[發明專利]雙曲凹面折反射全景相機及其制作方法和應用

有效

• 申請號: 201210255678.5
• 申請日: 2012-07-23
• 公開（公告）號: CN102736396A
• 公開（公告）日: 2012-10-17
• 發明（設計）人: 馮瑩;馬相路;曹毓;趙立雙;李武男
• 申請（專利權）人: 中國人民解放軍國防科學技術大學
• 主分類號: G03B37/00
• 分類號: G03B37/00;G03B17/56;G03B17/17;G06T7/00
• 代理公司: 湖南兆弘專利事務所 43008
• 代理人: 趙洪;楊斌

技術領域

本發明涉及攝像測量、圖像處理和光學設計領域，進一步涉及利用雙曲凹面鏡搭配普通透視相機進行全景成像的相機及其制作和應用。

背景技術

我國修建高速公路起步較晚，修建經驗、水平有限，在已通車的或正在建設中的高速公路上多少都存在著病害，它直接影響到高速公路的質量和正常運營，有些嚴重病害，如路面開裂、下沉、脫空、錯臺、路基變形等，還會直接威脅到高速公路上運行車輛的行車安全。面對如此龐大的公路網絡，與之配套的公路質量監控維護設備也亟待研究和開發。

傳統的公路勘測方法是使用普通透視相機，只能覆蓋有限的角度，若要獲得大范圍的視場，需要架設多個相機同時采集圖像。因此采用折反射式全景成像系統代替普通相機勘測路面，既簡化了系統結構，又節約預算，近年來已受到越來越多的重視和關注。然而，現有的折反射式全景成像系統直接采集到的圖像畸變很大，邊緣分辨率低，若對圖像進行拼接，需要進行逆透視變換，實時處理的計算量大，對計算機硬件提出較高要求。Gaspar?J.等人提出出現了水平等比例鏡（文獻見Constant?resolution?omnidirectional?cameras，收錄于Proceedings?of?Third?Workshop?on?Omnidirectional?Vision，Copenhagen，Denmark(held?with?ECCV02)，2002:27-34），采用該鏡面的全景成像系統在水平場景的成像畸變較小，但是該反射鏡在垂直場景的畸變很大，且構成該鏡面的剖面曲線只有數值解，其中心位置加工難度大，導致全景圖中央位置幾乎沒有成像。

發明內容

本發明要解決的技術問題是克服現有技術的不足，提供一種結構簡單、易于加工裝配、在水平場景和垂直場景上具有較低的畸變、且特別適合用于公路勘測的雙曲凹面折反射全景相機，還相應提供該雙曲凹面折反射全景相機的制作方法及應用。

為解決上述技術問題，本發明提出的技術方案為一種可安裝于車輛平臺進行路面圖像信息采集的雙曲凹面折反射全景相機，所述全景相機包括可安裝于車輛平臺上的底座和安裝于該底座上的普通透視相機，所述普通透視相機的鏡頭前方設有可用于反射路面圖像的雙曲凹面反射鏡，所述雙曲凹面反射鏡的光軸與普通透視相機的光軸重合，所述雙曲凹面反射鏡通過可升降支架連接于所述底座上。

上述的雙曲凹面折反射全景相機中，所述可升降支架優選為三腳支撐架，所述三腳支撐架的三條支撐腿相互平行且垂直于底座布設在所述普通透視相機的周圍，所述三條支撐腿與底座的交點布設于一等邊三角形的三個頂點上，且所述雙曲凹面反射鏡的光軸過該等邊三角形的中心。

上述的雙曲凹面折反射全景相機中，優選的，所述雙曲凹面反射鏡的幾何焦點F距所述普通透視相機的透視中心O的距離滿足使所述全景相機的物象關系曲線接近線性變化。

上述的雙曲凹面折反射全景相機中，所述物象關系曲線優選是通過以下方式確立：以所述普通透視相機的透視中心O為原點、以水平方向為x軸、以豎直方向為z軸建立x-z平面坐標系，此時像平面即為過x軸的水平面，設路面圖像所在的水平場景位于像平面下方的z=－H處，使所述雙曲凹面反射鏡的幾何焦點F位于原點O正上方的z＝h處；設水平場景上某一點D的坐標為（T，－H），源自該點D處的光線經過所述雙曲凹面反射鏡上P點反射后到達像平面，設此時點D在像平面上對應的像點的坐標為（t,0）；在此基礎上根據光路反射原理即可確立出所述物象關系曲線。

上述的雙曲凹面折反射全景相機中，所述普通透視相機優選是通過光學四維調節架安裝于所述底座上，所述四維調節架是指兩維平移調節加兩維角度調節。

作為一個總的技術構思，本發明還提供一種上述雙曲凹面折反射全景相機的制作方法，包括以下步驟：

（1）建立雙曲凹面折反射全景相機模型：

由于本發明的雙曲凹面折反射全景相機是中心對稱成像，因此可以通過以下方式建立雙曲凹面折反射全景相機模型：以所述普通透視相機的透視中心O為原點、以水平方向為x軸、以豎直方向為z軸建立x-z平面坐標系，此時像平面即為過x軸的水平面，設水平場景位于像平面下方的z=－H處，使所述雙曲凹面反射鏡的幾何焦點F位于原點O正上方的z=h處；設水平場景上某一點D的坐標為（T，－H），源自該點D處的光線經過所述雙曲凹面反射鏡上P點反射后到達像平面，設此時點D在像平面上對應的像點的坐標為（t,0）；在此基礎上，建立起點D的x軸坐標T與其像點的x軸坐標之間的關系，繪制出所述雙曲凹面折反射全景相機的物象關系曲線T＝x(t)；