專利名稱：寬動(dòng)態(tài)全方位視覺傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光學(xué)技術(shù)、全景視頻圖像采集技術(shù)和寬動(dòng)態(tài)CMOS感光芯片技術(shù)在視頻監(jiān)控設(shè)備方面的應(yīng)用，主要適用于各種視頻監(jiān)控設(shè)備方面。

背景技術(shù)：
近年發(fā)展起來的全方位視覺傳感器ODVS(OmniDirectional Vision Sensors)為獲取場(chǎng)景的全方位圖像提供了一種新的解決方案。ODVS的特點(diǎn)是視野廣(360度)，能把一個(gè)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(gè)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。
在監(jiān)控?cái)z像機(jī)的應(yīng)用過程中，尤其是采用ODVS在獲取全景視頻圖像時(shí)，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)明暗反差較大或逆光的場(chǎng)景。出于安全考慮，ODVS被安裝在需要監(jiān)控的室內(nèi)外場(chǎng)景，由于在同一位置、ODVS又是獲取全景視頻圖像往往會(huì)面臨多種照明條件，很多地方照明條件分為日光和人工照明的混合光，并在不同時(shí)段下出現(xiàn)明暗反差非常大、背光等情況，如在銀行儲(chǔ)蓄所、重要場(chǎng)所出入口等，因?yàn)閺拇巴馍淙氲膹?qiáng)光和從天花板上的熒光燈照射的柔和光線都可能對(duì)當(dāng)時(shí)室內(nèi)外景象的捕獲造成困難，不能同時(shí)反差很大的室內(nèi)外場(chǎng)景清晰地拍攝下來。然而對(duì)于保安行業(yè)來說，要求在復(fù)雜的光線條件下，拍攝出清晰畫面，不丟失任何細(xì)節(jié)。其主要原因是目前的ODVS由于受CCD感光特性所限制，拍攝圖像會(huì)出現(xiàn)背景過亮前景過暗，或背景清晰前景過暗及前景適合背景過亮的情況。


發(fā)明內(nèi)容
為了克服已有現(xiàn)有的全方位視覺傳感器在光線明暗交叉處時(shí)，不能同時(shí)在反差很大的室內(nèi)外場(chǎng)景中清晰地拍攝全景視頻圖像的不足，本發(fā)明提供一種在光線明暗交叉處時(shí)，能夠在反差很大的室內(nèi)外場(chǎng)景中清晰地拍攝全景視頻圖像的寬動(dòng)態(tài)全方位視覺傳感器。
本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是 一種寬動(dòng)態(tài)全方位視覺傳感器，包括透明外罩、寬動(dòng)態(tài)CMOS攝像單元、一次折反射鏡面、二次折反射鏡面和廣角鏡頭，所述透明外罩呈半球形，所述透明外罩包括頂面和圓弧底面，所述一次折反射鏡面安裝在透明外罩的頂面中部，所述二次折反射鏡面安裝在所述圓弧底面中央，所述寬動(dòng)態(tài)CMOS攝像單元位于在所述一次折反射鏡面的上方的視點(diǎn)處，所述一次折反射鏡面的中部設(shè)有供寬動(dòng)態(tài)CMOS攝像單元拍攝一次折反射鏡面下面的視頻信息的第一小孔；所述二次折反射鏡面的中部設(shè)有第二小孔，所述廣角鏡頭安裝在所述第二小孔內(nèi)；寬動(dòng)態(tài)CMOS攝像單元的鏡頭、廣角鏡頭、一次折反射鏡和二次折反射鏡的中心軸配置在同一軸心線上。
作為優(yōu)選的一種方案所述折反射鏡面曲線的設(shè)計(jì)如下空間上的一個(gè)光源點(diǎn)P的入射光V1在主反射鏡面P1(t1，F(xiàn)1)點(diǎn)上進(jìn)行反射，反射光V2反射到二次反射鏡面P2(t2，F(xiàn)2)點(diǎn)上再進(jìn)行反射，反射光V3以角度θ1進(jìn)入寬動(dòng)態(tài)CMOS攝像單元的鏡頭，在寬動(dòng)態(tài)CMOS攝像單元上成像； 根據(jù)成像原理，一次入射光線V1與折反射主軸Z的夾角為Φ，一次反射光線V2與折反射主軸Z的夾角為θ2，過P1點(diǎn)(t1，F(xiàn)1)的切線與t軸的夾角為σ，法線N1與Z軸的夾角為ε；二次反射光線V3與折反射主軸Z的夾角為θ1，過P2點(diǎn)(t2，F(xiàn)2)的切線與t軸的夾角為σ1，法線N2與Z軸的夾角為ε1，基于上述關(guān)系得到公式(1)
其中 式中，F(xiàn)1是一次折反射鏡面曲線，F(xiàn)2是二次折反射鏡面曲線，s是全方位視覺傳感器的視點(diǎn)； 利用三角關(guān)系并進(jìn)行簡(jiǎn)化整理，得到公式(2)、(3) 上式中， 解公式(2)、(3)可以得到公式(4)、(5)； 式中F′1為F1曲線的微分，F(xiàn)′2為F2曲線的微分； 為了使得成像平面上的點(diǎn)與入射角之間具有某種線性關(guān)系，就是要建立一種像素點(diǎn)P到Z軸距離與入射角φ之間的線性關(guān)系，用公式(6)來表示， φ＝a0*P+b0 (6) 式中a0、b0是任意參數(shù)， 將攝像單元的焦距作為f，P為像素點(diǎn)到Z軸的距離，在二次反射鏡面上的反射點(diǎn)P2(t2，F(xiàn)2)。則根據(jù)成像原理，P可以由公式(7)表示 將式(7)代入式(6)，可得公式(8)， 滿足公式(8)的鏡面曲線設(shè)計(jì)符合平均角分辨率要求； 根據(jù)折反射原理公式(8)可以用公式(9)表示， 然后對(duì)公式(2)、(3)、(9)，通過4階Runge-Kutta算法求F1和F2的數(shù)字解，計(jì)算得到的一次折反射鏡面和二次折反射鏡面曲線。
作為優(yōu)選的另一種方案通過一次折反射鏡上的圓孔在廣角鏡頭與寬動(dòng)態(tài)攝像單元鏡頭之間成像，稱為第一成像點(diǎn)，將寬動(dòng)態(tài)攝像單元鏡頭的焦點(diǎn)距離作為f、廣角鏡頭的焦點(diǎn)距離作為f2、寬動(dòng)態(tài)攝像單元鏡頭與寬動(dòng)態(tài)攝像單元的焦點(diǎn)的距離作為S1、從寬動(dòng)態(tài)攝像單元鏡頭到第一成像點(diǎn)的焦點(diǎn)距離作為S2、從廣角鏡頭到第一成像點(diǎn)的距離作為S3、從廣角鏡頭到實(shí)物點(diǎn)的距離作為S4，根據(jù)鏡頭的成像公式可以得到以下關(guān)系式 d＝S2+S3(12) 使公式(12)成立條件在距離第一折反射鏡面后的寬動(dòng)態(tài)攝像單元鏡頭距離為d的地方配置廣角鏡頭，將廣角鏡頭配置在第二折反射鏡面的位置上，因此將寬動(dòng)態(tài)攝像單元鏡頭與廣角鏡頭的之間的距離d作為一個(gè)約束條件，通過設(shè)計(jì)廣角鏡頭的焦點(diǎn)距離f2來滿足公式(12)的要求； 將寬動(dòng)態(tài)攝像單元鏡頭與廣角鏡頭作為一個(gè)組合鏡頭來考慮，其焦距f3由下式來表示 另外，將合成鏡頭的直徑作為D，其放大倍數(shù)由下式來表示 為了將合成鏡頭的視場(chǎng)與ODVS的死角部分相吻合，在設(shè)計(jì)合成鏡頭時(shí)滿足以下公式 式中，F(xiàn)2max是二次反射光線V3與折反射主軸Z的最大夾角時(shí)的F2的值，F(xiàn)2min是二次反射光線V3與折反射主軸Z的最小夾角時(shí)的F2的值，s是全方位視覺傳感器的視點(diǎn)。
進(jìn)一步，所述寬動(dòng)態(tài)攝像單元的感光器件采用以寬動(dòng)態(tài)CMOS感光芯片。
本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思為提供了一種寬動(dòng)態(tài)ODVS解決方案，將Pixim的DPS成像技術(shù)集成到ODVS中，使得集成后的寬動(dòng)態(tài)ODVS比采用CCD的ODVS具有優(yōu)異的寬動(dòng)態(tài)效果、色彩真實(shí)還原及高清晰度，尤其是在光線明暗變化復(fù)雜的環(huán)境拍攝的全景視頻圖像。
寬動(dòng)態(tài)CMOS成像器件與CCD成像器件不同，這主要是一個(gè)DPS平臺(tái)，通過在一個(gè)優(yōu)化系統(tǒng)內(nèi)，將圖像捕捉和處理結(jié)合起來，概括地說，DPS技術(shù)的核心發(fā)明是在每個(gè)像素點(diǎn)在捕捉圖像時(shí)將光信號(hào)轉(zhuǎn)換數(shù)字信號(hào)——由模擬到數(shù)字轉(zhuǎn)換ADC(analog-to-digital converter)，這樣使信號(hào)衰減和色度亮度串?dāng)_降到最小，使傳感器為每個(gè)像素提供最佳、獨(dú)立的曝光次數(shù)，一旦數(shù)據(jù)以數(shù)字形式被捕獲，多種多樣的數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)被用于再現(xiàn)最好的圖像。即使在極端照明的條件下的高動(dòng)態(tài)范圍場(chǎng)景，都能拍出還原準(zhǔn)確低噪波的圖像；在一個(gè)單獨(dú)的捕獲視頻圖像內(nèi)，寬動(dòng)態(tài)CMOS成像器件中的每個(gè)像素獨(dú)立地?zé)o破壞性地多次取樣；成像系統(tǒng)決定最佳取樣時(shí)間和存儲(chǔ)像素信息在像素飽和前，并不再保留額外的電荷。寬動(dòng)態(tài)CMOS成像器件是由數(shù)字成像傳應(yīng)器和數(shù)字圖像處理器兩個(gè)部分組成，數(shù)字成像傳應(yīng)器和數(shù)字圖像處理器很像人的眼睛和大腦，雙向?qū)崟r(shí)交互捕獲可能的最高質(zhì)量的圖像。就像人走進(jìn)了黑暗的房子，大腦指揮人的眼睛瞳孔去尋找光亮，數(shù)字圖像處理器載入新的編碼進(jìn)入傳感器不僅改變曝光時(shí)間而且改變實(shí)際圖像捕捉計(jì)算方法。結(jié)果是在特別的圖像特性和光亮條件下，獲得最佳圖像。
每個(gè)像素和一個(gè)數(shù)模轉(zhuǎn)換相配套，因此強(qiáng)光像素降低了暴光量，低光像素相反增加暴光量。這個(gè)特點(diǎn)對(duì)于要獲取全景視頻圖像的ODVS來說具有十分重要的意義；這是因?yàn)橐粋€(gè)CCD傳感器可以調(diào)節(jié)亮景和暗景，但是不能同時(shí)對(duì)兩個(gè)亮度進(jìn)行調(diào)節(jié)。在原先的ODVS中由于采用的是CCD傳感器，當(dāng)我們將原先的ODVS安裝在室內(nèi)時(shí)，得到的曝光效果是不錯(cuò)的，可以比較清晰地獲得室內(nèi)的全景視頻圖像；而當(dāng)我們將ODVS移動(dòng)到室內(nèi)外的交界區(qū)域，ODVS就不能很好的工作，室外的場(chǎng)景出現(xiàn)了過度曝光，不能捕捉到室外面的任何東西。在室外使用中也會(huì)出現(xiàn)類似的問題，比如太陽光的照射是在不斷變化的，在陽光斜射到ODVS上時(shí)ODVS就不能很好的工作，被陽光照射的一側(cè)出現(xiàn)了過度曝光，成像時(shí)表現(xiàn)為白茫茫的一片。相反地，前景的亮物體將淹沒在后景的暗物體。在陰影部分的所有東西變成了黑色。這種情況出現(xiàn)在安防領(lǐng)域，如果可疑的人物躲在陰影下，你就不能夠識(shí)別它。如果強(qiáng)光照射的場(chǎng)景中的細(xì)節(jié)丟失了，就可能失去有價(jià)值的線索。當(dāng)有些不法份子知道視頻監(jiān)控裝置安裝位置時(shí)就會(huì)出現(xiàn)一種可怕的情況，在黑夜中只要將手電光對(duì)準(zhǔn)監(jiān)控裝置，這時(shí)視頻監(jiān)控裝置幾乎處于無效狀態(tài)。上述的情況說明了目前的CCD成像技術(shù)在環(huán)境適應(yīng)性方面的弱點(diǎn)。
人類的眼睛在不同的光照條件下具有自動(dòng)調(diào)節(jié)功能，適用連續(xù)變化的光線，能看到最理想圖像。當(dāng)眼睛看到一幅包含亮光和暗光的場(chǎng)景時(shí)，能夠減少對(duì)強(qiáng)光區(qū)域的敏感度，增加對(duì)黑暗物體和陰影部分的細(xì)節(jié)的敏感度。寬動(dòng)態(tài)ODVS采用一種新的CMOS傳感器技術(shù)，保證了盡管前景是強(qiáng)光的條件下，陰影部分物體仍然清晰可見；強(qiáng)光區(qū)域的物體也不會(huì)消失。
本發(fā)明的有益效果主要表現(xiàn)在在光線明暗交叉處時(shí)，能夠在反差很大的室內(nèi)外場(chǎng)景中清晰地拍攝全景視頻圖像。



圖1為寬動(dòng)態(tài)全方位視覺傳感器結(jié)構(gòu)圖； 圖2為具有兩次折反射的全方位視覺傳感器的光路說明示意圖； 圖3為折反射鏡面曲線的數(shù)字解； 圖4為寬動(dòng)態(tài)攝像單元鏡頭與廣角鏡頭的位置關(guān)系； 圖5為寬動(dòng)態(tài)范圍場(chǎng)景成像原理。

具體實(shí)施例方式 下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述。
參照?qǐng)D1～圖5，一種寬動(dòng)態(tài)全方位視覺傳感器，包括透明外罩2、寬動(dòng)態(tài)CMOS攝像單元1、一次折反射鏡面5、二次折反射鏡面4和廣角鏡頭3，所述透明外罩2呈半球形，所述透明外罩2包括頂面和圓弧底面，所述一次折反射鏡面5安裝在透明外罩2的頂面中部，所述二次折反射鏡面4安裝在所述圓弧底面中央，所述寬動(dòng)態(tài)CMOS攝像單元1位于在所述一次折反射鏡面5的上方的視點(diǎn)處，所述一次折反射鏡面5的中部設(shè)有供寬動(dòng)態(tài)CMOS攝像單元拍攝一次折反射鏡面下面的視頻信息的第一小孔；所述二次折反射鏡面4的中部設(shè)有第二小孔，所述廣角鏡頭3安裝在所述第二小孔內(nèi)；寬動(dòng)態(tài)CMOS攝像單元的鏡頭1、廣角鏡頭3、一次折反射鏡5和二次折反射鏡4的中心軸配置在同一軸心線上。
本實(shí)施例設(shè)計(jì)能實(shí)時(shí)感知半球面以上的所有物點(diǎn)的ODVS，將寬動(dòng)態(tài)CMOS攝像單元1安置在一次折反射鏡面5的后面，寬動(dòng)態(tài)CMOS攝像單元1的鏡頭安置在一次折反射鏡面5的視點(diǎn)處，一次折反射鏡面5的中間留有一個(gè)小孔，寬動(dòng)態(tài)CMOS攝像單元1能通過小孔拍攝到一次折反射鏡面5前面的視頻信息；在一次折反射鏡面5的前面配置有一個(gè)二次折反射鏡面4，二次折反射鏡面4的中部留有一個(gè)小孔，在該小孔中嵌入一個(gè)廣角鏡頭3；全方位視頻信息在一次折反射鏡面5折反射后經(jīng)二次折反射鏡面4進(jìn)行二次折反射，然后通過一次折反射鏡面5的小孔在寬動(dòng)態(tài)CMOS攝像單元1中成像；另外在一次折反射鏡面5正前方的實(shí)物通過廣角鏡頭3在廣角鏡頭與攝像單元鏡頭之間成像，稱為第一成像點(diǎn)，該成像點(diǎn)通過一次折反射鏡面的小孔在攝像單元鏡頭在焦點(diǎn)處成像，通過這樣設(shè)計(jì)后的ODVS消除了在二次折反射鏡面后面的死角部分； 在折反射鏡面曲線的設(shè)計(jì)上，如附圖2所示，空間上的一個(gè)光源點(diǎn)P的入射光V1在主反射鏡面P1(t1，F(xiàn)1)點(diǎn)上進(jìn)行反射，反射光V2反射到二次反射鏡面P2(t2，F(xiàn)2)點(diǎn)上再進(jìn)行反射，反射光V3以角度θ1進(jìn)入寬動(dòng)態(tài)CMOS攝像單元的鏡頭，在寬動(dòng)態(tài)CMOS攝像單元上成像； 根據(jù)成像原理，一次入射光線V1與折反射主軸Z的夾角為Φ，一次反射光線V2與折反射主軸Z的夾角為θ2，過P1點(diǎn)(t1，F(xiàn)1)的切線與t軸的夾角為σ，法線N1與Z軸的夾角為ε；二次反射光線V3與折反射主軸Z的夾角為θ1，過P2點(diǎn)(t2，F(xiàn)2)的切線與t軸的夾角為σ1，法線N2與Z軸的夾角為ε1，基于上述關(guān)系得到公式(1)

其中 式中，F(xiàn)1是一次折反射鏡面曲線，F(xiàn)2是二次折反射鏡面曲線，s是全方位視覺傳感器的視點(diǎn)； 利用三角關(guān)系并進(jìn)行簡(jiǎn)化整理，得到公式(2)、(3) 上式中， 解公式(2)、(3)可以得到公式(4)、(5)； 式中F1′為F1曲線的微分，F(xiàn)2′為F2曲線的微分； 為了使得成像平面上的點(diǎn)與入射角之間具有某種線性關(guān)系，就是要建立一種像素點(diǎn)P到Z軸距離與入射角φ之間的線性關(guān)系，用公式(6)來表示， φ＝a0*P+b0(6) 式中a0、b0是任意參數(shù)， 將攝像單元的焦距作為f，P為像素點(diǎn)到Z軸的距離，在二次反射鏡面上的反射點(diǎn)P2(t2，F(xiàn)2)。則根據(jù)成像原理，P可以由公式(7)表示 將式(7)代入式(6)，可得公式(8)， 滿足公式(8)的鏡面曲線設(shè)計(jì)符合平均角分辨率要求； 根據(jù)折反射原理公式(8)可以用公式(9)表示， 然后對(duì)公式(2)、(3)、(9)，通過4階Runge-Kutta算法求F1和F2的數(shù)字解，這樣計(jì)算得到的一次折反射鏡面和二次折反射鏡面曲線就能實(shí)現(xiàn)平均角分辨率；附圖3是利用4階Runge-Kutta算法求F1和F2的數(shù)字解的圖； 通過上述的ODVS的設(shè)計(jì)，從ODVS的視點(diǎn)來看，由于被二次折反射鏡面所遮擋二次折反射鏡面后面的視頻信息是不可見的；為了獲取二次折反射鏡面后面的視頻信息，本文中在二次折反射鏡面的中心部位開設(shè)了一個(gè)圓孔，在該圓孔內(nèi)嵌入了一個(gè)廣角鏡頭，該廣角鏡頭與攝像裝置鏡頭組合成一個(gè)組合鏡頭，如附圖1所示；附圖4是攝像裝置鏡頭與廣角鏡頭的位置關(guān)系圖； 在附圖4中將廣角鏡頭配置在一次折反射鏡前方的二次折反射鏡面上，寬動(dòng)態(tài)攝像單元鏡頭、廣角鏡頭、一次折反射鏡和二次折反射鏡的中心軸配置在同一軸心線上；通過一次折反射鏡上的圓孔在廣角鏡頭與寬動(dòng)態(tài)攝像單元鏡頭之間成像，稱為第一成像點(diǎn)，該成像點(diǎn)通過寬動(dòng)態(tài)攝像單元鏡頭在視點(diǎn)處成像。這里將寬動(dòng)態(tài)攝像單元鏡頭的焦點(diǎn)距離作為f、廣角鏡頭的焦點(diǎn)距離作為f2、寬動(dòng)態(tài)攝像單元鏡頭與寬動(dòng)態(tài)攝像單元的焦點(diǎn)的距離作為S1、從寬動(dòng)態(tài)攝像單元鏡頭到第一成像點(diǎn)的焦點(diǎn)距離作為S2、從廣角鏡頭到第一成像點(diǎn)的距離作為S3、從廣角鏡頭到實(shí)物點(diǎn)的距離作為S4，根據(jù)鏡頭的成像公式可以得到以下關(guān)系式 d＝S2+S3(12) 要使公式(12)成立的話，也就是在附圖3中的距離第一折反射鏡面后的寬動(dòng)態(tài)攝像單元鏡頭距離為d的地方配置廣角鏡頭，就可以得到附圖4中圖像中部所顯示的廣角成像圖；本發(fā)明中是將廣角鏡頭配置在第二折反射鏡面的位置上，因此將寬動(dòng)態(tài)攝像單元鏡頭與廣角鏡頭的之間的距離d作為一個(gè)約束條件，只有通過設(shè)計(jì)廣角鏡頭的焦點(diǎn)距離f2來滿足公式(12)的要求。
對(duì)于附圖4中將寬動(dòng)態(tài)攝像單元鏡頭與廣角鏡頭作為一個(gè)組合鏡頭來考慮的話，其焦距f3可以由下式來表示 另外，將合成鏡頭的直徑作為D，其放大倍數(shù)可以由下式來表示 為了將合成鏡頭的視場(chǎng)與ODVS的死角部分相吻合，在設(shè)計(jì)合成鏡頭時(shí)需要滿足以下公式 式中，F(xiàn)2max是二次反射光線V3與折反射主軸Z的最大夾角時(shí)的F2的值，F(xiàn)2min是二次反射光線V3與折反射主軸Z的最小夾角時(shí)的F2的值，s是全方位視覺傳感器的視點(diǎn)； 設(shè)計(jì)中選用寬動(dòng)態(tài)CMOS器件和成像透鏡構(gòu)成寬動(dòng)態(tài)攝像單元，根據(jù)F1和F2的數(shù)字解，并結(jié)合考慮合成鏡頭的設(shè)計(jì)條件來最終確定最佳成像透鏡的焦距。
權(quán)利要求
1、一種寬動(dòng)態(tài)全方位視覺傳感器，其特征在于所述的寬動(dòng)態(tài)全方位視覺傳感器包括透明外罩、寬動(dòng)態(tài)CMOS攝像單元、一次折反射鏡面、二次折反射鏡面和廣角鏡頭，所述透明外罩呈半球形，所述透明外罩包括頂面和圓弧底面，所述一次折反射鏡面安裝在透明外罩的頂面中部，所述二次折反射鏡面安裝在所述圓弧底面中央，所述寬動(dòng)態(tài)CMOS攝像單元位于在所述一次折反射鏡面的上方的視點(diǎn)處，所述一次折反射鏡面的中部設(shè)有供寬動(dòng)態(tài)CMOS攝像單元拍攝一次折反射鏡面下面的視頻信息的第一小孔；所述二次折反射鏡面的中部設(shè)有第二小孔，所述廣角鏡頭安裝在所述第二小孔內(nèi)；寬動(dòng)態(tài)CMOS攝像單元的鏡頭、廣角鏡頭、一次折反射鏡和二次折反射鏡的中心軸配置在同一軸心線上。
2、如權(quán)利要求1所述的寬動(dòng)態(tài)全方位視覺傳感器，其特征在于所述折反射鏡面曲線的設(shè)計(jì)如下空間上的一個(gè)光源點(diǎn)P的入射光V1在主反射鏡面P1(t1，F(xiàn)1)點(diǎn)上進(jìn)行反射，反射光V2反射到二次反射鏡面P2(t2，F(xiàn)2)點(diǎn)上再進(jìn)行反射，反射光V3以角度θ1進(jìn)入寬動(dòng)態(tài)CMOS攝像單元的鏡頭，在寬動(dòng)態(tài)CMOS攝像單元上成像；
根據(jù)成像原理，一次入射光線V1與折反射主軸Z的夾角為Φ，一次反射光線V2與折反射主軸Z的夾角為θ2，過P1點(diǎn)(t1，F(xiàn)1)的切線與t軸的夾角為σ，法線N1與Z軸的夾角為ε；二次反射光線V3與折反射主軸Z的夾角為θ1，過P2點(diǎn)(t2，F(xiàn)2)的切線與t軸的夾角為σ1，法線N2與Z軸的夾角為ε1，基于上述關(guān)系得到公式(1)
其中
式中，F(xiàn)1是一次折反射鏡面曲線，F(xiàn)2是二次折反射鏡面曲線，s是全方位視覺傳感器的視點(diǎn)；
利用三角關(guān)系并進(jìn)行簡(jiǎn)化整理，得到公式(2)、(3)
F1′2-2αF1′-1＝0(2)
F2′2-2βF2′-1＝0
(3)
上式中，
解公式(2)、(3)可以得到公式(4)、(5)；
式中F1′為F1曲線的微分，F(xiàn)2′為F2曲線的微分；
為了使得成像平面上的點(diǎn)與入射角之間具有某種線性關(guān)系，就是要建立一種像素點(diǎn)P到Z軸距離與入射角φ之間的線性關(guān)系，用公式(6)來表示，
φ＝a0*P+b0 (6)
式中a0、b0是任意參數(shù)，
將攝像單元的焦距作為f，P為像素點(diǎn)到Z軸的距離，在二次反射鏡面上的反射點(diǎn)P2(t2，F(xiàn)2)。則根據(jù)成像原理，P可以由公式(7)表示
將式(7)代入式(6)，可得公式(8)，
滿足公式(8)的鏡面曲線設(shè)計(jì)符合平均角分辨率要求；
根據(jù)折反射原理公式(8)可以用公式(9)表示，
然后對(duì)公式(2)、(3)、(9)，通過4階Runge-Kutta算法求F1和F2的數(shù)字解，計(jì)算得到的一次折反射鏡面和二次折反射鏡面曲線。
3、如權(quán)利要求1或2所述的寬動(dòng)態(tài)全方位視覺傳感器，其特征在于通過一次折反射鏡上的圓孔在廣角鏡頭與寬動(dòng)態(tài)攝像單元鏡頭之間成像，稱為第一成像點(diǎn)，將寬動(dòng)態(tài)攝像單元鏡頭的焦點(diǎn)距離作為f、廣角鏡頭的焦點(diǎn)距離作為f2、寬動(dòng)態(tài)攝像單元鏡頭與寬動(dòng)態(tài)攝像單元的焦點(diǎn)的距離作為S1、從寬動(dòng)態(tài)攝像單元鏡頭到第一成像點(diǎn)的焦點(diǎn)距離作為S2、從廣角鏡頭到第一成像點(diǎn)的距離作為S3、從廣角鏡頭到實(shí)物點(diǎn)的距離作為S4，根據(jù)鏡頭的成像公式可以得到以下關(guān)系式
d＝S2+S3 (12)
使公式(12)成立條件在距離第一折反射鏡面后的寬動(dòng)態(tài)攝像單元鏡頭距離為d的地方配置廣角鏡頭，將廣角鏡頭配置在第二折反射鏡面的位置上，因此將寬動(dòng)態(tài)攝像單元鏡頭與廣角鏡頭的之間的距離d作為一個(gè)約束條件，通過設(shè)計(jì)廣角鏡頭的焦點(diǎn)距離f2來滿足公式(12)的要求；
將寬動(dòng)態(tài)攝像單元鏡頭與廣角鏡頭作為一個(gè)組合鏡頭來考慮，其焦距f3由下式來表示
另外，將合成鏡頭的直徑作為D，其放大倍數(shù)由下式來表示
為了將合成鏡頭的視場(chǎng)與ODVS的死角部分相吻合，在設(shè)計(jì)合成鏡頭時(shí)滿足以下公式
式中，F(xiàn)2max是二次反射光線V3與折反射主軸Z的最大夾角時(shí)的F2的值，F(xiàn)2min是二次反射光線V3與折反射主軸Z的最小夾角時(shí)的F2的值，s是全方位視覺傳感器的視點(diǎn)。
4、如權(quán)利要求3所述的寬動(dòng)態(tài)全方位視覺傳感器，其特征在于所述寬動(dòng)態(tài)攝像單元的感光器件采用以寬動(dòng)態(tài)CMOS感光芯片。
全文摘要
一種寬動(dòng)態(tài)全方位視覺傳感器，包括透明外罩、寬動(dòng)態(tài)CMOS攝像單元、一次折反射鏡面、二次折反射鏡面和廣角鏡頭，透明外罩呈半球形，透明外罩包括頂面和圓弧底面，一次折反射鏡面安裝在透明外罩的頂面中部，二次折反射鏡面安裝在圓弧底面中央，寬動(dòng)態(tài)CMOS攝像單元位于在一次折反射鏡面的上方的視點(diǎn)處，一次折反射鏡面的中部設(shè)有第一小孔；二次折反射鏡面的中部設(shè)有第二小孔，廣角鏡頭安裝在第二小孔內(nèi)；寬動(dòng)態(tài)CMOS攝像單元鏡頭、廣角鏡頭、一次折反射鏡和二次折反射鏡的中心軸配置在同一軸心線上。本發(fā)明在光線明暗交叉處時(shí)，能夠在反差很大的室內(nèi)外場(chǎng)景中清晰地拍攝無死角的全景視頻圖像。
文檔編號(hào)H04N5/225GK101349799SQ200810120459
公開日2009年1月21日 申請(qǐng)日期2008年8月28日 優(yōu)先權(quán)日2008年8月28日
發(fā)明者湯一平, 楊冠寶 申請(qǐng)人:浙江工業(yè)大學(xué)