用于獲取圖像的攝像系統(tǒng)及相關(guān)方法
【專利摘要】通過一種由至少一個單攝像機(jī)構(gòu)成的用于獲取圖像的攝像系統(tǒng)創(chuàng)建了解決方案，從而能夠獲取良好且清晰的圖像。該方案通過這樣的方式實(shí)現(xiàn)，即，單攝像機(jī)（1）設(shè)置在不同的方向上，從而使得系統(tǒng)獲取連續(xù)的總圖像，其中總圖像包括各個單攝像機(jī)（1）的單圖像，中央控制單元（3）被設(shè)置成能夠通過至少一個傳感器（2）獲得攝像系統(tǒng)的運(yùn)動曲線圖，并能夠根據(jù)預(yù)設(shè)的目標(biāo)函數(shù)計算單攝像機(jī)（1）的觸發(fā)時間點(diǎn)，其中，攝像系統(tǒng)在總時間段期間進(jìn)行獨(dú)立運(yùn)動。
【專利說明】用于獲取圖像的攝像系統(tǒng)及相關(guān)方法
[0001]本發(fā)明涉及由至少一個單攝像機(jī)組成的用于獲取圖像的攝像系統(tǒng)。
[0002]此外，本發(fā)明還涉及通過使用攝像系統(tǒng)獲取圖像的方法，其中該攝像系統(tǒng)包括至少一個單攝像機(jī)、至少一個控制單元以及傳感器，特別是加速度傳感器。
[0003]全景影像允許我們捕捉靠近人們視野外周的圖像。因此，全景影像能夠提供比常規(guī)攝像機(jī)拍攝的照片更好的對一個地方的整體印象。全景影像通過使用一個或多個單攝像機(jī)來獲取這樣的全景。然后，多個單攝像機(jī)的圖像能夠合成連續(xù)的總圖像。
[0004]對于圓柱形全景而言，有一種特殊的攝像機(jī)，其拍攝模擬膠片或數(shù)字圖像傳感器的場景。不完整的球形全景能夠通過適當(dāng)形狀(例如球體)的反射鏡的拍攝以及隨后的修正來獲取。在US3505465中描述了一種折射反射攝像機(jī)，其能見度為360°。
[0005]完整的球形全景能夠通過獲取單個圖像以及隨后在計算機(jī)上的(自動)剪輯來實(shí)現(xiàn)。由此，可通過多個攝像機(jī)同時拍攝或通過一個攝像機(jī)連續(xù)拍攝來實(shí)現(xiàn)。
[0006]單個攝像機(jī)被旋轉(zhuǎn)并進(jìn)行重疊拍攝，然后拍攝的圖像可被組合。該原理作用于常規(guī)鏡頭、魚眼鏡頭和折射反射系統(tǒng)。
[0007]為了解決由于攝像機(jī)的時移獲取所產(chǎn)生的問題，可安裝多個攝像機(jī)，這些攝像機(jī)共同覆蓋4pi sr (4 立體弧度)的整個立體角。由此，各個攝像機(jī)的體積重疊并且隨后能夠進(jìn)行單個圖像的剪輯。
[0008]在US7463280中描述了由多個單攝像機(jī)構(gòu)成的全向3D攝像系統(tǒng)。在US6947059中描述了由多個單攝像機(jī)構(gòu)成的立體全向攝像系統(tǒng)。在US5023725中描述了一種全向攝像系統(tǒng)，其單攝像機(jī)被設(shè)置成十二面體的形式。
[0009]術(shù)語“攝像機(jī)翻騰”描述了常規(guī)相機(jī)的翻騰，該常規(guī)相機(jī)通過自拍以及通過預(yù)設(shè)的減速來拍攝飛彳丁中的相片。還存在對被拋向空中或在空中拍攝的全景攝像機(jī)以及單攝像機(jī)的一系列設(shè)計研究。
[0010]“triops”為具有3個魚眼鏡頭的球體的概念?！癈TRUS” -足球應(yīng)將攝像機(jī)集成在足球的表面上?！?-Ball”設(shè)計由被拋出或射出球體中的2個魚眼鏡頭構(gòu)成。
[0011]根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)，存在一種用于向空中拋出的單攝像機(jī)。“flee”為具有尾羽的球體?！癝atuGO”為類似的物體，但沒有尾羽。
[0012]迄今為止，并沒有對如何通過穿過空中飛行的攝像機(jī)獲取良好且清晰的圖像的描述。
[0013]本發(fā)明的目的在于，通過連接至總系統(tǒng)的多個攝像機(jī)創(chuàng)建的解決方案，能夠為每個單攝像機(jī)獲取良好且清晰的圖像，并將這些圖像合成全向全景圖像。
[0014]本發(fā)明的目的通過獨(dú)立權(quán)利要求1和15而解決。在從屬權(quán)利要求中描述了優(yōu)選實(shí)施方式。
[0015]對于上述類型的攝像系統(tǒng)，本發(fā)明的目的通過下述方案解決，即，單攝像機(jī)以不同的方向進(jìn)行布置，從而使得系統(tǒng)獲取連續(xù)的總圖像，其中總圖像包括單攝像機(jī)的單圖像，中央控制單元被設(shè)置成能夠通過至少一個傳感器獲得所述攝像系統(tǒng)的運(yùn)動曲線圖，并能夠根據(jù)預(yù)設(shè)的目標(biāo)函數(shù)計算所述單攝像機(jī)的觸發(fā)時間點(diǎn)，其中，攝像系統(tǒng)在總時間段期間進(jìn)行獨(dú)立運(yùn)動。這樣的攝像系統(tǒng)能夠在作為全景攝像機(jī)時(例如被拋向空中時)根據(jù)目標(biāo)函數(shù)獨(dú)立觸發(fā)單攝像機(jī)。
[0016]在本發(fā)明的一個實(shí)施方式中，傳感器為加速度傳感器。由此，例如能夠在將全景攝像機(jī)拋向空中時測量產(chǎn)生的加速度，并根據(jù)所測量的加速度通過目標(biāo)函數(shù)確定單攝像機(jī)的觸發(fā)時間點(diǎn)。
[0017]根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施方式，傳感器為用于測量相對于周圍空氣的相對速度的傳感器。由此，能夠基于當(dāng)時測量的攝像系統(tǒng)的速度通過目標(biāo)函數(shù)直接觸發(fā)。
[0018]由此，攝像系統(tǒng)能夠在確定的位置觸發(fā)，優(yōu)選地，根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式，通過減小至運(yùn)動曲線圖的觸發(fā)點(diǎn)的最小距離d實(shí)現(xiàn)單攝像機(jī)的觸發(fā)，從而確定目標(biāo)函數(shù)。
[0019]優(yōu)選地，在本發(fā)明的一個實(shí)施方式中，觸發(fā)點(diǎn)為飛行曲線圖的最高點(diǎn)。在飛行曲線圖的最高點(diǎn)處，在該時間點(diǎn)攝像系統(tǒng)的速度為Om/s。攝像系統(tǒng)越靠近該點(diǎn)觸發(fā)，則攝像系統(tǒng)運(yùn)動地越慢，并且所獲取的圖像的運(yùn)動模糊度越低。
[0020]此外，該最高點(diǎn)還提供了這樣的優(yōu)點(diǎn)，即整個場景的良好的全貌概略，并通過例如地面與拋擲者之間的相對較小的距離差而減少了所產(chǎn)生的視差。
[0021]根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施方式,最小距離d最多為20cm,優(yōu)選為5cm,特別為1cm。如果觸發(fā)點(diǎn)為飛行曲線圖的最高點(diǎn)，則優(yōu)選的是攝像系統(tǒng)在盡可能靠近該點(diǎn)的暫時靜止?fàn)顟B(tài)下觸發(fā)。
[0022]優(yōu)選地，根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式，單攝像機(jī)被布置成共同覆蓋4Pisr的立體角。由此，攝像系統(tǒng)為全向的，并且在獲取圖像的時間點(diǎn)攝像系統(tǒng)位于哪個方位是不重要的。由此，攝像系統(tǒng)的運(yùn)行比僅部分覆蓋立體角的攝像機(jī)的運(yùn)行簡單，因為無需計算方位。此外，還可以從各個方向觀察場景的完整球體全景。
[0023]根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施方式，攝像系統(tǒng)包括支承結(jié)構(gòu)以及用于接納單攝像機(jī)的凹陷，其中，凹陷被形成為使得手指不能接觸攝像鏡頭，在攝像系統(tǒng)的外部可粘附有襯墊。通過凹回的單攝像機(jī)設(shè)置可避免其鏡頭被污染或損壞。襯墊不僅可避免單攝像機(jī)的損壞，還可避免攝像系統(tǒng)的損壞。襯墊可為支承機(jī)構(gòu)的集成部分。例如，可考慮到攝像系統(tǒng)支承結(jié)構(gòu)使用非常軟的材料。襯墊可用于確保手指很難或不能接觸攝像鏡頭。單攝像機(jī)具有較小的開啟角度有利于接納凹回的單攝像機(jī)的凹陷減少故障。因此，可通過大量單攝像機(jī)來覆蓋相同的立體角，而不是使用具有更大開啟角度的單攝像機(jī)。
[0024]根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施方式，單攝像機(jī)的光出口構(gòu)成攝像系統(tǒng)的表面的至少80%，優(yōu)選地多于90%，特別地為100%。人們愿意用更多的單攝像機(jī)的圖像來合成(拼接)總圖像，因此通過單攝像機(jī)的不同投影中心可出現(xiàn)視差。當(dāng)所有單攝像機(jī)的投影中心位于相同點(diǎn)時才能夠完全避免上述視差。然而，當(dāng)4Pi sr的立體角被覆蓋時，攝像系統(tǒng)的整個表面用于接收光束時，能夠?qū)崿F(xiàn)完全避免視差。也就是說要制作“玻璃球體”。一旦偏離該原理，則沒有從攝像系統(tǒng)內(nèi)部的期望的共同投影中心發(fā)出的光束通過其表面。由此出現(xiàn)視差。如果攝像系統(tǒng)表面的盡可能大的一部分構(gòu)成單攝像機(jī)的光入口，則能夠盡可能地最小化視差。
[0025]為了能夠在觀察總圖像時與水平線對準(zhǔn)，相對于攝像系統(tǒng)確定獲取的時間點(diǎn)處的重力矢量的方向是有效的。因為在具有空氣阻力的自由下落過程中攝像系統(tǒng)獲取期間，通過加速度傳感器不能或很難或不能準(zhǔn)確地確定重力矢量。因此，在所述攝像系統(tǒng)中采用一種方法來通過加速度傳感器或其他方位傳感器例如磁場傳感器確定重力矢量，其中在攝像系統(tǒng)處于其飛行階段之前，該傳感器優(yōu)選地以3軸設(shè)計運(yùn)行。
[0026]通過測量攝像系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動的旋轉(zhuǎn)速率傳感器或其他傳感器的幫助，可計算出確定重力矢量的時間點(diǎn)與獲取的時間點(diǎn)之間的方位變化。當(dāng)已知該方位變化時，能夠容易地計算出與獲取時間點(diǎn)處的攝像系統(tǒng)相關(guān)的重力矢量。通過足夠準(zhǔn)確并足夠高的觸發(fā)的加速度傳感器以及足夠垂直的拋擲，能夠通過由空氣摩擦導(dǎo)致的且由加速度測量計獲得的加速度確定獲取的時間點(diǎn)處的重力矢量，其具有用于觀察總圖像的足夠的準(zhǔn)確度。
[0027]根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施方式，攝像系統(tǒng)包括至少一個旋轉(zhuǎn)速率傳感器，當(dāng)攝像系統(tǒng)超過確定的旋轉(zhuǎn)速率r時，中央控制單元抑制單攝像機(jī)的觸發(fā)，旋轉(zhuǎn)速率r由期望的最大模糊度及使用的曝光時間來計算。在光線不足的場景或具有低光強(qiáng)度的單攝像機(jī)的情況下，攝像系統(tǒng)多次被傳送(例如拋擲)到空中，并僅在系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)不強(qiáng)時觸發(fā)。通過所使用的曝光時間進(jìn)行計算，使得旋轉(zhuǎn)速率必須低于最高以產(chǎn)生確定的運(yùn)動模糊度?？鼓：瓤杀辉O(shè)定，并將攝像系統(tǒng)多次傳送至空中，直至一次試驗保持在計算出的旋轉(zhuǎn)速率之下。(球形)攝像系統(tǒng)能夠容易地被多次拋擲到空中，因此通過一次拋擲獲得清晰圖像的幾率也提高了。
[0028]對于曝光設(shè)定，首先要測量不同方向上存在的光量。可使用專用的光纖傳感器(例如光電二極管)或單攝像機(jī)進(jìn)行測量。可能會阻擋攝像系統(tǒng)中的單攝像機(jī)的專用曝光傳感器應(yīng)覆蓋盡可能大的立體角，理想地覆蓋4Pi sr的立體角?？蛇x地，可使用單攝像機(jī)，其內(nèi)置系統(tǒng)使用曝光確定裝置并將結(jié)果(例如以曝光時間和/或光圈的形式)轉(zhuǎn)移至控制單元?？蛇x地，通過單攝像機(jī)獲取曝光序列(例如通過相同光圈下不同的曝光時間)并將該圖像轉(zhuǎn)移至控制單元?？刂茊卧赏ㄟ^傳送至其的數(shù)據(jù)推斷出不同方向上存在的光量，并計算用于單攝像機(jī)的曝光值。由此，可獲得整體一致的曝光或?qū)τ诓煌较蚴褂貌煌钠毓庵?。不同的曝光值對于避免局部曝光過度或不足是有用的。因此，可通過使用所收集的曝光數(shù)據(jù)得到明暗曝光之間的過渡過程。
[0029]在計算出曝光值(曝光時間和/或光圈，根據(jù)所使用的單攝像機(jī)而定)后，將曝光值傳送至單攝像機(jī)。用于實(shí)際照片的曝光測量以及單攝像機(jī)的觸發(fā)能夠在飛行階段中或連續(xù)飛行中進(jìn)行。對于在不同飛行階段中的用于實(shí)際照片的曝光測量以及單攝像機(jī)的觸發(fā)，在測量上述事件與對曝光值作出相應(yīng)的調(diào)整之間的攝像機(jī)的旋轉(zhuǎn)是必需的，從而在觸發(fā)時實(shí)現(xiàn)正確方向上的正確曝光。
[0030]此外，本發(fā)明的上述目的還通過一種通過使用上文所述類型的攝像系統(tǒng)獲取圖像的方法來解決。因此，本發(fā)明還提供了一種方法，其特征在于，通過使用在開始具有空氣阻力的自由下落之前的時間中加速度的積分，在低于至飛行曲線圖的觸發(fā)點(diǎn)的最小距離時觸發(fā)單攝像機(jī)，或識別出具有空氣阻力的自由下落時觸發(fā)單攝像機(jī)，或在上升至降落飛行曲線圖的空氣阻力的方向改變時觸發(fā)單攝像機(jī)，或在相對于周圍空氣的相對速度低于2m/s，優(yōu)選地低于lm/s，特別地低于0.5m/s時觸發(fā)單攝像機(jī)，其中通過單攝像機(jī)獲取包括至少一個單圖像的圖像，或通過單攝像機(jī)獲取以時間順序排序的圖像，圖像中的每一個包括至少一個單圖像，或根據(jù)圖像的內(nèi)容由控制單元進(jìn)行圖像分析和選擇。
[0031]在除了重力和空氣阻力沒有外力進(jìn)行作用時，具有空氣阻力的自由下落的狀態(tài)根據(jù)拋投(拋擲、投擲、拋出等)到空中的攝像系統(tǒng)而確定。對于拋出的系統(tǒng)而言即為系統(tǒng)離手時。在這種情況下，加速度傳感器僅基于空氣阻力測量加速度。因此，為了獲得期望的飛行曲線圖，需要從自由下落開始時測量加速度。通過對該加速度進(jìn)行積分可得出飛行的起始速度并計算出上升至觸發(fā)點(diǎn)的上升時間。觸發(fā)可在等待該上升時間之后進(jìn)行。
[0032]還有另一種可能性，即，利用上升和降落飛行期間基于空氣阻力測量的加速度。該加速度矢量取決于當(dāng)前的飛行速度和方向。通過利用加速度矢量的時間曲線，可得出飛行曲線圖中的當(dāng)前位置。由此，實(shí)現(xiàn)在飛行的最高點(diǎn)處觸發(fā)。
[0033]對相對于周圍空氣的相對速度進(jìn)行直接測量，從而可得出飛行曲線圖中的當(dāng)前位置。攝像系統(tǒng)可例如在低于確定的速度時觸發(fā)。
[0034]在攝像系統(tǒng)觸發(fā)時，可獲取單個圖像(由單攝像機(jī)的單圖像構(gòu)成)或圖像序列，例如以均勻的時間間隔獲取的圖像序列。
[0035]對此，根據(jù)(例如通過加速度傳感器)對具有空氣阻力的自由下落的識別，開始觸發(fā)以獲取圖像序列。
[0036]根據(jù)本發(fā)明的一個實(shí)施方式，通過由圖像計算攝像系統(tǒng)的當(dāng)前位置從以時間順序排序的圖像中選擇圖像或通過圖像的清晰度從以時間順序排序的圖像中選擇圖像。
[0037]通過分析圖像序列的圖像數(shù)據(jù)，能夠計算出攝像系統(tǒng)的運(yùn)動曲線圖。運(yùn)動曲線圖可用于從圖像序列中選擇圖像。例如，可選擇攝像系統(tǒng)與飛行的最高點(diǎn)之間的距離最小時的圖像。
[0038]根據(jù)本發(fā)明的一個實(shí)施方式，單攝像機(jī)彼此同步，從而使得所有單攝像機(jī)同時被觸發(fā)。同步能夠確保單圖像不僅空間上而且在時間上都匹配。
[0039]為了生成良好且清晰的圖像，在攝像系統(tǒng)中可使用具有集成圖像穩(wěn)定性的單攝像機(jī)。該單攝像機(jī)可例如具有通過壓電致動器工作的可移動的圖像傳感器。為了節(jié)省成本和/或降低耗能，使用連接至控制單元的傳感器特別是旋轉(zhuǎn)速率傳感器確定用于單攝像機(jī)的圖像穩(wěn)定系統(tǒng)的控制信號。由此，該傳感器不能設(shè)置在單攝像機(jī)中，而單攝像機(jī)能夠保持長時間關(guān)閉。
[0040]此外，可對圖像的清晰度進(jìn)行分析以通過盡可能小的運(yùn)動模糊度直接選擇圖像。壓縮圖像的大小也可獲得類似的結(jié)果，因為清晰的圖像包含較多的信息，因此在相同的壓縮率下其在數(shù)據(jù)緩存器中占用較大的空間。
[0041]根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施方式，可通過使用曝光時間和最大期望運(yùn)動模糊度計算旋轉(zhuǎn)速率r，在超過旋轉(zhuǎn)速率r時，觸發(fā)單攝像機(jī)或緩存多個連續(xù)的飛行階段中的圖像，通過控制單元選擇這些圖像之一，其中通過從圖像內(nèi)容計算出的模糊度選擇圖像，或通過所測量的旋轉(zhuǎn)速率r選擇圖像，或通過所測量的旋轉(zhuǎn)速率r和所使用的曝光時間計算出的模糊度選擇圖像。所以，使用者能夠簡單地將系統(tǒng)拋向空中多次，由此得到清晰圖像的可能性更聞。
[0042]為了通過將系統(tǒng)多次拋向空中而獲得盡可能清晰(具有盡可能小的運(yùn)動模糊度)的單獨(dú)圖像，有兩種可行的方法。一種方法為使攝像系統(tǒng)僅在低于確定的旋轉(zhuǎn)速率r時觸發(fā)，并將隨后的圖像獲取標(biāo)有視覺或聽覺標(biāo)記，或者，另一種方法為將多次飛行的圖像緩存然后通過最小的模糊度從圖像序列中選擇圖像。
[0043]在抑制當(dāng)超過旋轉(zhuǎn)速率r時的觸發(fā)的情況下，旋轉(zhuǎn)速率可為手動選擇或計算。旋轉(zhuǎn)速率可通過默認(rèn)設(shè)定或使用者選擇的最大運(yùn)動模糊度以及所使用的曝光時間來計算。對于這樣的計算，應(yīng)注意，在曝光期間點(diǎn)光源曝光多少像素。
[0044]在緩存的情況下，控制單元決定飛行系列的結(jié)束。該決定可基于時間暫停(例如若干秒沒有飛行/拋出)或通過使用者交替(例如按下按鈕)來進(jìn)行。對于從圖像序列中選擇圖像，則可使用多種方法。首先，可通過造成的模糊度從圖像內(nèi)容通過圖像處理得出旋轉(zhuǎn)并選擇清晰的圖像。其次，可使用測量出的旋轉(zhuǎn)速率r，并選擇具有最小旋轉(zhuǎn)速率r的圖像。第三，可通過測量出的旋轉(zhuǎn)速率r和所使用的曝光時間計算模糊度并選擇最清晰的圖像。
[0045]另一種可能性為，在超過旋轉(zhuǎn)速率!時緩存來自多次連續(xù)飛行的圖像并選擇最清晰的圖像。對于最清晰的圖像的選擇可基于圖像內(nèi)容或通過旋轉(zhuǎn)速率測量來進(jìn)行。通過旋轉(zhuǎn)速率測量來進(jìn)行選擇能夠通過使用預(yù)設(shè)的上部最大運(yùn)動模糊度和所使用的曝光時間計算出允許的上部最大旋轉(zhuǎn)速率m。如果圖像序列中沒有圖像低于預(yù)設(shè)的最大運(yùn)動模糊度或低于允許的上部最大旋轉(zhuǎn)速率m，則不選擇圖像。由此，使用者能夠直接更新圖像獲取。僅當(dāng)所測量的旋轉(zhuǎn)速率低于允許的上部最大旋轉(zhuǎn)速率m時，才選取圖像序列中的圖像。
[0046]此外，為了減少模糊圖像的產(chǎn)生還進(jìn)行了對攝像系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)的影響。為了減緩攝像系統(tǒng)的在頂點(diǎn)處的旋轉(zhuǎn)并在最有利的情況下停止，可通過檢測攝像系統(tǒng)的自旋轉(zhuǎn)并通過補(bǔ)償其自旋轉(zhuǎn)來進(jìn)行。對于旋轉(zhuǎn)的減緩，已知存在主動和被動的方法。
[0047]在主動方法中，通過控制單元進(jìn)行具有或沒有反饋的調(diào)整。例如，通過設(shè)有三個正交輪的反力輪(反作用輪)來進(jìn)行調(diào)整，該正交輪從原始位置對繞各個軸的相反的球旋轉(zhuǎn)進(jìn)行加速。在使用來自容器的壓縮空氣時，例如，呈交錯形式的4罐容器附接至球外部位置以及另外2罐以與該4罐呈直角的形式固定在攝像系統(tǒng)表面上。通過對旋轉(zhuǎn)速率傳感器的數(shù)據(jù)的比較，通過電控閥門以及通過該罐式容器的管道進(jìn)行調(diào)整。
[0048]此外，攝像系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)的減緩可設(shè)置移動的權(quán)重，該權(quán)重在激活球的轉(zhuǎn)動慣量時被提聞。
[0049]作為被動方法適用的是，在攝像系統(tǒng)外部設(shè)置空氣動力有效元件，例如設(shè)置翼部或尾羽。
[0050]此外，還有一種方法，即在容器、管道或萬向懸掛裝置中使用液體、顆粒物或固體。這樣的元件將通過摩擦作用減緩旋轉(zhuǎn)。
[0051]上文所述及所要求的、以及在實(shí)施例中所描述的根據(jù)本發(fā)明的待使用的部件在其大小、形狀、構(gòu)造、材料選擇及技術(shù)方案沒有任何特殊條件，從而能夠在其應(yīng)用領(lǐng)域中找到已知的選擇標(biāo)準(zhǔn)而進(jìn)行充分應(yīng)用。
[0052]本發(fā)明的其他細(xì)節(jié)、特征和優(yōu)點(diǎn)可通過從屬權(quán)利要求以及下文參照附圖描述的優(yōu)選實(shí)施方式得出。
[0053]在附圖中:
[0054]圖1為根據(jù)一個實(shí)施方式的攝像系統(tǒng)的示意圖；圖2為根據(jù)一個實(shí)施方式的攝像系統(tǒng)的立體圖；以及圖3為在具有空氣阻力的自由下落開始之前的加速度的積分的示意圖。
[0055]通過圖1、圖2和圖3示出的實(shí)施方式，闡釋了用于獲取拋向空中的球體的完整球體全景的攝像系統(tǒng)。該攝像系統(tǒng)被稱為全景拋空攝像機(jī)(Panoramawurfkamera),并將在下文中進(jìn)行進(jìn)一步的描述。
[0056]根據(jù)一個實(shí)施方式，攝像系統(tǒng)包括球形支承結(jié)構(gòu)4 (例如球)，該球形支承結(jié)構(gòu)4具有36個便攜式攝像模塊I以及位于其內(nèi)部的必要的電子器件。攝像模塊I以覆蓋整個4Pisr的立體角的方式設(shè)置在球形 支承結(jié)構(gòu)4的表面上。也就是說，攝像模塊I通過其自身體積覆蓋整個立體角。使用者將攝像系統(tǒng)垂直拋到空中，通過這樣的拋擲，攝像系統(tǒng)具有加速度7，加速度7可通過設(shè)置在攝像系統(tǒng)中的加速度傳感器2來測量。通過對加速度7進(jìn)行積分及確定速度，可確定到達(dá)最高點(diǎn)的時間點(diǎn)。在到達(dá)最高點(diǎn)時，各個便攜式攝像模塊I同時啟動圖像獲取。
[0057]然后，球移動地很慢。如現(xiàn)有的用于全景拍攝方法那樣，獲取圖像用于計算總圖像。
[0058]下面將描述攝像機(jī)的其他結(jié)構(gòu)。攝像系統(tǒng)具有多于36個便攜式攝像模塊1，其獲取的圖像數(shù)據(jù)分別緩存在先進(jìn)先出-隨機(jī)存儲器-集成電路(FIF0-RAM-1C)中。便攜式攝像模塊I和FIF0-RAM-1C固定至支承結(jié)構(gòu)4上的球表面下的小電路板上。在球形支承結(jié)構(gòu)4內(nèi)設(shè)有主板，主板具有共同構(gòu)成控制單元3的中央微控制器和其他部件。便攜式攝像模塊I通過總線與中央微控制器連接。這使得圖像數(shù)據(jù)通過飛行后連接的USB線纜被引導(dǎo)至PCo
[0059]攝像系統(tǒng)的飛行分為4個階段:I靜止；2拋出；3飛行；4接收。在階段I中，傳感器2僅測量到重力加速度，而在階段2中，傳感器2測量重力加速度加拋出加速度7。圖3示出了拋出階段的開始8以及拋出階段的結(jié)束9。在階段3 (飛行階段)中，由于傳感器2的測量質(zhì)量與攝像系統(tǒng)下降(及上升)的一樣快，所以傳感器2未測量到任何加速度或僅測量到非常小的加速度。在階段4中，通過接收重力加速度，減速增強(qiáng)。
[0060]因為在拋出階段的結(jié)束9之后的總飛行期間測量的加速度7大約為Om/s2，所以最優(yōu)地為通過拋出速度間接確定最高點(diǎn)。對此，微控制器將最后的n個加速度值連續(xù)緩存至先進(jìn)先出緩沖器(FIFO)中。當(dāng)所測量的加速度在IOOms內(nèi)都低于0.3g的閾值時，就到達(dá)飛行階段。
[0061]然后，在FIFO中返回尋找以計算拋出階段。首先，識別出加速度值上升至大于
1.3g時的拋出階段的結(jié)束9。然后，繼續(xù)返回通過FIFO，直至加速度7再次低于1.2g。此時，可通過在FIFO中的這兩個時間點(diǎn)之間的加速度7的積分計算出拋出速度，其中減去重力加速度。圖3中示出積分面積10。在考慮空氣阻力的情況下，通過該速度可直接計算上升至最聞點(diǎn)的上升時間。
[0062]通過控制單元3中的微控制器的計時器，便攜式攝像模塊I在上升時間過去之后被觸發(fā)，該計時器在檢測到有空氣阻力的自由下落時開始運(yùn)行。由此，可以考慮到各個便攜式攝像模塊I的啟動延遲，并減去上升時間的修正系數(shù)。此外，IOOrns被減去，然后檢測到上述自由下落。
[0063]對于根據(jù)本發(fā)明的攝像系統(tǒng)，例如，設(shè)有盡可能小的便攜式攝像機(jī)作為具有定焦距的便攜式攝像模塊I。通過該類型的鏡頭，能夠清晰地拍攝到相距一定距離的總場景，而且無需用于聚焦的時間。由于大多數(shù)便攜式攝像機(jī)具有相對較小的開啟角度，所以需要多個便攜式攝像模塊。當(dāng)然，在攝像系統(tǒng)的支承結(jié)構(gòu)4的表面中保持較小的凹陷。因此在拋出時防止意外接觸鏡頭的可能性較小。優(yōu)選地，在攝像系統(tǒng)中以硬件的方式設(shè)置圖像數(shù)據(jù)的直接JPEG-壓縮部件。由此，多個圖像能夠緩存在FIFO中并且可快速連續(xù)地傳輸至PC。
[0064]為了能夠拋出攝像系統(tǒng)，球形支承結(jié)構(gòu)4必須保持較小。因此，布置盡可能少的覆蓋整個立體角的便攜式攝像模塊I是必需的。所以需要對位于支承結(jié)構(gòu)4的表面上的便攜式攝像模塊I的位置進(jìn)行數(shù)值優(yōu)化。因此需要實(shí)施根據(jù)具有隨機(jī)重啟的爬山法(HillClimbing)原理運(yùn)行的優(yōu)化算法,其結(jié)果通過隨后的模擬退火(Simulated Annealing)來改進(jìn)。
[0065]虛擬攝像機(jī)及其投影中心布置在單位球體的中間，并且通過其自身體積覆蓋球體表面的一部分。通過用于攝像機(jī)方位的特定組合的攝像機(jī)模塊可估計出立體角的覆蓋范圍，并由此能夠檢測出分布式測試點(diǎn)的球體表面上的均勻覆蓋。未覆蓋任一虛擬攝像機(jī)的測試點(diǎn)的數(shù)量被用作成本函數(shù)。該算法將成本函數(shù)最小化。
[0066]為了能夠?qū)⒂嬎愠龅臄z像機(jī)方位轉(zhuǎn)換成實(shí)際方位，通過快速成型(RapidPrototyping)(添加劑制造工藝)完成支承結(jié)構(gòu)4。通過選擇性激光燒結(jié)材料PA2200制造支承結(jié)構(gòu)4。
[0067]在支承結(jié)構(gòu)4中設(shè)有用于更好的冷卻空氣的電子打孔機(jī)。在這種情況下，設(shè)有用于便攜式攝像模塊I的電路板的懸掛裝置。此外，還設(shè)有用于主板和電池的懸掛裝置。球體被分為兩個半體，這兩個半體用螺絲連接。在攝像機(jī)的鏡頭旁設(shè)有用于USB線纜和打開/關(guān)閉開關(guān)的通孔。還設(shè)置了用于固定纜繩和桿的點(diǎn)。
[0068]在計算出便攜式攝像模塊I的方位之后，能夠準(zhǔn)確定位攝像電路板的懸掛裝置。重要的是，在拋出攝像系統(tǒng)時不會發(fā)生任何位置改變。為了確保位置不發(fā)生改變，在懸掛裝置的兩側(cè)設(shè)有擋塊，并在擋塊相對的兩側(cè)上設(shè)有彈簧。彈簧可直接由彈性材料PA2200制成。
[0069]此外，在支承結(jié)構(gòu)4的向外方向上將位于具有鉤的兩側(cè)上的卡箍壓置至電路板。在該方向上的止動部件由多個小的突出部構(gòu)成，這些突出部自由地布置在電路板上。在該側(cè)上還設(shè)有用于將LED的光導(dǎo)出的通道。
[0070]每一個便攜式攝像模塊I設(shè)置在攝像系統(tǒng)的表面的凹陷中。該凹陷為與便攜式攝像模塊I的體積相對應(yīng)的形狀。因此，該凹陷具有平截方棱錐體的形狀。在通過激光燒結(jié)制造凹陷期間，在該凹陷中，在LED通道的出口的一側(cè)上以及另一側(cè)上設(shè)有便攜式攝像模塊I的編號。因此，在使用攝像系統(tǒng)時，通過凹陷的形狀和大小，手指很難觸摸攝像鏡頭，由此防止鏡頭被污染及損壞。
[0071]在可能放棄緩沖器及為了提高抓握的情況下，在支承結(jié)構(gòu)4的外部粘附有泡沫材料，這些泡沫材料構(gòu)成了襯墊5。襯墊5由密度為33kg/m3的封閉蜂窩網(wǎng)狀的聚乙烯泡沫材料構(gòu)成，該材料為市售品牌“ P丨astazote? LD33 ”下的產(chǎn)品。
[0072]圖2示出攝像系統(tǒng)的外觀，該攝像系統(tǒng)具有襯墊5、支承結(jié)構(gòu)4、凹陷6以及便攜式攝像1吳塊I。
[0073]每個便攜式攝像模塊I位于一個小電路板上。所有攝像電路板通過單獨(dú)的長帶狀線纜與主板連接。數(shù)據(jù)通過這些線纜借助并行總線傳輸至主板，控制指令通過串行總線傳輸至攝像電路板。主板通過具有需要的電壓的各個電纜為攝像電路板供電。
[0074]在主板上設(shè)有中央微控制器、USB-1C、藍(lán)牙模塊、電源、電池保護(hù)電路、微SD-插槽、A/D轉(zhuǎn)換器以及加速度傳感器和旋轉(zhuǎn)速率傳感器。
[0075]在攝像電路板上，在VS6724-攝像模塊旁還設(shè)有用于緩存數(shù)據(jù)的AL460-FIF0-1C以及ATtiny24 (AT微型24)-微控制器。攝像模塊固定在基座中大小為
19.2mmX25.5mmX 1.6mm的電路板的中間。攝像模塊準(zhǔn)確地位于對稱的電路板的中間，從而簡化設(shè)計支承結(jié)構(gòu)4時的方位。FIFO-1C設(shè)置在背面上，從而使得FIFO-1C的尺寸對于電路板的總大小而言是無足輕重的。微控制器接收與主板的通信并控制FIFO和攝像機(jī)。
[0076]參考標(biāo)記列表
[0077]I單攝像機(jī)
[0078]2傳感器
[0079]3控制單元
[0080]4支承結(jié)構(gòu)
[0081]5襯墊
[0082]6凹陷 [0083]7加速度
[0084]8拋出階段的開始
[0085]9拋出階段的結(jié)束
[0086]10 積分面積
[0087]11致動部件
【權(quán)利要求】
1.一種用于獲取圖像的攝像系統(tǒng)，所述攝像系統(tǒng)包括至少一個單攝像機(jī)、控制單元和傳感器，其特征在于， 所述至少一個單攝像機(jī)(I)以不同的方向設(shè)置在支承結(jié)構(gòu)(4)上并獲取連續(xù)的總圖像，其中所述總圖像包括各個單攝像機(jī)(I)的單圖像， 所述中央控制單元(3)被設(shè)置成能夠通過至少一個傳感器(2)獲得所述攝像系統(tǒng)的運(yùn)動曲線圖，并能夠根據(jù)預(yù)設(shè)的目標(biāo)函數(shù)計算所述單攝像機(jī)(I)的觸發(fā)時間點(diǎn)，以及 所述攝像系統(tǒng)包括用于檢測自旋轉(zhuǎn)的裝置，其中所述攝像系統(tǒng)在總時間段期間進(jìn)行獨(dú)立運(yùn)動。
2.如權(quán)利要求1所述的攝像系統(tǒng)，其中，所述傳感器(2)為加速度傳感器。
3.如權(quán)利要求2所述的攝像系統(tǒng)，其中，另一所述傳感器(2)為用于測量相對于周圍空氣的相對速度的傳感器。
4.如權(quán)利要求2所述的攝像系統(tǒng)，其中，另一所述傳感器(2)為旋轉(zhuǎn)速率傳感器。
5.如權(quán)利要求2所述的攝像系統(tǒng)，其中，另一所述傳感器(2)為曝光傳感器。
6.如權(quán)利要求2所述的攝像系統(tǒng)，其中，另一所述傳感器(2)為方位傳感器。
7.如權(quán)利要求2至6中任一項所述的攝像系統(tǒng)，其中，通過減小至運(yùn)動曲線圖的觸發(fā)點(diǎn)的最小距離d實(shí)現(xiàn)所述單攝 像機(jī)(I)的觸發(fā)，從而確定所述目標(biāo)函數(shù)。
8.如權(quán)利要求7所述的攝像系統(tǒng)，其中，所述最小距離d最多為20cm，優(yōu)選為5cm，特別為 1cm。
9.如權(quán)利要求7所述的攝像系統(tǒng)，其中，所述觸發(fā)點(diǎn)為飛行曲線圖的最高點(diǎn)。
10.如權(quán)利要求2至6中任一項所述的攝像系統(tǒng)，其中，所述單攝像機(jī)被布置成共同覆蓋4Pi sr的立體角。
11.如權(quán)利要求1和10中任一項所述的攝像系統(tǒng)，其中，所述支承結(jié)構(gòu)(4)的外部粘附有襯墊(5)。
12.如權(quán)利要求11所述的攝像系統(tǒng)，其中，在所述攝像系統(tǒng)的支承結(jié)構(gòu)(4)中設(shè)有用于接納所述單攝像機(jī)(I)的開口，所述襯墊(5)具有作為所述單攝像機(jī)(I)的光出口的凹陷(6)。
13.如權(quán)利要求12所述的攝像系統(tǒng)，其中，所述單攝像機(jī)的所述光出口構(gòu)成所述攝像系統(tǒng)的表面的至少80%，優(yōu)選地多于90%，特別地為100%。
14.如權(quán)利要求1所述的攝像系統(tǒng)，其中，所述攝像系統(tǒng)在所述支承結(jié)構(gòu)(4)上設(shè)有致動部件(11)以平衡其自旋轉(zhuǎn)。
15.一種通過使用攝像系統(tǒng)獲取圖像的方法，所述攝像系統(tǒng)包括至少一個單攝像機(jī)(I)、至少一個控制單元(3)和至少一個傳感器(2)，所述至少一個傳感器特別地為加速度傳感器，其特征在于， 所述攝像系統(tǒng)通過初始加速度得到起始速度， 在自由飛行開始時激活觸發(fā)基準(zhǔn)， 達(dá)到所述觸發(fā)基準(zhǔn)時觸發(fā)所述單攝像機(jī)(I )，通過所述單攝像機(jī)(I)獲取包括至少一個單圖像的圖像。
16.一種通過使用攝像系統(tǒng)獲取圖像的方法，所述攝像系統(tǒng)包括至少一個單攝像機(jī)(I)、至少一個控制單元(3)和至少一個傳感器(2)，所述至少一個傳感器特別地為加速度傳感器，其特征在于， 所述攝像系統(tǒng)通過初始加速度得到起始速度， 在自由飛行開始時激活觸發(fā)基準(zhǔn)， 達(dá)到所述觸發(fā)基準(zhǔn)時觸發(fā)所述單攝像機(jī)(I)，通過所述單攝像機(jī)(I)獲取以時間順序排序的圖像，所述圖像中的每一個包括至少一個單圖像。
17.如權(quán)利要求15或16所述的通過使用攝像系統(tǒng)獲取圖像的方法，其中，根據(jù)所述圖像的內(nèi)容由所述控制單元(3)進(jìn)行圖像分析和選擇。
18.如權(quán)利要求15或16所述的通過使用攝像系統(tǒng)獲取圖像的方法，其中，通過所述傳感器(2)的測量值由所述控制單元(3)進(jìn)行圖像分析和選擇。
19.如權(quán)利要求15或16所述的通過使用攝像系統(tǒng)獲取圖像的方法，其中，通過使用在開始具有空氣阻力的自由下落之前的時間中所述加速度的積分，確定所述觸發(fā)基準(zhǔn)為所述飛行曲線圖上的觸發(fā)點(diǎn)，并通過減小至所述觸發(fā)點(diǎn)的最小距離d來進(jìn)行所述單攝像機(jī)(I)的觸發(fā)。
20.如權(quán)利要求15或16所述的通過使用攝像系統(tǒng)獲取圖像的方法，其中，通過基于空氣阻力分析上升及降落期間的可測量的加速度確定所述觸發(fā)基準(zhǔn)。
21.如權(quán)利要求15或16所述的通過使用攝像系統(tǒng)獲取圖像的方法，其中，在下落過程中的所述觸發(fā)基準(zhǔn)被確定為相對于周圍空氣的相對速度至少低于2m/s，優(yōu)選地低于lm/s，特別地低于0.5m/s。
22.如權(quán)利要求17或18所述的方法，其中，通過由圖像計算所述攝像系統(tǒng)的當(dāng)前位置從所述以時間順序排序的圖 像中選擇圖像。
23.如權(quán)利要求17或18所述的方法，其中，通過圖像的清晰度從所述以時間順序排序的圖像中選擇圖像。
24.如權(quán)利要求17或18所述的方法，其中，通過壓縮圖像的大小從所述以時間順序排序的圖像中選擇圖像。
25.如權(quán)利要求15至24中任一項所述的方法，其中，所述單攝像機(jī)彼此同步，從而使得所有單攝像機(jī)同時被觸發(fā)。
26.如權(quán)利要求15至25中任一項所述的方法，其中，最大的運(yùn)動模糊度被確定出，并通過使用曝光時間計算所允許的最大旋轉(zhuǎn)速率r，通過由所述控制單元(3)將所述最大旋轉(zhuǎn)速率r與所述旋轉(zhuǎn)速率傳感器的值進(jìn)行比較來控制所述單攝像機(jī)(I)的觸發(fā)。
27.如權(quán)利要求26所述的方法，其中，如果超過所述旋轉(zhuǎn)速率r，則不觸發(fā)所述單攝像機(jī)。
28.如權(quán)利要求26和27中任一項所述的方法，其中，當(dāng)超過所述旋轉(zhuǎn)速率r時，在多次連續(xù)飛行中獲取的圖像被緩存，所述控制單元(3)使用允許的上部最大旋轉(zhuǎn)速率m以及旋轉(zhuǎn)速率測量值選擇所緩存的圖像之一，其中使用確定的上部最大運(yùn)動模糊度以及所使用的曝光時間計算所述允許的上部最大旋轉(zhuǎn)速率m。
29.如權(quán)利要求15或16所述的方法，其中，在飛行開始時，所述控制單元(3)控制在所述傳感器(2)或所述單攝像機(jī)(I)中存儲的與曝光相關(guān)的數(shù)據(jù)，由此計算用于所述單攝像機(jī)(I)的相應(yīng)的預(yù)設(shè)曝光參數(shù)，并將所述預(yù)設(shè)曝光參數(shù)發(fā)送至所述單攝像機(jī)(I )，所述單攝像機(jī)(I)到達(dá)觸發(fā)時間點(diǎn)時使用由所述控制單元(3)預(yù)設(shè)的用于其單圖像獲取的曝光設(shè)定代替本地設(shè)定。
30.如權(quán)利要求15或16所述的方法，其中，在飛行開始時，所述控制單元(3)控制在所述傳感器(2)或所述單攝像機(jī)(I)中存儲的與聚焦相關(guān)的數(shù)據(jù)，由此計算用于所述單攝像機(jī)(I)的相應(yīng)的預(yù)設(shè)聚焦參數(shù)，并將所述預(yù)設(shè)聚焦參數(shù)發(fā)送至所述單攝像機(jī)(I )，所述單攝像機(jī)(I)到達(dá)觸發(fā)時間點(diǎn)時使用由所述控制單元(3)預(yù)設(shè)的用于其單圖像獲取的聚焦設(shè)定代替本地設(shè)定。
31.如權(quán)利要求15或16所述的方法，其中，在飛行開始時，所述控制單元(3)通過所述方位傳感器(2)確定出重力矢量相對于攝像機(jī)的方向，并通過所述旋轉(zhuǎn)速率傳感器(2)計算出測量值的時間點(diǎn)與觸發(fā)時間點(diǎn)之間的方位變化，通過在飛行開始時確定出的重力矢量和方位變化確定到達(dá)觸`發(fā)時間點(diǎn)的重力矢量。
【文檔編號】H04N5/232GK103636190SQ201280021753
【公開日】2014年3月12日 申請日期:2012年4月30日 優(yōu)先權(quán)日:2011年5月5日
【發(fā)明者】喬納斯·普法伊爾 申請人:派諾諾有限公司