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及图纸

本发明专利技术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。本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】
圆柱物体360度全景成像镜面设计方法及镜面及成像装置
本专利技术涉及成像装置，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。
技术介绍
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专利技术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。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：1、让圆柱物体旋转，每转一个角度，拍摄一张图像；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；3、采用意大利OPTO公司的远心360度镜头、PCCD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。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。
技术实现思路
为了解决现有技术中问题，本专利技术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：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：r2＝x2+y2，c＞0and0＜k＜2，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|≥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|T|≥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(z0-z1)，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。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；镜面支架固定内曲面反射镜，光源对被拍摄的圆柱物体进行照明，夹持装置固定被拍摄的圆柱物体，内曲面反射镜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p，单视点约束要求通过有效孔p的光线在被镜面反射之前经过有效点υ。作为本专利技术的进一步改进，还包括一个平面反射镜，所述平面反射镜的镜面与水平面的夹角θ＝45°，相机水平放置，相机安装的高度为平面反射镜的镜面垂直高度的一半。作为本专利技术的进一步改进，内曲面反射镜的镜面形状是椭圆体，椭圆的几何参数方程为：r2＝x2+y2，c＞0and0＜k＜2，其中c是椭圆两个焦点间距离，k为常数。作为本专利技术的进一步改进，内曲面反射镜的镜面参数：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|≥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|T|≥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(z0-z1)，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°；作为本专利技术的进一步改进，所述圆柱物体为圆柱、圆台或圆锥。本专利技术的有益效果是：本专利技术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。附图说明图1A已有的全景拍摄装置；图1B已有的拍摄的全景图；图1C已有的展开后的图像；图2是圆柱物体360度全景成像示意图；图3A本专利技术内曲面反射360度成像硬件结构；图3B本专利技术内曲面反射360度成像硬件结构俯视图；图3C本专利技术内曲面反射360度成像硬件结构(增加了平面反射镜)；图4是本专利技术单视点约束结构示意图；图5是本专利技术椭圆镜面及参数结构示意图；图6是本专利技术全景成像模型结构示意图；图7是参数k和c变化时|T|≥R取值范围三维图；图8参数k和c变化时|T|≥R取值范围二维图；图9全景成像系统分辨率；图10参数k和c变化时景深的取值范围三维图；图11参数k和c变化时景深的取值范围二维图；图12景成像系统模型。具体实施方式下面结合附图对本专利技术做进一步说明。1、内曲面反射360度成像硬件结构内曲面反射360度成像的硬件结构如图3A所示，1为内曲面反射镜，2为镜面支架，用来固定反射镜面，3为光源，对被拍摄物体进行照明，4为工业相机及镜头，5为被拍摄的圆柱物体，6为被拍摄物夹持装置，通过该装置将被拍物体放置到反射镜面内合适的位置。图3A所成的像为单次反射的像，会造成像与实际物体相反的情况。如果需要像与物体一致，如图3C所示，7为平面反射镜，在被拍物体的下面放置一个平面反射镜，镜面与平面的夹角θ＝45°，相机水平放置，相机安装的高度为镜面垂直高度的一半。2.镜面设计过程2.1.内曲面反射镜的镜面形状设计本专利技术设计了一种全景成像装置，它是由一个传统相机和一个镜面按照一定的摆放规则组成，用来获得圆柱物体的360度成像效果。设计360全景成像系统时，选择满足单视点约束的镜面形状，目的是将全景成像系统拍摄的全景图片通过展开可以得到几何图形不失真的透视图。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本文档来自技高网...

【技术保护点】
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：1a2(z-c2)2+r2b2=1,]]>r2＝x2+y2，a=2k+c24,b=k2,]]>c＞0and0＜k＜2，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|≥R，其中：T=c*r1c-z1,r1=Hca2R-2RaH2+R22(H2R2a2+1b2),z1=HRr1]]>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|T|≥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(z0‑z1)，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。...

【技术特征摘要】
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：r2＝x2+y2，c＞0and0＜k＜2，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|≥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|T|≥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(z0-z1)，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；其中z0，z1分别为镜面清晰成像区域上下边缘点的z坐标；(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。2.一种圆柱物体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。3.一种圆柱物体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)，所述内曲面反射镜(1)为由权利要求1的设计方法得到的镜面；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...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴晓军，郭亚雪，
申请(专利权)人：吴晓军，
类型：发明
国别省市：广东;44