專利名稱：寬視場超高分辨率成像系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光學(xué)成像領(lǐng)域，尤其是一種寬視場角圖像和窄視場角圖像都能達到較高分辨率的成像系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
目前的光學(xué)成像系統(tǒng)大部分都是單鏡頭成像系統(tǒng)，短焦成像系統(tǒng)具有可以拍攝寬視場角宏觀廣角圖像的能力，長焦成像系統(tǒng)具有可以拍攝窄視場角的微觀細節(jié)特寫圖像的能力。一般的像素成像的LW/PH值都在I千到2千萬左右，更高分辨率的系統(tǒng)因為沒有通用高分辨率傳感器很難做到或者必須話很高的代價去 實現(xiàn)更高分辨率的傳感器，同時因為高分辨率光學(xué)系統(tǒng)也很難在工藝上達到，因此要拍攝廣角的成像，就要選擇短焦廣角的鏡頭；要拍攝特寫的細節(jié)圖像，就要選擇長焦的窄視場鏡頭。如果想拍攝既能看到寬視場角的廣角宏觀圖像同時也想看到該時刻的該場景內(nèi)的任意窄視場角的微觀細節(jié)特寫圖像，在一臺相機上是不可能實現(xiàn)的。這對于拍攝動態(tài)的細節(jié)是非常難以捕捉到拍攝位置和時機的，所有現(xiàn)在的相機只能是利用多拍、利用豐富的拍攝經(jīng)驗拍攝才可以提高細節(jié)拍攝的成功率。比如對于運動中的球員的細節(jié)特寫連續(xù)拍攝就是很難的事情。諾基亞開發(fā)了一款4100萬像素的Lumia808 PureView系統(tǒng)。該系統(tǒng)是單鏡頭配高分辨率大像面CMOS手機相機,該相機具有oversampling的功能,在一個較寬的視場拍攝超高分辨率的圖像，然后在顯示的時候采用一般分辨率的顯示可以去看整個視場或者局部視場的一般分辨率圖像，實現(xiàn)了寬視場角和窄視場角等清晰分辨率或者接近清晰分辨率圖像的同時獲得。這樣的系統(tǒng)提供了較好的宏觀廣角成像和微觀細節(jié)成像的統(tǒng)一，但由于該產(chǎn)品的光圈較大，景深較小，對于大縱深的被拍攝場景很難確保被拍攝景物都在景深范圍內(nèi)。如果被拍攝的景物超出景深范圍，則該部分景物的細節(jié)則無法看清。所以其缺點是景深小。該系統(tǒng)無法實現(xiàn)不調(diào)焦拍攝，另一個缺點是該系統(tǒng)設(shè)計采用一個獨立的超高分辨率CMOS傳感器，傳感器成本較高，另一個缺點是該系統(tǒng)的光學(xué)成像鏡頭的精度工藝要求非常高，實現(xiàn)成本較高。該系統(tǒng)還無法實現(xiàn)動態(tài)細節(jié)的跟蹤拍攝。微軟公開開發(fā)了一種成像系統(tǒng)即Gigapixel camera,其采用多個傳感器陣列和單一窄視場鏡頭分時對相鄰并有互相交疊的場景下在不同的傳感器上進行拍攝相對位置移動拍攝的成像系統(tǒng)。該系統(tǒng)也能實現(xiàn)在一張圖像實現(xiàn)看到大視場角的廣角圖像和小視場角的細節(jié)特寫的能力?，F(xiàn)有技術(shù)中的傳感器分辨率和顯示分辨率接近的光學(xué)成像系統(tǒng)，如果要拍攝廣角的成像，就要選擇短焦廣角的鏡頭；而要拍攝特寫的細節(jié)圖像，就要選擇長焦的窄視場鏡頭。兩者不能兼得。在動態(tài)細節(jié)的抓拍中，由于要跟焦拍攝，跟目標(biāo)拍攝，即使有經(jīng)驗的拍攝者也很難長時間抓住動目標(biāo)特寫拍攝。因此，現(xiàn)有技術(shù)中存在對能夠拍攝動態(tài)細節(jié)又能夠拍攝廣角景象的成像系統(tǒng)的需要。

發(fā)明內(nèi)容
針對現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，本發(fā)明提供了一種寬視場超高分辨率成像系統(tǒng)，其特征在于，包括由M排和N列個窄視場長焦成像子系統(tǒng)組成的MXN窄視場長焦成像子系統(tǒng)陣列，相鄰的窄視場長焦成像子系統(tǒng)的視場互相交疊，每一個窄視場長焦成像子系統(tǒng)的主光軸匯聚于一點或者該點鄰域范圍內(nèi)，該點為寬視場超高分辨率成像系統(tǒng)的光心，其中，M和N均為大于等于I的自然數(shù)，且至少其中之一大于I ;每個窄視場長焦光學(xué)成像子系統(tǒng)的水平視場角為《h+2A h，垂直視場角為《V+2A v;所述寬視場超高分辨率成像系統(tǒng)的水平視場角HFOV即MXN窄視場長焦成像子系統(tǒng)陣列的水平視場角為N h+2 A coh,寬視場超高分辨率成像系統(tǒng)的垂直視場角VFOV即MXN窄視場長焦成像子系統(tǒng)陣列的垂直視場角為M V+2A v，其中，180。> h>0。，90。>Acoh>0。，180。> v>0°，90。>Acov>0。，《h
為水平相鄰的窄視場長焦成像子系統(tǒng)的主光軸之間 的夾角，為垂直相鄰的窄視場長焦成像子系統(tǒng)的主光軸之間的夾角，A h為在水平相鄰的窄視場長焦成像子系統(tǒng)的主光軸所形成的平面內(nèi)物距在無窮遠處的水平視場交疊區(qū)域與所屬的窄視場長焦成像子系統(tǒng)光心連線所形成的夾角，即水平交疊視場角，A v為在垂直相鄰的窄視場長焦成像子系統(tǒng)的主光軸所形成的平面內(nèi)物距在無窮遠處的垂直視場交疊區(qū)域與所屬的窄視場長焦成像子系統(tǒng)光心連線所形成的夾角，即垂直交疊視場角；圖像處理裝置，用于對所述窄視場長焦成像子系統(tǒng)陣列所拍的具有相鄰交疊特性的陣列圖像進行拼接處理以獲得寬視場場景圖像；系統(tǒng)控制裝置，連接到所述圖像處理裝置和MXN窄視場長焦成像子系統(tǒng)陣列，用于對所述寬視場超高分辨率成像系統(tǒng)的各個組成部件的運行進行控制。其中，所述每一個窄視場長焦成像子系統(tǒng)的主光軸匯聚于一點為所有窄視場長焦成像子系統(tǒng)的主光軸交匯于窄視場長焦成像子系統(tǒng)的前方或后方。所述寬視場超高分辨率成像系統(tǒng)，所述系統(tǒng)控制裝置進一步用于使所述寬視場超高分辨率成像系統(tǒng)工作在拍照模式或動態(tài)跟蹤模式或微距模式。其中，在所述拍照模式下，所述窄視場長焦成像子系統(tǒng)陣列由所述系統(tǒng)控制裝置進行統(tǒng)一曝光控制以對寬視場場景進行一次性拍照，并且將拍照圖像發(fā)送給圖像處理裝置進行拼接預(yù)處理和拼接處理，拼接處理后的拍照圖像存儲到存儲器。其中，所述統(tǒng)一曝光控制是指所有的窄視場長焦成像子系統(tǒng)由所述系統(tǒng)控制裝置統(tǒng)一控制傳感器的電子快門使傳感器在同一個時刻曝光，所述在同一時刻曝光包括各窄視場長焦成像子系統(tǒng)具有相同的曝光時長和不同曝光時長；在具有不同曝光時長的情況下，具有較長曝光時間的窄視場長焦成像子系統(tǒng)曝光時段覆蓋具有較短曝光時長的窄視場長焦成像子系統(tǒng)曝光時段。所述拍照模式包括全景球面模式，在所述全景球面模式下，所述圖像處理裝置對由像面沿近似球面分布的所述窄視場長焦成像子系統(tǒng)陣列拍出的陣列圖像進行直接拼接處理得到全景的像面沿近似球面成像的圖像，而無需進行投影變換的拼接預(yù)處理；全景平面模式，在所述全景平面模式下，所述圖像處理裝置進行包括圖像投影變換在內(nèi)的拼接預(yù)處理，而后再進行拼接處理得到平面拍攝模式的圖像，其中，所述圖像投影變換是指各個像面沿球面分布的窄視場長焦成像子系統(tǒng)陣列所成的陣列圖像投影到切點在寬視場超高分辨率成像系統(tǒng)視場內(nèi)的以寬視場超高分辨率成像系統(tǒng)光心為球心的球面上的某個指定切面內(nèi)得到呈平面分布圖像陣列。
其中，在所述動態(tài)跟蹤模式下，所述窄視場長焦成像子系統(tǒng)陣列由統(tǒng)一曝光控制對所有場景拍照，在拍照后所述系統(tǒng)控制裝置依據(jù)被跟蹤對象的坐標(biāo)和根據(jù)具體應(yīng)用的取景范圍定義動態(tài)跟蹤取景框，所述圖像處理裝置只對所述動態(tài)跟蹤取景框之內(nèi)的圖像進行拼接預(yù)處理和拼接處理，并將拼接處理后的動態(tài)跟蹤取景框內(nèi)的圖像存儲到存儲器，其中拼接預(yù)處理包括圖像投影變換，其中，所述圖像投影變換是指動態(tài)跟蹤取景框內(nèi)各個像面沿球面分布的窄視場長焦成像子系統(tǒng)陣列所成的陣列圖像投影到切點在寬視場超高分辨率成像系統(tǒng)視場內(nèi)的以寬視場超高分辨率成像系統(tǒng)的光心為球心的球面上的某個指定切面內(nèi)得到呈平面分布圖像陣列。所述寬視場超高分辨率成像系統(tǒng)進一步包括顯示器、照片瀏覽軟件和視頻顯示軟件，供用戶瀏覽所述寬視場超高分辨率成像系統(tǒng)的圖像和視頻，其中，在拍照模式下或微距模式下，通過顯 示器和瀏覽軟件看到的寬視場場景內(nèi)的圖像是對原始拍照的圖像進行抽樣后得到小數(shù)據(jù)量的圖像，通過顯示器和瀏覽軟件看到的寬視場場景內(nèi)的特寫圖像是寬視場場景內(nèi)的局部特寫圖像或者甚至是寬視場場景內(nèi)的局部特寫圖像經(jīng)插值放大后的圖像；在動態(tài)跟蹤模式或微距模式下，通過顯示器和視頻顯示軟件看到動態(tài)跟蹤取景框內(nèi)的動態(tài)景物特寫視頻或者微距成像系統(tǒng)拍攝的視頻。所述寬視場超高分辨率成像系統(tǒng)，進一步包括微距成像系統(tǒng)，用于在所述寬視場超高分辨率成像系統(tǒng)工作于微距模式下，由所述系統(tǒng)控制裝置控制獨立地進行微距照片或者視頻拍攝。所述寬視場超高分辨率成像系統(tǒng)，進一步包括動態(tài)跟蹤輔助成像系統(tǒng)，其視場角和所述MXN窄視場長焦成像子系統(tǒng)陣列的視場角完全一致，用于當(dāng)所述寬視場超高分辨率成像系統(tǒng)運行于動態(tài)跟蹤模式時獲取被跟蹤目標(biāo)的坐標(biāo)并實時傳遞給所述寬視場超高分辨率成像系統(tǒng)。其中，每一個窄視場長焦成像子系統(tǒng)采用EDOF (景深延拓技術(shù))技術(shù)或EIDOF (光圈景深聯(lián)合延拓)技術(shù)來實現(xiàn)大景深成像。其中，每一個窄視場長焦成像子系統(tǒng)采用自動對焦裝置實現(xiàn)每個窄視場長焦成像子系統(tǒng)的視場內(nèi)被拍景物的聚焦成像。其中，每一個窄視場長焦成像子系統(tǒng)采用定焦技術(shù)對設(shè)計景深范圍內(nèi)并在窄視場長焦成像子系統(tǒng)視場內(nèi)的景物進行清晰成像。其中，所述圖像處理裝置可以包括下述模塊中的至少之一，以相應(yīng)提高系統(tǒng)的顏色保真度，拼接的準(zhǔn)確性、效率和像質(zhì)顏色?；K，替代每個窄視場長焦成像子系統(tǒng)的自動白平衡功能進行所成圖像的顏色畸變校正；幾何?；K，用于對每個窄視場長焦成像子系統(tǒng)的圖像進行幾何畸變校正；亮度?；K，用于對每個窄視場長焦成像子系統(tǒng)的圖像進行亮度畸變校正；EDOF或EIDOF解碼模塊，用于對采用EDOF或EIDOF技術(shù)的窄視場長焦成像子系統(tǒng)所成圖像的解碼。其中，所述MX N窄視場長焦成像子系統(tǒng)陣列為3 X 3窄視場長焦成像子系統(tǒng)陣列，水平相鄰窄視場長焦成像子系統(tǒng)的主光軸的夾角《hSl6.2°，垂直相鄰窄視場長焦成像子系統(tǒng)的主光軸的夾角12.05°，水平交疊角A Coh為0.75°，垂直交疊角AcovS0.625°，所述 HFOV 為 50. 1°，所述 VFOV 為 37. 4°。本發(fā)明的寬視場超高分辨率成像系統(tǒng)由于采用了 MXN窄視場長焦成像系統(tǒng)陣列，因此可以實現(xiàn)超高分辨率成像，同時實現(xiàn)廣角和特寫的成像，并且具有能夠?qū)崿F(xiàn)跟蹤動態(tài)目標(biāo)進行特寫跟蹤拍攝。本發(fā)明的成像系統(tǒng)的成像分辨率遠遠大于顯示分辨率。寬視場超高分辨率成像系統(tǒng)的光學(xué)分辨率大大超過同樣光學(xué)指標(biāo)的傳統(tǒng)成像系統(tǒng)在一般工業(yè)精度下的分辨率，具有超高的LW/PH值。經(jīng)過MXN窄視場長焦成像子系統(tǒng)陣列拍攝的、經(jīng)過圖像處理裝置拼接的超高分辨率圖像的分辨率遠遠大于一般的顯示分辨率，所以對寬視場場景的顯示要先對超高分辨率圖像進行抽樣。具有這樣特點的成像系統(tǒng)命名 為魔幻變焦(Magixoom)成像系統(tǒng)。


圖I為本發(fā)明實施例的寬視場超高分辨率成像系統(tǒng)的原理組成框圖；圖2為本發(fā)明實施例的寬視場超高分辨率成像系統(tǒng)的3X3窄視場長焦成像子系統(tǒng)陣列的水平截面示意圖；圖3a和圖3b分別為在3X3窄視場長焦成像子系統(tǒng)陣列中，前光心和后光心的不意圖；圖4為本發(fā)明實施例的寬視場超高分辨率成像系統(tǒng)的水平方向正中一排窄視場長焦成像子系統(tǒng)截面圖；圖5為本發(fā)明實施例的寬視場超高分辨率成像系統(tǒng)的垂直方向正中一列窄視場長焦成像子系統(tǒng)截面圖。圖6為本發(fā)明實施例在拍照模式下圖像陣列及超高分辨率圖像示意圖。圖7為本發(fā)明實施例在動態(tài)跟蹤模式下圖像陣列和動態(tài)跟蹤取景框及動態(tài)跟蹤圖像不意圖。
具體實施例方式為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下參照附圖并舉出優(yōu)選實施例，對本發(fā)明進一步詳細說明。然而，需要說明的是，說明書中列出的許多細節(jié)僅僅是為了使讀者對本發(fā)明的一個或多個方面有一個透徹的理解，即便沒有這些特定的細節(jié)也可以實現(xiàn)本發(fā)明的這些方面。圖I示出了根據(jù)本發(fā)明的實施例的寬視場超高分辨率成像系統(tǒng)。如圖I所示，寬視場超高分辨率成像系統(tǒng)包括MXN窄視場長焦成像子系統(tǒng)陣列10、圖像處理裝置12和系統(tǒng)控制裝置14。MXN窄視場長焦成像子系統(tǒng)陣列為M排XN列窄視場長焦成像子系統(tǒng)陣列。如圖2所示，相鄰的窄視場長焦成像子系統(tǒng)100的視場互相交疊，每一個窄視場長焦成像子系統(tǒng)100的主光軸匯聚于一點或者該點鄰域范圍內(nèi)，該點為寬視場超高分辨率成像系統(tǒng)的光心，其中，M和N均為大于等于I的自然數(shù)，并且M和N中至少之一大于I。換言之，窄視場長焦成像系統(tǒng)陣列中相鄰的窄視場角成像子系統(tǒng)的視場相鄰，在設(shè)計的物距范圍內(nèi)，相鄰的窄視場長焦成像子系統(tǒng)的視場略有互相交疊；相鄰的同行或者同列的窄視場長焦成像子系統(tǒng)的主光軸夾角要小于每個窄視場長焦成像子系統(tǒng)的同行或者同列的視場角?；ハ嘟化B區(qū)域的沿物距方向的起始交疊點在寬視場超高分辨率成像系統(tǒng)的設(shè)計景深的近端更近的位置。系統(tǒng)控制裝置14連接到所述圖像處理裝置12和MXN窄視場長焦成像子系統(tǒng)陣列10，對所述寬視場超高分辨率成像系統(tǒng)的各個組成部件的運行進行控制。參見圖2，在MXN窄視場長焦成像子系統(tǒng)陣列中，每個窄視場長焦光學(xué)成像子系統(tǒng)100的水平視場角為《h+2 A h，所述寬視場超高分辨率成像系統(tǒng)的水平視場角HFOV為N h+2A h，其中，A h為在水平相鄰的窄視場長焦成像子系統(tǒng)的主光軸所形成的平面內(nèi)物距在無窮遠處的水平視場交疊區(qū)域與所屬的窄視場長焦成像子系統(tǒng)光心連線所形成的夾角，即水平交疊視場角，水平相鄰的窄視場長焦成像子系統(tǒng)100的主光軸之間的夾角，并且180° >wh>0° ,90° > A oh>0°。類似地，所述寬視場超高分辨率成像系統(tǒng)的垂直視場角VFOV為Mo v+2 A v，每個窄視場長焦光學(xué)成像子系統(tǒng)100的垂直視場角為cov+2A ov, Cov為垂直相鄰的窄視場長焦成像子 系統(tǒng)100的主光軸之間的夾角，A (Ov為在垂直相鄰的窄視場長焦成像子系統(tǒng)的主光軸所形成的平面內(nèi)物距在無窮遠處的垂直視場交疊區(qū)域與所屬的窄視場長焦成像子系統(tǒng)光心連線所形成的夾角，即垂直交疊視場角，并且 180。> v>0°，90。> A cov>0°。每一個窄視場長焦成像子系統(tǒng)100的主光軸匯聚于一交匯點，該點為寬視場超高分辨率成像系統(tǒng)的光心，該光心位于寬視場超高分辨率成像系統(tǒng)的前方或后方。如圖2所示，所有窄視場長焦成像子系統(tǒng)的主光軸交匯點在窄視場長焦成像子系統(tǒng)的后方，該交匯點稱為后光心，并且這樣構(gòu)成寬視場超高分辨率成像系統(tǒng)成為后光心系統(tǒng)。相應(yīng)地，所有窄視場長焦成像子系統(tǒng)的主光軸交匯點在窄視場長焦成像子系統(tǒng)的前方，則該交匯點稱為前光心，并且這樣構(gòu)成寬視場超高分辨率成像系統(tǒng)成為前光心系統(tǒng)。圖3a和圖3b為在3X3窄視場長焦成像子系統(tǒng)陣列中，前光心和后光心的示意圖。實際應(yīng)用中，依據(jù)寬視場超高分辨率成像系統(tǒng)的具體應(yīng)用需求和成本來確定所需的寬視場超高分辨率成像系統(tǒng)的視場角，所需的在不同物距的分辨率；根據(jù)鏡頭的分辨率和CCD/CM0S光電傳感器的分辨率等因素確定寬視場超高分辨率成像系統(tǒng)的MXN窄視場長焦成像子系統(tǒng)陣列的設(shè)計參數(shù)，例如窄視場長焦成像子系統(tǒng)的行和列的數(shù)量， h, A coh,W V，△ W V 等圖像處理裝置12對所述窄視場長焦成像系統(tǒng)陣列所拍的具有相鄰交疊特性的陣列圖像進行拼接處理以獲得超高分辨率的寬視場場景圖像。拼接處理后的寬視場場景圖像可以存儲到存儲器22中。本發(fā)明的實施例中，圖像處理裝置12對所拍的具有相鄰交疊特性的陣列圖像進行拼接處理采用的是現(xiàn)有技術(shù)中的圖像拼接技術(shù)，在此不再贅述。可選地，本發(fā)明的實施例的寬視場超高分辨率成像系統(tǒng)中的系統(tǒng)控制裝置14還可以包括有模式控制功能。系統(tǒng)控制裝置14與每一個窄視場長焦成像子系統(tǒng)連接并且與圖像處理裝置12連接。利用系統(tǒng)控制裝置14，用戶可以選擇使得寬視場超高分辨率成像系統(tǒng)工作在拍照模式或動態(tài)跟蹤模式或微距模式。本發(fā)明中，拍照模式包括全景球面模式和全景平面模式。在所述全景球面模式下，圖像處理裝置12對由像面沿近似球面分布的所述窄視場長焦成像子系統(tǒng)陣列拍出的陣列圖像進行直接拼接處理得到全景的像面沿近似球面成像的圖像，而無需進行投影變換的拼接預(yù)處理；在所述全景平面模式下，圖像處理裝置12進行包括圖像投影變換在內(nèi)的拼接預(yù)處理，而后再進行拼接處理得到平面拍攝模式的圖像，其中，所述圖像投影變換是指各個像面沿球面分布的窄視場長焦成像子系統(tǒng)陣列所成的陣列圖像投影到切點在寬視場超高分辨率成像系統(tǒng)視場內(nèi)的以寬視場超高分辨率成像系統(tǒng)光心為球心的球面上的某個指定切面內(nèi)得到呈平面分布圖像陣列。在拍照模式下，窄視場長焦成像子系統(tǒng)陣列由系統(tǒng)控制裝置14進行統(tǒng)一曝光控制來對寬視場場景進行一次性拍照得到如圖6所示的圖像陣列，并且將拍照圖像發(fā)送給圖像處理裝置12進行拼接預(yù)處理和拼接處理，得到如圖6所示的圖像陣列外緣包括的超高分辨率圖像，拼接處理后的超高分辨率圖像存儲到存儲器22。所述統(tǒng)一曝光控制是指所有的窄視場長焦成像子系統(tǒng)由所述系統(tǒng)控制裝置14統(tǒng)一控制傳感器的電子快門使傳感器在同一個時刻曝光，所述在同一時刻曝光包括各窄視場長焦成像子系統(tǒng)具有相同曝光時長和不同曝光時長，在不同曝光時長的情況下，具有較 長曝光時間的窄視場長焦成像子系統(tǒng)曝光時段覆蓋具有較短曝光時長的窄視場長焦成像子系統(tǒng)曝光時段。在動態(tài)跟蹤模式下，窄視場長焦成像系統(tǒng)陣列由對同一個快門控制對所有場景拍照，窄視場長焦成像子系統(tǒng)陣列由系統(tǒng)控制裝置14進行統(tǒng)一曝光控制來對所有場景拍照得到圖7所示的圖像陣列，在拍照后所述系統(tǒng)控制裝置14依據(jù)被跟蹤對象的坐標(biāo)和取景范圍定義如圖7的所示的動態(tài)跟蹤取景框，圖像處理裝置12只對所述動態(tài)跟蹤取景框之內(nèi)的圖像進行拼接預(yù)處理和拼接處理得到如圖7所示的動態(tài)跟蹤取景框范圍內(nèi)的圖像，并將動態(tài)跟蹤取景框范圍內(nèi)的圖像存儲到存儲器22。其中，拼接預(yù)處理包括圖像投影變換，其中，所述圖像投影變換是指動態(tài)跟蹤取景框內(nèi)各個像面沿球面分布的窄視場長焦成像子系統(tǒng)陣列所成的陣列圖像投影到切點在寬視場超高分辨率成像系統(tǒng)視場內(nèi)的以寬視場超高分辨率成像系統(tǒng)的光心為球心的球面上的某個指定切面內(nèi)得到呈平面分布圖像陣列。在動態(tài)跟蹤模式或微距模式下，通過顯示器和視頻顯示軟件看到動態(tài)跟蹤取景框內(nèi)的動態(tài)景物特寫視頻或者微距成像系統(tǒng)拍攝的視頻。動態(tài)跟蹤模式的取景框的設(shè)置有兩種方式。在一種設(shè)置取景框的方式中，由于在一些專用領(lǐng)域的拍攝中，用戶所關(guān)注的動態(tài)目標(biāo)對象的模式是固定的并且是先驗的，因此可以用圖像處理來描述和識別。在此情況下，通過圖像處理裝置中的軟件的模式識別功能對動態(tài)目標(biāo)對象進行識別以確定其位置坐標(biāo)；然后根據(jù)確定的位置坐標(biāo)和所要求的取景范圍確定取景框。在此情況下，是先跟蹤拍攝后取景并處理輸出動態(tài)視頻。如果跟蹤的動態(tài)目標(biāo)對象的取景框跨越兩個以上的窄視場長焦成像子系統(tǒng)的拍攝視場，則需對所取的取景框內(nèi)的圖像進行拼接來實現(xiàn)動態(tài)跟蹤視頻。另一種設(shè)置取景框的方式中，對于一般的通用拍攝系統(tǒng)，由于對跟蹤的動態(tài)目標(biāo)對象的軟件識別比較困難，可以在寬視場超高分辨率成像系統(tǒng)的邊上另設(shè)一個和寬視場成像系統(tǒng)作為動態(tài)跟蹤輔助成像系統(tǒng)20，用于當(dāng)寬視場超高分辨率成像系統(tǒng)運行于動態(tài)跟蹤模式時獲取被跟蹤目標(biāo)的坐標(biāo)并實時傳遞給寬視場超高分辨率成像系統(tǒng)。動態(tài)跟蹤輔助成像系統(tǒng)20也連接到系統(tǒng)控制裝置14。動態(tài)跟蹤輔助成像系統(tǒng)20的成像視場角與寬視場超高分辨率成像系統(tǒng)的視場角一致，使得寬視場超高分辨率成像系統(tǒng)和輔助成像系統(tǒng)同時拍攝完全一樣的場景，具有一樣的場景坐標(biāo)。在這樣的配置下，通過用外部工具比如鼠標(biāo)或者觸摸屏上的手指在附加成像系統(tǒng)的拍攝顯示圖像中去跟蹤動態(tài)目標(biāo)對象，從而確定跟蹤動態(tài)目標(biāo)對象的坐標(biāo)。依據(jù)跟蹤的動態(tài)目標(biāo)對象的坐標(biāo)和應(yīng)用所需的取景框在寬視場超高分辨率成像系統(tǒng)中選取動態(tài)視頻數(shù)據(jù)，輸出跟蹤的動態(tài)目標(biāo)對象的動態(tài)視頻。如果跟蹤的目標(biāo)對象的取景框跨越兩個以上的窄視場長焦成像子系統(tǒng)的拍攝視場，則需對所取的取景框內(nèi)的圖像進行拼接以實現(xiàn)動態(tài)跟蹤視頻。本發(fā)明中，寬視場超高分辨率成像系統(tǒng)還可以包括與系統(tǒng)控制裝置14連接的一個微距成像系統(tǒng)18。寬視場超高分辨率成像系統(tǒng)工作時一般只拍攝物距較遠些的場景，使用戶能看清寬視場場景的同時還可以用特寫方式看清遠處的細小景物，但這個模式由于聚焦位置和視場角的緣故不適合于拍攝微距圖像。因此，如果寬視場超高分辨率成像系統(tǒng)需要拍攝微距內(nèi)的對象即工作在微距模式時，在系統(tǒng)控制裝置14的控制下，MXN窄視場長焦成像子系統(tǒng)陣列將不工作，由微距成像系統(tǒng)18獨立地進行微距照片或視頻拍攝。本發(fā)明的實施例中，存儲器可以是設(shè)置在寬視場超高分辨率成像系統(tǒng)中，也可以設(shè)置在寬視場超高分辨率成像系統(tǒng)外部。在存 儲器設(shè)置在寬視場超高分辨率成像系統(tǒng)外部時，圖像處理裝置通過數(shù)據(jù)線與外部存儲器連接?？蛇x地，寬視場超高分辨率成像系統(tǒng)進一步包括顯示器16、瀏覽軟件和視頻瀏覽軟件，供用戶瀏覽所述寬視場超高分辨率成像系統(tǒng)的圖像和視頻。瀏覽軟件和視頻瀏覽軟件可以安裝到系統(tǒng)控制裝置14中。通過顯示器16和瀏覽軟件看到的寬視場場景內(nèi)的圖像是對原始拍照的圖像進行抽樣后得到小數(shù)據(jù)量的圖像，通過顯示器16和瀏覽軟件看到的寬視場場景內(nèi)的特寫圖像是寬視場場景內(nèi)的局部特寫圖像或者是甚至是寬視場場景內(nèi)的局部特寫圖像經(jīng)插值放大后的圖像。原始拍攝的圖像可以存儲在存儲器中以供用戶通過顯示器16和瀏覽軟件觀看，也可以直接從圖像處理裝置12發(fā)送到顯示器16供用戶瀏覽。根據(jù)本發(fā)明的實施例，寬視場超高分辨率成像系統(tǒng)的成像分辨率遠遠大于顯示分辨率。寬視場超高分辨率成像系統(tǒng)的光學(xué)分辨率大大超過同樣光學(xué)指標(biāo)的傳統(tǒng)成像系統(tǒng)在一般工業(yè)精度下的分辨率，具有超高的LW/PH值。根據(jù)本發(fā)明的實施例，寬視場超高分辨率成像系統(tǒng)的成像分辨率遠遠大于一般意義上的普通顯示分辨率。因此，在普通顯示分辨率的顯示器顯示本發(fā)明的系統(tǒng)的成像時，要對超高分辨率寬視場圖像進行抽樣后適配顯示器分辨率以進行寬視場圖像顯示。對于本發(fā)明的超高分辨率成像系統(tǒng)所成圖像中的任何局部位置，以該位置為中心獲取顯示分辨率大小的圖像像素并通過普通顯示分辨率顯示器進行顯示，可以得到局部特寫的高分辨率成像圖像。在動態(tài)跟蹤模式下，圖像處理裝置12中的拍攝時應(yīng)用軟件根據(jù)指定的跟蹤動態(tài)位置設(shè)置動態(tài)取景框并實時取出動態(tài)取景框內(nèi)的數(shù)據(jù)進行拍攝，得到跟蹤動態(tài)物體的動態(tài)拍攝視頻。每一個窄視場長焦成像子系統(tǒng)采用EDOF或EIDOF來實現(xiàn)大景深成像。EDOF或EIDOF均是現(xiàn)有技術(shù)，在此不在贅述?？蛇x地，圖像處理裝置12可以包括下述一個或多個模塊以利于提高拼接準(zhǔn)確性和拼接效率和系統(tǒng)成像像質(zhì)顏色?；K，替代每個窄視場長焦成像子系統(tǒng)的自動白平衡功能進行所成圖像的顏色畸變校正；幾何校畸模塊，用于對每個窄視場長焦成像子系統(tǒng)的圖像進行幾何畸變校正；亮度?；K，用于對每個窄視場長焦成像子系統(tǒng)的圖像進行亮度畸變校正；ED0F或EIDOF解碼模塊，用于對采用EDOF或EIDOF技術(shù)的窄視場長焦成像子系統(tǒng)所成圖像的解碼?？蛇x地，本發(fā)明的實施例中的寬視場超高分辨率成像系統(tǒng)還可以包括與系統(tǒng)控制裝置14連接的輸出接口 24。通過輸出接口 24，可以從外部與系統(tǒng)控制裝置14通信進行相關(guān)的操作，例如訪問存儲器22以獲取圖像。寬視場超高分辨率成像系統(tǒng)實例參見圖3，示出了根本發(fā)明的一個實例的寬視場超高分辨率成像系統(tǒng)的示意圖。根據(jù)本實例，MXN個窄視場長焦成像子系統(tǒng)100為3X3個窄視場長焦成像子系統(tǒng)100。I)每一個窄視場長焦成像子系統(tǒng)的分辨率為500萬像素，因此寬視場超高分辨率成像系統(tǒng)的像素為500萬X9=4500萬像素 ，相當(dāng)于7800X5800。而一般的高端相機的分辨率為2000萬像素，其垂直LW/PH為1800左右，水平LW/PH為2500左右。本實例中的寬視場超高分辨率成像系統(tǒng)的垂直視場分辨率LW/PH接近5783，水平視場分辨率LW/PH接近7800。寬視場超高分辨率成像系統(tǒng)的對角線方向視場角為62°，水平視場角HF0V=3 h+2A Oh 為 50. I。，如圖 4 所示；垂直視場角 VF0V=3 v+2 A cov 為 37. 4°，如圖 5所示。IOOm物距處空間分辨率(每個像素對應(yīng))為I. 15cm-l. 19cm。2)寬視場超高分辨率成像系統(tǒng)中的每一個窄視場長焦成像子系統(tǒng)采用EIDOF技術(shù)，目標(biāo)對象在前方3m處清晰成像，每一個窄視場長焦成像子系統(tǒng)景深為2m至無窮遠；3)寬視場超高分辨率成像系統(tǒng)由3X3個子窄視場長焦成像子系統(tǒng)組成，每個窄視場長焦成像子系統(tǒng)的(XD采用1/4”祀面(對角線約4. 5mm,高約2. 7mm,寬約3. 6mm),(XD的分辨率為2592X1944);如圖4,圖5所不，每個窄視場長焦成像子系統(tǒng)的對角線視場角為22°，水平視場角為《h+2A coh=17. 7°，垂直視場角為《 v+2 A co v=13. 3 °，景深范圍為2000-inf ;在這個窄視場長焦成像子系統(tǒng)陣列中，如圖4、圖5所不，相鄰的窄視場長焦成像子系統(tǒng)的水平主光軸夾角《h=16.2°，相鄰的窄視場長焦成像子系統(tǒng)的垂直主光軸夾角《v=12.05°，相鄰窄視場長焦成像子系統(tǒng)的水平交疊角A Coh=O. 75°，垂直交疊角A GJv=O. 625° ;寬視場超高分辨率成像系統(tǒng)的水平視場角HF0V=3 h+2 A coh=3X(17. 7。-2X0.75。)+2 X 0.75。=50.1。，垂直視場角 VF0V=3 w v+2 A co v=3 X(16. 2° -2X0.625° ) +2X0. 625° =37. 4°。滿足系統(tǒng)需求“對角線方向視場角為62° ”，則如圖4、圖5所示成像窄視場長焦成像子系統(tǒng)鏡頭的對角線方向視場角應(yīng)為22°，對應(yīng)的窄視場長焦成像子系統(tǒng)鏡頭水平方向視場角為17. 7°，窄視場長焦成像子系統(tǒng)鏡頭垂直方向視場角13.3°。且系統(tǒng)的光路特點是存在各窄視場長焦成像子系統(tǒng)鏡頭視場的交疊區(qū)域。以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明技術(shù)原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護范圍。
權(quán)利要求
1.一種寬視場超高分辨率成像系統(tǒng)，其特征在于，包括 由M排和N列個窄視場長焦成像子系統(tǒng)組成的MXN窄視場長焦成像子系統(tǒng)陣列，相鄰的窄視場長焦成像子系統(tǒng)的視場互相交疊，每一個窄視場長焦成像子系統(tǒng)的主光軸匯聚于一點或者該點鄰域范圍內(nèi)，該點為寬視場超高分辨率成像系統(tǒng)的光心，其中，M、N均為大于等于I的自然數(shù)，并且M和N中至少一個大于I ;每個窄視場長焦成像子系統(tǒng)的水平視場角為coh+2A coh，垂直視場角為ων+2Λ ω ν ;所述寬視場超高分辨率成像系統(tǒng)的水平視場角HFOV為Ncoh+2A coh，寬視場超高分辨率成像系統(tǒng)的垂直視場角VFOV為Μων+2Λ ων，其中180。>coh>0。，90。>Δ Qh>0°，180。>ων>0°，90。>Δ ων>0°，wh 為水平相鄰的窄視場長焦成像子系統(tǒng)的主光軸之間的夾角，ων為垂直相鄰的窄視場長焦成像子系統(tǒng)的主光軸之間的夾角，Λ h為在水平相鄰的窄視場長焦成像子系統(tǒng)的主光軸所形成的平面內(nèi)物距在無窮遠處的水平視場交疊區(qū)域與所屬的窄視場長焦成像子系統(tǒng)光心連線所形成的夾角，即水平交疊視場角，Λ ων為在垂直相鄰的窄視場長焦成像子系統(tǒng)的主光軸所形成的平面內(nèi)物距在無窮遠處的垂直視場交疊區(qū)域與所屬的窄視場長焦成像子系統(tǒng)光心連線所形成的夾角，即垂直交疊視場角； 圖像處理裝置，用于對所述MXN窄視場長焦成像子系統(tǒng)陣列所拍的具有相鄰交疊特性的陣列圖像進行拼接處理以獲得寬視場場景圖像； 系統(tǒng)控制裝置，連接到所述圖像處理裝置和MXN窄視場長焦成像子系統(tǒng)陣列，用于對所述寬視場超高分辨率成像系統(tǒng)的各個組成部件的運行進行控制。
2.如權(quán)利要求I所述的寬視場超高分辨率成像系統(tǒng)，其中，所述每一個窄視場長焦成像子系統(tǒng)的主光軸匯聚于一點為所有窄視場長焦成像子系統(tǒng)的主光軸交匯于窄視場長焦成像子系統(tǒng)的前方或后方。
3.如權(quán)利要求I所述的寬視場超高分辨率成像系統(tǒng)，其中，所述系統(tǒng)控制裝置進一步用于 使所述寬視場超高分辨率成像系統(tǒng)工作在拍照模式、動態(tài)跟蹤模式或微距模式。
4.如權(quán)利要求3所述的寬視場超高分辨率成像系統(tǒng)，其中，在所述拍照模式下，所述窄視場長焦成像子系統(tǒng)陣列由所述系統(tǒng)控制裝置進行統(tǒng)一曝光控制以對寬視場場景進行一次性拍照，并且將拍照圖像發(fā)送給圖像處理裝置進行拼接預(yù)處理和拼接處理，拼接處理后的拍照圖像存儲到存儲器。
5.如權(quán)利要求4所述的寬視場超高分辨率成像系統(tǒng)，其中，所述統(tǒng)一曝光控制是指所有的窄視場長焦成像子系統(tǒng)由所述系統(tǒng)控制裝置統(tǒng)一控制傳感器的電子快門使傳感器在同一個時刻曝光，所述在同一時刻曝光包括各窄視場長焦成像子系統(tǒng)具有相同曝光時長和不同曝光時長；在不同曝光時長情況下，具有較長曝光時間的窄視場長焦成像子系統(tǒng)曝光時段覆蓋具有較短曝光時長的窄視場長焦成像子系統(tǒng)的曝光時段。
6.如權(quán)利要求3所述的寬視場超高分辨率成像系統(tǒng)，其中，所述拍照模式包括 全景球面模式，在所述全景球面模式下，所述圖像處理裝置對由像面沿近似球面分布的所述窄視場長焦成像子系統(tǒng)陣列拍出的陣列圖像進行直接拼接處理得到全景的像面沿近似球面成像的圖像，而無需進行投影變換的拼接預(yù)處理； 全景平面模式，在所述全景平面模式下，所述圖像處理裝置進行包括圖像投影變換在內(nèi)的拼接預(yù)處理，而后再進行拼接處理得到平面拍攝模式的圖像，其中，所述圖像投影變換是指各個像面沿球面分布的窄視場長焦成像子系統(tǒng)陣列所成的陣列圖像投影到切點在寬視場超高分辨率成像系統(tǒng)視場內(nèi)的以寬視場超高分辨率成像系統(tǒng)光心為球心的球面上的某個指定切面內(nèi)得到呈平面分布圖像陣列。
7.如權(quán)利要求3所述的寬視場超高分辨率成像系統(tǒng)，其中，在所述動態(tài)跟蹤模式下，所述窄視場長焦成像子系統(tǒng)陣列由統(tǒng)一曝光控制對系統(tǒng)視場內(nèi)的場景拍照，在拍照后所述系統(tǒng)控制裝置依據(jù)被跟蹤對象的在成像系統(tǒng)中的坐標(biāo)和依據(jù)應(yīng)用設(shè)計的取景范圍定義動態(tài)跟蹤取景框，所述圖像處理裝置只對所述動態(tài)跟蹤取景框之內(nèi)的圖像進行拼接預(yù)處理和拼接處理，并將拼接處理后的動態(tài)跟蹤取景框內(nèi)的圖像存儲到存儲器，其中拼接預(yù)處理包括圖像投影變換，其中，所述圖像投影變換是指動態(tài)跟蹤取景框內(nèi)各個像面沿球面分布的窄視場長焦成像子系統(tǒng)陣列所成的陣列圖像投影到切點在寬視場超高分辨率成像系統(tǒng)視場內(nèi)的以寬視場超高分辨率成像系統(tǒng)的光心為球心的球面上的某個指定切面內(nèi)得到呈平面分布圖像陣列。
8.如權(quán)利要求3所述的寬視場超高分辨率成像系統(tǒng)，進一步包括顯示器、照片瀏覽軟件和視頻顯示軟件，供用戶瀏覽所述寬視場超高分辨率成像系統(tǒng)的圖像和視頻，其中， 在拍照模式下或微距模式下，通過顯示器和瀏覽軟件看到的寬視場場景內(nèi)的圖像是對原始拍照的圖像進行抽樣后得到小數(shù)據(jù)量的圖像，通過顯示器和瀏覽軟件看到的寬視場場景內(nèi)的特寫圖像是寬視場場景內(nèi)的局部特寫圖像或者甚至是寬視場場景內(nèi)的局部特寫圖像經(jīng)插值放大后的圖像；在動態(tài)跟蹤模式或微距模式下，通過顯示器和視頻顯示軟件看到動態(tài)跟蹤取景框內(nèi)的動態(tài)景物特寫視頻或者微距成像系統(tǒng)拍攝的視頻。
9.如權(quán)利要求3所述的寬視場超高分辨率成像系統(tǒng)，進一步包括 微距成像系統(tǒng)，用于在所述寬視場超高分辨率成像系統(tǒng)工作于微距模式下，在所述系統(tǒng)控制裝置控制下獨立地進行微距照片或者視頻拍攝。
10.如權(quán)利要求7所述的寬視場超高分辨率成像系統(tǒng)，進一步包括 動態(tài)跟蹤輔助成像系統(tǒng)，其視場角和所述MXN窄視場長焦成像子系統(tǒng)陣列的視場角完全一致，用于當(dāng)所述寬視場超高分辨率成像系統(tǒng)運行于動態(tài)跟蹤模式時獲取被跟蹤目標(biāo)的坐標(biāo)并實時傳遞給所述寬視場超高分辨率成像系統(tǒng)。
11.如權(quán)利要求I所述的寬視場超高分辨率成像系統(tǒng)，其中，每一個窄視場長焦成像子系統(tǒng)采用EDOF或EIDOF技術(shù)來實現(xiàn)大景深成像。
12.如權(quán)利要求I所述的寬視場超高分辨率成像系統(tǒng)，其中，每一個窄視場長焦成像子系統(tǒng)設(shè)置自動對焦裝置實現(xiàn)每個窄視場長焦成像子系統(tǒng)的視場內(nèi)被拍景物的聚焦成像。
13.如權(quán)利要求I所述的寬視場超高分辨率成像系統(tǒng)，其中，每一個窄視場長焦成像子系統(tǒng)采用定焦技術(shù)對設(shè)計景深范圍內(nèi)并在窄視場長焦成像子系統(tǒng)視場內(nèi)的景物進行清晰成像。
14.如權(quán)利要求I所述的寬視場超高分辨率成像系統(tǒng)，其中，所述圖像處理裝置包括下述模塊中的至少之一 顏色?；K，替代每個窄視場長焦成像子系統(tǒng)的自動白平衡功能進行所成圖像的顏色畸變校正； 幾何?；K，用于對每個窄視場長焦成像子系統(tǒng)的圖像進行幾何畸變校正； 亮度校畸模塊，用于對每個窄視場長焦成像子系統(tǒng)的圖像進行亮度畸變校正；EDOF或EIDOF解碼模塊，用于對采用EDOF或EIDOF技術(shù)的窄視場長焦成像子系統(tǒng)所成圖像的解碼。
15.如權(quán)利要求I所述的寬視場超高分辨率成像系統(tǒng),其中， 所述MX N窄視場長焦成像子系統(tǒng)陣列為3 X 3窄視場長焦成像子系統(tǒng)陣列，其中，水平相鄰窄視場長焦成像子系統(tǒng)的主光軸夾角(^為16.2° ,垂直相鄰窄視場長焦成像子系統(tǒng)的主光軸夾角ων* 12.05°，水平交疊角Λ Coh為0.75°，垂直交疊角Λ ων為O. 625°，所述 HFOV % 50. 1°，所述 VFOV % 37. 4°。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種寬視場超高分辨率光學(xué)成像系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括窄視場長焦光學(xué)成像子系統(tǒng)陣列和具有圖像拼接功能的圖像處理裝置以及具有系統(tǒng)控制功能的系統(tǒng)控制裝置。本發(fā)明中，所成圖像具有超高分辨率。在選擇的設(shè)計指標(biāo)內(nèi)，通過視場選擇可以實現(xiàn)獲得寬視場的廣角圖像的同時也可以獲得窄視場的特寫圖像。
文檔編號H04N5/247GK102821238SQ201210279808
公開日2012年12月12日 申請日期2012年8月7日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月19日
發(fā)明者賈偉 申請人:北京泰邦天地科技有限公司