CN105530431A - 一种反射式全景成像***及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种反射式全景成像***及方法，将光学***直接安装在图像传感器或现有相机光学***之上，使得两组鱼眼镜头的像平面分别经过反射元件不重叠的落在图像传感器上；选择相机进入拍摄模式；分割光线经过第一鱼眼镜头和第二鱼眼镜头后在图像传感器上分别成的像；对分割后的图像分别作处理，包括图像矫正，色彩调整，噪点消除，曝光及对比度调整；对图像进行特征点的提取、筛选及匹配；进行图像配准、拼接、融合；选择拍摄模式，则进行全景图像及视频的压缩及存储；选择预览模式，则对拼接后的全景图像渲染，显示到连接相机的设备。本发明可以拍摄完整的全景画面，可以保证视频流同步，更容易得到全景视频。

Description

一种反射式全景成像***及方法
技术领域
本发明属于摄像、成像技术领域，尤其涉及一种反射式全景成像***及方法。
背景技术
用户一直都有拍摄全景内容的需求，通过对从不同角度拍摄的画面进行拼接及融合从而获得更大视角的画面或者全景画面。目前大部分算法都是通过寻找两两画面重叠区域中相匹配的点，然后将重叠区域配准，并最终将多个画面拼接并融合到一起。大多数方案的差异主要集中在数据的采集和处理方面，如：
1、相机或手机中全景拍摄模式：通过用户平移相机或手机，拍摄平移过程中的所有画面，两两拼接后，得到整个场景的画面；
2、通过多个相机分别拍摄不同视角的相片或视频，要求两两相机的视野间，不同于一个相机的方案，多个相机可以在短时间内拍摄完成，然后通过后期处理的方式，将所拍摄的画面拼接成一个全景画面；
3、通过特制的一体化全景相机，一次性输出全景画面。
但这几种方案分别有其相应的问题：
1、通过相机或手机的全景模式拍摄，拍摄时间长，经常出现拼接错误或由于拍摄过程中有物体移动而产生的“鬼影”，以及无法拍摄全景视频等问题；
2、通过多个相机拍摄，则会存在设备昂贵，无法实时查看拼接好的全景画面，操作复杂以及多路数据很难同步等问题；
3、通过特制的一体化全景相机来拍摄，由于是独立的拍摄设备，会存在***设计复杂，价格高昂，携带不变等问题。另外，目前多数设备不支持实时预览全景画面和全景视频拍摄等功能。
发明内容
本发明的目的在于提供一种反射式全景成像***及方法，旨在解决拍摄成本高、拍摄过程繁琐、需要特殊的独立拍摄设备、无法录制全景视频等问题的问题。
本发明是这样实现的，该反射式全景成像方法包括以下步骤：
将光学***直接安装在图像传感器或现有相机光学***之上，使得两组鱼眼镜头的像平面分别经过反射元件不重叠的落在图像传感器上，打开相机；
选择相机进入拍摄模式，读取相机拍摄的图片或视频流；选择预览模式，则读取相机的实时预览视频流；
分割光线经过第一鱼眼镜头和第二鱼眼镜头后在图像传感器上分别成的像；
对分割后的图像分别作处理，包括图像矫正，色彩调整，噪点消除，曝光及对比度调整；图像矫正是去除部分畸变以及LensShading，色彩校正是对于色温的调整，噪点消除涉及图像传感器固有噪声，以及图像数据读取时的噪声消除；
对图像进行特征点的提取、筛选及匹配，提取算法检测到特征点的位置，并通过对特征点的描述，找到该点在另一幅画面中相对应的特征点，形成特征点匹配对；
进行图像配准、拼接、融合；基于得到的图像特征点匹配对，计算得到两组鱼眼镜头的相对位置关系，以及两个半球画面的重叠区域；即I1＝K[R|T]K-1I2，其中I1与I2表示通过特征点匹配找到的第一及第二鱼眼镜头所对应画面的特征点匹配对，K表示的是相机的内部参数，包括相机的焦距，相机传感器中心相对镜头光轴的偏移量以及镜头的畸变参数，而[R|T]则是需要计算的相机相对位置关系，相对位置关系描述成旋转R和平移T组成的数学模型；
拼接算法则是基于确定后的图像重合情况将画面重叠区域移动到一起，最后通过图像融合将两张图像之间的重叠区域过度平滑；
选择拍摄模式，则进行全景图像及视频的压缩及存储；选择预览模式，则对拼接后的全景图像渲染，显示到连接相机的设备屏幕上。
本发明的另一目的在于提供一种所述反射式全景成像方法的反射式全景成像***，该反射式全景成像***包括：
安装模块，用于将光学***直接安装在图像传感器或现有相机光学***之上，使得两组鱼眼镜头的像平面分别经过反射元件不重叠的落在图像传感器上，打开相机；
读取模块，选择相机进入拍摄模式，读取相机拍摄的图片或视频流；选择预览模式，则读取相机的实时预览视频流；
成像模块，用于分割光线经过第一鱼眼镜头和第二鱼眼镜头后在图像传感器上分别成的像；
图像处理模块，应用对分割后的图像分别作处理，包括图像矫正，色彩调整，噪点消除，曝光及对比度调整；
特征点处理模块，用于对图像进行特征点的提取、筛选及匹配，提取算法检测到特征点的位置，并通过对特征点的描述，找到该点在另一幅画面中相对应的特征点，形成特征点匹配对；
计算模块，用于进行图像配准、拼接、融合；基于得到的图像特征点匹配对，计算得到两组鱼眼镜头的相对位置关系，以及两个半球画面的重叠区域；即I1＝K[R|T]K-1I2，其中I1与I2表示通过特征点匹配找到的第一及第二鱼眼镜头所对应画面的特征点匹配对，K表示的是相机的内部参数，包括相机的焦距，相机传感器中心相对镜头光轴的偏移量以及镜头的畸变参数，而[R|T]则是需要计算的相机相对位置关系，相对位置关系描述成旋转R和平移T组成的数学模型；拼接算法则是基于确定后的图像重合情况将画面重叠区域移动到一起，最后通过图像融合将两张图像之间的重叠区域过度平滑；
存储模块，选择拍摄模式，则进行全景图像及视频的压缩及存储；选择预览模式，则对拼接后的全景图像渲染，显示到连接相机的设备屏幕上。
进一步，所述图像处理模块包括：
图像矫正单元，用于去除部分畸变以及LensShading；
色彩校正单元，用于对色温的调整；
噪点消除单元，用于对图像传感器固有噪声，以及图像数据读取时的噪声消除。
进一步，所述反射式全景成像***进一步包括：第一鱼眼镜头、第二鱼眼镜头、第一反射元件、第二反射元件和图像传感器成像装置；
第一鱼眼镜头、第二鱼眼镜头的光轴在同一条直线上，第一反射元件、第二反射元件的斜边分别与光轴成45度对称放置，使射入第一鱼眼镜头、第二鱼眼镜头的光线分别经过第一反射元件、第二反射元件90度折射后照射在同一个图像传感器的两个不重叠区域。
进一步，所述第一反射元件和第二反射元件为等腰直角反射棱镜或平面镜。
进一步，所述第一鱼眼镜头、第二鱼眼镜头的水平视场角、垂直视场角、对角视场角均大于180°。
进一步，所述第一鱼眼镜头、第二鱼眼镜头采用变焦镜头或定焦镜头。
进一步，所述第一反射元件或第二反射元件为翻转的平面、凹面或凸面反射元件。
本发明的另一目的在于提供一种应用所述反射式全景成像方法的智能终端。
本发明具有的优点和技术效果是：
1、对比手机全景拍摄模式，本发明操作简单且快速，用户不需要移动相机，因为一个时刻全部场景的画面都被两个鱼眼镜头完整记录在传感器上，所以用户只需要点击一次拍照键，便可以拍摄一个完整的全景画面，即360°(水平视场角FoV)x180°(垂直视场角FoV)；可以拍摄全景视频以及预览实时的全景画面，因为该成像***同时获取了全部两个半球的场景画面，并只使用一个图像传感器，避免了其他方案中需要解决多个图像传感器数据同步的问题。
2、对比通过多个相机的方案，本发明不需要额外的相机设备，只需要更换加装镜头便可以实现；价格便宜；拼接过程简单，拼接成功率高；可以保证视频流同步，该成像***只需要一个图像传感器便可以记录全部场景的画面信息，所以不需要进行同一个时刻下不同画面的数据同步，即两个鱼眼镜头所拍摄的画面是同一时刻的。而多个相机方案，由于使用多个独立设备，无法保证所有设备同时启动或关闭，所以同一帧数(例如第n帧)的视频画面并不对应同一个拍摄时间，必须在后期进行数据同步，增加了拍摄全景视频的难度。
3、对比特制的一体化全景相机，本发明成本低。目前的一体化全景相机方案仍然使用多个图像传感器来拍摄不同视角的画面，与多个相机的方案相比，由于增加了硬件同步机制，避免了后期处理。但硬件同步需要额外器件来实现，所以成本会随之增加，开发难度也更大；携带方便，不需要额外的硬件设备，例如直接接到手机的相机模组之上或现有的相机设备之上，将其改造为全景拍摄设备。
附图说明
图1是本发明实施例提供的反射式全景成像***的结构图；
图2是本发明实施例提供的第一反射元件及第二反射元件为固定平面镜的工作原理图；
图3是本发明实施例提供的第一反射元件为翻转平面镜的工作原理图；
图4是本发明实施例提供的反射式全景成像方法的流程图；
图5是本发明实施例提供的加装相机透镜的反射式全景成像工作原理图；
图6是本发明实施例提供的加装相机透镜及第三反射元件的反射式全景成像工作原理图；
图7是本发明实施例提供的第一反射元件及第二反射元件为凹面镜的工作原理图；
图8是本发明实施例提供的第一反射元件及第二反射元件为凸面镜的工作原理图；
图9是本发明实施例提供的第一鱼眼镜头与第二鱼眼镜头错位背向安装的全景成像***结构示意图；
图10是本发明实施例提供的第一鱼眼镜头与第二鱼眼旋转至错位同向安装的结构示意图；
图11是本发明实施例提供的3D双目模式的计算流程图；
图中：1、第一鱼眼镜头；2、第二鱼眼镜头；3、第一反射元件；4、第二反射元件；5、第三反射单元，6、图像传感器；7、现有相机光学***。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
下面结合附图1至附图11及具体实施例对本发明的应用原理作进一步描述。
该反射式全景成像***包括：第一鱼眼镜头1、第二鱼眼镜头2、第一反射元件3、第二反射元件4、第三反射单元5、图像传感器6。
第一鱼眼镜头1、第二鱼眼镜头2的光轴保证在同一条直线上，第一反射元件3、第二反射元件4(如反射棱镜或平面镜等)的斜边分别与光轴成45度对称放置，使射入第一鱼眼镜头1、第二鱼眼镜头2的光线分别经过90度折射后照射在同一个图像传感器6的两个不重叠区域。本发明的成像***从两个半球空间接收光线，并在图像传感器6上形成两个不重叠的像。
本发明还采取如下技术措施：
所述的第一鱼眼镜头1、第二鱼眼镜头2的水平视场角、垂直视场角、对角视场角均大于180°，以保证第一鱼眼镜头1、第二鱼眼镜2能将所有的场景画面包含进来，并能保证第一鱼眼镜头1和第二鱼眼镜2拍摄的画面有一定的重叠区域。
所述的第一鱼眼镜头1、第二鱼眼镜头2采用变焦镜头，针对不同的图像传感器5，变焦镜头通过调节镜头的焦距确保视角内的全部画面在拍摄区域内，从而能被记录下来。
所述的第一鱼眼镜头1与第二鱼眼镜头2错位背向安装，即第一鱼眼镜头1与第二鱼眼镜头2的光轴在同一水平高度且相互平行，但镜头朝向相反。
所述的即两个鱼眼镜头的光轴在同一水平高度且相互平行，图10是图9的延伸和变种，即图9中的一个鱼眼镜头与反射元件整体旋转至与另一个鱼眼镜头同向，光轴仍然保持在同一水平高度且相互平行，此时形成了3D双目模式。
该反射式全景成像方法包括以下步骤：
S101、打开相机；
S102、选择相机进入拍摄模式，读取相机拍摄的图片或视频流；选择预览模式，则读取相机的实时数据流；
S103、对图像分别作处理，包括图像矫正，色彩调整，噪点消除，曝光及对比度调整；
S104、分割光线经过对第一鱼眼镜头1和第二鱼眼镜头2后分别成的像；
S105、对图像的特征点进行提取、筛选以及匹配，得到两两匹配的特征点对；
S106、进行图像配准，并拼接及融合两个画面的重叠区域；
S107、选择拍摄模式，则进行全景图像及视频的压缩及存储；选择预览模式，则对图像渲染，显示到连接设备屏幕上。
预览模式是手机、平板电脑或PC等设备通过有线或无线的方式连接到该成像***上，从而可以实时获取并显示图像传感器拍摄的画面，但在预览模式下画面是不需要存储成照片或者视频的。
在步骤S103中，图像矫正是去除部分畸变以及LensShading，色彩校正是对于色温的调整，噪点消除涉及图像传感器固有噪声，以及图像数据读取时的噪声消除；
在步骤S106中，即I1＝K[R|T]K-1I2，其中I1与I2表示通过特征点匹配找到的第一及第二鱼眼镜头所对应画面的特征点匹配对，K表示的是相机的内部参数，包括相机的焦距，相机传感器中心相对镜头光轴的偏移量以及镜头的畸变参数等，而[R|T]则是需要计算的相机相对位置关系，这个相对位置关系，可以描述成旋转R和平移T组成的数学模型。因为两个鱼眼镜头的空间位置是固定的，所以一般情况下(例如镜头不松动等)，相对变换矩阵[R|T]也是固定的。这使得在实际产品中，只需要在第一次对镜头相对位置[R|T]进行测量矫正，之后一直使用同一个变换矩阵进行配准即可，不需要每次运行都进行特征点的提取、筛选、匹配以及图像的配准等操作。
第一鱼眼镜头1和第二鱼眼镜头2按照图2所示，背靠背放置，第一鱼眼镜头1和第二鱼眼镜头2的要求：水平视场角、垂直视场角、对角视场角均大于180°，以保证第一鱼眼镜头1、第二鱼眼镜2能将所有的场景画面包含进来，并能保证第一鱼眼镜头1和第二鱼眼镜2拍摄的画面有一定的重叠区域。
可以为定焦镜头也可以是变焦镜头：针对特定的图像传感器6(ImageSensor)，镜头可以是固定焦距，而变焦镜头则可以适配更多的图像传感器6规格，因为可以通过调节镜头的焦距确保视角内的全部画面在拍摄区域内，从而能被记录下来。
对于采用可变焦鱼眼镜头的方案，调整镜头焦距，达到两个鱼眼镜头的水平视场角与垂直视场角均大于180°的画面无重叠的落在图像传感器上为止，以确保能将全部的场景画面记录下来。
第一反射元件3、第二反射元件4，例如固定平面镜：第一反射元件3、第二反射元件4的具体放置方式如照图2所示。即经过两个第一反射元件3、第二反射元件4的折射，第一鱼眼镜头1和第二鱼眼镜头2所包含的画面会被同时投射到图2中的图像传感器6上(ImageSensor)。最后图像传感器6的左右两部分分别记录了来自于不同鱼眼镜头的画面。还可以拓展到只使用一个第一反射元件3的***，如图3所示。即第一反射元件3需要快速翻转，以保证相机在连续两次曝光时能够分别拍摄到两个鱼眼相机的画面。
反射式全景成像***配套软件***，软件***主要负责相机的控制、相机数据(实时画面、最终拍摄的照片和视频流)的获取，图像矫正，图像质量修正，曝光及对比度调整，图像特征点的提取、筛选及匹配，图像配准、拼接、融合，以及全景图像及视频的压缩及存储等。将本发明的镜头***加装在手机或者平板的相机上，则可提供实时预览以及拍摄两种模式。如果加装在DSLR等传统相机上，如图5所示，则没有预览模式，只有拍摄模式。如果镜头采用的是单一的可翻转反射元件，则跳过流程图中的S104步骤。
在第一反射元件3和第二反射元件4，可接第三反射元件5，如反射棱镜或平面镜等，改变光路，以方便与传感器或已有镜头对接，如图6所示。所加的第三反射元件5与图5中相机透镜的顺序可以颠倒。
第一鱼眼镜头1和第二鱼眼镜头2的立体透视图至少有两种全景模式：背靠背或错位相背，分别如图1和9所示。如图1所示，两个鱼眼镜头的光轴在同一水平线上，镜头朝向相反。图9所示的***结构为两个鱼眼镜头的光轴在同一水平高度且相互平行，但不在同一条直线上，镜头朝向相反。在错位相背的情况下，第一鱼眼镜头1和第二鱼眼镜头2可制作成可旋转结构，即第一鱼眼镜头1可旋转至与第二鱼眼镜头2面向同一方向，从而实现“3D双目模式”，如图9和图10所示。在3D双目模式下，可以通过算法流程获得更大视角的画面(非全景)，并可通过现有的立体双目深度计算(Stereo-BasedDepthEstimation)算法计算场景的深度图(DepthMap)。保护相应的软件处理方案及流程，如图11所示。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种反射式全景成像方法，其特征在于，该反射式全景成像方法包括以下步骤：
将光学***直接安装在图像传感器或现有相机光学***之上，使得两组鱼眼镜头的像平面分别经过反射元件不重叠的落在图像传感器上，打开相机；
选择相机进入拍摄模式，读取相机拍摄的图片或视频流；选择预览模式，则读取相机的实时预览视频流；
分割光线经过第一鱼眼镜头和第二鱼眼镜头后在图像传感器上分别成的像；
对分割后的图像分别作处理，包括图像矫正，色彩调整，噪点消除，曝光及对比度调整；图像矫正是去除部分畸变以及LensShading，色彩校正是对于色温的调整，噪点消除涉及图像传感器固有噪声，以及图像数据读取时的噪声消除；
对图像进行特征点的提取、筛选及匹配，提取算法检测到特征点的位置，并通过对特征点的描述，找到该点在另一幅画面中相对应的特征点，形成特征点匹配对；
进行图像配准、拼接、融合；基于得到的图像特征点匹配对，计算得到两组鱼眼镜头的相对位置关系，以及两个半球画面的重叠区域；即I1＝K[R|T]K-1I2，其中I1与I2表示通过特征点匹配找到的第一及第二鱼眼镜头所对应画面的特征点匹配对，K表示的是相机的内部参数，包括相机的焦距，相机传感器中心相对镜头光轴的偏移量以及镜头的畸变参数，而[R|T]则是需要计算的相机相对位置关系，相对位置关系描述成旋转R和平移T组成的数学模型；
拼接算法则是基于确定后的图像重合情况将画面重叠区域移动到一起，最后通过图像融合将两张图像之间的重叠区域过度平滑；
选择拍摄模式，则进行全景图像及视频的压缩及存储；选择预览模式，则对拼接后的全景图像渲染，显示到连接相机的设备屏幕上。
2.一种如权利要求1所述反射式全景成像方法的反射式全景成像***，其特征在于，该反射式全景成像***包括：
安装模块，用于将光学***直接安装在图像传感器或现有相机光学***之上，使得两组鱼眼镜头的像平面分别经过反射元件不重叠的落在图像传感器上，打开相机；
读取模块，选择相机进入拍摄模式，读取相机拍摄的图片或视频流；选择预览模式，则读取相机的实时预览视频流；
成像模块，用于分割光线经过第一鱼眼镜头和第二鱼眼镜头后在图像传感器上分别成的像；
图像处理模块，应用对分割后的图像分别作处理，包括图像矫正，色彩调整，噪点消除，曝光及对比度调整；
特征点处理模块，用于对图像进行特征点的提取、筛选及匹配，提取算法检测到特征点的位置，并通过对特征点的描述，找到该点在另一幅画面中相对应的特征点，形成特征点匹配对；
计算模块，用于进行图像配准、拼接、融合；基于得到的图像特征点匹配对，计算得到两组鱼眼镜头的相对位置关系，以及两个半球画面的重叠区域；即I1＝K[R|T]K-1I2，其中I1与I2表示通过特征点匹配找到的第一及第二鱼眼镜头所对应画面的特征点匹配对，K表示的是相机的内部参数，包括相机的焦距，相机传感器中心相对镜头光轴的偏移量以及镜头的畸变参数，而[R|T]则是需要计算的相机相对位置关系，相对位置关系描述成旋转R和平移T组成的数学模型；拼接算法则是基于确定后的图像重合情况将画面重叠区域移动到一起，最后通过图像融合将两张图像之间的重叠区域过度平滑；
存储模块，选择拍摄模式，则进行全景图像及视频的压缩及存储；选择预览模式，则对拼接后的全景图像渲染，显示到连接相机的设备屏幕上。
3.如权利要求2所述的反射式全景成像***，其特征在于，所述图像处理模块包括：
图像矫正单元，用于去除部分畸变以及LensShading；
色彩校正单元，用于对色温的调整；
噪点消除单元，用于对图像传感器固有噪声，以及图像数据读取时的噪声消除。
4.如权利要求2所述的反射式全景成像***，其特征在于，所述反射式全景成像***进一步包括：第一鱼眼镜头、第二鱼眼镜头、第一反射元件、第二反射元件和图像传感器成像装置；
第一鱼眼镜头、第二鱼眼镜头的光轴在同一条直线上，第一反射元件、第二反射元件的斜边分别与光轴成45度对称放置，使射入第一鱼眼镜头、第二鱼眼镜头的光线分别经过第一反射元件、第二反射元件90度折射后照射在同一个图像传感器的两个不重叠区域。
5.如权利要求4所述的反射式全景成像***，其特征在于，所述第一反射元件和第二反射元件为等腰直角反射棱镜或平面镜。
6.根据权利要求4所述的反射式全景成像***，其特征在于，所述第一鱼眼镜头、第二鱼眼镜头的水平视场角、垂直视场角、对角视场角均大于180°。
7.根据权利要求4所述的反射式全景成像***，其特征在于，所述第一鱼眼镜头、第二鱼眼镜头采用变焦镜头或定焦镜头。
8.根据权利要求4所述的反射式全景成像***，其特征在于，所述第一反射元件或第二反射元件为翻转的平面、凹面或凸面反射元件。
9.一种应用权利要求1所述反射式全景成像方法的智能终端。
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