360度全景攝像技術(shù)解析

通常只有在必須的情況下，我們才費(fèi)盡周折地試圖在狹小空間安裝視頻監(jiān)控設(shè)備。就當(dāng)人們開始將要習(xí)慣忍受這樣的架設(shè)行為時(固有的需求矛盾所制)，悄然產(chǎn)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(gòu)建監(jiān)控系統(tǒng)，無外乎會采用幾種方案：短焦距鏡頭攝像機(jī)、調(diào)整安裝位置、或多攝像機(jī)聯(lián)動對射等。但以上幾種方式都存在著不同的應(yīng)用缺陷;選擇短焦距鏡頭攝像機(jī)時，水平可視范圍小于80度(廣角也超不過90度)，因而監(jiān)控范圍較小;調(diào)整安裝位置，往往受到客觀環(huán)境的制約而影響穩(wěn)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?shù)鹊?;選擇多攝像機(jī)聯(lián)動對射，不僅增加了設(shè)備投入的成本，也使得施工變得更加繁瑣。


一 技術(shù)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(jù)仿生學(xué)(魚眼構(gòu)造如圖1)采用物理光學(xué)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(jìn)行轉(zhuǎn)換，以人眼習(xí)慣的方式呈現(xiàn)出畫面。



圖1 魚眼結(jié)構(gòu)



????? 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(gòu)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。



????? 圖3中，人眼看水中實物，由于實物反射的光線在水中發(fā)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(xiàn)象)。根據(jù)折射原理，光從空氣斜射入水等介質(zhì)中時，折射角小于入射角;光從水等介質(zhì)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(zhì)斜射入另一種介質(zhì)時，傳播方向一般會發(fā)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(wǎng)膜距離很近)的設(shè)計思想，進(jìn)行開發(fā)制造的。

?? 一般來說，焦距越短，視角越大，而視角越大，因光學(xué)原理產(chǎn)生的變形也就越強(qiáng)烈。為了達(dá)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(yīng)水平或垂直的景物都發(fā)生了相應(yīng)的變化。為了把畸變后的圖象轉(zhuǎn)化為適合于人眼觀看的正常圖像，需要通過軟件對圖像進(jìn)行坐標(biāo)變換，并進(jìn)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：





　 　 360度全景圖片?????????????????????????????轉(zhuǎn)換坐標(biāo)并做圖像增強(qiáng)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(tǒng)中，圓形圖像轉(zhuǎn)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(tǒng)中通過計算處理，呈現(xiàn)出人眼所習(xí)慣的平面圖像。



　圖5 軟件處理所用方程式

二 360度攝像頭的產(chǎn)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(jī)的概念。對360度產(chǎn)品來說，

視頻監(jiān)控已經(jīng)無死角。



圖6 一般攝像頭取景角度



圖7 360度攝像頭取景角度

2，球面圖像可轉(zhuǎn)化為正常的平面視圖

魚眼攝像頭所取景的圖像，經(jīng)過攝像機(jī)內(nèi)部軟件的修正，圖面展開等處理，可轉(zhuǎn)化為適合人眼的正常平面視圖。



圖8 平面展開實景圖

3，降低成本。

相比采用傳統(tǒng)攝像機(jī)視頻監(jiān)控系統(tǒng)，采用全方位取景的360度攝像頭，可以有效降低攝像頭數(shù)量，并縮減在多輸入硬盤錄像機(jī)方面的投入，還可降低施工布線難度，并節(jié)省后續(xù)維護(hù)費(fèi)用。

4，可接入已有的視頻監(jiān)視系統(tǒng)

360度攝像頭，可以無縫接入已有的模擬監(jiān)控系統(tǒng)，擴(kuò)展性較好。用銅軸電纜與普通的硬盤錄像機(jī)接續(xù)，即可實現(xiàn)360度全景監(jiān)控。

三 應(yīng)用案例

360度全景攝像可以廣泛應(yīng)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(shè)備實現(xiàn)的某監(jiān)控實例。

在狹小的公交車車廂內(nèi)的應(yīng)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(shè)備，即可實現(xiàn)無死角全景視頻監(jiān)控。若采用傳統(tǒng)的攝像機(jī)監(jiān)控，一節(jié)車廂大約要4臺設(shè)備才能覆蓋全部范圍，在狹小的空間內(nèi)，破壞美感，容易引起乘客不快。



圖9 車內(nèi)球形成像



?圖10 車內(nèi)成像展開

某公司會議室內(nèi)應(yīng)用 (如 圖11所示)。該案例中，結(jié)合音視頻記錄設(shè)備，采用360全景攝像技術(shù)，僅用一臺設(shè)備，即可真實地全程記錄會議。把記錄數(shù)據(jù)上傳至服務(wù)器，可供日后查閱或相關(guān)被授權(quán)人員閱覽。日本FXC株式會社的該系統(tǒng)是會議記錄行業(yè)的終極設(shè)備。



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(huán)境圖像信息盡收“眼”底。在狹小的空間應(yīng)用自如，可以剔除死角和盲區(qū)。如果不考慮整體尺寸，按照市面上現(xiàn)有的2.8mm (75度)廣角攝像機(jī)組合來實現(xiàn)一臺360度“全景”攝像機(jī)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(dú)有的虛擬PTZ技術(shù)(如圖11)，使得可以在回放圖像時，體驗Zoom In/Out以及旋轉(zhuǎn)等操作，可完全取代傳統(tǒng)高速球機(jī)中電機(jī)驅(qū)動的云臺控制系統(tǒng)。有了虛擬PTZ的技術(shù)基礎(chǔ)，一方面實現(xiàn)虛擬現(xiàn)實將更為容易;另一方面，將減少機(jī)械電機(jī)部件，更大程度上減少設(shè)備功耗和發(fā)熱，減少器件摩擦損耗，延長設(shè)備和系統(tǒng)的使用壽命。

采用360度全景攝像頭，狹小空間的視頻監(jiān)控系統(tǒng)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。



圖12 日本FXC攝像頭虛擬PTZ操作實例

五 結(jié)語

360度全景以其能真實快速表現(xiàn)360度范圍內(nèi)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(yīng)用場景中，優(yōu)勢都比較明顯。 除了在監(jiān)控行業(yè)，在產(chǎn)品展示、視頻教學(xué)、影音娛樂、虛擬現(xiàn)實等方面，也可發(fā)揮巨大作用;相信在不久以后這種圖像技術(shù)會應(yīng)用到各個行業(yè)中。