圆柱物体360度全景成像镜面设计方法及镜面及成像装置制造方法
【专利摘要】本发明提供了一种圆柱物体360度全景成像镜面设计方法及镜面及成像装置，方法：步骤1、设计镜面形状，步骤2、设计镜面参数，步骤3、求解最优椭圆镜面具体参数。一种圆柱物体360度全景成像的镜面，其为由上述的设计方法得到的镜面。一种圆柱物体360度全景成像的装置，包括内曲面反射镜、镜面支架、光源，相机、被拍摄的圆柱物体、夹持装置。本发明通过圆柱物体的尺寸设计出一种圆柱物体外表面360度成像装置，具有装置简单、镜面设计方法准确、成像质量高、畸变小、成本低的有点，克服了传统的圆柱物体外表面360度成像硬件装置复杂、价格昂贵的缺点。为机器视觉提供了一种圆柱物体外表面360度成像的装置和镜面设计方法。
【专利说明】圆柱物体360度全景成像镜面设计方法及镜面及成像装置
【技术领域】
[0001] 本发明涉及成像装置，尤其涉及一种圆柱物体360度全景成像镜面设计方法及成 像装置。
【背景技术】
[0002] 对物体进行360度成像是机器视觉的一个难点问题，目前已有一些技术能够对周 围环境进行360成像，例如专利CN101122734A公布了一种全景成像装置，通过一个透镜阵 列和光电检测器阵列每次实现180度成像；专利CN102495460A发明了一种全景成像镜头， 利用该镜头可以用于管道内壁检测、医用内窥镜观察等领域；专利CN201725141U提出了一 种多镜头实时全景成像系统，能对周围环境进行全景成像；专利CN201820028U提出了一种 全景相机镜头，通过同轴的透镜组实现全景成像；专利CN201607607U利用转台装置实现全 景图像合成。其他专利基本与上述专利技术类似，不同之处在于所用的传感器不同。上述 的全景相机装置均是对周围的场景进行拍摄，如图1A、图1B、图1C所示为已有技术拍摄全 景图像示意图，图1A为已有的全景拍摄装置，图1B为已有的拍摄的全景图、图1C为图1B 展开后的图像。图中001为全景拍摄相机，002为需要拍摄的周围场景，003为拍摄的全景 图。
[0003] 在机器视觉系统中经常需要对如图2所示的圆柱（圆柱或方形柱等）物体外表面 成像，用于缺陷检测等质量控制系统中。图2中，环形的箭头代表需要成像的圆柱物体外表 面。已有的技术通常有以下几种：
[0004] 1、让圆柱物体旋转，每转一个角度，拍摄一张图像；
[0005] 2、采用多个相机从多个角度进行拍照然后对每幅图像分别进行处理；
[0006] 3、采用意大利0ΡΤ0公司的远心360度镜头、PC⑶折反射环外侧镜头及多视角光 学元件多面镜头，均可以对圆柱物体外侧成360度全景图像。
[0007] 在上述的机器视觉360度全景成像技术中，采用第一和第二种技术，存在两方面 的缺陷，1.每次成像只在一个较小的角度，效率很低；2.只使用普通镜头，在柱面，尤其是 圆柱面的边缘畸变较大，相邻图像间存在很大的误差。对于第三种技术虽然能够一次性完 成柱面外侧360度成像，但需要特制的360度成像镜头，结构复杂、成本高。
【发明内容】
[0008] 为了解决现有技术中问题，本发明提供了一种圆柱物体360度全景成像镜面设计 方法，包括如下步骤：
[0009] 步骤1、设计镜面形状：利用单视点约束计算镜面点满足的方程，得到镜面形状是 椭圆体，椭圆的几何参数方程为：
[0010]
【权利要求】
1. 一种圆柱物体360度全景成像镜面设计方法，其特征在于：包括如下步骤： 步骤1、设计镜面形状：利用单视点约束计算镜面点满足的方程，得到镜面形状是椭圆 体，椭圆的几何参数方程为：
其中c是椭圆两个焦点间距离，k为常数； 步骤2、设计镜面参数：对于任意给定的圆柱物体半径R和高H，根据以下四个约束方程 计算椭圆镜面参数k和c，确定镜面方程具体参数： (1) 被拍圆柱物体外表面全部成像约束：|T|彡R，其中：
通过作图的方法确定参数c的取值范围，并且存在参数k的值满足条件|Τ|彡R; (2) 高分辨率约束，成像装置的分辨率为
通过作图的方法得到 结果：c取值越小，分辨率越高； (3) 相机景深较小约束，当圆柱物体位置固定时，系统景深为（Ζ(ΓΖι)，通过作图的方法 得知c取值越大并且k取值越小，系统景深越小； (4) 视场角不能过大约束，视场角
不希望系统产生过大的径向畸 变，所以要求视场角2ω<90° ; 步骤3、求解最优椭圆镜面具体参数，沿中心轴线调整圆柱物体的位置，设计在满足圆 柱物体外表面全部成像的基本约束下，优先满足高分辨率和相机景深约束，最后要求视场 角低于90°角的算法，设计出最优的镜面参数。
2. -种圆柱物体360度全景成像的镜面，其特征在于：其为由权利要求1的设计方法 得到的镜面。
3. -种圆柱物体360度全景成像的装置，其特征在于：包括内曲面反射镜（1)、镜面支 架（2)、光源（3)，相机（4)、被拍摄的圆柱物体（5)、夹持装置（6);镜面支架（2)固定内曲 面反射镜（1)，光源（3)对被拍摄的圆柱物体（5)进行照明，夹持装置（6)固定被拍摄的圆 柱物体（5)，内曲面反射镜（1)满足单视点约束的镜面形状，单视点约束是指传感器接收到 的光强集中在三维空间的同一点，称为有效点υ，当相机是一个理想的透视相机，忽略相机 的离焦模糊，相机模型化为透视投影中心，称为有效孔Ρ，单视点约束要求通过有效孔Ρ的 光线在被镜面反射之前经过有效点υ。
4. 根据权利要求3所述的一种圆柱物体360度全景成像的装置，其特征在于：还包括 一个平面反射镜（7)，所述平面反射镜（7)的镜面与水平面的夹角Θ = 45°，相机（4)水 平放置，相机（4)安装的高度为平面反射镜（7)的镜面垂直高度的一半。
5. 根据权利要求3所述的一种圆柱物体360度全景成像的装置，其特征在于：内曲面 反射镜（1)的镜面形状是椭圆体，椭圆的几何参数方程为：
其中c是椭圆两个焦点间距离，k为常数。
6. 根据权利要求5所述的一种圆柱物体360度全景成像的装置，其特征在于：内曲面 反射镜（1)的镜面参数：对于任意给定的圆柱物体半径R和高H，根据以下四个约束方程计 算椭圆镜面参数k和c，确定镜面方程具体参数： (1) 被拍圆柱物体外表面全部成像约束：|T|彡R，其中：
通过作图的方法确定参数c的取值范围，并且存在参数k的值满足条件|Τ|彡R; (2) 高分辨率约束，成像装置的分辨率为
通过作图的方法得到 结果：c取值越小，分辨率越高； (3) 相机景深较小约束，当圆柱物体位置固定时，系统景深为（Ζ(ΓΖι)，通过作图的方法 得知c取值越大并且k取值越小，系统景深越小； (4) 视场角
要求视场角2ω < 90°。
7. 根据权利要求3所述的一种圆柱物体360度全景成像的装置，其特征在于：所述圆 柱物体包括圆柱、圆台或圆锥。
【文档编号】G03B37/00GK104252097SQ201410414939
【公开日】2014年12月31日 申请日期:2014年8月20日 优先权日:2014年8月20日
【发明者】吴晓军, 郭亚雪 申请人:吴晓军