本實用新型涉及視頻采集、工程光學(xué)、機(jī)電一體化領(lǐng)域，具體涉及一種用于全景成像的光學(xué)系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

現(xiàn)有的全景拍攝方法主要分為拼接式、魚眼式。

其中拼接式需要2個以上的攝像機(jī)，其缺陷在于：

(1)原始數(shù)據(jù)量巨大，多個相機(jī)需要多路的圖像處理，成本指數(shù)級上升；

(2)由于使用多個攝像機(jī)或鏡頭，拼接時存在明顯的接縫，多個攝像頭之間很難實現(xiàn)白平衡、幀率的同步；

(3)需要較大安全距離，拍攝物體不能距離相機(jī)過近；

(4)拍攝、后期極其復(fù)雜，成本很高。

典型的魚眼式全景相機(jī)采用前后各一個魚眼鏡頭，實現(xiàn)360°拍攝，其缺陷在于：

(1)與拼接式一樣，同樣存在接縫、難以同步、安全距離過高等問題；

(2)多攝像頭需要處理大量數(shù)據(jù)，難以實現(xiàn)機(jī)內(nèi)還原解算；

(3)多攝像頭存在瓶頸。

尤其是在安防監(jiān)控領(lǐng)域，現(xiàn)有監(jiān)控攝像頭通常由鏡頭、CMOS、控制電路、外殼等組成，其主要問題在于：

(1)視角單一，有死角，需要多臺設(shè)備協(xié)作；

(2)多設(shè)備協(xié)作導(dǎo)致數(shù)據(jù)碎片化，誤差值大；

(3)移動監(jiān)視設(shè)備視角受限，觀測效率有限。

而在遠(yuǎn)程會議領(lǐng)域，現(xiàn)有的遠(yuǎn)程會議系統(tǒng)攝像頭部分通常為標(biāo)準(zhǔn)40°～60°可視角的網(wǎng)絡(luò)攝像頭，其位置通常在于屏幕附近，面向所有與會者，其缺陷在于：

(1)相機(jī)位置、角度固定，無法移動調(diào)整；

(2)拍攝視角受限，遠(yuǎn)處成員被遮擋或拍攝不清；

(3)拍攝面積有限，無法覆蓋全部會場。

此外，在無人機(jī)領(lǐng)域，當(dāng)前無人機(jī)全景視頻拍攝領(lǐng)域主要采用無人機(jī)下加裝多臺運(yùn)動相機(jī)的方法實現(xiàn)，其主要缺陷在于：

(1)多目或魚眼拼接方案設(shè)備多，功耗大；

(2)需要云臺及多個設(shè)備，復(fù)雜笨重；

(3)占用過多無人機(jī)本身有限的資源及載重；

(4)無法進(jìn)行防抖補(bǔ)償。

當(dāng)應(yīng)用于機(jī)器人傳感器領(lǐng)域時，當(dāng)前機(jī)器人視覺傳感器主要采用多臺相機(jī)進(jìn)行圖像合成拼接，其主要缺陷在于：

(1)傳統(tǒng)的機(jī)器人需要多個攝像頭協(xié)同工作，功耗與排錯量大

(2)需要運(yùn)動部件移動視角，結(jié)構(gòu)與功能落后

(3)功能受視角與感應(yīng)器限制，互動識別慢

當(dāng)應(yīng)用于在影視拍攝領(lǐng)域時，當(dāng)前全景影視拍攝領(lǐng)域主要使用多臺拼接式或魚眼式全景相機(jī)，其問題在于：

(1)拼接式或魚眼式全景相機(jī)所存在的上述問題；

(2)大部分劇組已有普通單反，需要再次購買全景相機(jī)，資源浪費(fèi)；

(3)現(xiàn)有全景相機(jī)CMOS、光學(xué)素質(zhì)無法與傳統(tǒng)的單反廠家進(jìn)行比較；而使用多臺單反相機(jī)拼接的拍攝設(shè)備體積龐大、安全距離大、調(diào)試復(fù)雜。

當(dāng)應(yīng)用于個人移動設(shè)備領(lǐng)域時，當(dāng)前個人移動設(shè)備包括但不限于為手機(jī)、平板、筆記本電腦、臺式電腦等，其主要問題在于：

(1)如手機(jī)、平板等設(shè)備需要拍攝全景照片，需要橫向移動手機(jī)以拍攝全景，拍攝速度慢、不允許被攝物體移動；

(2)筆記本電腦、臺式電腦受攝像頭的限制，無法拍攝全景。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

對于現(xiàn)有全景拍攝技術(shù)中存在的上述問題，本實用新型公開了一種用于全景成像的光學(xué)系統(tǒng)，其具體包括：

反射鏡、透光窗口、鏡頭、攝像頭、主板及電池、底座。

其中所述反射鏡位于光學(xué)系統(tǒng)的所述透光窗口頂部，所述鏡頭、所述攝像頭和所述主板及電池位于所述透光窗口內(nèi)部并自上而下依次固定連接，所述透光窗口固定在所述底座上。

在本實用新型的實施例中，所述反射鏡為二次旋轉(zhuǎn)非球面或高次回轉(zhuǎn)非球面，其表面函數(shù)可根據(jù)不同要求進(jìn)行調(diào)整。

所述反射鏡材料選自以下方法中的一種制備工藝而得到：

(1)將金屬胚材使用CNC加工成型后精密拋光或在金屬上電鍍其他金屬；

(2)將金屬胚材使用模具鑄造成型后精密拋光或在金屬上電鍍其他金屬；

(3)使用其他非金屬材質(zhì)(如塑料、陶瓷等)制作基底，再在基地材料表面鍍銀鍍銀、鈦、金或銅等反光性好的金屬。

所述反射鏡材料選自下述材料中的一種：

(1)精密拋光的金屬胚材；

(2)電鍍金屬的金屬胚材；

(3)表面鍍銀、鍍鈦、鍍金或鍍銅的非金屬基材。

其中，所述透光窗口為石英玻璃或高硼硅玻璃，外層鍍有高透光減反射膜，并涂有防指紋疏油圖層，其透光率大于99.5。

所述反射鏡與所述透光窗口的連接方式選自以下連接方式中的一種或多種：(1)機(jī)械連接(2)膠接(3)化學(xué)連接(4)熱連接。

所述鏡頭為3.5mm焦距標(biāo)準(zhǔn)CS接口工業(yè)鏡頭，并可以根據(jù)不同要求更換不同焦距、規(guī)格的鏡頭，所述鏡頭材質(zhì)為光學(xué)玻璃或塑料。

鏡頭能夠根據(jù)不同要求進(jìn)行更換為其他普通鏡頭或遠(yuǎn)心鏡頭。

所述鏡頭與所述攝像頭的連接方式選自以下連接方式中的一種：(1) CS/C標(biāo)準(zhǔn)連接方式(2)金手指連接(3)插座連接(4)連接器連接。

所述攝像頭為工業(yè)C/CS口攝像頭或攝像模組，其成像原理包括CCD、 CMOS，所述攝像頭主要組成部分為：光學(xué)視角部件，內(nèi)置鏡頭，鏡座，濾光片，傳感器，PCB電路板，連接器。

所述濾光片的規(guī)格根據(jù)用途來選擇并進(jìn)行更換。

所述主板及電池由采集系統(tǒng)、運(yùn)算系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、輸出系統(tǒng)、控制系統(tǒng)構(gòu)成，其中所述主板可與散熱器進(jìn)行連接，從而降低系統(tǒng)運(yùn)行溫度。

所述底座包含多個接口，所述多個接口包括：(1)固定接口；(2)通信接口；(3)天線；(4)充電接口。

所述通信接口為WIFI、USB、HDMI接口中的一種或多種。

所述主板及電池中的控制系統(tǒng)，與手機(jī)、電腦、電視或可穿戴設(shè)備通信，通過所述輸出系統(tǒng)傳輸全景成像的光學(xué)系統(tǒng)所拍攝到的圖像或全景成像的光學(xué)系統(tǒng)的狀態(tài)。

本實用新型還公開了一種用于全景成像的光學(xué)系統(tǒng)的工作方法，其包括以下步驟：

1)外部圖像經(jīng)過反射鏡進(jìn)入透光窗口中后光路改變朝向鏡頭傳播；

2)鏡頭收集外部圖像的光路并在攝像頭處匯聚成原始圖像或原始視頻；

3)將攝像頭處生成的所述原始圖像或原始視頻傳輸至主板及電池并使用相關(guān)算法進(jìn)行還原解算得到全景圖像或全景視頻；

4)將所述全景圖像或全景視頻通過所述底座的通信接口發(fā)送至外部輸出設(shè)備以供使用或調(diào)試；

5)全景圖像或全景視頻還可以被存儲在攝像頭內(nèi)的儲存介質(zhì)中，所述儲存介質(zhì)為SD卡、microSD卡中的其中一種。

其中，上述用于全景成像的光學(xué)系統(tǒng)的工作方法的步驟4)中，所述通信接口為WIFI、USB或HDMI接口中的一種或多種。

其中，上述用于全景成像的光學(xué)系統(tǒng)的工作方法的步驟4)中，所述外部輸出設(shè)備包括：手機(jī)、電視、電腦或可穿戴設(shè)備。

本實用新型還公開了一種用于全景成像的光學(xué)系統(tǒng)的用途，所述用于全景成像的光學(xué)系統(tǒng)可被用于全景相機(jī)領(lǐng)域、安防監(jiān)控領(lǐng)域、遠(yuǎn)程會議領(lǐng)域、無人機(jī)領(lǐng)域、機(jī)器人傳感器領(lǐng)域、影視拍攝領(lǐng)域、個人移動設(shè)備領(lǐng)域。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實用新型具有以下優(yōu)點：

(1)使用單個攝像頭即可采集到全景影像，不存在多路圖像處理，有效降低成本。

(2)本實用新型使用單個攝像頭，無需后期進(jìn)行拼接，不存在多攝像頭同步的問題。

(3)本實用新型使用單個鏡頭，無需后期拼接，不存在盲點夾縫，所以可以達(dá)到非常近的安全距離。

(4)由于反射鏡為線性畸變，不存在魚眼鏡頭邊緣非常大的畸變，還原算法的邏輯難度大幅度降低。

(5)實現(xiàn)了360°全景拍攝無死角，可選空間內(nèi)任意位置設(shè)置，重量輕，安裝簡易，可適用于搭接各種外部設(shè)備，應(yīng)用于多種領(lǐng)域。

附圖說明

圖1是由全景成像的光學(xué)系統(tǒng)構(gòu)成的典型的全景相機(jī)的結(jié)構(gòu)圖。

圖2是攝像頭的結(jié)構(gòu)分解圖。

圖3是全景成像的光學(xué)系統(tǒng)用于安防監(jiān)控領(lǐng)域的一個實施例的示意圖。

圖4是全景成像的光學(xué)系統(tǒng)用于安防監(jiān)控領(lǐng)域的另一個實施例的示意圖。

圖5是全景成像的光學(xué)系統(tǒng)用于影視拍攝領(lǐng)域的一個實施例的示意圖。

圖6是全景成像的光學(xué)系統(tǒng)用于個人移動設(shè)備領(lǐng)域的一個實施例的示意圖。

附圖標(biāo)記說明：

100-反射鏡，101-透光窗口，102-鏡頭，103-攝像頭，104-主板及電池， 105-底座，106-光學(xué)視角部件，107-內(nèi)置鏡頭，108-鏡座，109-濾光片，110- 傳感器，111-PCB電路板，112-連接器。

具體實施方式

為了使本實用新型的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，下面結(jié)合實施例及附圖，對本實用新型進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實施例僅用以解釋本實用新型，并不用于限定本實用新型。

如圖1所示的全景成像的光學(xué)系統(tǒng)，其由反射鏡100、透光窗口101、鏡頭102、攝像頭103、主板及電池104、底座105和外部輸出設(shè)備(未示出)組成，其中反射鏡100位于光學(xué)系統(tǒng)的透光窗口101頂部，鏡頭102、攝像頭103和主板及電池104位于透光窗口101內(nèi)部并自上而下依次固定連接，透光窗口101固定在底座105上。

參考附圖2，其進(jìn)一步示出了攝像頭103結(jié)構(gòu)分解圖，攝像頭103自上而下依次由光學(xué)視角部件106、內(nèi)置鏡頭107、鏡座108、濾光片109、傳感器110、PCB電路板111、連接器112這幾個部分組成。

在本實用新型的實施例中，反射鏡100可以是二次旋轉(zhuǎn)非球面或高次回轉(zhuǎn)非球面，其表面函數(shù)可根據(jù)不同要求進(jìn)行調(diào)整。透光窗口101可以是石英玻璃或高硼硅玻璃，外層鍍有高透光減反射膜，并涂有防指紋疏油圖層，其透光率可以達(dá)到99.5以上。反射鏡100與透光窗口101的連接方式包括機(jī)械連接、膠接、化學(xué)連接和熱連接中的一種或多種的結(jié)合。反射鏡 100可以由以下方法中的一種或多種制備而得到：

將金屬胚材使用CNC加工成型后精密拋光或在金屬上電鍍其他金屬以達(dá)到其反射鏡效果；將金屬胚材使用模具鑄造成型后精密拋光或在金屬上電鍍其他金屬；使用其他非金屬材質(zhì)(如塑料、陶瓷等)制作基底，再在基地材料表面鍍銀或鈦、金、銅等其他反光性較好的金屬。

鏡頭102可以是3.5mm焦距標(biāo)準(zhǔn)CS接口工業(yè)攝像頭，并可以根據(jù)不同要求更換不同焦距、規(guī)格的其他鏡頭，其材質(zhì)為光學(xué)玻璃或塑料。在特殊要求下，可以使用遠(yuǎn)心鏡頭。鏡頭102與攝像頭103的連接方式包括： CS/C標(biāo)準(zhǔn)連接方式、金手指連接、插座連接或連接器連接。攝像頭103 可以是工業(yè)C/CS口攝像頭或攝像模組，其成像原理包括CCD、CMOS。其主要組成部分為：106-FOV(光學(xué)視角部件)，107-LENS(內(nèi)置鏡頭)， 108-Holder(鏡座)，109-IR(濾光片)，110-Sensor(傳感器)，111-PCB 線路板，112-Connector(連接器)。其中109-IR濾光片的規(guī)格根據(jù)用途可發(fā)生相應(yīng)的變化，例如紅外型則去掉IR紅外濾光片。

主板及電池104的主板部分由采集系統(tǒng)、運(yùn)算系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、輸出系統(tǒng)、控制系統(tǒng)構(gòu)成。其中主板可與散熱器進(jìn)行連接，從而降低系統(tǒng)運(yùn)行溫度。主板及電池104中的通信系統(tǒng)，可以與外部如手機(jī)、電腦等設(shè)備通信，傳輸相機(jī)所拍攝到的圖像或相機(jī)的狀態(tài)等其他數(shù)據(jù)。

主板及電池104中的運(yùn)算系統(tǒng)的核心還原算法包括下述4種：(1)全景圖像柱面展開、(2)全景圖像快速展開、(3)全景圖像透視還原和(4) 全景圖像差值還原。

在配合不同的反射鏡100、鏡頭102、攝像頭103時，可以調(diào)整算法中的相關(guān)參數(shù)，以達(dá)到更好的顯示效果。

底座105包含若干功能，包括：固定接口、通信接口(包括USB、 HDMI等)、天線和充電接口中的一種或多種。底座的通信接口為WIFI、 USB或HDMI接口?；蛘叩鬃耐ㄐ沤涌跒橥瑫r具有WIFI、USB或HDMI 接口中的多種。

本實用新型還公開了全景成像的光學(xué)系統(tǒng)的工作方法，其包括以下步驟：

1)外部圖像經(jīng)過反射鏡進(jìn)入透光窗口中后光路改變朝向鏡頭傳播；

2)鏡頭收集外部圖像的光路并在攝像頭處匯聚成原始圖像或原始視頻；

3)將攝像頭處生成的所述原始圖像或原始視頻傳輸至主板及電池并使用相關(guān)算法進(jìn)行還原解算得到全景圖像或全景視頻；

4)將所述全景圖像或全景視頻通過所述底座的通信接口發(fā)送至外部輸出設(shè)備以供使用或調(diào)試；

5)全景圖像或全景視頻還可以被存儲在攝像頭內(nèi)的儲存介質(zhì)中，所述儲存介質(zhì)為SD卡、microSD卡中的其中一種。

其中，上述全景成像的光學(xué)系統(tǒng)的工作方法的步驟4)中，通信接口為WIFI、USB或HDMI接口中的一種或多種。

其中，上述全景成像的光學(xué)系統(tǒng)的工作方法的步驟4)中，外部輸出設(shè)備包括：手機(jī)、電視、電腦或可穿戴設(shè)備。

下面通過實施例對本實用新型作進(jìn)一步的詳細(xì)說明：

實施例1

該實施例為典型的全景相機(jī)解決方案示例，具體地，可直接采用圖1 中所描述的全景成像的光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行影像拍攝。使用單個攝像頭即可采集到全景影像，不存在多路圖像處理，無需后期進(jìn)行拼接，不存在多攝像頭同步問題，不存在盲點夾縫，所以可以達(dá)到非常近的安全距離，有效地使整套全景成像系統(tǒng)小型化、輕量化，同時降低系統(tǒng)成本，提升拍攝品質(zhì)。此外由于使用單個鏡頭，還原算法復(fù)雜度低，可以在內(nèi)置ARM芯片或 FPGA、DSP芯片內(nèi)進(jìn)行還原解鎖，從而實現(xiàn)機(jī)內(nèi)還原解算。

實施例2

在該實施例中，全景成像的光學(xué)系統(tǒng)被用于安防監(jiān)控領(lǐng)域，將本實用新型中的該全景成像的光學(xué)系統(tǒng)設(shè)置于需要安防監(jiān)控區(qū)域，如圖3，并通過通信接口經(jīng)通信網(wǎng)絡(luò)與遠(yuǎn)程監(jiān)控中心中的監(jiān)控終端進(jìn)行通信，可實現(xiàn)可選空間內(nèi)任意位置設(shè)置同時實現(xiàn)全景無死角觀測。當(dāng)用于已安裝的監(jiān)控設(shè)備中時，可以與已安裝的設(shè)備鏡頭接口按圖4方式結(jié)合，進(jìn)行全景監(jiān)測，而無需對監(jiān)控設(shè)備進(jìn)行復(fù)雜的升級改造，節(jié)省了成本同時使設(shè)備整體更輕量化。

實施例3

在該實施例中，全景成像的光學(xué)系統(tǒng)被用于遠(yuǎn)程會議領(lǐng)域，將本實用新型中的該全景成像的光學(xué)系統(tǒng)設(shè)置于遠(yuǎn)程會議會場中任意位置，并通過通信接口經(jīng)通信網(wǎng)絡(luò)將獲取的會議會場實時圖像實時顯示于會場中的顯示屏中，并及時傳輸給遠(yuǎn)程會議中的遠(yuǎn)程方，本實用新型中的全景成像的光學(xué)系統(tǒng)由于是360°全景拍攝，因此不受場地限制，可根據(jù)情況在會場內(nèi)隨意擺放并可以呈現(xiàn)全部成員與設(shè)施。

實施例4

在該實施例中，全景成像的光學(xué)系統(tǒng)被用于無人機(jī)領(lǐng)域，通過底座上的固定接口與無人機(jī)的對應(yīng)接口相連，實現(xiàn)全景成像的光學(xué)系統(tǒng)的搭載和連接，通過通信接口傳輸獲取的圖像或接收控制指令，也可以通過通信接口(如USB，HDMI、WIFI等)將獲取的圖像儲存在無人機(jī)內(nèi)部存儲介質(zhì)中，還可以將獲取的圖像存儲于全景成像的光學(xué)系統(tǒng)的攝像頭內(nèi)的存儲介質(zhì)中。將全景成像的光學(xué)系統(tǒng)與無人機(jī)接合，由于無需安裝多個鏡頭所需的云臺或旋轉(zhuǎn)部件，有利于減輕配重及降低功耗從而增強(qiáng)無人機(jī)載重與續(xù)航。同時由于無人機(jī)系統(tǒng)中存在多重震動，本系統(tǒng)支持電子防抖、機(jī)械云臺防抖等多種方式，使相機(jī)可以在無人機(jī)上穩(wěn)定的拍攝。

實施例5

在該實施例中，全景成像的光學(xué)系統(tǒng)被用于機(jī)器人傳感器領(lǐng)域?？蓪⒈鞠到y(tǒng)安裝到機(jī)器人的任何位置，由于使用單一鏡頭實現(xiàn)360°全景觀測取景，可以解決由于多個傳感器對機(jī)器人相對運(yùn)動辨別固有的不確定性，同時不再需要額外配置移動視角所需的運(yùn)動部件，使得機(jī)器人可以具有更好的空間感知能力與人機(jī)互動識別能力。

實施例6

在該實施例中，全景成像的光學(xué)系統(tǒng)被用于影視拍攝領(lǐng)域，采用本實用新型全景成像的光學(xué)系統(tǒng)，將其與劇組中任一現(xiàn)有攝像機(jī)或單反相機(jī)結(jié)合,如圖5，即可實現(xiàn)全景拍攝，解決了使用多臺攝像機(jī)或單反相機(jī)拼接拍攝帶來的設(shè)備體積龐大、安全距離大、調(diào)試復(fù)雜的問題。

實施例7

現(xiàn)有情景下當(dāng)手機(jī)、平板、筆記本電腦、臺式電腦等設(shè)備需要拍攝全景照片時，則需要橫向移動手機(jī)以拍攝全景，拍攝速度慢且不允許被攝物體移動，在該實施例中，全景成像的光學(xué)系統(tǒng)也可以被用于個人移動設(shè)備領(lǐng)域以解決上述問題，將本實用新型中全景成像的光學(xué)系統(tǒng)與手機(jī)攝像頭相連接，如圖6，可以實現(xiàn)在手機(jī)上直接拍攝全景照片或視頻，本實用新型中全景成像的光學(xué)系統(tǒng)與筆記本、平板電腦、臺式電腦或可穿戴設(shè)備攝像頭相連接，則同樣可以實現(xiàn)在筆記本、平板電腦、臺式電腦或可穿戴設(shè)備上直接拍攝全景照片或視頻。

以上所述實施例僅表達(dá)了本實用新型的實施方式，其描述較為具體和詳細(xì)，但并不能因此而理解為對本實用新型專利范圍的限制。應(yīng)當(dāng)指出的是，對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本實用新型構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進(jìn)，這些都屬于本實用新型的保護(hù)范圍。因此，本實用新型專利的保護(hù)范圍應(yīng)以所附權(quán)利要求為準(zhǔn)。