專利名稱：一種球面全景監(jiān)控裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于視頻監(jiān)控領(lǐng)域，尤其是一種球面全景監(jiān)控裝置。
背景技術(shù)：
單鏡頭產(chǎn)品，如云臺(tái)攝像機(jī)等，是當(dāng)今監(jiān)控領(lǐng)域中，最為普遍使用的監(jiān)控前端設(shè) 備。但云臺(tái)攝像機(jī)雖然能夠通過電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)攝像機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)朝向不同的方向，從而覆蓋攝 像機(jī)下方幾乎每一個(gè)角落。但是由于其固有的特點(diǎn)，也存在著一定的局限，那就是同一時(shí) 刻，能夠看到的范圍是很有限的。很明顯，這是由于攝像機(jī)的視場角有限所導(dǎo)致的，通常一 個(gè)普通的一體化攝像機(jī)，最大可視角度在60°左右，這樣覆蓋的面積是很有限的。當(dāng)攝像機(jī) 固定觀察某一區(qū)域時(shí)，其它區(qū)域很顯然是無法同時(shí)兼顧，這樣就出現(xiàn)了盲區(qū)。同時(shí)云臺(tái)攝像 機(jī)又存在很多根本轉(zhuǎn)動(dòng)不到的盲區(qū)。為了彌補(bǔ)這一問題，就需要加裝更多的，定點(diǎn)攝像機(jī)、云臺(tái)攝像機(jī)，以保證需要監(jiān) 控的位置能同時(shí)受到監(jiān)控，但是這樣，同時(shí)也給后端操作帶來的很多不便，因?yàn)橐滞ǖ里@ 示。要不斷的控制云臺(tái)，而且云臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)需要一定的延時(shí)。為了解決視場角問題，又有一種方案應(yīng)運(yùn)而生，即多定焦攝像機(jī)拼接。多攝像機(jī)拼 接，采用的多個(gè)定點(diǎn)攝像機(jī)，分別朝向不同的方向，通過其拍攝方向的幾何關(guān)系以及計(jì)算圖 像的邊界連接情況，將多個(gè)攝像機(jī)拍攝的圖像拼接成一副完整的全景圖像。這樣拼接出的 圖像，能達(dá)到預(yù)期的全景拍攝的目的，但焦距固定，所觀測的范圍有限，不能隨場景的變化 自動(dòng)的聚焦。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種球面全景監(jiān)控裝置，雖然類似于多攝像機(jī)拼接，但此拼接所用 的攝像機(jī)鏡頭是均勻分布在一個(gè)半球面上的19個(gè)變焦鏡頭，變焦鏡頭的視場角是水平和 垂直在36°到60°之間變化，所以只要拼接算法得當(dāng)，就能用最少的視頻輸入，拼接出一 個(gè)球面全景圖像。同時(shí)也能通過調(diào)節(jié)不同位置攝像機(jī)的焦距來獲得不同曲面的圖像，依需 要可以得到不同的曲度的曲面圖像，如半球面、半凹面、半橢球面等等。曲面間的變化是平 滑的，即通過變化焦距可得到所有空間曲面。解決了上述傳統(tǒng)定點(diǎn)攝像機(jī)、云臺(tái)攝像機(jī)視 場角小，無法同時(shí)覆蓋監(jiān)控所有角落的缺陷。本系統(tǒng)可以通過視頻切換，單獨(dú)顯示每個(gè)攝像 機(jī)的視頻。也可以工作在全景采集工作模式下。全景采集包括符合人的視覺觀測感受的3 種方法水平180°、垂直180°半球全景顯示；水平180°、垂直60°水平全景顯示；水平 180°、垂直180°任意曲面全景顯示即1)通過半球面攝像機(jī)，即分布在半球面上的19個(gè)攝像機(jī)采集圖像，并對其進(jìn)行 圖像拼接，得到球面水平180°，垂直180°球面全景圖像。其特點(diǎn)也是在拼接的過程中完 全是實(shí)時(shí)的。即顯示的圖像是連續(xù)的，沒有延時(shí)。2)通過水平5個(gè)攝像機(jī)采集圖像，并對其進(jìn)行圖像拼接。得到一個(gè)水平180°，垂 直60°水平半球全景圖像。其特點(diǎn)是拼接的過程中完全是實(shí)時(shí)的，同時(shí)也符合人的視覺感受。3)通過半球面攝像機(jī)，即分布在半球面上的19個(gè)攝像機(jī)的焦距的變化，擬合出 一個(gè)隨焦距變化的任意半球曲面，把圖像拼接的結(jié)果投影到該曲面上，得到水平180°，垂 直180°任意曲面全景圖像。其特點(diǎn)是拼接的曲面是任意多變的，能達(dá)到實(shí)時(shí)顯示多角度拼 接的視頻效果。水平180°，垂直180°球面全景圖像能實(shí)時(shí)的提供給監(jiān)控人員使用，解決 了傳統(tǒng)定點(diǎn)攝像機(jī)、云臺(tái)攝像機(jī)視角小的局限性，以及當(dāng)前很多新的全景監(jiān)控解決方案細(xì) 節(jié)不足的問題。本裝置的這一特點(diǎn)是傳統(tǒng)的定點(diǎn)攝像機(jī)、云臺(tái)攝像機(jī)所不能比擬的。為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用下述技術(shù)方案。一種球面全景監(jiān)控裝置，其特征在于包括19個(gè)變焦攝像機(jī)組合成的半球面攝像 機(jī)、全景采集模塊。而且，各個(gè)模塊之間的連接方式是全景采集模塊通過半球面攝像機(jī)采集前端視 頻，再通過視頻拼接傳給后端監(jiān)視器進(jìn)行顯示。后端的控制信號(hào)傳給半球面攝像機(jī)和采集 模塊，并控制半球面上每個(gè)攝像機(jī)的焦距、視頻的采集方式以及視頻是否需要拼接等功能 的實(shí)現(xiàn)。而且，所述的半球面中各個(gè)攝像機(jī)的鏡頭方向，是預(yù)先規(guī)定的，不可調(diào)節(jié)。并且每 兩個(gè)鏡頭之間的夾角也是定值。其中最小不可小于180/(5X鏡頭的最小視場角)。而且，每個(gè)鏡頭的焦距可調(diào)節(jié)?？赏ㄟ^控制信號(hào)進(jìn)行控制。而且，半球面的大小可依攝像機(jī)的尺寸而定，以確保19個(gè)攝像機(jī)能均勻分布，并 且不互相遮擋。攝像機(jī)最好選用同一型號(hào)。本發(fā)明的有益效果在于本發(fā)明利是用19個(gè)定點(diǎn)變焦攝像機(jī)拍攝整個(gè)半球面并實(shí)時(shí)拼接成全景的方法， 視場角的范圍可以擴(kuò)展到整個(gè)半球面。不僅集成了定點(diǎn)攝像機(jī)、云臺(tái)攝像機(jī)的功能，還在顯 示的角度上彌補(bǔ)了以上產(chǎn)品的不足。是同類其它產(chǎn)品所不具備的。


圖1是本發(fā)明的系統(tǒng)框圖；圖2是本發(fā)明的半球面攝像機(jī)示意圖；圖3是本發(fā)明的全景采集模塊組成框圖；圖4是本發(fā)明的視頻處理芯片框圖；圖5是本發(fā)明的流程圖；圖6是本發(fā)明的水平180°全景采集模塊組成框圖；
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合附圖對本發(fā)明實(shí)施例做進(jìn)一步詳述下面結(jié)合附圖對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)描述。如圖1所示，本發(fā)明為一種球面全景監(jiān)控裝置，包括半球面攝像機(jī)101 (由19個(gè) 可變焦攝像機(jī)組成)、全景采集模塊102。半球面攝像機(jī)101，如圖2所示，由19個(gè)可變焦攝像機(jī)組成，攝像機(jī)的型號(hào)為 S0NY-FCB-480，其中每個(gè)攝像機(jī)的變焦、變倍、白平衡等參數(shù)可調(diào)。進(jìn)行全景顯示時(shí)攝像機(jī)
4各個(gè)參數(shù)，除變焦參數(shù)外必須保持一致。19個(gè)攝像機(jī)均勻等距分布在圖2所示的半球面上， 之間的夾角為36°。半球面攝像機(jī)立體圖形和平面圖形中19個(gè)攝像機(jī)的位置是一一對應(yīng) 的。如圖2所示，以其中一個(gè)攝像機(jī)為例，指出攝像機(jī)平面圖形和立體圖形的對照關(guān)系。模塊102，如圖3所示，由視頻處理芯片(三片DM648)，外部存儲(chǔ)器，視頻A/D和視 頻D/A，控制信號(hào)模塊，以及網(wǎng)絡(luò)輸出模塊組成。視頻采集模塊通過視頻A/D采集攝像機(jī)圖 像，然后依照控制信號(hào)模塊接收的控制命令(如水平180°顯示、半球面顯示等)對圖像 進(jìn)行相應(yīng)的矯正和拼接后，通過視頻D/A將視頻回傳給監(jiān)控中心，由監(jiān)控中心監(jiān)視器進(jìn)行 顯示。也可不通過視頻D/A，而是把拼接后的圖像數(shù)據(jù)在DSP中進(jìn)行編碼和壓縮，然后通過 網(wǎng)絡(luò)傳輸給后端。相比傳統(tǒng)云臺(tái)攝像機(jī)，本發(fā)明能夠通過控制半球面攝像機(jī)101中的各個(gè) 定點(diǎn)攝像機(jī)的焦距，采集到不同物距的半球全景視頻。其中，模塊102中的視頻處理芯片的組成如圖4所示，由DM648 (1)、DM648 (2)、 DM648 (3)三片DSP組成，其中DSP的型號(hào)為DM648。1 8路攝像機(jī)采集的視頻經(jīng)過視頻A/ D處理后，通過DM648(1)的8個(gè)視頻口進(jìn)入，DM648(1)按照控制信號(hào)的控制命令(如水平 180°顯示、半球面顯示等)對這8路視頻圖像進(jìn)行拼接，再把拼接的結(jié)果通過視頻輸出端 口傳給DM648 (3)，同樣的9 16路攝像機(jī)采集的視頻經(jīng)過視頻A/D處理后，通過DM648 (2) 的8個(gè)視頻口進(jìn)入，DM648(2)按照控制信號(hào)的控制命令(如水平180°顯示、半球面顯示 等)對這8路視頻圖像進(jìn)行拼接，再把拼接的結(jié)果通過視頻輸出端口傳給DM648 (3)。17 19路攝像機(jī)采集的視頻經(jīng)過視頻A/D處理后，通過DM648(3)的3個(gè)視頻口進(jìn)入，DM648 (3) 按照控制信號(hào)的控制命令(如水平180°顯示、半球面顯示等)對這3路視頻圖像，連同 DM648(1)和DM648(2)的拼接結(jié)果一起進(jìn)行拼接，得出的全景視頻通過DM648 (3)的視頻輸 出端口傳給下一個(gè)模塊。作為一種全景采集裝置，在外部控制信號(hào)的控制下可以有多種顯示模式，如圖5 所示，其顯示模式包括單獨(dú)顯示一路視頻顯示、半球全景顯示、水平全景顯示、任意曲面全 景顯示等4種全景顯示模式。第一種，單獨(dú)顯示一路視頻。如圖5所示，如果選擇單獨(dú)顯示一路視頻，則單路攝像機(jī)的原始視頻直接進(jìn)行視 頻顯示。第二種，半球全景顯示。如圖5所示，如果選擇半球全景顯示，則在球面全景采集模式下，全景采集模塊 102根據(jù)設(shè)定，對從101半球面攝像機(jī)發(fā)來的視頻圖像進(jìn)行相應(yīng)攝像機(jī)的平面矯正，即 把各個(gè)攝像機(jī)的圖像投影到該攝像機(jī)所在的平面上，再根據(jù)101半球面攝像機(jī)的整體曲 率，分別對每個(gè)攝像機(jī)進(jìn)行平面矯正，再把矯正后的圖像反投影到大球面上，為后面的圖 像拼接做準(zhǔn)備。然后把所有投影到大球面上的圖像進(jìn)行圖像拼接。同時(shí)也考慮到邊界圖 像的邊界拼接問題，必要時(shí)會(huì)對圖像做一定的拉伸、裁剪等變換。本實(shí)施例采用的拼接方 法是由Richard Szeliski提出的，采用Levenberg-Marquardt迭代非線性最小化方法 (Richard Szeliski, Video mosaics for virtual environments. Computer Graphicsand Applications, IEEE, Mar 1996. Volume :16，Issue :2，pp. 22-30.)，以下簡稱 L-M 算法。如 果選擇進(jìn)行半球圖像拼接，顯示拼接后的半球全景圖像，否則，顯示進(jìn)行相應(yīng)攝像機(jī)的平面 矯正，而不進(jìn)行拼接的半球全景圖像。
第三種，水平全景顯示。如圖5所示，如果選擇水平全景顯示，則在水平180°垂直60°水平全景顯示模式 下全景采集模塊102根據(jù)設(shè)定，對從101半球面攝像機(jī)水平面上的5個(gè)攝像機(jī)發(fā)來的視頻 圖像進(jìn)行相應(yīng)攝像機(jī)的平面矯正，如圖6所示，攝像機(jī)的視場角覆蓋了整個(gè)半平面。再根據(jù) 101半球面攝像機(jī)的整體曲率，再把矯正后的圖像反投影到大球面上，為后面的圖像拼接做 準(zhǔn)備。然后把所有投影到大球面上的圖像用L-M算法進(jìn)行圖像拼接。同時(shí)也考慮到邊界圖 像的邊界拼接問題，必要時(shí)會(huì)對圖像做一定的拉伸、裁剪等變換。如果選擇進(jìn)行水平圖像拼 接，顯示拼接后的水平全景圖像，否則，顯示進(jìn)行相應(yīng)攝像機(jī)的平面矯正，而不進(jìn)行拼接的 水平全景圖像。第四種，任意曲面全景顯示。如圖5所示，如果選擇任意曲面全景顯示，則在任意曲面全景采集模式下，全景采 集模塊102根據(jù)設(shè)定，對從101半球面攝像機(jī)發(fā)來的視頻圖像進(jìn)行相應(yīng)攝像機(jī)的平面矯正， 即把各個(gè)攝像機(jī)的圖像投影到該攝像機(jī)所在的平面上，由于101中攝像機(jī)的焦距不同，所 以拼接出的并不是一個(gè)規(guī)則的半球圖像，而是依攝像機(jī)的焦距而定的一個(gè)任意曲面。在拼 接之前我們要通過各個(gè)攝像機(jī)的焦距信息建立一個(gè)空間曲面模型。該模型由19個(gè)攝像機(jī) 的焦距擬合而成。由于每個(gè)攝像機(jī)又與6個(gè)其它的攝像機(jī)相鄰，所以曲面的形狀由這六個(gè) 相鄰的攝像機(jī)的焦距和它本身的焦距所決定，問題就轉(zhuǎn)變成由一個(gè)六棱錐擬合成一個(gè)曲面 的問題。當(dāng)所有的攝像機(jī)都按照此類方法反投影之后，對所有投影圖像用L-M算法進(jìn)行圖 像拼接。必要時(shí)會(huì)對圖像做一定的拉伸、裁剪等變換。如果選擇進(jìn)行任意曲面圖像拼接，顯 示拼接后的任意曲面全景圖像，否則，顯示進(jìn)行相應(yīng)攝像機(jī)的平面矯正，而不進(jìn)行拼接的任 意曲面全景圖像。對于攝像機(jī)的選擇，可以使用普通變焦攝像機(jī)，視場角在36°到60°范圍內(nèi)可 調(diào)。如果產(chǎn)品的應(yīng)用場所對中間的觀測距離要求較高，四周的觀測距離要求相對較低，并且 考慮降低成本，可以在101半球面的邊緣選擇定焦鏡頭，同時(shí)所成的曲面為一個(gè)橢球面。 四周的物體依然能看見，只是距離有一定的限制。這種球面全景監(jiān)控裝置，能夠?qū)崿F(xiàn)傳統(tǒng)云臺(tái)攝像機(jī)的所有功能，同時(shí)也能實(shí)現(xiàn)半 球面全景攝像機(jī)實(shí)時(shí)顯示的功能，使得監(jiān)控前端的應(yīng)用變得更加靈活。而且其全景拍攝的 區(qū)域可以隨用戶需要進(jìn)行靈活調(diào)整。其全景采集的靈活性大大增強(qiáng)，能夠滿足不同全景監(jiān) 控的需求。需要強(qiáng)調(diào)的是，本發(fā)明所述的實(shí)施例是說明性的，而不是限定性的，因此本發(fā)明并 不限于具體實(shí)施方式
中所述的實(shí)施例，凡是由本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明的技術(shù)方案得出 的其他實(shí)施方式，同樣屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。
權(quán)利要求
1.一種球面全景監(jiān)控裝置，其特征在于包括19個(gè)變焦攝像機(jī)組合成的半球面攝像 機(jī)、全景采集模塊。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種球面全景監(jiān)控裝置，其特征在于各個(gè)模塊之間的連接方 式是全景采集模塊通過半球面攝像機(jī)采集前端視頻，再通過視頻拼接傳給后端監(jiān)視器進(jìn) 行顯示。后端的控制信號(hào)傳給半球面攝像機(jī)和采集模塊，并控制半球面上每個(gè)攝像機(jī)的焦 距、視頻的采集方式以及視頻是否需要拼接等功能的實(shí)現(xiàn)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種球面全景監(jiān)控裝置，其特征在于，所述的半球面中各個(gè) 攝像機(jī)的鏡頭方向，是預(yù)先規(guī)定的，不可調(diào)節(jié)。并且每兩個(gè)鏡頭之間的夾角也是定值。其中 最小不可小于180/(5 X鏡頭的最小視場角)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種球面全景監(jiān)控裝置，其特征在于，每個(gè)鏡頭的焦距可調(diào) 節(jié)?？赏ㄟ^控制信號(hào)進(jìn)行控制。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種球面全景監(jiān)控裝置，其特征在于，半球面的大小可依攝 像機(jī)的尺寸而定，以確保19個(gè)攝像機(jī)能均勻分布，并且不互相遮擋。攝像機(jī)最好選用同一 型號(hào)。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種多變焦鏡頭拼接的球面全景監(jiān)控裝置，其主要技術(shù)特征在于，除了具備傳統(tǒng)定點(diǎn)攝像機(jī)的變焦變倍所有功能外，還具備有能夠通過分布在同一個(gè)球面上的各個(gè)變焦鏡頭模擬人眼的聚焦能力通過圖像拼接，獲取全景圖像信息的功能。根據(jù)捕獲圖像的距離和鏡頭的視場角來決定各個(gè)鏡頭的分布，就能捕獲水平180°垂直180°的半球面全景圖像，及任意半球曲面圖像。大大提高了云臺(tái)攝像機(jī)使用靈活性，同時(shí)其全景采集功能也克服了傳統(tǒng)云臺(tái)視場角小的缺點(diǎn)。
文檔編號(hào)H04N7/18GK102117008SQ200910245190
公開日2011年7月6日 申請日期2009年12月30日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月30日
發(fā)明者馬玉珍 申請人:天津市亞安科技電子有限公司