详细介绍超广角鱼眼镜头的原理、设计模型及应用发展

作者:采集侠 发布时间:2019-10-10 00:11:49 点击数:111

摘要:近年来,随着光学镜头及成像芯片技术的不断发展,基于常规镜头的传统视觉系统由于其有限的视场范围已经不能满足许多应用场合的需求。而广角成像具有大视野的显著特征,已成为当前计算机视觉研究的焦点和热点。而鱼眼镜头是一种基于仿生学的超广角镜头,通过引入桶形畸变,对物理空间进行“压缩形变”,从而获得视角为180~270度的超广角成像,尽管物像间差异很大,但不影响分辨率,且能保证物点与像点的一一对应关系,可以实现大范围的清晰成像,在天文、气象、森林防火以及国防军事等领域有重要应用。对鱼眼镜头的原理进行简单的概述,然后分析了它的一些关键问题,接着便是对鱼眼镜头的应用进行了简要介绍,并在此基础上对鱼眼镜头的未来发展前景进行展望。

一、鱼眼镜头的原理

1.1鱼眼镜头的结构原理

鱼眼镜头是一种极端的广角镜头,也称全景镜头[4]。一般认为16mm或焦距更短的镜头即为鱼眼镜头[5],但是在工程上视角范围超过140 度的镜头即统称为鱼眼镜头[1]。在实际中也有视角超过甚至达到270度的镜头。鱼眼镜头是一种具有大量筒形畸变的反远摄型光组[7]。这种镜头的前镜片呈抛物线状向前部凸出,形状与鱼的眼睛相似,因此得名“鱼眼镜头”,其视觉效果类似于鱼在水中观察水面上的事物。

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图1-1 鱼在水中观察水面事物

当鱼在贴近水面的位置观察时,视角可以达到近180°的广角。这种现象在光学原理中属于全反射和光路可逆[2]。

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图1-2全反射(左)和光路可逆(右)

超广角的鱼眼镜头是一种特殊镜头,但是在成像时因为实际生活中的景物是有既定的固定形态的,而通过鱼眼镜头产生的画面效果超出了这一范畴,所以需要合适的模型设计,以计算像点的准确位置。已知折射率公式为

(1-1)

空气中n=1。当i=90°时,

(1-2)

由于鱼眼前表面的曲率半径很大,如若将鱼眼外凸的前表面和眼前的水看成整体当作负透镜,该透镜将会有绝对值很大的负光焦度。借鉴仿生学原理,鱼眼镜头是其领域的一大突破,人类借鉴鱼类仰视水面之上半球空域的视觉原理,使用光学工程技术设计出鱼眼镜头,并用其成像,获得半球甚至超半球空域的场景图像。为使入射光线强度足够大,前置透镜的前表面改进为凸面并且相应增大后曲面的曲率,保证原有光焦度不变,以形成弯月形的透镜。如图1-3

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图1-3弯月形透镜

弯月形透镜是作为第一个镜头,在其后面增加一定数量的透镜后组成透镜组,以确保第一透镜能良好聚焦。鱼眼镜头的普遍结构特征为:透镜前组光焦度为负,后组光焦度为正,以加大同焦距不同类型镜头的后工作距离。鱼眼镜头具有广角、短焦的特点。图1-4为鱼眼镜头基本结构系统简化图[6]。

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图1-4鱼眼镜头基本结构系统简化图

1.2鱼眼镜头成像畸变理论

在传统光学原理中,受到高斯原理成像视角限制,能成像的空间大小极为有限。但是在我们讨论的鱼眼镜头中,为了突破成像的局限性,鱼眼镜头引入畸变,在直径空间上进行压缩,以实现广角成像[1]。

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图1-5相似成像与非相似成像对比示意图

普通光学系统一般遵循物像相似且致力于完善这种相似性。但是鱼眼镜头不满足针孔成像原理,是非相似成像的一种。对于鱼眼透镜成像公式,应满足视图范围中的图像字段定义域连续,以作为一个鱼眼透镜投影函数。

1.3鱼眼视觉系统模型

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