專利名稱：高分辨率實時全景高動態(tài)范圍圖像獲取裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及圖像處理領(lǐng)域和虛擬現(xiàn)實領(lǐng)域，尤其是一種用于獲取360°全景數(shù)字 圖像的裝置。
背景技術(shù)：
目前在全場景高動態(tài)范圍數(shù)字圖像采集裝置中，Jonas Unger, Stefan Gustavson 在文獻(xiàn) High Dynamic Range Video for Photometric Measurement of Illumination 中 設(shè)計了一種利用傳統(tǒng)感光器件CMOS和快速多次曝光技術(shù)相結(jié)合的圖像獲取系統(tǒng)，利用其 采集高速，高質(zhì)量的高動態(tài)范圍(HDR)圖像。該系統(tǒng)使用具有高速并行處理能力和控制邏 輯的輕便片上傳感器和快速百葉窗式快門。由于快門結(jié)構(gòu)的限制，當(dāng)設(shè)備與場景之間有相 對運動時獲取的圖像會出現(xiàn)垂直幕效應(yīng)，使得圖像的質(zhì)量下降。該設(shè)備通過對圓形玻璃 球面的反射光線捕捉來獲得全場景的圖像，所以無法消除拍攝設(shè)備在圖像中的成像，并且 由于設(shè)備及拍攝者在圖像的中間部分，使得有效光線遮擋較多。Jessi Stumpfel, Andrew Jones, Paul Debevec 等在文獻(xiàn) Direct HDR Capture of the Sun and Sky 中設(shè)計了一套 使用標(biāo)準(zhǔn)的商業(yè)數(shù)目相機(jī)配魚眼鏡頭的設(shè)備。通過設(shè)置相機(jī)的快門和光圈，并增加中灰濾 鏡可以通過捕捉七張不同曝光的圖像合成一張HDR圖像。該設(shè)備的缺點在于，魚眼鏡頭的 光學(xué)性質(zhì)使得越靠近圖像邊緣的光線分辨率越低，圖像的畸變越大，而且受相機(jī)的限制無 法獲取高分辨率HDR圖像。
發(fā)明內(nèi)容為了克服現(xiàn)有技術(shù)分辨率不高，圖像畸變嚴(yán)重，動態(tài)范圍不足，實時性差等不足， 本發(fā)明提供一種高分辨率全景實時高動態(tài)范圍圖像采集裝置，與已有的裝置及方法相比， 該裝置可以實時的獲得高分辨率全景高動態(tài)范圍圖像。本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是包括N臺圖像獲取設(shè)備、N個L型支 架和一個工作臺，N> 5 ；各L型支架的呈圓周均勻分布在工作臺上，L型支架的底端固定在 工作臺上；圖像獲取設(shè)備分別固定在L型支架上端，且每臺圖像獲取設(shè)備的鏡頭水平朝向 圓周外側(cè)，每臺圖像獲取設(shè)備鏡頭的光軸延長線向圓周內(nèi)交匯于一點，該點在工作臺的投 影為L型支架所分布圓周的圓心。將第N+1臺圖像獲取設(shè)備置于工作臺上，其鏡頭垂直向 上，鏡頭的光軸延長線通過L型支架所分布圓周的圓心。該裝置置于需拍攝場景的中心位 置。圖像獲取設(shè)備通過數(shù)據(jù)線和控制線與圖像處理工作站連接，由圖像處理工作站對圖像 獲取設(shè)備進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，連續(xù)快門同步以觸發(fā)獲取圖像，將獲取圖像存儲在圖像處理工作 站中并合成一張高分辨率全景高動態(tài)范圍圖像。所述的圖像獲取設(shè)備配置一枚水平視角大于等于150°的超廣角鏡頭，以減少圖 像獲取設(shè)備數(shù)量，縮小裝置體積。每臺圖像獲取設(shè)備的垂直視角大于等于100°，水平放置 的N臺數(shù)字相機(jī)的視角重疊須大于等于14°以利于后期圖像處理，水平放置的圖像獲取設(shè) 備與第N+1臺圖像獲取設(shè)備的視角重疊大于等于20°。
3[0006]所述的圖像獲取設(shè)備采用分辨率大于等于1230萬像素的數(shù)字相機(jī)。通過9000mA/h，7.4V電源模塊為圖像獲取設(shè)備供電，使得一次完全充電后數(shù)字相 機(jī)的連續(xù)拍攝圖像數(shù)量不少于6600張。使用按照圖像獲取設(shè)備底座形狀加工的底座和L形支架快速穩(wěn)定的固定相機(jī)。本發(fā)明工作時包括以下步驟(1)將所述的高分辨率全景實時高動態(tài)范圍圖像采集裝置放置在所攝對象中心位置。(2)使用任意一臺圖像獲取設(shè)備進(jìn)行測光，自動獲取當(dāng)前場景正確曝光的光 圈快門參數(shù)，以此作為其他相機(jī)的正確光圈快門參數(shù)。對于所有的圖像獲取設(shè)備，以正 確曝光數(shù)據(jù)為中心基準(zhǔn)，自動生成9組具有相同間隔曝光值(EV)的光圈快門參數(shù)序列 (-8/3EV, -2EV, -4/3EV, -2/3EV,0EV, +2/3EV, +4/3EV, +2EV, +8/3EV)。(3)以獲得的光圈快門參數(shù)序列對圖像獲取設(shè)備進(jìn)行快門觸發(fā)，獲取多幅不同曝 光參數(shù)和拍攝角度的圖像并進(jìn)行存儲。(4)對步驟(3)獲得的圖像進(jìn)行校正，并且將校正后同一曝光參數(shù)下不同拍攝角 度的圖像進(jìn)行拼接，得到多幅不同曝光參數(shù)的全景圖。(5)通過多幅不同曝光參數(shù)的全景圖合成一張高分辨率全景高動態(tài)范圍圖像。校正的方法是用圖像獲取設(shè)備拍攝棋盤格標(biāo)定板，提取獲得圖像中的harris角 點作為圖像特征點。根據(jù)棋盤格的物理尺寸和形狀得到校正后的理論特征點。根據(jù)透鏡畸 變的原理，通過最小化二乘誤差可以求解出圖像獲取設(shè)備線性畸變系數(shù)。根據(jù)此系數(shù)可以 校正相機(jī)拍攝到的圖像。拼接的方法是將校正好的圖像根據(jù)圖像獲取設(shè)備之間的相對位置關(guān)系，把圖像按 空間關(guān)系并利用泊松融合法拼接在一起，得到一個無底面的N棱柱型圖像。本發(fā)明的有益效果是本發(fā)明可以獲取分辨率高達(dá)4000萬像素以上的全景圖像， 實時生成無畸變的HDR圖像，可以獲得分辨率為1024*768的高清全場景視頻。該發(fā)明裝置 有較強(qiáng)的機(jī)動性，適合野外長時間工作。由于N(N>5)臺圖像獲取設(shè)備在20秒內(nèi)獲得了 至少9*N幅圖像，相比現(xiàn)有技術(shù)，通過圖像處理軟件可以實時獲得高動態(tài)范圍圖像。
以下結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進(jìn)一步說明。

圖1是本發(fā)明采集裝置的示意圖；圖2是D5000相機(jī)支撐底座；圖3是采集裝置底座圓盤；圖4是L型支架；圖5是全景圖幾何構(gòu)成示意圖；圖6是圖像獲取單元分布圖。
具體實施方式
裝置實施例1、將5套數(shù)字單反相機(jī)單元包括分辨率為1230萬像素的尼康D5000數(shù)字單反相機(jī)和尼康A(chǔ)F DX Fisheye-Nikkor 10. 5mm/z. 8G ED鏡頭并安裝在按照相機(jī)底部形狀加工的 鋁合金底座上(圖2)。2、將相機(jī)單元固定在鋁合金的L型支架(圖1)的長邊，將L支架的短邊均勻的固 定在圓形的鋁合金工作臺(圖3)上，使得相機(jī)單元水平方向間隔72°呈放射性布設(shè)并固定 在臺面上，鏡頭朝向周邊，每臺相機(jī)的光軸延長線向內(nèi)交與一點，該點在圓形工作臺的投影 為其圓心。3、將第六套數(shù)字單反相機(jī)單元置于圓形工作臺中心，其鏡頭向上，其光軸延長線 通過圓形工作臺的圓心。將整個工作臺固定在百諾A-457M8三角架上。每臺相機(jī)的垂直視 角為100°，水平放置的5臺相機(jī)的視角重疊為14°，水平放置相機(jī)與第六臺相機(jī)的視角重 疊最小為20°。4、使用5組，每組由8顆三洋18650電芯通過兩串四并的方式組成電壓為7. 4V，容 量為9600毫安的供電單元為每個相機(jī)單元供電，可保證每個相機(jī)單元持續(xù)拍攝6400以上 張圖像。5、數(shù)字單反相機(jī)單元通過USB數(shù)據(jù)線與全景圖像處理工作站DELL M6500連接。本發(fā)明工作時由本發(fā)明中的控制軟件對相機(jī)進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，快門觸發(fā)，同步獲取 圖像，包括以下步驟1、將所述的高分辨率全景實時高動態(tài)范圍圖像采集裝置放置在所攝對象中心位置。2、隨機(jī)選擇一臺D5000相機(jī)進(jìn)行測光，自動獲取當(dāng)前場景正確曝光的光圈快 門等參數(shù)，以此作為其他相機(jī)的正確光圈快門等參數(shù)。對于所以的圖像獲取設(shè)備，以 正確曝光數(shù)據(jù)為中心基準(zhǔn)，自動生成9組具有相同間隔曝光值(EV)的曝光參數(shù)序列 (-8/3EV, -2EV, -4/3EV, -2/3EV,0EV, +2/3EV, +4/3EV, +2EV, +8/3EV)。3、通過同步控制模塊，以上述曝光參數(shù)序列對相機(jī)進(jìn)快門行觸發(fā)，獲取圖像并存 儲在圖像處理工作站中。一個場景的拍攝可以獲得64張圖像。4、使用每組相機(jī)單元拍攝5*5的棋盤格，采用harris角點檢測算法提取棋盤格的 角點作為圖像特征點(Xi，yi)i = 1,2. ... 36。以左上角圖像特征點為基準(zhǔn)，根據(jù)棋盤格的物 理尺寸和形狀得到校正后的理論特征點(^；，乂)i = 1，2. . . . 36。δ χ，δ y是非線性形變值δ χ (χ, y) = klX (x2+y2) + (P1 (3x2+y2) +2p2xy) +S1 (x2+y2)δ y (χ，y) = k2x (x2+y2) + (P2 (3x2+y2) +2p2xy) +S2 (x2+y2)其中第一項成為徑向畸變系數(shù)，第二項為離心畸變，第三項為薄棱鏡畸變，式中的 k1 k2，Pl, p2, S1, S2稱為線性畸變系數(shù)。根據(jù)畸變的原理Sx(x,y) = x-xsy(x,y) = y-y將36對點的坐標(biāo)帶入方程，通過最下化二乘誤差可以求解出每臺相機(jī)的線性畸 變系數(shù)。根據(jù)系數(shù)對每臺相機(jī)獲得的畸變圖像進(jìn)行校正。隨后對圖像進(jìn)行拼接，拼接過程 根據(jù)六個照相機(jī)之間的相對位置關(guān)系，對圖像進(jìn)行幾何拼接，得到一個無底面的五棱柱，再 將五棱柱面上的圖像投影到球面，完成全景圖像拼接。[0043]5、合成HDR圖像。HDR合成過程是利用多幅同一場景不同曝光的圖像，恢復(fù)成像系統(tǒng)的光照響應(yīng)曲 線，用以獲得相機(jī)曝光量和圖像像素值之間的映射關(guān)系，進(jìn)而將上述序列圖像融合成一幅 該場景的HDR圖像。HDR圖像記錄了光線的RGBE值，可以真實的反映自然環(huán)境光照的相關(guān) 信息。我們首先通過一個圖像序列計算出光照響應(yīng)函數(shù)，再逐像素恢復(fù)真實光照的強(qiáng)度值， 最后對圖像進(jìn)行不同密度的圖像采樣。
權(quán)利要求1.一種高分辨率實時全景高動態(tài)范圍圖像獲取裝置，包括N+1臺圖像獲取設(shè)備、N個 L型支架和一個工作臺，N > 5，其特征在于各L型支架的呈圓周均勻分布在工作臺上，L 型支架的底端固定在工作臺上；N臺圖像獲取設(shè)備分別固定在L型支架上端，且每臺圖像獲 取設(shè)備的鏡頭水平朝向圓周外側(cè)，每臺圖像獲取設(shè)備鏡頭的光軸延長線向圓周內(nèi)交匯于一 點，該點在工作臺的投影為L型支架所分布圓周的圓心；將第N+1臺圖像獲取設(shè)備置于工作 臺上，其鏡頭垂直向上，鏡頭的光軸延長線通過L型支架所分布圓周的圓心；該裝置置于需 拍攝場景的中心位置；圖像獲取設(shè)備通過數(shù)據(jù)線和控制線與圖像處理工作站連接，由圖像 處理工作站對圖像獲取設(shè)備進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，連續(xù)快門同步以觸發(fā)獲取圖像，將獲取圖像存 儲在圖像處理工作站中并合成一張高分辨率全景高動態(tài)范圍圖像。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高分辨率實時全景高動態(tài)范圍圖像獲取裝置，其特征在于 所述的圖像獲取設(shè)備配置一枚水平視角大于等于150°的超廣角鏡頭，每臺圖像獲取設(shè)備 的垂直視角大于等于100°，水平放置的N臺數(shù)字相機(jī)的視角重疊須大于等于14°，水平放 置的圖像獲取設(shè)備與第N+1臺圖像獲取設(shè)備的視角重疊大于等于20°。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高分辨率實時全景高動態(tài)范圍圖像獲取裝置，其特征在于 所述的圖像獲取設(shè)備采用分辨率大于等于1230萬像素的數(shù)字相機(jī)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高分辨率實時全景高動態(tài)范圍圖像獲取裝置，其特征在于 采用9000mA/h，7. 4V電源模塊為圖像獲取設(shè)備供電。
專利摘要本實用新型公開了一種高分辨率實時全景高動態(tài)范圍圖像獲取裝置，將N臺圖像獲取設(shè)備通過L型支架固定在工作臺上，且每臺設(shè)備的鏡頭水平朝向圓周外側(cè)，鏡頭的光軸延長線向圓周內(nèi)交匯于L型支架分布圓周的圓心；將第N+1臺圖像獲取設(shè)備鏡頭垂直向上置于工作臺上，鏡頭的光軸延長線通過所述圓心；該裝置置于需拍攝場景的中心位置；圖像獲取設(shè)備與圖像處理工作站連接，由圖像處理工作站對圖像獲取設(shè)備進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，連續(xù)快門同步觸發(fā)以獲取圖像，將獲取圖像合成一張高分辨率全景高動態(tài)范圍圖像。本實用新型可以獲取高分辨率全景圖像，實時生成無畸變的HDR圖像，可以獲得高清全場景視頻。
文檔編號H04N5/225GK201788354SQ20102029812
公開日2011年4月6日 申請日期2010年8月19日 優(yōu)先權(quán)日2010年8月19日
發(fā)明者吳文杰, 周果清, 李磊, 王慶, 紀(jì)超, 肖照林 申請人:西北工業(yè)大學(xué)