专利名称：单体式实时全景无缝无失真视频摄像机的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及摄像系统领域，尤其涉及一种单体式实时全景无缝无失真 视频摄像机。
技术背景目前，视频装置有多种类型民用的摄像机、带摄像功能的数码相机、监 控摄像机、特殊成像摄像机。民用摄像机、数码相机和监控摄像机的视频获取 共同特点是可视范围由镜头可视范围大小决定，因此除非使用球面镜头，否则 不可能在不移动机体的情况下获得全景的视频图像。当前公知的使用球面镜头 的全景成像系统，能够通过广角的光学成像镜头获得全景图像，但是展开后的 图像产生了严重的图像变形效果，所得到的是失真严重的全景视频图像。己公 布的方法中可以通过复杂耗时的计算机程序运算对变形图像进行处理，从而获 得失真较小的图像，但是这种方法不可能实时的获得合理水平的分辨率图像， 因此该方法不适用于实时视频获取的场合。 发明内容本实用新型的目的是提供一种单体式实时全景无缝无失真视频摄像机。 单体式实时全景无缝无失真视频摄像机包括主体外壳，主体外壳中间设有 分隔板，位于分隔板上部的主体外壳侧壁上设有多个摄像头模块，摄像头模块 通过摄像模块盒固定在主体外壳上，多个摄像头模块之间通过数据连接线相连 接，主体外壳分隔板下方设有控制器、可充电蓄电池、开关电源。所述的多个摄像头模块阵列，数量为4 12。控制器釆用PIC16C54单片机。本实用新型能够提供全景视频图像的视频系统对于多种应用是非常有利 的。作为系统实施的范例，此种系统可以作为实时的监控设备，可以在单一显 示器上进行实时监控，省却了复杂的显示器阵列和多位置摄像头的安装。还可 以获取真实的道路信息以用于城镇的道路导航系统，结合路径选择程序对行走 路线进行直观有效的引导。系统所获得的高质量全景视频可用于交互娱乐系统 或交互军事训练系统中的真实环境影像的获得，并且可安装于自动行走装置上 用于机器人成像系统，以满足军事或治安侦察的目的。
图1是单体式实时全景无缝无失真视频摄像机剖视图； 图2是本实用新型的系统原理图；图3是本实用新型的成像原理图 图4是本实用新型的软件流程图。
具体实施方式
如图l所示，单体式实时全景无缝无失真视频摄像机包括主体外壳l，主体外壳中间设有分隔板10，位于分隔板上部的主体外壳侧壁上设有多个摄像头模 块3，摄像头模块通过摄像模块盒7固定在主体外壳上，多个摄像头模块之间通 过数据连接线9相连接，主体外壳分隔板下方设有控制器11、可充电蓄电池12、 开关电源13。单体式系统包括多个摄像头模块3阵列，数量为4 12。控制器 11采用PIC16C54单片机。所有的系统部件集中在单一外壳中。在单体式系统 工作状态下，系统分散部件少，集成度高，整体体积小，容易使用及管理，系 统维护简便。单体式实时全景无缝无失真视频摄像机通过连接外部电源获得工作电源和 充电电源。在电源连接的情况下，六组摄像头即开始工作，获取周围视频信息。 在外部电源无效的情况下，控制器ll立即接通电池供电，其切换过程不会导致 系统工作中断。内部蓄电池12在满电状态下可供给系统持续工作24小时。蓄 电池电量用完后在仍无外部供电的情况下，主控板控制摄像机关机。如外部供 电恢复，控制器ll控制充电器对缺电蓄电池进行充电。如图2所示，多摄像头阵列有六个独立高分辨率摄像头通过各自的广角光 学镜头获得六个边界重叠的视频图像。获得的视频通过两路火线高速传输通道 (Firewire 800)传输至计算机上的系统处理软件中。火线传输支持串行数据传 输，使用两路火线即每三个独立摄像头占用一路通道，有效保证了 1024X768 大分辨率、30*s以上高数据量状态下视频的实时通畅传输。外部电路的供电部 分用于支持系统稳定工作，以及无外接电源环境下的持续工作能力。视频数据 传递至计算机内的处理软件中，经过软件标定、同步、匹配的环节把视频处理 成图像上连续完整的视频段，经拼接成单一视频后最终输出成单一无失真的视 频文件。如图3所示，多摄像头阵列由六个独立高分辨率摄像头六边形柱面阵列分 布，通过各自的广角光学镜头获得六个边界重叠的视频图像。六边柱面成像由 六台独立的摄像机按照60度的夹角放置而成。由各摄像头的镜头角度形成了视 区、盲区和重叠区。视区是无需经过处理即可进行最终拼接的视频区域。盲区 内的物体无法被镜头摄入，是最终视频中无法获取的区域。重叠区的物体和环 境同时存在于相邻的两摄像机视频的边缘位置上，两路独立的视频在处理软件中进行检测和匹配处理，形成可以与视区完美拼接的视频。如图4所示，摄像头获取视频时，在每个视频帧采集时都在相应音频轨道 写入一个时间戳，通过这些时间戳将各个视频流中属于同一时刻的帧都一一对 应起来。摄像机先从不同方向拍摄一个平面模板(作为标定物)的多幅图像，对于 每个视点获得图像，提取图像上的网格角点；平面模板与图像间的网格角点对 应关系，确定了单应性矩阵(Homography);那么对每幅图像，就可确定一个单 应性矩阵，这样就能够通过摄像机标定的方法对各个视频流分别进行矫正。接下来对一组同步的视频帧进行全景拼接，计算出各帧的拼接参数。拼接参 数来自于帧配准、图像再投影和平滑拼接。首先对相邻的两个摄像头采集的同 步对应帧进行图像配准,包括几何学配准和光度学配准。几何学配准釆用先使用 基于频域分析的方法来得到仿射模型，再进而根据需要，利用光流的方法在仿 射模型的基础上得到投影模型；光度学配准利用一个从几何配准的输入图像估 计光度模型参数。将光度模型分为RGB三个通道进行单独处理。接着将配准后 的图像进行再投影。由于不同摄像机的图像之间存在视差，不能直接用于拼接。 对图像进行圆柱投影可以减少图像之间的视差。由于图像间几何校正和光度学 校正的误差，并且存在视差，使得图像间存在拼接裂缝，因此必须采用平滑策 略消除全景视频中的拼接裂缝。对于简单的场景我们采用简单图像平滑策略， 在两幅图的重叠区域，我们将两帧图的象素值按一定的权值合成到新图。对于 复杂的场景釆用多分辨率图像平滑策略，首先求得拼接后图像的重合区域在两 帧图像上的对应部分，以这两幅公共部分图像的尺寸生成一幅二值图像，在缝 合线的周围，不同的频段采用不同宽度的平滑带。在高频部分，也就是图像变 化较为尖锐的部分，平滑带窄一些，而在频率较低的部分，也就是图像变化较 为缓和的部分，平滑带宽一些。然后将计算的拼接参数应用到各视频流中的每一帧，再将同步的每一组帧 进行拼接，得到由全景帧组成的全景视频。由于各摄像头均固定焦距和相关光 学参数，彼此之间位置固定，视频的融合区和成像区域为常数，每一帧的缝合 合成函数也相同，因此可以保持拼接参数不变，这样就能极大的提高拼接效率。
权利要求1. 一种单体式实时全景无缝无失真视频摄像机，其特征在于包括主体外壳(1)，主体外壳中间设有分隔板(10)，位于分隔板上部的主体外壳侧壁上设有多个摄像头模块(3)，摄像头模块通过摄像模块盒(7)固定在主体外壳上，多个摄像头模块之间通过数据连接线(9)相连接，主体外壳分隔板下方设有控制器(11)、可充电蓄电池(12)、开关电源(13)。
2. 根据权利要求1所述的一种单体式实时全景无缝无失真视频摄像机，其特 征在于所述的多个摄像头模块(3)阵列，数量为4 12。
3. 根据权利要求1所述的一种单体式实时全景无缝无失真视频摄像机，其特 征在于所述的控制器(ll)采用PIC16C54单片机。
专利摘要本实用新型公开了一种单体式实时全景无缝无失真视频摄像机。它包括主体外壳，主体外壳中间设有分隔板，位于分隔板上部的主体外壳侧壁上设有多个摄像头模块，摄像头模块通过摄像模块盒固定在主体外壳上，多个摄像头模块之间通过数据连接线相连接，主体外壳分隔板下方设有控制器、可充电蓄电池、开关电源。本实用新型可作为实时的监控设备在单一显示器上进行实时监控。可获取真实的道路信息以用于城镇的道路导航系统，结合路径选择程序对行走路线进行直观有效的引导。可用于交互娱乐系统或交互军事训练系统中的真实环境影像的获得，可安装于自动行走装置上用于机器人成像系统。单体式系统的优点是整体紧凑，集成度高。
文档编号H04N9/09GK201118859SQ200720112358
公开日2008年9月17日 申请日期2007年7月27日 优先权日2007年7月27日
发明者琤 姚, 庄越挺, 铭 陈 申请人:浙江大学