全景成像系統

隨著圖像感測技術和數字圖像處理技術的發展， 對傳統的光學成像系統提出了更高的挑戰，在越來越多的應用領域光學系統不僅僅需要高解析度、高質量的圖像，同時還需要有很大的視場，這就產生了全景成像系統。

全景圖像是一種全新的圖像信息組織模式，採用實景圖像作為數據源，並通過專門設計的成像裝置，視場角可以達到水平方向360°和垂直方向大於240°。其可以表達完整的周圍環境信息，相當於人們從一個固定點向四周轉一圈所看到的景象。全景成像方法能實時地傳輸周圍環境的信息，並且有足夠的時間來進行後期的視頻圖像處理和系統分析。

圖1 果蠅的複眼結構

近年來CCD 成像技術和圖像處理技術飛速發展，使全向視覺系統在移動機器人、戰車導航、場景監控、視頻會議、遠程教育和外部空間探測等領域被廣泛投入應用。由此可見，全向視覺系統的優勢是顯著的

按照結構的不同，全向視覺系統可以分成以下四類：旋轉成像系統、多攝像頭系統、魚眼鏡頭系統、折反射系統。

下面對四種系統的各自特點做簡要描述。

一，旋轉成像

旋轉成像是用普通攝像機通過光心的垂直軸旋轉，在旋轉中獲取不同角度的多幅圖像,然後將這些圖像拼接，獲得全景的視覺信息。該方法的缺點是旋轉攝像機需要一定的時間，並且通過計算機合成全景圖也需要較長的時間，不適用於動態場景的成像。

圖3 旋轉攝像機系統成像示意圖

二，多攝像頭成像

因些在獲取動態場景信息時，人們通常採用多個攝像機分別朝各個方向同步拍攝。最後將同步採集的圖像用計算機處理，生成實時動態的全景圖。但由於條件的限制，安裝時不同攝像機的光心不可能重合，導致生成的圖像不能滿足單一視點的要求。另外，該成像方法成本高，系統也複雜，圖像的融合過程耗費大量的計算時間。

圖4 多攝像頭成像系統實例

三，魚眼鏡頭成像

所謂魚眼鏡頭，就是取代普通透鏡和攝像機相連的透鏡。魚眼鏡頭由於焦距非常短，使魚眼鏡頭攝像機可以觀察到接近半球面內的物體，這樣視場角就接近度，可以獲取大視場的圖像。但這種成像存在較大的圖像畸變，且畸變模型不滿足透視投影條件，無法從獲取的圖像中映射出無畸變的透視投影圖像同時視場角越大，光學系統越複雜，從而造價也越昂貴。並且這類系統的結構相當複雜，不少應用了片以上的透鏡和高質量的特光學材料，設計難度大，加工和裝配的高求比較高。

如圖5所示為尼康公司在世界影像博覽會上發布的尼康魚眼「尼克爾（Nikkor）」鏡頭該鏡頭一共有9組12個鏡片，重5.22 kg，焦距6mm，光圈f/2.8，220度廣角，是歷史上視角最廣的廣角鏡頭。如圖6所示是在魚眼鏡頭下的大海和天空。

圖5 魚眼鏡頭實例 圖6 應用魚眼鏡頭拍攝的天空

四，折反射系統成像

折反射式全方位視覺是當前應用十分廣泛的全方位視覺系統。其主要由反射鏡面和單孔攝像機組成，利用鏡面反射原理，擴大視覺系統的視野。周圍光線經過反射鏡反射後進入攝像頭，經過攝像鏡頭折射成像。這種全向視覺系統一次成像大於半球視場（360×180），只用一個攝像機就可以觀察到全方位視覺系統周圍整個環境，成像十分迅速，可以大大減少系統設計的複雜性和難度，並且結構簡單，價格較為適中，降低系統的成本。因此具有十分重要的應用前景，能夠很好的應用於移動機器人視覺系統。如圖7所示為折反射全向視覺成像系統實例。

【總結】

伴隨著器件的改進以及二元光學元件的發展，全景成像技術也越來越成熟。它相較與傳統成像系統，使用全方位視覺的主要優點為：

（1）、信息量大：一張圖片上就可以集中以前需要4-5個攝像機同時拍攝才能擁有的內容，可以擁有水平360°的圖像信息。在自然界生物的進化中，人類的視覺範圍不超過180°，但有些動物卻擁有近乎360°視覺的能力。如圖1所示，複眼結構讓果蠅近乎有360°的水平視場。通過全方位視覺設備所獲得圖像或視頻的處理，人也能觀察到360°的場景。

（2）、實現成本低：在某些應用中，傳統方法是通過多個攝像機的組合來獲得大視野，而採用全方位設備只需要一個攝像機，其實現大視野的成本比較低。

（3）、觀察方便：在監控的應用中，通過全方位視覺展開軟體，可以生成全景，即在一幅圖上可以觀察360°的環幕場景，改變了以往需多個場景同時觀看才能獲得的總體信息的情況，減少了監控人員的工作量。

全方位視覺擁有以上幾個優點，使得它在某些領域應用比較廣泛，但是也存著以下幾個缺點：

（1）、圖像扭曲：全方位視覺圖像在成像時有扭曲現象，不符合人的觀察習慣，需要進行轉換。

（2）、圖像細節的損失：這包括兩大方面一是圖像中容納了更多的信息，必然導致圖像部分細節信息的丟失。二是在轉換成適合人類理解的全景和透視圖時，也會丟失部分的圖像信息。所以全方點陣圖像應用到實際工程中時,需要提供較高的解析度。

（3）、成像密度不均勻：空間中的信息在全方位設備上成像時，其成像密度存在著很大的差別。雙曲面全方位設備中,當雙曲面離心率為1.25時，空間中靠近下方近一半的信息在全方點陣圖像中僅占畫面信息的1/5。在其他曲率的雙曲面鏡頭中，不均勻性可能會更加嚴重。

全景成像技術的上述優點使得它在很多領域都有著舉足輕重的地位，其中包括軍事、國防、民用、醫用等。它在視頻監控上的應用更是給我們的生活帶來了很多便利。其相關技術，如圖像拼接、圖像配准等圖像處理技術，近年來也更是成為了科學家們鑽研探討的熱門。綜上，全景成像技術的諸多優點、眾多應用，使得它具有顯著的研究價值，也必定會有卓越的發展。

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