360度全景攝像技術解析

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 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。



圖1 魚眼結構



????? 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。



????? 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：





　 　 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。



　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。



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。



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。



圖9 車內球形成像



?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。



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。



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。