专利名称：渐进多焦式全方位摄像装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种摄像装置，特别涉及一种渐进多焦式全方位摄像装置，属于保安摄像监视设备。
背景技术：
现就应用于摄像监视领域加以说明经申请人调研及查阅资料，目前常用的保安监视系统如1999年6月23日-26日，北京中国国际展览中心举办’99公共安全、消防产品及建筑防火材料展览会，第1A134展台展出的DVR884智能数字监控装置，以及《中国社会公共安全产品行业综合信息》杂志(1999年第3期第44页)“HT300微机警卫监控系统”文章中介绍的监控装置，均需把摄像机采集的视频图像信息直接送入一台或几台微型数字计算机(微机)的视频捕获卡上，并转换成数字量送入微机的显视缓存区中，然后通过公知的管理软件及视频显视卡在微机的显视器上显视。由于上述监控装置摄像机的视野均较窄，因而显视对应图像的视野同样较窄，虽然可以通过采用广角镜头展宽视野，但必然导致图像严重畸变而不利于图像识别。因此，上述监控装置的摄像机均安装在可上、下、左、右转动的云台上，当需要移动摄像机的角度，或需要采集全方位视觉信息时，监控装置的微机发出控制信号，控制云台中两台直流或交流伺服电动机，驱动云台中齿轮组使云台上、下、左、右的转动来完成。而光圈、焦距的调整，则同样依靠监控装置微机发出的控制信号，控制摄像机中两台微型直流电动机驱动一系列机械传动部分以实现。采集现场的图像信息除供显视外，还送入录像机或数字存储装置保存。综上所述，目前监控装置存在着三方面的缺陷其一，由于摄像机的视野较窄，须依靠云台的机械动作实现摄像机镜头的移动，导致图像采集速度慢，完成一幅立体180度全方位视觉信息的图像采集，机械移动扫描需要数秒乃至十数秒。因而，在某一时刻，显示装置中得到的图像只能是立体全方位视觉信息图像的某一局部，常常顾此失彼，存在着较大的图像信息损失。由于摄像机角度移动速度慢，作为安全防范领域的摄像监视设备，很多现场的情况未能及时摄取并保存。其二，由于这类监控装置的电动机及机械设备多，因而功耗大、隐蔽性差、成本高、易损坏等缺点比较突出。其三，当多个监视者想要观查某一现场不同的位置时，如安装在大型商厦售货现场的摄像机需把图像信息分别送入总经理、管理人员、保安人员的微机中显示。上述人员均可发出控制信号，控制现场云台上摄像机的位置与姿态，以选取自己感兴趣的现场图像显示。总经理统观全局，但比较侧重客流量及销售情况，管理人员则注重售货员是否坚守岗位及工作态度，保安人员则关心商厦的安全如盗窃或抢劫等事件。由于上述人员关心的角度不同，因此在控制现场云台上摄像机的位置与姿态时会发生冲突。一种解决方法是现场可以多安装几套摄像监视设备，以满足不同人员的需要，但势必造成重复投资，尤其云台价格较贵使投资成本大幅度提高。另一种解决的方法是对总经理、管理人员、保安人员的微机发出的控制信号进行加权处理。总经理位置最重要，因此加权最重，总经理进行控制时，能通过硬件或软件屏蔽管理人员及保安人员微机发出的控制信号，现场摄像机只接受总经理发出的控制信号。管理人员只有在总经理没有控制的情况下才能控制现场摄像机的位置与姿态。由于盗窃或抢劫等案发事件概率低，保安人员的加权最轻，只有在上述两者均无控制信号发出时，才能控制摄像机选取自己感兴趣的现场图像。从上述人员的工作情况不难看出总经理对现场摄像机的控制影响了管理人员的工作，同样，总经理和管理人员又会影响保安人员对现场的监视。当然，可以根据需要对上述人员的加权重新分配，但在目前摄像监视设备的条件下，仍然存在着互相影响的问题。
发明内容
本实用新型的目的，就是要克服上述摄像及显示装置的这些缺陷，指出一种根据法国人伯纳德迈特奈兹(Bernad Maitenaz)1951年为解决老年花眼配镜问题，而设计出的世界上第一片渐进多焦式眼镜片，并根据法国依视路眼镜公司1959年投放市场的渐进多焦式眼镜片Varilux的原理，由渐进多焦式镜片构成的全方位摄像机镜头，以及由多片CCD或CMOS图像传感器芯片作为摄像装置的图像并行采集部份，以构成一种台体、半台体或其它角度台体的全方位摄像装置，使可视范围能够达到立体360度、立体180度或其它全方位角度，并在一定范围内，使远、中、近距离的事物均能获得清晰图象。并行采集的多路图像再经合成与图像处理后，形成全方位的视觉信息送入一台或多台微机的显示缓存区中，以构成一位或多位操作者在各自微机的显示缓存区中选择自己感兴趣的图像部份，并在显示器上显示的摄像及显示装置。无须再通过驱动云台中伺服电动机使云台上、下、左、右的转动来完成摄像角度的变换或全方位图像信息的采集。也无须再通过驱动摄像机镜头中微型直流电动机实现光圈、焦距的调整。
为了达到上述目的，本装置根据渐进多焦的原理将摄像机的镜头设计为由渐进多焦式镜片构成的立体360度台体、立体180度半台体或其它角度的台体结构，镜片表面曲率从上部到下部连续地减少，使其屈光力相应从位于镜头上部的远用区，逐渐、连续地减少直至在镜头下部的近用区达到所需近用屈光度数。由于镜头的曲率从上至下不断变化，镜头各部份的厚度不尽相同，与图像传感器芯片的间距也根据需要不尽相同，因而可形成由远及近的多个焦点，并对远、中、近不同距离的事物具有不同的放大系数。由渐进多焦式镜片构成的台体结构镜头，使远、中、近不同距离的立体360度、立体180度或其它角度的事物均能在图像传感器芯片上获得清晰图象。从而实现了全方位立体图像信息的采集。
由于渐进多焦式立体全方位摄像装置有多片CCD或CMOS图像传感器芯片，而每片采集不同方位的图像信息，多片不同方位的图像传感器芯片所采集的图像信息可拼接成一幅完整的现场全方位实况。渐进多焦式镜头可以由多片镜片拼接而成，也可以由单片镜片加工而成。由于镜头由远及近的多个焦点以及连续变化的不同放大系数，会使采集的图像出现一些畸变，这些缺陷可以通过软件编程加以消除，在本实用新型中不再赘述。为防止信息丢失，相关图像传感器芯片之间边沿部份是互相迭加的，多方面图像信息送入微机进行合成，使其信息衔接良好。经图像软件实时处理过的现场视觉信息是连续的、无死区的全方位图像，不断传输并存放在一台或多台微机的显示缓存区中。在相应的图型软件支持下，不同操作者通过鼠标、操纵杆或其他控制方法，从显示缓存区中存储的全方位图像信息里，选取自己感兴趣的部份显示，并可通过公知的图型软件放大或缩小画面，进行软件数字调焦，从而完成了自己所需的图像信息的采集和显示。
因此，本实用新型所述的渐进多焦式立体全方位摄像装置，应用于摄像监视领域时具有很突出的优点。首先，本装置全部采用电子线路完成全方位图像信息的采集，而无须再经过电动机驱动以及一系列机械传动部分来完成，因而在可靠性、快速性、隐蔽性等方面明显优于传统机械扫描监控装置。其次，摄像装置的图像传感器，无论CCD芯片还是CMOS芯片价格均很低廉，本例中采用六片CMOS图像传感器芯片以及渐进多焦镜头构成的半台体全方位摄像装置，其成本仍低于一台变焦镜头加云台构成的摄像装置。随着微电子技术的发展，集成电路芯片的集成度越来越高，处理速度越来越快，价格也越来越低。而电动机及机械传动部分的价格却没有下降的趋势。可见，随着时间的推移，本装置会具有越来越明显的价格优势。其三，由于本装置是同时并行采集多路视觉信息的，经合成为全方位的视觉图像后，可以供多台微机存放在各自的显示缓存区中(如上述大型商厦总经理、管理人员、保安人员各自微机的显示缓存区中)。不同操作者(如总经理、管理人员、保安人员)可以通过鼠标、操纵杆或其他控制方法，从各自微机的显示缓存区里存储的全方位图像信息中，选取自己感兴趣的部份显示，满足了不同操作者的需要。同时，把全方位的图像信息送入录像机、磁盘机或其他存储设备进行存储，以备操作者查找当时未从显示缓存区里选取的图像信息，减少了当时现场图像信息的丢失。这是目前监控装置无法实现的。
现结合附图和具体实施例对本实用新型进一步加以说明，其中图1为典型凸透镜使光线聚焦的原理示意图；图2为渐进多焦式眼镜片Varilux结构原理图；图3为渐进多焦式半台体全方位摄像装置结构图；图4为渐进多焦式全方位摄像装置框图，表示六路图像传感器芯片同时并行采集六路视觉信息，并合成为一幅全方位视觉图像的过程；图5、图6、图7、图8、图9为渐进多焦式全方位摄像装置的具体电路；图10为摄取的演播室全方位仿真部份图像。
具体实施方式
参照附图将详细描述具体实施方案。
图1为典型凸透镜聚焦的原理，为清楚阐述渐进多焦式眼镜片Varilux.的原理，首先对凸透镜1聚焦的原理给以说明凸透镜聚焦可用棱镜对光线的偏移和折射来解释，凸透镜1为一分解为很多小块的凸透镜剖面，每一小块为一块棱镜，上部棱镜底面朝下，光线通过时都向下偏折，下部棱镜底面朝上，光线通过时都向上偏折，因此，如果加工对称，凸透镜将使光线会聚于一个焦点。
图2为一渐进多焦式眼镜片2的剖面结构图，该镜片的曲率从上部到下部连续变化，各部份的厚度根据设计需要不尽相同，且不对称，如果将其分解为多块棱镜，就会发现这些棱镜在光线通过时形成的偏移与折射所产生的焦点各不相同，由于设计的曲率从上部到下部连续平滑地变化，因而形成逐渐变化且多个焦点的模式，即渐进多焦模式。渐进多焦镜片2各部份的厚度不尽相同，与图像传感器芯片3的间距也根据需要不尽相同，因而外部远、中、近不同距离的事物在图像传感器芯片上形成由远及近的多个焦点的图像，并对远、中、近不同距离的事物分别具有2、1.5、0.75连续变化的不同放大系数，如图2中虚线所示。与上述多焦式眼镜片不同的是老年花眼者配戴的渐进多焦眼镜，其镜片曲率从上部到下部连续增加，远、中、近不同距离的事物放大系数不断增加。远距离时，镜片近似平光镜。近距离时，镜片放大能力逐渐增加形成一老花镜。配戴者在观查远、中、近不同距离的事物时，不必再频繁摘、戴眼镜就能看清不同距离的事物了。本实用新型采用的渐进多焦式镜头其放大系数的变化规律与渐进多焦眼镜正相反，其目的是通过由远及近的放大系数的变化部分取代传统摄像机焦距的调整，而图像传感器芯片对光线的较正能力亦可部分取代传统摄像机光圈的调整，让传统摄像机通过机械运动进行的光圈、焦距调节由电子化方式来完成。
图3为渐进多焦式半台体全方位摄像装置的结构示意图，图3中3a、3b、3c、3d、3e、3f为六片图像传感器，分上、下两段排列成梯形结构，从图中可以看到，每两片图像传感器负责采集某一方位的图像信息，如图像传感器3a、3b共同构成左路图像信息的采集，3c、3d与3e、3f分别构成中路及右路图像信息的采集。图3中2为渐进多焦式镜片构成的环绕六片图像传感器180度的半台体镜头，并与六片图像传感器构成全方位摄像装置，用以采集180度立体全方位图像信息。
图4为六片图像传感器全方位图像信息的采集、发送到接收控制的全过程框图。图像传感器3采用OmniVision公司的OV7910 CMOS图像芯片。OV7910为单芯片高性能、低成本彩色CMOS图像传感器芯片，它支持一般的视频(video)和超级视频(S-Video)两种视频格式，提供RGB视频信号，并且支持VCR电视监视器或其它终端输入设备。由单芯片OV7910构成的低成本图像传感器所采集的图像信息，经过TDA8310AWE信号转换芯片4的视频格式转换，把视频信号转换为YUV形式，送入微机中基于PCI总线的视频合成捕获卡。卡中SAB9077为视频合成芯片5，它可以将两路实时视频信号合成为一幅图像，然后送入视频合成捕获卡中Bt848芯片6中。Bt848是BrookTree公司生产的单一视频捕捉、处理芯片，它能将视频像素数据直接送入微机的显示缓存区。三路并行合成的视频输入在软件的管理下将六片图像传感器芯片的视觉信息合并成一幅全方位的视觉图像，送入微机的显示缓存区，以供存储及显示用。I2C总线83C654单片机7完成与PCI总线进行管理信息的通讯，控制OV7910 CMOS图像芯片2的参数。对SAB9077视频合成芯片5进行编程设置，首先实现两路图像经剪裁拼接后合成为一幅图像的功能，并完成芯片之间的信息交换。从图4摄像显示装置中可以看到；全方位摄像装置视觉图像信息的采集、发送到接收控制的全过程。
图5、图6、图7、图8、图9为渐进多焦式半台体全方位摄像装置的具体电路。现说明如下图5是单芯片OV7910构成的低成本传感器3的具体电路。通过I2C接口进行编程设置以实现自动增益控制(AGC)，自动曝光控制，GAMMA校正和逆光控制。TDA8310AWE为视频信号转换芯片4，把视频信号转换为YUV格式，并生成相应的同步信号，送入微机中基于PCI总线的视频捕获卡。图6为PCI总线地址、数据译码及驱动部份，其中74LS688芯片8与DIP开关9作为PCI总线板选地址，通过依次选择不同的板选地址，微机将三路六台摄像机的图像信号送入相应的显示缓存区。GAL20V8芯片10作为地址译码，74LS373芯片11、12为锁存器加缓冲器，I2C总线83C654单片机7与74LS273-锁存器13完成与PCI总线进行的并行通讯与I2C总线通讯的转换，使得微机的CPU与板卡上芯片的数据交换变得简单。图7为SAB9077视频合成芯片5的具体电路，该芯片经编程设置后，通过剪裁拼接，可将两路实时视频信号合成为一幅图像，以使并联采集的六路视觉信息，送入微机的显示缓存区之前，简化成三路。随微电子技术的发展，专用设计的多路视频信号合成芯片的出现将使整个方案大为简化。图8中HM538253BJ芯片14为视频信号合成时随机数据存储用2M RAM，TDA8501芯片15将YUV信号转换为PAL信号。图9为Bt848芯片6的具体电路，该芯片可直接挂在PCI总线上，充分利用PCI总线的132MB/s的高带宽。在DMA通道的控制方式下32位字节的视频图象数据传输到PCI总线上，并将视频像素数据直接送入微机的视频显示缓存区。Bt848芯片同样可以通过编程设置，实现图像剪裁拼接功能。三路并行的视频输入在软件的管理下将六路视觉信息合并，成为一幅全方位的视觉图像，进入显示缓存区以供存储及显示。
图10为我们摄取的全方位演播室仿真图像的一部份，该图为六路视觉图像信息中的四幅小图，为清楚看到图像是由四幅小图拼接，该图未经图像处理，各图之间接合部清晰可见，图中的方框部分即为操作者所选择的显示部分。
从上述说明可以看到由于本装置采用全方位电子化信息采集、处理技术，因而在可靠性、快速性、隐蔽性和低成本等方面明显优于传统机械扫描监控装置。在同时供给多位不同操作者全方位视觉信息，并可从中选取自己感兴趣的视觉图像方面比传统机械扫描监控装置有着显著进步。
以上已结合实施例对本装置作了详尽的说明，本领域技术人员不难根据本装置的原理作出若干改型，但它们不会超出本实用新型权力要求所限定的精神与范围。
权利要求1.一种渐进多焦式全方位摄像装置，主要由渐进多焦式镜头(2)、多片图像传感器芯片(3)以及图像合成、发送、处理部份组成，其特征在于摄像装置的镜头(2)是由渐进多焦式镜片构成的，配合多片指向不同方向的图像传感器芯片(3)以构成一种台体、半台体或其它角度台体的全方位摄像装置，使可视范围能够达到立体360度、立体180度或其它全方位角度，并在一定范围内，使远、中、近距离的事物均能获得清晰图象。
2.根据权力要求1的渐进多焦式全方位摄像装置，其特征是渐进多焦式镜头(2)表面曲率从上部到下部连续地变化，其屈光力也相应地从位于镜头的远用区，逐渐、连续地变化，直至达到镜头近用区所需屈光度数，因而在图像传感器芯片(3)上形成由远及近的多个焦点，并对不同距离的事物具有不同的放大系数。
专利摘要渐进多焦式全方位摄像装置是由渐进多焦式镜头、多片图像传感器芯片以及图像合成、发送、处理部分构成的一种台体、半台体或其他角度台体的全方位摄像装置，其可视范围可达到立体360度、180度或其它角度的全方位。由于渐进多焦式镜头表面曲率从上部到下部连续地变化，其屈光力也相应地从位于镜头的远用区，逐渐、连续地变化，直至达到镜头近用区所需屈光度数，因而在图像传感器芯片上形成由远及近的多个焦点，并对不同距离的事物具有不同的放大系数，可在一定范围内，使远、中、近距离的事物均能获得清晰图象。
文档编号H04N7/18GK2565225SQ01259229
公开日2003年8月6日 申请日期2001年9月3日 优先权日2001年9月3日
发明者王广生, 方穗明 申请人:王广生