出的象素均衡化，計算式為S(rk)=T(rk)=1NΣi=0kN(ri)---(23)]]>上式中，變換函數(shù)為灰度級累積分布函數(shù)T(r)，設(shè)原始圖像的灰度級為rk，S(r)為變換后圖像的灰度分布函數(shù)，N為圖像中的象素總數(shù)，N(ri)為圖像中灰度級為ri的象素總數(shù)。
所述的微處理器還包括圖像濾波單元，用于采用二維Gabor濾波器對圓形全方位圖像進(jìn)行濾波；圖像質(zhì)量判斷單元，用于采用二維FFT變換計算頻域高頻能量，并比較所得的高頻能量值與預(yù)設(shè)的下限值，在高頻能量值大于下限值時選擇性地輸出全方位圖像。
另一種具有考慮心里感覺功能的全方位監(jiān)控視覺裝置，該裝置包括直向垂下的折反射鏡、透明圓筒體、面向上的攝像頭、安裝支架，所述的折反射鏡位于透明圓筒體的上部，所述的攝像頭位于透明圓筒體的下部，所述的圓筒體的下端與安裝支架固定連接，在折反射鏡和攝像頭之間設(shè)有直徑逐漸變小的黑色圓錐狀體，所述圓錐狀體固定在折反射鏡的中部，所述的折反射鏡、圓錐狀體以及攝像頭的鏡頭的中心位置在同一中心軸上，所述的攝像頭的輸出連接用于圖像處理的微處理器?？梢苑譃橄鹿潭ㄊ诫p曲面型全方位視覺裝置、下固定式水平方向無形變?nèi)轿灰曈X裝置。
下固定式雙曲面型全方位視覺裝置的方案是所述的折反射鏡為雙曲面鏡，所述的攝像頭包括聚光透鏡和攝像單元，所述的攝像單元位于所述雙曲面鏡的虛焦點位置；所述雙曲面鏡構(gòu)成的光學(xué)系統(tǒng)由下面5個等式表示；((X2+Y2)/a2)-(Z2/b2)＝-1(Z＞0)(13)c=a2+b2---(14)]]>β＝tan-1(Y/X) (15)α＝tan-1[(b2+c2)sinγ-2bc]/(b2+c2)cosγ (16)γ=tan-1[f/(X2+Y2)]---(17)]]>上式中，X，Y，Z表示空間坐標(biāo)，c表示雙曲面鏡的焦點，2c表示兩個焦點之間的距離，a，b分別是雙曲面鏡的實軸和虛軸的長度，β表示入射光線在XY平面上的夾角-方位角，α表示入射光線在XZ平面上的夾角-俯角，f表示成像平面到雙曲面鏡的虛焦點的距離。
下固定式水平方向無形變?nèi)轿灰曈X裝置的方案是所述的折反射鏡為水平方向無形變的折反射透鏡，攝像頭的投影中心C在水平場景上方距離水平場景h處，折反射透鏡的頂點在投影中心上方，距離投影中心zo處，以攝像頭投影中心為坐標(biāo)原點建立坐標(biāo)系，折反射透鏡的面形用z(X)函數(shù)表示，在像平面內(nèi)距離像中心點ρ的像素q接受了來自水平場景O點，距離Z軸d，在折反射透鏡M點反射的光線，水平場景無畸變要求場景物點的水平坐標(biāo)與相應(yīng)像點的坐標(biāo)成線性關(guān)系，成像原理與上固定式水平方向無形變視覺裝置相同。
本發(fā)明的工作原理是圖2是表示本發(fā)明的全方位成像裝置的光學(xué)系統(tǒng)的原理圖。
設(shè)計中首先選用CCD(CMOS)器件和成像透鏡構(gòu)成攝像頭，在對攝像頭內(nèi)部參數(shù)標(biāo)定的基礎(chǔ)上初步估算系統(tǒng)外形尺寸，然后根據(jù)高度方向的視場確定反射鏡面形參數(shù)。
如圖1所示，攝像頭的投影中心C在水平場景上方距離水平場景h處，反射鏡的頂點在投影中心上方，距離投影中心zo處。本發(fā)明中以攝像頭投影中心為坐標(biāo)原點建立坐標(biāo)系，反射鏡的面形用z(X)函數(shù)表示。在像平面內(nèi)距離像中心點ρ的像素q接受了來自水平場景O點(距離Z軸d)，在反射鏡M點反射的光線。水平場景無畸變要求場景物點的水平坐標(biāo)與相應(yīng)像點的坐標(biāo)成線性關(guān)系；由式(8)、(9)、(10)和初始條件，解微分方程可以得到反射鏡面形的數(shù)字解。系統(tǒng)外形尺寸主要指反射鏡離攝像頭的距離Ho和反射鏡的口徑D。折反射全方位系統(tǒng)設(shè)計時根據(jù)應(yīng)用要求選擇合適的攝像頭，標(biāo)定出Rmin，透鏡的焦距f確定反射鏡離攝像頭的距離Ho，由(1)式計算出反射鏡的口徑Do。
系統(tǒng)參數(shù)的確定d(ρ)＝αρ(1)式(1)中ρ是與反射鏡的面形中心點的距離，α為成像系統(tǒng)的放大率。
設(shè)反射鏡在M點的法線與Z軸的夾角為γ，入射光線與Z軸的夾角為Φ，反射光線與Z軸的夾角為θ。則(x)=d(x)-xz(x)-h---(2)]]>tgγ=dz(x)dx---(3)]]>tg(2γ)=2dz(x)dx1-d2z(x)dx2---(4)]]> 由反射定律2γ＝φ-θ∴tg(2γ)=tg(φ-θ)=tgφ-tgθ1+tgφtgθ---(6)]]>由式(2)、(4)、(5)和(6)得到微分方程(7)d2z(x)dx2+2kdz(x)dx-1=0---(7)]]>
式中；k=z(x)[z(x)-h]+x[d(x)-x]z(x)[d(x)-x]+x[z(x)-h]---(8)]]>由式(7)得到微分方程(9)dz(x)dx+k-k2+1=0---(9)]]>由式(1)、(5)得到式(10)d(x)=afxz(x)---(10)]]>根據(jù)應(yīng)用所要求的高度方向的視場確定系統(tǒng)參數(shù)af。由式(1)、(2)和(5)得到式(11)，這里作了一些簡化，將z(x)≈z0，主要考慮對于鏡面的高度變化相對于鏡面與攝像頭的位置變化比較??；tgφ=(af-z0)ρfz0-h---(11)]]>在像平面以像中心點為圓心的最大圓周處ρ=Rmin→ωmax=Rminf]]>對應(yīng)的視場為фmax。則可以得到式(12)；ρf=(z0-h)tgφmaxωmax+z0---(12)]]>成像模擬采用與實際光線相反的方向進(jìn)行。設(shè)光源在攝像頭投影中心，在像平面內(nèi)等間距的選取像素點，通過這些像素點的光線，經(jīng)反射鏡反射后與水平面相交，若交點是等間距的，則說明反射鏡具有水平場景無畸變的性質(zhì)。成像模擬一方面可以評價反射鏡的成像性質(zhì)，另一方面可以準(zhǔn)確地計算出反射鏡的口徑和厚度。
上述的折反射鏡面的設(shè)計能夠得到水平方向上的不變形圖像，如圖8所示。有時為了要得到在垂直方向上的更大視覺范圍，折反射鏡面的設(shè)計也可以采用雙曲面來進(jìn)行，雙曲線鏡面有2個焦點(0，0，c)、(0，0，-c)，如圖9所示。將圖8與圖9進(jìn)行比較可以發(fā)現(xiàn)其反射鏡面的形狀是有明顯區(qū)別的，對于雙曲線鏡面的情況全方位視覺攝像裝置的成像器配置在與雙曲線鏡面中心軸同軸的一個焦點(0，0，-c)上。根據(jù)這樣配置，能對全方位視覺攝像裝置的攝像頭周圍360°方位進(jìn)行攝像。如圖10所示，進(jìn)入雙曲線鏡面的中心的光，根據(jù)雙曲面的鏡面特性向著其虛焦點折射。實物圖像經(jīng)雙曲面鏡反射到全方位視覺攝像裝置的攝像頭中成像，在該成像平面上的一個點P1(x*1，y*1)對應(yīng)著實物在空間上的一個點的坐標(biāo)A(x1，y1，z1)，大五角星為空間上的一個點A(x1，y1，z1)；中五角星為入射到雙曲線面鏡上的圖像的空間坐標(biāo)P1(x1，y1，z1)。
圖10中所示的雙曲面鏡構(gòu)成的光學(xué)系統(tǒng)可以由下面5個等式表示；((X2+Y2)/a2)-(Z2/b2)＝-1(Z＞0) (13)c=a2+b2---(14)]]>β＝tan-1(Y/X)(15)α＝tan-1[(b2+c2)sinγ-2bc]/(b2+c2)cosγ(16)γ=tan-1[f/(X2+Y2)]---(17)]]>式中X，Y，Z表示空間坐標(biāo)，c表示雙曲面鏡的焦點，2c表示兩個焦點之間的距離，a，b分別是雙曲面鏡的實軸和虛軸的長度，β表示入射光線在XY平面上的夾角-方位角，α表示入射光線在XZ平面上的夾角-俯角，f表示成像平面到雙曲面鏡的虛焦點的距離。
由式(13)可以在三維空間上作出一個雙葉雙曲面，如圖9所示，該雙曲面有2個焦點(0，0，c)、(0，0，-c)，并對稱與XY平面，本專利將全方位視覺攝像裝置的成像器配置在與雙曲面中心軸同軸的另一個焦點(0，0，-c)上，替換在XY平面下的一個雙曲面，如圖10所示，進(jìn)入雙曲線鏡面的中心(0，0，c)的光，根據(jù)雙曲面的鏡面特性向著其虛焦點(0，0，-c)折射。
根據(jù)圖10來說明360°全方位進(jìn)行攝像的原理，空間上的一個點A(x1，y1，z1)(圖中用大五角星表示)經(jīng)雙曲線鏡面1進(jìn)入凹部鏡面，入射到雙曲線面鏡1上的圖像的空間坐標(biāo)點P1(x1，y1，z1)(圖中用中五角星表示)，反射到全方位視覺攝像設(shè)備的透鏡上對應(yīng)有一個投影點P1(x*1，y*1)(圖10中用小五角星表示)，通過全方位視覺攝像設(shè)備的透鏡的光線變成平行光投射到全方位視覺攝像設(shè)備的成像器(即CCD或者CMOS攝像元件)上，這時在鏡頭上成像的圖像是一種發(fā)生形變的環(huán)狀圖像，由于全方位視覺攝像裝置的成像器是處在雙曲面中心軸同軸的另一個焦點(0，0，-c)上。
對于全方位視覺裝置根據(jù)安裝固定條件不同可分為上固定式與下固定式兩種類型。由于電源以及與感光器件的連線原因，上固定式全方位視覺裝置最好是從上部引線，而下固定式全方位視覺裝置又希望能從下部引線，這樣能避免由于引線造成影響全方位視覺的光路。附圖2和附圖11為下固定式全方位視覺裝置的結(jié)構(gòu)示意圖，其引線是從全方位視覺裝置的下部引出的；附圖5和附圖6為上固定式全方位視覺裝置的結(jié)構(gòu)示意圖，其引線是從全方位視覺裝置的上部引出的，為了要達(dá)到這個目的，需要增加一個平面反射鏡面，如圖6所示；由于增加了一個平面反射鏡面，要求從曲線面鏡折射來到達(dá)平面反射鏡面的光線基本上能成為一種近似平行光。
所述的平面反射鏡面的位置安置在下固定式全方位視覺裝置的成像平面位置上，原成像平面位置上的鏡頭與感光器件移動到曲線面鏡的后面(非折射凹面面)，曲線面鏡的凹面部分設(shè)計成可以安放鏡頭與感光器件，曲線面鏡的中心部位留有一個圓孔，使得從平面反射鏡面反射過來的物景能順利地進(jìn)入安置在曲線面鏡的凹面部分的鏡頭與感光器件，所述的曲線面鏡、平面反射鏡面、圓錐體、鏡頭以及感光器件的中心位置在同一中心軸線上；其中心定位的關(guān)系可以通過上下固定座來保證，而最佳成像距離是通過透光外罩與上下固定座的配合來保證的；所述的透光外罩的設(shè)計是將其設(shè)計成上大下小的圓臺形狀，通過這種設(shè)計使得透光外罩上不易積上灰塵而影響透光度；考慮到全方位視覺裝置使用在室外的情況，為了達(dá)到防水、防潮氣、防灰塵目的，透光外罩與上下固定座的結(jié)合處須加入密封，在本發(fā)明中是采用將橡膠密封圈安置在透光外罩與上下固定座的結(jié)合處然后用螺釘進(jìn)行固定。
近年發(fā)展起來的全方位視覺傳感器ODVS(OmniDirectional Vision Sensors)為獲取場景的全方位圖像提供了一種新的解決方案。ODVS的特點是視野廣(360度)，能把一個半球視野中的信息壓縮成一幅圖像，一幅圖像的信息量更大；這種ODVS攝像設(shè)備可以在全方位拍攝到半球視野中的所有情況。能把一個半球視野中的信息壓縮成一幅圖像，一幅圖像的信息量更大。
利用全方位光學(xué)成像技術(shù)、計算機(jī)圖象處理技術(shù)、嵌入式系統(tǒng)技術(shù)、計算機(jī)軟件技術(shù)為攝像設(shè)備領(lǐng)域提供一種考慮心理感覺的全方位的視覺信息采集途徑，獲取一個場景圖像時，只要將攝像設(shè)備高高舉起，不用瞄準(zhǔn)目標(biāo)、不用其他轉(zhuǎn)動裝置就可以獲得全方位場景的圖像，同時其外觀可以設(shè)計成十分隱蔽，使其可以自然地融入監(jiān)控環(huán)境，通過與照明部件進(jìn)行一體化設(shè)計，并安裝在天花板上，絲毫不引人注目，在擴(kuò)大了監(jiān)控視角范圍、減少攝像頭的數(shù)量的同時又能實現(xiàn)即時監(jiān)控事件的全過程，不會給人以被監(jiān)視的感覺。
本發(fā)明的有益效果主要表現(xiàn)在1、視角范圍大、不需要瞄準(zhǔn)目標(biāo)、隱蔽性好；2、不會給人以被監(jiān)視的感覺；3、減少監(jiān)控攝像頭的數(shù)量，降低了成本。


圖1為具有水平方向不變形的全方位視覺傳感器原理圖；圖2為一種考慮心理感覺的WEB全方位視覺裝置的硬件結(jié)構(gòu)原理圖；圖3為全方位視覺裝置與一般的透視成像模型等價的透視投影成像模型示意圖；圖4為水平方向不變形的透視投影成像示意圖；圖5為具有兩次反射的全方位視覺傳感器的結(jié)構(gòu)說明示意圖；圖6為具有兩次反射的全方位視覺傳感器的光路說明示意圖；圖7為全方位視覺裝置在水平方向上圖像無形變設(shè)計反射鏡面形狀；圖8為一個雙葉雙曲面的反射鏡面形狀；圖9為反射平面成像示意圖；圖10為下安裝式全方位視覺傳感器安裝示意圖；圖11為考慮心理感覺的WEB全方位視覺裝置中的視頻服務(wù)器的架構(gòu)圖。
具體實施方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步描述。
實施例1參照圖5、圖6、圖7、圖11，一種具有考慮心里感覺功能的全方位監(jiān)控視覺裝置，該裝置為上固定式雙曲面型全方位視覺裝置，包括直向垂下的折反射鏡、透明圓筒體、攝像頭、安裝支架，所述的折反射鏡位于透明圓筒體的上部，所述的透明圓筒體的下部設(shè)有反射平鏡，所述的折反射凸鏡的中間設(shè)有通孔，攝像頭位于所述折反射凸鏡的上方，在反射平鏡和折反射鏡之間設(shè)有直徑逐漸變小的黑色圓錐狀體，所述圓錐狀體固定在反射平鏡的中部，所述的折反射鏡、反射平鏡、圓錐狀體以及攝像頭的鏡頭的中心位置在同一中心軸上，所述的攝像頭的輸出連接用于處理圖像的微處理器。
所述的折反射鏡為雙曲面鏡，所述的攝像頭包括聚光透鏡和攝像單元，所述的攝像單元位于所述雙曲面鏡的實焦點位置；所述雙曲面鏡構(gòu)成的光學(xué)系統(tǒng)由下面5個等式表示；((X2+Y2)/a2)-(Z2/b2)＝-1(Z＞0)(13)c=a2+b2---(14)]]>β＝tan-1(Y/X) (15)α＝tan-1[(b2+c2)sinγ-2bc]/(b2+c2)cosγ (16)γ=tan-1[f/(X2+Y2)]---(17)]]>上式中，X，Y，Z表示空間坐標(biāo)，c表示雙曲面鏡的焦點，2c表示兩個焦點之間的距離，a，b分別是雙曲面鏡的實軸和虛軸的長度，β表示入射光線在XY平面上的夾角-方位角，α表示入射光線在XZ平面上的夾角-俯角，f表示成像平面到雙曲面鏡的實焦點的距離。
由式(13)可以在三維空間上作出一個雙葉雙曲面，如圖9所示，該雙曲面有2個焦點(0，0，c)、(0，0，-c)，并對稱與XY平面，本專利將全方位視覺攝像裝置的成像器配置在與雙曲面中心軸同軸的另一個焦點(0，0，-c)上，替換在XY平面下的一個雙曲面，如圖10所示，進(jìn)入雙曲線鏡面的中心(0，0，c)的光，根據(jù)雙曲面的鏡面特性向著其虛焦點(0，0，-c)折射。
根據(jù)圖10來說明360°全方位進(jìn)行攝像的原理，空間上的一個點A(x1，y1，z1)(圖中用大五角星表示)經(jīng)雙曲線鏡面1進(jìn)入凹部鏡面，入射到雙曲線面鏡1上的圖像的空間坐標(biāo)點P1(x1，y1，z1)(圖中用中五角星表示)，反射到全方位視覺攝像設(shè)備的透鏡上對應(yīng)有一個投影點P1(x*1，y*1)(圖10中用小五角星表示)，通過全方位視覺攝像設(shè)備的透鏡的光線變成平行光投射到全方位視覺攝像設(shè)備的成像器(即CCD或者CMOS攝像元件)上，這時在鏡頭上成像的圖像是一種發(fā)生形變的環(huán)狀圖像，由于全方位視覺攝像裝置的成像器是處在雙曲面中心軸同軸的另一個焦點(0，0，-c)上。
所述的上固定式全方位視覺傳感器，其引線是從全方位視覺裝置的上部引出的，為了要達(dá)到這個目的，需要增加一個平面反射鏡面，如圖6所示；由于增加了一個平面反射鏡面，要求從曲線面鏡折射來到達(dá)平面反射鏡面的光線基本上能成為一種近似平行光。
所述的平面反射鏡面的位置安置在下固定式全方位視覺裝置的成像平面位置上，原成像平面位置上的鏡頭與感光器件移動到曲線面鏡的后面(非折射凹面面)，曲線面鏡的凹面部分設(shè)計成可以安放鏡頭與感光器件，曲線面鏡的中心部位留有一個圓孔，使得從平面反射鏡面反射過來的物景能順利地進(jìn)入安置在曲線面鏡的凹面部分的鏡頭與感光器件，所述的曲線面鏡、平面反射鏡面、圓錐體、鏡頭以及感光器件的中心位置在同一中心軸線上；其中心定位的關(guān)系可以通過上下固定座來保證，而最佳成像距離是通過透光外罩與上下固定座的配合來保證的；所述的透光外罩的設(shè)計是將其設(shè)計成上大下小的圓臺形狀，通過這種設(shè)計使得透光外罩上不易積上灰塵而影響透光度；考慮到全方位視覺裝置使用在室外的情況，為了達(dá)到防水、防潮氣、防灰塵目的，透光外罩與上下固定座的結(jié)合處須加入密封，在本發(fā)明中是采用將橡膠密封圈安置在透光外罩與上下固定座的結(jié)合處然后用螺釘進(jìn)行固定。
所述的圓錐狀體有一根直徑逐漸變小的黑色圓錐狀體，該圓錐狀體固定在折反射鏡的中部，黑色圓錐狀體的目的是為了防止過剩的光射入而導(dǎo)致在圓筒體內(nèi)部的光飽和以及通過圓筒體壁產(chǎn)生的光反射現(xiàn)象。
所述的圖像處理單元中包括圖像展開處理模塊，用于將圓形全方位圖像通過幾何變換展開成矩形柱面全方位圖像；進(jìn)一步，所述的圖像展開處理模塊包括讀取坐標(biāo)信息單元，用于讀取上述初始化模塊中計算得到的圓形全方位圖像的中心坐標(biāo)以及圖像的內(nèi)外圓半徑；近似展開計算單元，用于根據(jù)上述初始化模塊中計算得到的圓形全方位圖像的中心坐標(biāo)以及圖像的內(nèi)外圓半徑，將圓形全方位圖像的中心坐標(biāo)設(shè)定平面坐標(biāo)系的原點O**(0，0)、X*軸、Y*軸，圖像的內(nèi)徑為r，外徑為R，設(shè)定中間圓的半徑r1＝(r+R)/2，方位角為β＝tan-1(y*/x*)；矩形柱面全方位圖像以坐標(biāo)原點O**(0，0)、X**軸、Y**軸為平面坐標(biāo)系，將圓形全方位圖像中的內(nèi)徑為r與X*軸的交點(r，0)作為坐標(biāo)原點O**(0，0)，以方位角β逆時針方向展開；建立矩形柱面全方位圖像中任意一點象素坐標(biāo)P**(x**，y**)與圓形全方位圖像中的象素坐標(biāo)Q*(x*，y*)的對應(yīng)關(guān)系，其計算式為
x*＝y(tǒng)*/(tan(360x**/π(R+r)))(18)y*＝(y**+r)cosβ(19)上式中，x**，y**為矩形柱面全方位圖像的象素坐標(biāo)值，x*，y*為圓形全方位圖像的象素坐標(biāo)值，R為圓形全方位圖像的外徑，r為圓形全方位圖像的內(nèi)徑，β為圓形全方位圖像坐標(biāo)的方位角。
或者是，所述的圖像展開處理模塊包括讀取坐標(biāo)信息單元，用于讀取上述初始化模塊中計算得到的圓形全方位圖像的中心坐標(biāo)以及圖像的內(nèi)外圓半徑；映射矩陣展開單元，用于根據(jù)上述初始化模塊中計算得到的圓形全方位圖像的中心坐標(biāo)以及圖像的內(nèi)外圓半徑，將圓形全方位圖像的中心坐標(biāo)設(shè)定平面坐標(biāo)系的原點O**(0，0)、X*軸、Y*軸，圖像的內(nèi)徑為r，外徑為R，方位角為β＝tan-1(y*/x*)；矩形柱面全方位圖像以坐標(biāo)原點O**(0，0)、X**軸、Y**軸為平面坐標(biāo)系，將圓形全方位圖像中的內(nèi)徑為r與X*軸的交點(r，0)作為坐標(biāo)原點O**(0，0)，以方位角β逆時針方向展開；根據(jù)圓形全方位圖像中的任意一點象素坐標(biāo)Q*(x*，y*)與矩形柱面全方位圖像中象素坐標(biāo)P**(x**，y**)的對應(yīng)關(guān)系，建立從Q*(x*，y*)到P**(x**，y**)的映射矩陣對應(yīng)關(guān)系，其計算式為P**(x**，y**)←M×Q*(x*，y*) (20)上式中，Q*(x*，y*)為全方位圖像上的各個象素坐標(biāo)的矩陣，M為從全方位圖像坐標(biāo)到矩形柱面全方位圖像坐標(biāo)的對應(yīng)關(guān)系矩陣，P**為矩形柱面全方位圖像上的各個象素坐標(biāo)的矩陣。
所述的M對應(yīng)關(guān)系矩陣可以將軟件插值算法融合進(jìn)去，所述的軟件插值算法包括放大原全方位圖像后的提高分辨率的插值和消除在所述的展開單元取整計算所帶來的誤差的插值。
又或者是，所述的圖像展開處理模塊包括讀取坐標(biāo)信息單元，用于讀取上述初始化模塊中計算得到的圓形全方位圖像的中心坐標(biāo)以及圖像的內(nèi)外圓半徑；極坐標(biāo)展開計算單元，用于根據(jù)全方位圖像的中心點的位置和內(nèi)徑為r、外徑為R，r*為圖像上任意點距離內(nèi)圓的徑向長度，方位角為β＝tan-1(y*/x*)，建立極坐標(biāo)(r*，β)，與全方位內(nèi)外圓邊界的交點坐標(biāo)分別為(x*inner(β)，y*inner(β))和(x*outer(β)，y*outer(β))；矩形柱面全方位圖像以坐標(biāo)原點O**(0，0)、X**軸、Y**軸為平面坐標(biāo)系，將圓形全方位圖像中的內(nèi)徑為r與X*軸的交點(r，0)作為坐標(biāo)原點O**(0，0)，以方位角β逆時針方向展開；根據(jù)圓形全方位圖像中的任意一點象素坐標(biāo)(r*，β)與矩形柱面全方位圖像中象素坐標(biāo)P**(x**，y**)的對應(yīng)關(guān)系，其計算式為x**(r*,β)=(1-r*)x*inner(β)+r*x*outer(β)y**(r*,β)=(1-r*)y*inner(β)+r*y*outer(β)---(21)]]>再進(jìn)一步，圖像展開處理模塊還包括插值計算單元，用于消除在所述的展開單元取整計算所帶來的誤差，計算得到的矩形柱面全方位圖像的某個象素坐標(biāo)P**(x**，y**)的象素點為(k0，j0)，所述的象素點坐標(biāo)落在由(k，j)，(k+1，j)，(k，j+1)，(k+1，j+1)四個相鄰整數(shù)象素為頂點坐標(biāo)所構(gòu)成的正方形內(nèi)，用式(8)插值計算P**(x**，y**)＝(P*(x*+1，y*)-P*(x*，y*))*(k0-k)+(P*(x*，y*+1)-P*(x*，y*))*(j0-j)+(P*(x*+1，y*+1)+P*(x*，y*)-P*(x*+1，y*)-P*(x*，y*+1))*(k0-k)*(j0-j)+P*(x*，y*)(22)所述的插值計算單元的輸入端連接展開計算單元的輸出端，所述的插值計算單元的輸出端連接圖像輸出模塊。
更進(jìn)一步，圖像展開處理模塊還包括圖像增強(qiáng)單元，用于對圖像輸出單元輸出的象素均衡化，計算式為S(rk)=T(rk)=1NΣi=0kN(ri)---(23)]]>上式中，變換函數(shù)為灰度級累積分布函數(shù)T(r)，設(shè)原始圖像的灰度級為rk，S(r)為變換后圖像的灰度分布函數(shù)，N為圖像中的象素總數(shù)，N(ri)為圖像中灰度級為ri的象素總數(shù)。
所述的圖像預(yù)處理模塊包括圖像濾波單元，用于采用二維Gabor濾波器對圓形全方位圖像進(jìn)行濾波；圖像質(zhì)量判斷單元，用于采用二維FFT變換計算頻域高頻能量，并比較所得的高頻能量值與預(yù)設(shè)的下限值，在高頻能量值大于下限值時選擇性地輸出全方位圖像。
所述的設(shè)備還包括嵌入式系統(tǒng)，本發(fā)明中采用的是嵌入式arm9硬件平臺作為視頻服務(wù)器，該處理器內(nèi)部集成了ARM公司ARM920T處理器核的32位微控制器，資源豐富，帶獨立的16KB的指令Cache和16KB數(shù)據(jù)Cache、LCD控制器、RAM控制器、NAND閃存控制器、3路UART、4路DMA、4路帶PWM的Timer、并行I/O口、8路10位ADC、Touch Screen接口、I2C接口、I2S接口、2個USB接口控制器、2路SPI，主頻最高可達(dá)203MHz。在處理器豐富資源的基礎(chǔ)上，還進(jìn)行了相關(guān)的配置和擴(kuò)展，平臺配置了16MB 16位的Flash和64MB 32位的SDRAM。通過以太網(wǎng)控制器芯片DM9000E擴(kuò)展了一個網(wǎng)口，另外引出了一個HOST USB接口。通過在USB接口上外接一個帶USB口的攝像頭，將采集到的視頻圖像數(shù)據(jù)放入輸入緩沖區(qū)中。然后，或者保存成文件的形式，或者運行移植到平臺上的圖像處理程序，對緩沖的圖像數(shù)據(jù)直接進(jìn)行相關(guān)處理，該系統(tǒng)具有高性能、低成本、低功耗等優(yōu)點。
視頻服務(wù)器的架構(gòu)如圖11所示，視頻服務(wù)器通過不斷讀取攝像頭拍攝到的場景圖像信息，接著要完成以下四種功能(1)直接在顯示終端顯示；(2)存儲圖片信息到SD卡中，方便用戶進(jìn)行現(xiàn)場數(shù)據(jù)的攜帶；(3)通過有線網(wǎng)絡(luò)與遠(yuǎn)程主機(jī)進(jìn)行Socket通訊，在遠(yuǎn)程主機(jī)上可以進(jìn)行視頻分析與處理；(4)通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸場景信息到手機(jī)上，方便用戶隨時隨地查看現(xiàn)場信息。
所述的黑色圓錐狀體是用來防止光飽和的，在成像平面上有一個黑色圓形，該黑色圓形的圓心就是全方位圖像的展開中心點，全方位圖像中心定位是為了減少在展開過程中不同心而造成的圖像失真，利用全方位圖像中心定位的算法，可以檢測拍到的一幅圖像中迅速找到全方位圖像的展開中心點，而不需要人工干預(yù)，這對于全方位攝像裝置的實用化有十分重要的意義。
本專利中采用Daugman的圓模板匹配法進(jìn)行全方位圖像的展開中心點的定位。在拍攝獲取的全方位圖像中，灰度分布存在著一定的差異，一般而言全方位展開部分比圓錐體反射部分亮。然后根據(jù)全方位的形狀是圓環(huán)形的情況，利用圓形檢測匹配器的方法分割全方位，其數(shù)學(xué)方程為 其中Gσ(r)=(1/2πσ)e-((r-r0)2/2σ2),]]>I(x*，y*)為圖像的象素；r為圓周的半徑；G為對原圖像進(jìn)行平滑的高斯模板。公式(24)的物理意義是，查找隨著半徑r變化相應(yīng)圓周上象素平均值變化最大的值所對應(yīng)的(r，x*0，y*0)，以此來確定全方位圖像的展開中心點和圓錐體反射部分的邊緣。卷積用來對圖像進(jìn)行平滑，消除區(qū)域邊緣中噪聲的影響，平滑模板的大小與定位的精度有關(guān)。為了方便公式(24)的離散化實現(xiàn)，利用卷積性質(zhì)，把公式(24)轉(zhuǎn)化為 其中∂Gσ(r)∂r≈Gσ(n)=1ΔrGσ(nΔr)-1ΔrGσ((n-1)Δr)---(26)]]>對公式(25)進(jìn)行離散化，用累加和∑來代替卷積和曲線積分，轉(zhuǎn)換為max(r,x*0,y*0)|1ΔrΣk{Gσ(r)ΣmI(x*,y*)}|---(27)]]>其中Gσ(r)＝Gσ((n-k)Δr)-Gσ((n-k-1)Δr) (28)ΣmI(x*,y*)=I[(kΔrcos(mΔβ)+x*0),(kΔrsin(mΔβ)+y*0)]---(29)]]>Δr表示半徑搜索的步長，Δβ表示沿著圓弧分隔的角度的步長。也可以對式(14)進(jìn)行改進(jìn)，使得能更好的定位全方位內(nèi)邊緣 其中r′略小于r，它們之間的距離是一定的，且r′隨著r變化；λ為預(yù)設(shè)的值，防止分母為0。式(30)利用了這樣一個事實，即圓錐體反射部分的灰度分布總是均勻的。因此，當(dāng)搜索的圓弧與圓錐體反射部分的邊緣很好匹配時，式(30)的分母非常小，因而式(30)會有一個突變值，這個突變值的位置就是全方位圖像的展開中心點的位置。
實施例2參照圖5、圖6、圖7、圖11，本實施例為上固定式水平方向無形變?nèi)轿灰曈X裝置所述的折反射鏡為水平方向無形變的折反射透鏡，攝像頭的投影中心C在水平場景上方距離水平場景h處，折反射透鏡的頂點在投影中心上方，距離投影中心zo處，以攝像頭投影中心為坐標(biāo)原點建立坐標(biāo)系，折反射透鏡的面形用z(X)函數(shù)表示，在像平面內(nèi)距離像中心點ρ的像素q接受了來自水平場景O點，距離Z軸d，在折反射透鏡M點反射的光線，水平場景無畸變要求場景物點的水平坐標(biāo)與相應(yīng)像點的坐標(biāo)成線性關(guān)系；由式(8)、(9)、(10)和初始條件，解微分方程得到折反射透鏡面形的數(shù)字解，系統(tǒng)外形尺寸指反射鏡離攝像頭的距離Ho和反射鏡的口徑D，根據(jù)應(yīng)用要求選擇合適的攝像頭，標(biāo)定出Rmin，透鏡的焦距f確定折反射透鏡離攝像頭的距離Ho，由式(1)計算出折反射透鏡的口徑Dod(ρ)＝αρ(1)式(1)中，ρ是與反射鏡的面形中心點的距離，α為成像系統(tǒng)的放大率。
設(shè)折反射透鏡在M點的法線與Z軸的夾角為γ，入射光線與Z軸的夾角為Φ，反射光線與Z軸的夾角為θ；tg(x)=d(x)-xz(x)-h---(2)]]>tgγ=dz(x)dx---(3)]]>tg(2γ)=2dz(x)dx1-d2z(x)dx2---(4)]]> 由反射定律2γ＝φ-θ (6)∴tg(2γ)=tg(φ-θ)=tgφ-tgθ1+tgφtgθ]]>由式(2)、(4)、(5)和(6)得到微分方程(7)d2z(x)dx2+2kdz(x)dx-1=0---(7)]]>式中；k=z(x)[z(x)-h]+x[d(x)-x]z(x)[d(x)-x]+x[z(x)-h]---(8)]]>由式(7)得到微分方程(9)dz(x)dx+k-k2+1=0---(9)]]>
由式(1)、(5)得到式(10)d(x)=afxz(x)---(10)]]>根據(jù)應(yīng)用所要求的高度方向的視場確定系統(tǒng)參數(shù)af，由式(1)、(2)和(5)得到式(11)，將z(x)≈z0；tgφ=(af-z0)ρfz0-h---(11)]]>在像平面以像中心點為圓心的最大圓周處ρ=Rmin→ωmax=Rminf]]>對應(yīng)的視場為фmax，得到式(12)；ρf=(z0-h)tgφmaxωmax+z0---(12)]]>設(shè)光源在攝像頭投影中心，在像平面內(nèi)等間距的選取像素點，通過像素點的光線，經(jīng)折反射透鏡反射后與水平面相交，若交點是等間距的，判定折反射透鏡為水平場景無畸變。
其余結(jié)構(gòu)和工作原理與實施例1相同。
實施例3參照圖1、圖2、圖3、圖4、圖8、圖9、圖10、圖11，一種具有考慮心里感覺功能的全方位監(jiān)控視覺裝置，該裝置為下固定式全方位視覺裝置，包括直向垂下的折反射鏡1、透明圓筒體3、面向上的攝像頭、安裝支架9，所述的折反射鏡1位于透明圓筒體3的上部，所述的攝像頭位于透明圓筒體3的下部，所述的圓筒體3的下端與安裝支架9固定連接，在折反射鏡1和攝像頭之間設(shè)有直徑逐漸變小的黑色圓錐狀體2，所述圓錐狀體2固定在折反射鏡1的中部，所述的折反射鏡1、圓錐狀體2以及攝像頭3的鏡頭的中心位置在同一中心軸上，所述的攝像頭3的輸出連接用于圖像處理的微處理器6。所述的攝像頭包括聚光透鏡4和CCD構(gòu)成的攝像單元5。所述的微處理器6連接存儲單元8和顯示器7。
下固定式雙曲面型全方位視覺裝置的方案所述的折反射鏡為雙曲面鏡，所述的攝像頭包括聚光透鏡和攝像單元，所述的攝像單元位于所述雙曲面鏡的虛焦點位置；所述雙曲面鏡構(gòu)成的光學(xué)系統(tǒng)由下面5個等式表示；((X2+Y2)/a2)-(z2/b2)＝-1(z＞0) (13)
c=a2+b2---(14)]]>β＝tan-1(Y/X)(15)α＝tan-1[(b2+c2)sinγ-2bc]/(b2+c2)cosγ (16)γ=tan-1[f/(X2+Y2)]---(17)]]>上式中，X，Y，Z表示空間坐標(biāo)，c表示雙曲面鏡的焦點，2c表示兩個焦點之間的距離，a，b分別是雙曲面鏡的實軸和虛軸的長度，β表示入射光線在XY平面上的夾角-方位角，α表示入射光線在XZ平面上的夾角-俯角，f表示成像平面到雙曲面鏡的虛焦點的距離。
本實施例的雙曲面型全方位視覺裝置的成像原理、圖像展開過程與實施例1相同。
本實施例的下固定式水平方向無形變?nèi)轿灰曈X裝置的成像原理、圖像展開過程與實施例2相同。
對于全方位視覺裝置根據(jù)安裝固定條件不同可分為上固定式與下固定式兩種類型。由于電源以及與感光器件的連線原因，上固定式全方位視覺裝置最好是從上部引線，而下固定式全方位視覺裝置又希望能從下部引線，這樣能避免由于引線造成影響全方位視覺的光路。附圖2和附圖11為下固定式全方位視覺裝置的結(jié)構(gòu)示意圖，其引線是從全方位視覺裝置的下部引出的；附圖5和附圖6為上固定式全方位視覺裝置的結(jié)構(gòu)示意圖，其引線是從全方位視覺裝置的上部引出的，為了要達(dá)到這個目的，需要增加一個平面反射鏡面，如圖6所示；由于增加了一個平面反射鏡面，要求從曲線面鏡折射來到達(dá)平面反射鏡面的光線基本上能成為一種近似平行光。
實施例4本實施例的光學(xué)部分、基本原理與實施例1基本相同，不同之處在于將燈具與全方位視覺裝置設(shè)計成一體化，只要在設(shè)計過程中保證燈具不會對全方位視覺傳感器的監(jiān)控視野不受干擾，并且燈具所發(fā)出的光線不能直接照射到全方位視覺傳感器，全方位視覺傳感器與燈具部分的連接可以從全方位視覺傳感器的上下固定座上用螺紋進(jìn)行連接，就是燈具的支撐架用螺釘固定在全方位視覺傳感器的上下固定座上。
實施例5本實施例的視頻服務(wù)器部分、基本原理與實施例1基本相同，不同之處在于將視頻服務(wù)器中安裝各種應(yīng)用軟件。
權(quán)利要求
1.一種具有考慮心里感覺功能的全方位監(jiān)控視覺裝置，其特征在于該裝置包括直向垂下的折反射鏡、透明圓筒體、攝像頭、安裝支架，所述的折反射鏡位于透明圓筒體的上部，所述的透明圓筒體的下部設(shè)有反射平鏡，所述的折反射凸鏡的中間設(shè)有通孔，攝像頭位于所述折反射凸鏡的上方，在反射平鏡和折反射鏡之間設(shè)有直徑逐漸變小的黑色圓錐狀體，所述圓錐狀體固定在反射平鏡的中部，所述的折反射鏡、反射平鏡、圓錐狀體以及攝像頭的鏡頭的中心位置在同一中心軸上，所述的攝像頭的輸出連接用于處理圖像的微處理器。
2.如權(quán)利要求1所述的具有考慮心里感覺功能的全方位監(jiān)控視覺裝置，其特征在于所述的折反射鏡為雙曲面鏡，所述的攝像頭包括聚光透鏡和攝像單元，所述的攝像單元位于所述雙曲面鏡的實焦點位置；所述雙曲面鏡構(gòu)成的光學(xué)系統(tǒng)由下面5個等式表示；((X2+Y2)/a2)-(Z2/b2)＝-1(Z＞0)(13)c=a2+b2---(14)]]>β＝tan-1(Y/X)(15)α＝tan-1[(b2+c2)sinγ-2bc]/(b2+c2)cosγ (16)γ=tan-1[f/(X2+Y2)]---(17)]]>上式中，X，Y，Z表示空間坐標(biāo)，c表示雙曲面鏡的焦點，2c表示兩個焦點之間的距離，a，b分別是雙曲面鏡的實軸和虛軸的長度，β表示入射光線在XY平面上的夾角—方位角，α表示入射光線在XZ平面上的夾角—俯角，f表示成像平面到雙曲面鏡的實焦點的距離。
3.如權(quán)利要求1所述的具有考慮心里感覺功能的全方位監(jiān)控視覺裝置，其特征在于所述的折反射鏡為水平方向無形變的折反射透鏡，攝像頭的投影中心C在水平場景上方距離水平場景h處，折反射透鏡的頂點在投影中心上方，距離投影中心zo處，以攝像頭投影中心為坐標(biāo)原點建立坐標(biāo)系，折反射透鏡的面形用z(X)函數(shù)表示，在像平面內(nèi)距離像中心點ρ的像素q接受了來自水平場景O點，距離Z軸d，在折反射透鏡M點反射的光線，水平場景無畸變要求場景物點的水平坐標(biāo)與相應(yīng)像點的坐標(biāo)成線性關(guān)系；由式(8)、(9)、(10)和初始條件，解微分方程得到折反射透鏡面形的數(shù)字解，系統(tǒng)外形尺寸指反射鏡離攝像頭的距離Ho和反射鏡的口徑D，根據(jù)應(yīng)用要求選擇合適的攝像頭，標(biāo)定出Rmin，透鏡的焦距f確定折反射透鏡離攝像頭的距離Ho，由式(1)計算出折反射透鏡的口徑Dod(ρ)＝αρ (1)式(1)中，ρ是與反射鏡的面形中心點的距離，α為成像系統(tǒng)的放大率。設(shè)折反射透鏡在M點的法線與Z軸的夾角為γ，入射光線與Z軸的夾角為Φ，反射光線與Z軸的夾角為θ；tg(x)=d(x)-xz(x)-h---(2)]]>tgγ=dz(x)dx---(3)]]>tg(2γ)=2dz(x)dx1-d2z(x)dx2---(4)]]> 由反射定律2γ＝φ-θ(6)∴tg(2γ)=tg(φ-θ)=tgφ-tgθ1+tgφtgθ]]>由式(2)、(4)、(5)和(6)得到微分方程(7)d2z(x)dx2+2kdz(x)dx-1=0---(7)]]>式中k=z(x)[z(x)-h]+x[d(x)-x]z(x)[d(x)-x]+x[z(x)-h]---(8)]]>由式(7)得到微分方程(9)dz(x)dx+k-k2+1=0---(9)]]>由式(1)、(5)得到式(10)d(x)=afxz(x)---(10)]]>根據(jù)應(yīng)用所要求的高度方向的視場確定系統(tǒng)參數(shù)af，由式(1)、(2)和(5)得到式(11)，將z(x)≈z0；tgφ=(af-z0)ρfz0-h---(11)]]>在像平面以像中心點為圓心的最大圓周處ρ=Rmin→ωmax=Rminf]]>對應(yīng)的視場為фmax，得到式(12)；ρf=(z0-h)tgφmaxωmax+z0---(12)]]>設(shè)光源在攝像頭投影中心，在像平面內(nèi)等間距的選取像素點，通過像素點的光線，經(jīng)折反射透鏡反射后與水平面相交，若交點是等間距的，判定折反射透鏡為水平場景無畸變。
4.如權(quán)利要求2所述的具有考慮心里感覺功能的全方位監(jiān)控視覺裝置，其特征在于所述的微處理器包括圖像展開處理模塊，所述的圖像展開處理模塊包括讀取坐標(biāo)信息單元，用于讀取上述計算得到的圓形全方位圖像的中心坐標(biāo)以及圖像的內(nèi)外圓半徑；近似展開計算單元，用于將圓形全方位圖像的中心坐標(biāo)設(shè)定平面坐標(biāo)系的原點O**(0，0)、X*軸、Y*軸，圖像的內(nèi)徑為r，外徑為R，設(shè)定中間圓的半徑r1＝(r+R)/2，方位角為β＝tan-1(y*/x*)；矩形柱面全景圖像以坐標(biāo)原點O**(0，0)、X**軸、Y**軸為平面坐標(biāo)系，將圓形全方位圖像中的內(nèi)徑為r與X*軸的交點(r，0)作為坐標(biāo)原點O**(0，0)，以方位角β逆時針方向展開；建立矩形柱面全景圖像中任意一點像素坐標(biāo)P**(x**，y**)與圓形全方位圖像中的像素坐標(biāo)Q*(x*，y*)的對應(yīng)關(guān)系，其計算式為x*＝y(tǒng)*/(tan(360x**/π(R+r))) (18)y*＝(y**+r)cosβ (19)上式中，x**，y**為矩形柱面全景圖像的像素坐標(biāo)值，x*，y*為圓形全方位圖像的像素坐標(biāo)值，R為圓形全方位圖像的外徑，r為圓形全方位圖像的內(nèi)徑，β為圓形全方位圖像坐標(biāo)的方位角；圖像輸出單元，用于將展開后的圖像輸出到顯示裝置。
5.如權(quán)利要求2所述的具有考慮心里感覺功能的全方位監(jiān)控視覺裝置，其特征在于所述的微處理器包括圖像展開處理模塊，所述的圖像展開處理模塊包括讀取坐標(biāo)信息單元，用于讀取上述初始化模塊中計算得到的圓形全方位圖像的中心坐標(biāo)以及圖像的內(nèi)外圓半徑；映射矩陣展開單元，用于將圓形全方位圖像的中心坐標(biāo)設(shè)定平面坐標(biāo)系的原點O**(0，0)、X*軸、Y*軸，圖像的內(nèi)徑為r，外徑為R，方位角為β＝tan-1(y*/x*)；矩形柱面全景圖像以坐標(biāo)原點O**(0，0)、X**軸、Y**軸為平面坐標(biāo)系，將圓形全方位圖像中的內(nèi)徑為r與X*軸的交點(r，0)作為坐標(biāo)原點O**(0，0)，以方位角β逆時針方向展開；根據(jù)圓形全方位圖像中的任意一點像素坐標(biāo)Q*(x*，y*)與矩形柱面全景圖像中像素坐標(biāo)P**(x**，y**)的對應(yīng)關(guān)系，建立從Q*(x*，y*)到P**(x**，y**)的映射矩陣對應(yīng)關(guān)系，其計算式為P**(x**，y**)←M×Q*(x*，y*) (20)上式中，Q*(x*，y*)為全方位圖像上的各個像素坐標(biāo)的矩陣，M為從全方位圖像坐標(biāo)到矩形柱面全景圖像坐標(biāo)的對應(yīng)關(guān)系矩陣，P**為矩形柱面全景圖像上的各個像素坐標(biāo)的矩陣；所述的M對應(yīng)關(guān)系矩陣可以將軟件插值算法融合進(jìn)去，所述的軟件插值算法包括放大原全方位圖像后的提高分辨率的插值和消除在所述的展開單元取整計算所帶來的誤差的插值；圖像輸出單元，用于將展開后的圖像輸出到顯示裝置。
6.如權(quán)利要求3所述的具有考慮心里感覺功能的全方位監(jiān)控視覺裝置，其特征在于所述的微處理器包括圖像展開處理模塊，所述的圖像展開處理模塊包括讀取坐標(biāo)信息單元，用于讀取上述計算得到的圓形全方位圖像的中心坐標(biāo)以及圖像的內(nèi)外圓半徑；極坐標(biāo)展開計算單元，用于根據(jù)全方位圖像的中心點的位置和內(nèi)徑為r、外徑為R，r*為圖像上任意點距離內(nèi)圓的徑向長度，方位角為β＝tan-1(y*/x*)，建立極坐標(biāo)(r*，β)，與全方位內(nèi)外圓邊界的交點坐標(biāo)分別為(x*inner(β)，y*inner(β))和(x*outer(β)，y*outer(β))；矩形柱面全方位圖像以坐標(biāo)原點O**(0，0)、X**軸、Y**軸為平面坐標(biāo)系，將圓形全方位圖像中的內(nèi)徑為r與X*軸的交點(r，0)作為坐標(biāo)原點O**(0，0)，以方位角β逆時針方向展開；根據(jù)圓形全方位圖像中的任意一點象素坐標(biāo)(r*，β)與矩形柱面全方位圖像中象素坐標(biāo)P**(x**，y**)的對應(yīng)關(guān)系，其計算式為x**(r*,β)=(1-r*)x*inner(β)+r-*x*outer(β)y**(r*,β)=(1-r*)y*inner(β)+r*y*outer(β)---(21);]]>圖像輸出單元，用于將展開后的圖像輸出到顯示裝置。
7.一種具有考慮心里感覺功能的全方位監(jiān)控視覺裝置，其特征在于該裝置包括直向垂下的折反射鏡、透明圓筒體、面向上的攝像頭、安裝支架，所述的折反射鏡位于透明圓筒體的上部，所述的攝像頭位于透明圓筒體的下部，所述的圓筒體的下端與安裝支架固定連接，在折反射鏡和攝像頭之間設(shè)有直徑逐漸變小的黑色圓錐狀體，所述圓錐狀體固定在折反射鏡的中部，所述的折反射鏡、圓錐狀體以及攝像頭的鏡頭的中心位置在同一中心軸上，所述的攝像頭的輸出連接用于圖像處理的微處理器。
8.如權(quán)利要求7所述的具有考慮心里感覺功能的全方位監(jiān)控視覺裝置，其特征在于所述的折反射鏡為雙曲面鏡，所述的攝像頭包括聚光透鏡和攝像單元，所述的攝像單元位于所述雙曲面鏡的虛焦點位置；所述雙曲面鏡構(gòu)成的光學(xué)系統(tǒng)由下面5個等式表示；((X2+Y2)/a2)-(Z2/b2)＝-1(Z＞0) (13)c=a2+b2---(14)]]>β＝tan-1(Y/X) (15)α＝tan-1[(b2+c2)sinγ-2bc]/(b2+c2)cosγ(16)γ=tan-1[f/(X2+Y2)]---(17)]]>上式中，X，Y，Z表示空間坐標(biāo)，c表示雙曲面鏡的焦點，2c表示兩個焦點之間的距離，a，b分別是雙曲面鏡的實軸和虛軸的長度，β表示入射光線在XY平面上的夾角一方位角，α表示入射光線在XZ平面上的夾角—俯角，f表示成像平面到雙曲面鏡的虛焦點的距離。
9.如權(quán)利要求8所述的具有考慮心里感覺功能的全方位監(jiān)控視覺裝置，其特征在于所述的折反射鏡為水平方向無形變的折反射透鏡，攝像頭的投影中心C在水平場景上方距離水平場景h處，折反射透鏡的頂點在投影中心上方，距離投影中心zo處，以攝像頭投影中心為坐標(biāo)原點建立坐標(biāo)系，折反射透鏡的面形用z(X)函數(shù)表示，在像平面內(nèi)距離像中心點ρ的像素q接受了來自水平場景O點，距離Z軸d，在折反射透鏡M點反射的光線，水平場景無畸變要求場景物點的水平坐標(biāo)與相應(yīng)像點的坐標(biāo)成線性關(guān)系；由式(8)、(9)、(10)和初始條件，解微分方程得到折反射透鏡面形的數(shù)字解，系統(tǒng)外形尺寸指反射鏡離攝像頭的距離Ho和反射鏡的口徑D，根據(jù)應(yīng)用要求選擇合適的攝像頭，標(biāo)定出Rmin，透鏡的焦距f確定折反射透鏡離攝像頭的距離Ho，由式(1)計算出折反射透鏡的口徑Dod(ρ)＝αρ (1)式(1)中，ρ是與反射鏡的面形中心點的距離，α為成像系統(tǒng)的放大率。設(shè)折反射透鏡在M點的法線與Z軸的夾角為γ，入射光線與Z軸的夾角為Φ，反射光線與Z軸的夾角為θ；tg(x)=d(x)-xz(x)-h---(2)]]>tgγ=dz(x)dx---(3)]]>tg(2γ)=2dz(x)dx1-d2z(x)dx2---(4)]]> 由反射定律2γ＝φ-θ (6)∴tg(2γ)=tg(φ-θ)=tgφ-tgθ1+tgφtgθ]]>由式(2)、(4)、(5)和(6)得到微分方程(7)d2z(x)dx2+2kdz(x)dx-1=0---(7)]]>式中；k=z(x)[z(x)-h]+x[d(x)-x]z(x)[d(x)-x]+x[z(x)-h]---(8)]]>由式(7)得到微分方程(9)dz(x)dx+k-k2+1=0---(9)]]>由式(1)、(5)得到式(10)d(x)=afxz(x)---(10)]]>根據(jù)應(yīng)用所要求的高度方向的視場確定系統(tǒng)參數(shù)af，由式(1)、(2)和(5)得到式(11)，將z(x)≈z0；tgφ=(af-z0)ρfz0-h---(11)]]>在像平面以像中心點為圓心的最大圓周處ρ=Rmin→ωmax=Rminf]]>對應(yīng)的視場為фmax，得到式(12)；ρf=(z0-h)tgφmaxωmax+z0---(12)]]>設(shè)光源在攝像頭投影中心，在像平面內(nèi)等間距的選取像素點，通過像素點的光線，經(jīng)折反射透鏡反射后與水平面相交，若交點是等間距的，判定折反射透鏡為水平場景無畸變。
全文摘要
一種具有考慮心里感覺功能的全方位監(jiān)控視覺裝置，包括直向垂下的折反射鏡、透明圓筒體、攝像頭、安裝支架，其為上固定式結(jié)構(gòu)，所述的折反射鏡位于透明圓筒體的上部，所述的透明圓筒體的下部設(shè)有反射平鏡，所述的折反射凸鏡的中間設(shè)有通孔，攝像頭位于所述折反射凸鏡的上方，在反射平鏡和折反射鏡之間設(shè)有直徑逐漸變小的黑色圓錐狀體，所述圓錐狀體固定在反射平鏡的中部，所述的折反射鏡、反射平鏡、圓錐狀體以及攝像頭的鏡頭的中心位置在同一中心軸上，所述的攝像頭的輸出連接用于處理圖像的微處理器。還包括下固定式全方位監(jiān)控視覺傳感器。本發(fā)明提供一種視角范圍大、不需要瞄準(zhǔn)目標(biāo)、隱蔽性好的具有考慮心里感覺功能的全方位監(jiān)控視覺裝置。
文檔編號H04N7/18GK1874498SQ200610052028
公開日2006年12月6日 申請日期2006年6月19日 優(yōu)先權(quán)日2006年6月19日
發(fā)明者湯一平 申請人:浙江工業(yè)大學(xué)