CN105093803B - 全景成像*** - Google Patents
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Abstract
一种全景成像***，包括：一全景反射镜，为一椭圆锥，且其锥面为一曲面，用以反射来自周遭的光源；以及一影像感测装置，置于该全景反射镜的一侧，用以接收从该全景反射镜来的光源，以产生成像信息；由该全景反射镜使得一全景影像投射于该影像感测装置时，可将该全景影像投射成一矩形区域。此外，本发明亦揭示一种全景成像方法、全景投影装置、全景投影方法及全景图像处理单元。
Description
技术领域
本发明是有关于一种全景成像***及其方法，尤其指一种具有一全景反射镜，配合单一影像感测装置或单一投影装置，使得感测所得的影像或投影出去的影像具有较佳的分辨率与亮度的全景成像***及其方法。
背景技术
按，于照相、影片摄影、与投影领域中，有视角(Field of View，简称 FOV)的规格。FOV又分为水平视角(Horizontal FOV，简称HFOV)与垂直视角(Vertical FOV，简称VFOV)。全景成像***的HFOV是360度，VFOV 的角度则不一定。
在全景摄影的技术面，由于投影在感光材料、CMOS影像传感器或电荷藕合组件的光源经过反射镜曲面反射会有重迭以及能量无法平均分布在每一个阵列式电容(或感光二极管)上面，造成电容(或感光二极管) 接受到光学能量的强度大小不同，也就是投影的密度不均造成光学能量无法平均分布在每一个CMOS影像传感器感光二极管或电荷藕合组件的光上面，造成影像模糊。CMOS影像传感器或电荷耦合组件接收讯号电荷的强度密度的所以不均匀原因，原因就是曲面镜的曲率半径大小造成反射光入射CMOS影像传感器或电荷耦合组件后，投射于感光二极管上的光讯号转换成讯号电荷的密度不均，曲面的曲率半径越大投影在CMOS影像传感器感光二极管或电荷耦合组件的密度就越高，曲率半径越小投影在CMOS 影像传感器或电荷耦合组件上的密度就越低。
例如美国专利US5,990,934揭示一种采用金字塔反射镜的全景成像方法与***，但它必须使用四个摄影机(或影像感测装置)。成本比较高。它还有一个缺点：越靠近金字塔反射镜中心点的影像分辨率越低。Vishvjit S.Nalwa，在其1996年的技术报告中提出的方法与***，与US5,990,934 相同。US5,793,527更进一步用四个镜片与四个摄影机，将金字塔反射镜得到的较低分辨率影像合并成一个较高分辨率的全景影像。
S.K.Nayar的1997文献揭示另一种全景成像方法，使用类似拋物线反射镜曲面(曲面方程式请参考该论文)的全景成像方法，且只使用一个摄影机(或影像感测装置)。它改良了US5,990,934的摄影机太多的缺点。它也有两个缺点：第一，越靠近反射镜曲面中心点的影像分辨率越不均匀、分辨率越低、亮度越暗；第二，全景影像落在一个圆形区域内，影像感测装置的四个角落闲置无用。目前市场上常见的产品，多属采用此方法的产品。
中国台湾专利公告号TWI268102揭示一种图像处理单元，适用于一影像传感器，该图像处理单元包括多数个感光二极管，其排列于影像传感器中，这些感光二极管依位置的不同而具有不同尺寸的感光面积，其中这些感光二极管的感光面积由中央区域向外依序递增，以补偿光入射角过大而使敏感度降低的问题，进而提高影像撷取的质量。此专利的特征正巧与全景成像的需求相反。
美国专利US5,539,483揭示一种使用金字塔反射镜与四个投影装置的全景投影***。其原理与US5,990,934相同，只是将光源反过来操作，形成投影***。因原理相同，其特性相同，它必须使用四个投影装置。成本比较高。它还有一个缺点：越靠近金字塔反射镜中心点的投影到屏幕上时，影像分辨率越低。
在图像处理上，CMOS影像传感器或电荷藕合组件，通过阵列感光二极管所构成的像素单元来撷取影像，其每一像素单元的敏感度代表投射于感光二极管上的光讯号转换成讯号电荷的强度表现。若感光二极管对光的敏感度降低时，造成接收讯号电荷的密度变低，将直接影响影像撷取的真实度与饱和度。又因为CMOS影像传感器或电荷耦合组件的阵列电荷储存组件造成讯号电荷在不同电荷储存组件所储存的讯号电荷密度不同，使得所撷取的部分影像具有较模糊现象。
再者，CMOS影像传感器或电荷耦合组件接收讯号电荷的强度密度的所以不均匀原因，原因就是曲面镜的曲率半径大小造成反射光入射CMOS 影像传感器或电荷耦合组件后，投射于感光二极管上的光讯号转换成讯号电荷的密度不均，曲面的曲率半径越大投影在CMOS影像传感器或电荷耦合组件的密度就越高，曲率半径越小投影在CMOS影像传感器或电荷耦合组件上的密度就越低。此种边缘衰减(attenuation)的效应直接影响成像的质量，造成中央较亮边缘较暗的情况。虽然在光补偿技术上，能藉由软件或微透镜(microlens)的聚焦来增强边缘区域的光讯号，或是经由影像大小来计算较佳感光区域的有效面积，但效果还是有限。
发明内容
本发明的目的是提供一种全景成像***及其方法，以改善上述公知全景成像***的缺点。
为实现上述目的，本发明提供的全景成像***，其包括：一全景反射镜，为一椭圆锥，且其锥面为一曲面，用以反射来自周遭的光源；以及一影像感测装置，置于该全景反射镜的一侧，用以接收从该全景反射镜来的光源，以产生成像信息；由该全景反射镜使得一全景影像投射于该影像感测装置时，可将该全景影像投射成一矩形区域或非圆形区域。
本发明提供的全景成像方法，其包括下列步骤：提供一影像感测装置；从该影像感测装置取得一未展开的矩形影像或非圆形影像；以及将该未展开的矩形影像或非圆形影像展开后还原成一环状的全景影像。
本发明提供的全景投影***，其包括：一储存装置，可储存从一影像感测装置所感测的影像信息；一处理单元，耦接至该储存装置，可将该影像信息处理后输出；一视讯接口单元，耦接至该处理单元，可将该影像信息转换成一矩形全景影像或非圆形影像光源后输出；一影像投影装置，耦接至该视讯接口单元，可将该矩形全景影像或非圆形影像光源投射出去；一全景反射镜，置于该影像投影装置的上方或下方，其为一椭圆锥，其锥面为一曲面，用以反射来自周遭的光源；以及一全景屏幕，置于该全景反射镜的周围，且可将该全景反射镜包覆于其中；由该全景反射镜将一矩形区域或非圆形区域的光源投射于该全景屏幕上成一360度全景影像。
本发明提供的全景投影方法，其包括下列步骤：提供一光源及一影像投影装置；由该影像投影装置将一未展开且密度均匀分布的矩形影像或非圆形影像光源投射至一全景反射镜；以及该全景反射镜将该未展开且密度均匀分布的矩形影像或非圆形影像还原成360度环状全景影像。
本发明提供的全景图像处理单元，是用于一全景成像***中，该全景图像处理单元包括：复数个光感测组件，排列于该影像感测装置中，该些光感测组件依位置的不同而具有不同尺寸的感光面积，其中该些光感测组件的感光面积由一全景反射镜的椭圆锥曲面所决定，光照度越低的区域，其感光面积越大，光照度越高的区域，其感光面积越小。
本发明的效果是：
本发明具有一全景反射镜，其锥面为一曲面使得在成像时，光源经全景反射镜投射于感光二极管上的光讯号的密度更均匀且成矩形影像或非圆形影像，避免了分辨率不均匀问题与四个角落闲置无用问题。
本发明具有一全景反射镜，该全景反射镜可为一凸镜、凹镜、平面镜、或其组合，其投影结果的水平视角可以为121度至360度，且该矩形区域为一长方形区域。
本发明具有一全景反射镜，该全景反射镜的四个角落分别具有一延伸反射镜，该四个延伸反射镜所反射的影像将分别落于该影像感测装置的四个角落。
本发明具有一全景反射镜，其曲面系呈二次曲线状，且该曲面的梯度决定该全景反射镜投射于该影像感测装置上影像的线性关系。
本发明其在投影时，矩形光源经全景反射镜投影于360度屏幕上的光的密度更均匀，避免了分辨率不均匀问题，故分辨率较好。
本发明所采用的影像感测装置中感光组件的面积越靠近影像感测装置中心点越大，离中心点越远者面积越小，使具有感测所得的影像具有较佳的分辨率与亮度。
附图说明
图1a为一示意图，其绘示本发明一较佳实施例的全景成像***的立体示意图。
图1b为一示意图，其绘示本发明一较佳实施例的全景成像***的上侧示意图；
图2为一示意图，其绘示本发明一较佳实施例的全景成像***进一步具有一透镜的示意图。
图3为一示意图，其绘示本发明另一较佳实施例的全景成像方法的流程示意图。
图4为一示意图，其绘示本发明另一较佳实施例的全景投影***的方块示意图。
图5为一示意图，其绘示本发明另一较佳实施例的全景投影方法的流程示意图。
图6为一示意图，其绘示本发明再一较佳实施例的全景图像处理单元的配置示意图。
具体实施方式
为能进一步了解本发明的结构、特征及其目的，结合附图及较佳具体实施例作如下详细说明。
请一并参照图1a至图2，其中图1a绘示本发明一较佳实施例的全景成像***的立体示意图；图1b绘示本发明一较佳实施例的全景成像***的上侧示意图；图2绘示本发明一较佳实施例的全景成像***进一步具有一透镜的示意图。
如图所示，本发明的全景成像***，其包括：一全景反射镜10；以及一影像感测装置20所组合而成。
该全景反射镜10，其形状例如但不限于为一椭圆锥，且其锥面为一曲面11，用以反射来自周遭的光源，其中，该周遭的光源例如但不限于为 360度光源；该全景反射镜10例如但不限于为一凸透镜、凹面镜或平面镜。此外，该全景反射镜10的投影结果的水平视角可以为121度至360度，且其曲面11使得该全景影像投射于该影像感测装置20时，将该全景影像投射成一个非圆形区域者，且该非圆形区域较佳为一椭圆形区域，且该椭圆形区域可大于或等于该影像感测装置20的感测区域。
其中，该全景反射镜10的曲面11呈二次曲线状，且该曲面11的梯度可决定该全景反射镜10投射于该影像感测装置20上影像的线性关系。此外，该全景反射镜10的四个角落分别具有一延伸反射镜12，且该全景反射镜10的每一个剖面均为一椭圆形。
该影像感测装置20是置于该全景反射镜10上方或下方，在本实施例中是以下方为例加以说明，但并不以此为限，用以接收从该全景反射镜10 来的光源，以产生成像信息，由该全景反射镜10使得一全景影像投射于该影像感测装置20时，可将该全景影像投射成一矩形区域或非圆形区域，且较佳为一长方形区域，且该四个延伸反射镜12所反射的影像将分别落于该影像感测装置20的四个角落(如图1b所示)，以改善公知技术中该影像感测装置20四个角落闲置无用的缺点。
其中，该影像感测装置20进一步包括复数个光感测组件21，用以接受反射光源入射于该光感测组件21上的电磁辐射能量，以及产生相对应的复数个讯号电荷，其中该光感测组件21例如但不限于为一电荷耦合组件、一感光二极管(photodiode)、一互补氧化金属半导体影像感测组件或其他感光材料。
此外，如图2所示，本发明的全景成像***进一步具有一透镜30，该透镜30是置于该全景反射镜10及该影像感测装置20之间，由该透镜30 可达成放大(zoom in)、缩小(zoomout)、局部放大、局部缩小、改变景深或其他功能者。其中，该透镜30例如但不限于为一凸镜、凹镜、平面镜、或其组合。
本发明的全景成像***，于运作时该全景反射镜10的曲面使得一全景影像投射于该影像感测装置20时，可将该全景影像投射成一个矩形区域或非圆形区域，且投射密度呈现均匀分布，除可改善分辨率不均匀问题与四个角落闲置无用的缺点外，亦可增大垂直视角(Vertical FOV，简称 VFOV)。
请参照图3，其绘示本发明另一较佳实施例的全景成像方法的流程示意图。
如图所示，本发明亦提供一种全景成像方法，其包括下列步骤：提供一影像感测装置20(步骤1)；从该影像感测装置20取得一未展开的矩形影像或非圆形影像(步骤2)；以及将该未展开的矩形影像或非圆形影像展开后还原成一环状的全景影像影(步骤3)。
于该步骤1中，提供一影像感测装置20；其中，该影像感测装置20 进一步包括复数个光感测组件21，用以接受反射光源入射于该光感测组件 21上的电磁辐射能量，以及产生相对应的复数个讯号电荷，其中该影像感测装置20例如但不限于为一电荷耦合组件、一感光二极管、一互补氧化金属半导体影像感测组件或其他感光材料，其详情请参照上述的说明，在此不拟重复赘述。
于该步骤2中，从该影像感测装置20取得一未展开的矩形影像或非圆形影像；其中，该矩形影像为具有密度均匀的影像。
于该步骤3中，将该未展开的矩形影像或非圆形影像展开后还原成一环状的全景影像；其中，该环状的全景影像影为360度环状影像且为真实世界比例的环状影像。
请参照图4，其绘示本发明另一较佳实施例的全景投影***的方块示意图。
如图所示，本发明的全景投影***，其包括：一储存装置100；一处理单元110；一视讯接口单元120；一影像投影装置130；一全景反射镜 140；以及一全景屏幕150所组合而成。
其中，该储存装置100可储存从一影像感测装置20所感测的影像信息；其中，该储存装置100例如但不限于为一内存，该影像感测装置20 的原理请参照上述的说明，在此不拟重复赘述。
该处理单元110系耦接至该储存装置100，可将该影像信息处理后输出。其中，该处理单元110例如但不限于为一微处理器或微控制器。
该视讯接口单元120耦接至该处理单元110，可将该影像信息转换成一矩形或非圆形全景影像光源后输出。
该影像投影装置130耦接至该视讯接口单元120，可将该矩形或非圆形全景影像光源投射出去。其中，该影像投影装置130例如但不限于为一投影机。
该全景反射镜140，其形状例如但不限于为一椭圆锥，且其锥面为一曲面141，用以反射来自周遭的光源，其中，该曲面141是呈二次曲线状，该周遭的光源例如但不限于为360度光源；该全景反射镜140例如但不限于为一凸镜、凹镜、平面镜或其组合。此外，该全景反射镜140的投影结果的水平视角可以为121度至360度。此外，该全景反射镜140的四个角落分别具有一延伸反射镜142，且该全景反射镜140的每一个剖面均为一椭圆形。
该全景屏幕150是置于该全景反射镜140的周围，且可将该全景反射镜140包覆于其中。其中，该处理单元110将根据该曲面141的梯度修正该影像信息，使其与该全景反射镜140的梯度相同，以使该影像信息还原呈现于该全景屏幕150上。
此外，本发明的全景投影***进一步具有一透镜160，该透镜160是置于该全景反射镜140及该影像投影装置150之间，由该透镜160可达成放大、缩小、局部放大、局部缩小、改变景深或其他功能。
由该全景反射镜140的曲面141将一矩形区域或非圆形区域且密度均匀分布的光源投射于该全景屏幕150上成一360度全景影像，除可改善分辨率不均匀问题与四个角落闲置无用的缺点外，亦可增大垂直视角 (VFOV)。且该透镜160可达成放大、缩小、局部放大、局部缩小、改变景深或其他功能者。因此，本发明的全景投影***确实较公知技术的全景投影***具有进步性。
请参照图5，其绘示本发明另一较佳实施例的全景投影方法的流程示意图。
如图所示，本发明亦提供一种全景投影方法方法，其包括下列步骤：提供一光源及一影像投影装置130(步骤1)；由该影像投影装置130将一未展开且密度均匀分布的矩形影像或非圆形影像光源投射至一全景反射镜140(步骤2)；以及该全景反射镜140将该未展开且密度均匀分布的矩形影像或非圆形影像还原成360度环状全景影像(步骤3)。
于该步骤1中，提供一光源及一影像投影装置130；其中，该光源例如但不限于为一360度光源。而该影像投影装置130例如但不限于为一般投影机。
于该步骤2中，由该影像投影装置130将一未展开且密度均匀分布的矩形影像或非圆形影像光源投射至一全景反射镜140；其中，该全景反射镜140其原理请参照上述的说明，在此不拟重复赘述。
于该步骤3中，该全景反射镜140将该未展开且密度均匀分布的矩形影像或非圆形影像还原成360度环状全景影像；其中，该环状的全景影像影为360度环状影像且为真实世界比例的环状影像。
请参照图6，其绘示本发明再一较佳实施例的全景影像感测装置的配置示意图。
如图所示，本发明亦提供一种全景影像感测装置，是用于一全景成像***中，该影像感测装置20包括：复数个光感测组件21，排列于该影像感测装置20中，该些光感测组件21依位置的不同而具有不同尺寸的感光面积，其中该些光感测组件21的感光面积由一全景反射镜10的椭圆锥曲面11所决定，光照度越低的区域，其感光面积越大，光照度越高的区域，其感光面积越小。其中，该全景反射镜10的原理请参照上述的说明，在此不拟重复赘述；其中，该周遭的光源例如但不限于为360度光源。该椭圆锥曲面11的梯度决定该全景反射镜10投射于该影像感测装置20上影像的线性关系。
其中，该光感测组件21例如但不限于为一光电二极管、一电荷耦合组件、一互补氧化金属半导体影像感测组件或其他感光材料。如图所示，越靠近该影像传感器20中央区域的光感测组件21，因为其光照度较低，因此，其感光面积较大；越靠近该影像传感器20***区域的光感测组件 21，因为其光照度较高，因此，其感光面积较小。如此，即可改善公知影像传感器因为边缘衰减(attenuation)的效应直接影响成像的质量，造成中央较亮边缘较暗的缺点。
由上述的配置方式可改善公知全景成像***投射于感光二极管21上的光讯号转换成讯号电荷的密度不均，当曲面11的曲率半径越大投影在该光感测组件21上的密度就越高，曲面11的曲率半径越小投影在该光感测组件21上的密度就越低。因此，本发明的全景影像感测装置确实较公知全景成像装置具有进步性。
综上所述，由本发明的全景成像***的实施，其具有：
1、具有一全景反射镜，其特别的曲面使得在成像时，光源经全景反射镜投射于感光二极管上的光讯号的密度更均匀且成矩形影像或非圆形影像，避免了分辨率不均匀问题与四个角落闲置无用的缺点；
2、其在投影时，矩形或非圆形影像光源经全景反射镜投影于360度屏幕上的光的密度更均匀，避免了分辨率不均匀问题，故分辨率较好；以及
3、其所采用的影像感测装置中感光二极管的面积越靠近影像感测装置中心点越大，离中心点越远者面积越小，使具有感测所得的影像具有较佳的分辨率与亮度等优点，因此，本发明确实较公知的全景成像***及其方法具有进步性。
本发明所揭示的乃较佳实施例，举凡局部的变更或修饰而源于本发明的技术思想而为本领域技术人员所易于推知的，俱不脱本发明的专利权范畴。
Claims (6)
1.一种全景成像***，其包括：
一全景反射镜，为一椭圆锥，且其锥面为一曲面，用以反射来自周遭的光源；以及
一影像感测装置，置于该全景反射镜的一侧，用以接收从该全景反射镜来的光源，以产生成像信息，其中，该影像感测装置是置于该全景反射镜的上方或下方；
由该全景反射镜使得一全景影像投射于该影像感测装置时，将该全景影像投射成一矩形区域或非圆形区域，且该全景反射镜的四个角落分别具有一延伸反射镜，四个所述延伸反射镜所反射的影像将分别落于该影像感测装置的四个角落。
2.根据权利要求1所述的全景成像***，其中，该全景反射镜为一凸镜、凹镜、平面镜或其组合，其投影结果的水平视角为121度至360度，且该矩形区域为一长方形区域。
3.根据权利要求1所述的全景成像***，其中，该全景反射镜的曲面呈二次曲线状，且该曲面的梯度决定该全景反射镜投射于该影像感测装置上影像的线性关系。
4.根据权利要求1所述的全景成像***，其中，该影像感测装置包括复数个光感测组件，用以接受反射光源入射于该光感测组件上的电磁辐射能量，以及产生相对应的复数个讯号电荷，其中该光感测组件为一光电二极管、一电荷耦合组件或一互补氧化金属半导体影像感测组件。
5.根据权利要求1所述的全景成像***，其中，具有一透镜，该透镜置于该全景反射镜及该影像感测装置之间，由该透镜达成放大、缩小、局部放大、局部缩小或改变景深。
6.根据权利要求2所述的全景成像***，其中，该全景反射镜的锥面使得该全景影像投射于该影像感测装置时，将该全景影像投射成一个非圆形区域，其中，该非圆形区域为一椭圆形区域，且该椭圆形区域大于或等于该影像感测装置的感测区域。
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