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360度全景攝像技術原理介紹

發布時間:2020-08-04 14:53:33點擊:8510

 通常只有在必須的情況下,我們才費盡周折地試圖在狹小空間安裝視頻監控設備。就當人們開始將要習慣忍受這樣的架設行為時(固有的需求矛盾所制),悄然產生一種新生力量---- 360度全景攝像。

以往我們在狹小空間試圖構建監控系統,無外乎會采用幾種方案:短焦距鏡頭攝像機、調整安裝位置、或多攝像機聯動對射等。但以上幾種方式都存在著不同的應用缺陷;選擇短焦距鏡頭攝像機時,水平可視范圍小于80度(廣角也超不過90度),因而監控范圍較小;調整安裝位置,往往受到客觀環境的制約而影響穩定安裝(例如一面是玻璃、一面是門、頂上有電線或無法承重的裝飾吊頂等等);選擇多攝像機聯動對射,不僅增加了設備投入的成本,也使得施工變得更加繁瑣。

一 360度全景攝像技術簡介

顧名思義,360度全景攝像就是一次性收錄前后左右的所有圖像信息,沒有后期合成,更沒有多鏡頭拼接。其原理依據仿生學(魚眼構造如圖1)采用物理光學的球面鏡透射加反射原理一次性將水平360度,垂直180度的信息成像(如圖2),再采用硬件自帶的軟件進行轉換,以人眼習慣的方式呈現出畫面。

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圖1 魚眼結構

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圖2 魚眼鏡頭的硬件示意圖

魚眼鏡頭是一種超廣角的特殊鏡頭,其視覺效果類似于魚眼觀察水面上的景物。魚的眼睛類似人眼構造,但是相對于扁圓形的人眼水晶體,魚眼水晶體是圓球形,雖然只能看到比較近的物體,但卻擁有更大的視角。

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圖3中,人眼看水中實物,由于實物反射的光線在水中發生折射,使人誤以為物體處于虛像的位置(例如水中筷子彎曲現象)。根據折射原理,光從空氣斜射入水等介質中時,折射角小于入射角;光從水等介質斜射入空氣中時,折射角大于入射角。也可以概括為,光從一種介質斜射入另一種介質時,傳播方向一般會發生變化。魚眼鏡頭就是利用折射原理,本著擁有更大的球面弧度(類似魚眼的球形水晶體),成像平面離透鏡更近(魚眼的水晶體到視網膜距離很近)的設計思想,進行開發制造的。

一般來說,焦距越短,視角越大,而視角越大,因光學原理產生的變形也就越強烈。為了達到水平360度,垂直180度的超大視角,魚眼鏡頭允許桶形畸變合理存在,除了畫面中心的景物保持不變,其他本應水平或垂直的景物都發生了相應的變化。為了把畸變后的圖象轉化為適合于人眼觀看的正常圖像,需要通過軟件對圖像進行坐標變換,并進行圖像修正等處理。

圖4是以日本FXC魚眼鏡頭為例,簡要介紹360攝像頭軟件處理的基本流程:

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 360度全景圖片 轉換坐標并做圖像增強處理 截取部分信息

圖4軟件處理流程

圖5是日本FXC360全景處理處理系統中,圓形圖像轉換為平面圖像所用到的原理與方程式。在PC端軟件或者嵌入式處理系統中通過計算處理,呈現出人眼所習慣的平面圖像。

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圖5 軟件處理所用方程式

二 360度攝像頭的產品特點

1,壓倒性的寬角度攝像

水平360度,垂直180度全景攝像,顛覆了以往廣角攝像機的概念。對360度產品來說,

視頻監控已經無死角。

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圖6 一般攝像頭取景角度

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圖7 360度攝像頭取景角度

2,球面圖像可轉化為正常的平面視圖

魚眼攝像頭所取景的圖像,經過攝像機內部軟件的修正,圖面展開等處理,可轉化為適合人眼的正常平面視圖。

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圖8 平面展開實景圖

3,降低成本。

相比采用傳統攝像機視頻監控系統,采用全方位取景的360度攝像頭,可以有效降低攝像頭數量,并縮減在多輸入硬盤錄像機方面的投入,還可降低施工布線難度,并節省后續維護費用。

4,可接入已有的視頻監視系統

360度攝像頭,可以無縫接入已有的模擬監控系統,擴展性較好。用銅軸電纜與普通的硬盤錄像機接續,即可實現360度全景監控。

三 應用案例

360度全景攝像可以廣泛應用于樓宇大廳,出入口,電梯,會議室,飲食店,停車場,工廠廠房多鐘場合。下面是采用360度全景攝像設備實現的某監控實例。

在狹小的公交車車廂內的應用(如圖9,圖10所示)。該案例采用日本FXC的360全景攝像頭,安裝于車廂中部,僅用一臺設備,即可實現無死角全景視頻監控。若采用傳統的攝像機監控,一節車廂大約要4臺設備才能覆蓋全部范圍,在狹小的空間內,破壞美感,容易引起乘客不快。

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圖9 車內球形成像

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圖10 車內成像展開

某公司會議室內應用 (如 圖11所示)。該案例中,結合音視頻記錄設備,采用360全景攝像技術,僅用一臺設備,即可真實地全程記錄會議。把記錄數據上傳至服務器,可供日后查閱或相關被授權人員閱覽。日本FXC株式會社的該系統是會議記錄行業的終極設備。

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圖11 會議室中的三種視覺處理(原始圖像、二分圖像、四分圖像)

如上述實例所示,360度全景攝像可以將周圍環境圖像信息盡收"眼"底。在狹小的空間應用自如,可以剔除死角和盲區。如果不考慮整體尺寸,按照市面上現有的2.8mm (75度)廣角攝像機組合來實現一臺360度"全景"攝像機的視野,需要{(360 ÷ 75 ≈ 5)+(180 ÷ 75 ≈ 2)} ≈ 7 臺。

四 其他特點

除上述特點之外,360度全景獨有的虛擬PTZ技術(如圖11),使得可以在回放圖像時,體驗Zoom In/Out以及旋轉等操作,可完全取代傳統高速球機中電機驅動的云臺控制系統。有了虛擬PTZ的技術基礎,一方面實現虛擬現實將更為容易;另一方面,將減少機械電機部件,更大程度上減少設備功耗和發熱,減少器件摩擦損耗,延長設備和系統的使用壽命。

采用360度全景攝像頭,狹小空間的視頻監控系統就有了一套全新的方案,可解決視距、視角、安裝、成本控制等多種問題。

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圖12 日本FXC攝像頭虛擬PTZ操作實例

五 結語

360度全景以其能真實快速表現360度范圍內場景的全部圖像信息,能給瀏覽者帶來身臨其境的感覺,在多種應用場景中,優勢都比較明顯。 除了在監控行業,在產品展示、視頻教學、影音娛樂、虛擬現實等方面,也可發揮巨大作用;相信在不久以后這種圖像技術會應用到各個行業中。

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