鱼眼镜头王建利.ppt

鱼眼镜头,王建利,了解鱼眼镜头,鱼眼镜头的原理,鱼眼镜头畸变校正,鱼眼镜头的应用,鱼眼镜头,鱼眼镜头的展望,了解鱼眼镜头,众所周知，鱼在水面附近可以凝视（眼球不用转动）感知水面之上近乎180°角空域的景物，故通常认为鱼具有2π的仰视视角了解鱼眼镜头,鱼眼镜头是一种极端的广角镜头，也称全景镜头一般认为16mm或焦距更短的镜头即为鱼眼镜头，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鱼眼镜头的原理 1.1 鱼眼镜头的结构原理,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。

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、短焦的特点鱼眼镜头的原理 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 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鱼眼镜头畸变校正,鱼眼镜头靠人为引入大量桶形畸变获得大视角，从而能够获得大视场的图像信息，所以图像除画面中心处物体形状不变，其它本应是直线的部分都有一定的扭曲变形，这对其应用造成很多限制 例如，在安防领域，一个鱼眼镜头可以代替多个普通镜头，进行大范围的监视，由于视角可达180º，故几乎没有监控死角，即使只用一个镜头也几乎没有办法移动或破坏镜头而不被发现，然而由于图像的畸变使物体难以用人眼识别，使监视能力大打折扣。

现在通用的方法是通过一系列变换抵消图像中的畸变，从而获得正常的图像，进而加以识别 通常的光学系统均基于高斯光学，遵循相似成像准则，而鱼眼镜头是非相似成像，故需要选择其他的成像公式来替换高斯光学成像公式鱼眼镜头畸变校正 2.1.鱼眼镜头设计模型,1、等距投影模型 入射光线的之间的角度相同，则其对应各投影点之间的间距也会相同鱼眼镜头畸变校正 2.1.鱼眼镜头设计模型,2、等立体角投影模型 该模型的特点是相等立体角的入射面会产生相等面积的像，其畸变程度介于等距模型与正交模型之间鱼眼镜头畸变校正 2.1.鱼眼镜头设计模型,3、正交投影模型 该模型的畸变很大，尤其是近180°处的图像信息几乎全部丢失，且如果180°之外的情况无法描述采用这种模型的镜头拍出的图片即使在视角较小的区域也会比其他模型的镜头的畸变更明显视角相对较小的广角摄影镜头较符合这种模型，可以拍摄出明显的畸变效果因此,针对艺术摄影类的广角镜头，该模型的校正效果较好鱼眼镜头畸变校正 2.1.鱼眼镜头设计模型,4、体视投影模型 相比之下畸变最小,鱼眼镜头畸变校正 2.2.鱼眼镜头畸变校正,1、利用鱼眼镜头的成像模型(球面投影型及抛物面投影模型)进行分析 球面投影型是把鱼眼镜头的成像面等效为一个球面。

这种方法的条件是所得图片的光学中心以及变换球面的半径，因而只适用于圆形区域 其算法思想为：约束条件是空间中直线的球面透视投影为大圆，以此来恢复鱼眼变形校正，将所有图像点都通过算法映射到一个球面上，并使这些球面点满足球面投影的约束，即一条空间直线的投影必须为球面上的一个大圆鱼眼镜头畸变校正 2.2.鱼眼镜头畸变校正,2、基于 2D和 3D 空间思想的校正算法 2D鱼眼图像校正是从二维空间直接校正图像，此方法不需空间点信息，而是直接在图像上对点进行坐标变换，投影到校正图像上，然后进行像素灰度插值具体包括经度坐标校正、多项式坐标变换，以及极半径映射等2D模型的优点是简洁直接,一旦确定模型表达式,即可直接进行校正，但2D模型的局限性在于仅能在鱼眼图像与校正图像之间直接映射,故当原图像的视角达到 180时,校正图像的大小将接近无穷大,因此2D模型不能适用于大视角区域的校正 3D鱼眼图像畸变校正，包括投影转换和鱼眼镜头标定两种方法具体上是把鱼眼图像上每个2D像平面点( x , y )映射到3D场景( X , Y , Z )投影构成的2D平面点( x , y )，把图像像素点和光线3D向量一一对应起来，从而实现校正。

鱼眼镜头的应用,1、摄影 鱼眼镜头仅被应用于摄影，因其在成像过程中产生的桶形畸变具有特殊的美感2、军事 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所及中国空空导弹研究院的姜洋等人在2012年设计了一种大视场凝视型红外共形光学系统该系统将共形整流罩与鱼眼镜头相结合，设计出一种应用于导弹导引的新型红外凝视成像导引头光学系统，提高了导引头稳定性并增大了观察视场3、民用 应用于监控系统的鱼眼镜头，实现了单个镜头的全景监控鱼眼镜头的展望,（1）作为新兴的光学镜头，鱼眼镜头还有很大的应用潜力未被挖掘，可以根据各种需要设计多种多样的鱼眼镜头 （2）优化镜头组的设计，获得光学特性更加优良的镜头 （3）提高畸变校正和图像增强技术。