全方位视觉装置

1、一种全方位视觉装置，包括全方位摄像单元、微处理器、存储器、显示装置， 所述的全方位摄像单元由反射部件、透镜、摄像部件组成，所述的反射部件包括 双曲线面镜，CCD摄像部件位于双曲线面镜的虚焦点位置，透镜位于CCD摄像 部件与双曲线面镜之间，所述的摄像部件通过视频输入接口与微处理器通信连接， 所述的显示装置与微处理器的视频输出接口连接，所述的微处理器包括图像采集 模块，用于采集CCD摄像部件上的图像；图像存储模块，用于将采集的图像数 据存入存储器；图像预处理模块，用于将采集的图像去噪、平滑处理；其特征在 于：所述的微处理器还包括：
图像初始化模块，用于确定所采集的全方位图像的中心点的位置和内径为r、外 径为R，查找半径变化时相应圆周上像素平均值变化最大的值所对应的
(r，x*0，y*0)，其计算式为：
${\max }_{(r,{x^{*}}_0,{y^{*}}_0)}\left|\frac{1}{\mathrm{\Delta r}}\underset{k}{\Sigma }\right\{G_{\sigma }\left(r\right)\underset{m}{\Sigma }I(x^{*},y^{*})\left\}\right|---\left(1\right)$
其中：Gσ(r)＝Gσ((n-k)Δr)-Gσ((n-k-1)Δr)    (2)
$\underset{m}{\Sigma }I(x^{*},y^{*})=I[(\mathrm{k\Delta }r\cos \left(\mathrm{m\Delta \beta }\right)+{x^{*}}_0),(\mathrm{k\Delta }r\sin \left(\mathrm{m\Delta \beta }\right)+{y^{*}}_0)]---\left(3\right)$
I(x*，y*)为图像的像素，r为圆周的半径，G为对原图像进行平滑的高斯模板，Δr 表示半径搜索的步长，Δβ表示沿着圆弧分隔的角度的步长；
图像展开处理模块，用于将CCD摄像部件获得的圆形全方位图像通过几何变换 展开成矩形柱面全景图像；
图像输出模块，用于将展开后的矩形柱面全景图像输出到显示装置。
2、如权利要求1所述的全方位视觉装置，其特征在于：所述的图像展开处理模块 包括：
读取坐标信息单元，用于读取上述初始化模块中计算得到的圆形全方位图像的中 心坐标以及图像的内外圆半径；
近似展开计算单元，用于将圆形全方位图像的中心坐标设定平面坐标系的原点 O**(0，0)、X*轴、Y*轴，图像的内径为r，外径为R，设定中间圆的半径：r1＝(r+ R)/2，方位角为：β＝tan-1(y*/x*)；矩形柱面全景图像以坐标原点O**(0，0)、 X**轴、Y**轴为平面坐标系，将圆形全方位图像中的内径为r与X*轴的交点(r，0) 作为坐标原点O**(0，0)，以方位角β逆时针方向展开；建立矩形柱面全景图像中 任意一点像素坐标P**(x**，y**)与圆形全方位图像中的像素坐标Q*(x*，y*)的对应 关系，其计算式为：
x*＝y*/(tan(360x**/π(R+r)))    (4)
y*＝(y**+r)cosβ                (5)
上式中，x**，y**为矩形柱面全景图像的像素坐标值，x*，y*为圆形全方位图像 的像素坐标值，R为圆形全方位图像的外径，r为圆形全方位图像的内径，β为 圆形全方位图像坐标的方位角。
3、如权利要求1所述的全方位视觉装置，其特征在于：所述的图像展开处理模块 包括：
读取坐标信息单元，用于读取上述初始化模块中计算得到的圆形全方位图像的中 心坐标以及图像的内外圆半径；
映射矩阵展开单元，用于将圆形全方位图像的中心坐标设定平面坐标系的原点 O**(0，0)、X*轴、Y*轴，图像的内径为r，外径为R，方位角为：β＝tan-1(y*/x*)； 矩形柱面全景图像以坐标原点O**(0，0)、X**轴、Y**轴为平面坐标系，将圆形全 方位图像中的内径为r与X*轴的交点(r，0)作为坐标原点O**(0，0)，以方位角β逆 时针方向展开；根据圆形全方位图像中的任意一点像素坐标Q*(x*，y*)与矩形柱面 全景图像中像素坐标P**(x**，y**)的对应关系，建立从Q*(x*，y*)到P**(x**，y**)的映 射矩阵对应关系，其计算式为：
P**(x**，y**)← M× Q*(x*，y*)    (6)
上式中， Q*(x*，y*)为全方位图像上的各个像素坐标的矩阵， M为从全方位图像 坐标到矩形柱面全景图像坐标的对应关系矩阵，P**为矩形柱面全景图像上的各 个像素坐标的矩阵。
4、如权利要求1所述的全方位视觉装置，其特征在于：所述的图像展开处理模块 包括：
读取坐标信息单元，用于读取上述初始化模块中计算得到的圆形全方位图像的中 心坐标以及图像的内外圆半径；
极坐标展开计算单元，用于根据全方位图像的中心点的位置和内径为r、外径为R， r*为图像上任意点距离内圆的径向长度，方位角为：β＝tan-1(y*/x*)，建 立极坐标(r*，β)，与全方位内外圆边界的交点坐标分别为 (x* inner(β)，y* inner(β))和(x* outer(β)，y* outr(β))；矩形柱面全景图像以坐标原点 O**(0，0)、X**轴、Y**轴为平面坐标系，将圆形全方位图像中的内径为r与X*轴 的交点(r，0)作为坐标原点O**(0，0)，以方位角β逆时针方向展开；根据圆形全方 位图像中的任意一点像素坐标(r*，β)与矩形柱面全景图像中像素坐标P**(x**， y**)的对应关系，其计算式为：
$\left\{\begin{array}{c}{x}^{**}(r^{*},\beta )=(1-r^{*}){x^{*}}_{\mathrm{inner}}\left(\beta \right)+r^{*}{x^{*}}_{\mathrm{outer}}\left(\beta \right)\\ y^{**}(r^{*},\beta )=(1-r^{*}){y^{*}}_{\mathrm{inner}}\left(\beta \right)+r^{*}{y^{*}}_{\mathrm{outer}}\left(\beta \right)\end{array}\right.---\left(7\right).$
5、如权利要求1-4之一所述的全方位视觉装置，其特征在于：图像展开处理模 块还包括：
插值计算单元，用于消除在所述的展开单元取整计算所带来的误差，计算得到的 矩形柱面全景图像的某个像素坐标P**(x**，y**)的像素点为(k0，j0)，所述的像素点坐 标落在由(k，j)，(k+1，j)，(k，j+1)，(k+1，j+1)四个相邻整数像素为顶点坐标所构成的正方 形内，用式(8)插值计算：
P**(x**，y**)＝(P*(x*+1，y*)-P*(x*，y*))*(k0-k)+(P*(x*，y*+1)-P*(x*，y*))*(j0-j) +(P*(x*+1，y*+1)+P*(x*，y*)-P*(x*+1，y*)-P*(x*，y*+1))*(k0-k)*(j0-j)+P*(x*，y*) (8)
所述的插值计算单元的输入端连接展开计算单元的输出端，所述的插值计算单元 的输出端连接图像输出模块。
6、如权利要求5所述的全方位视觉装置，其特征在于：图像展开处理模块还包括： 图像增强单元，用于对图像输出单元输出的像素均衡化，计算式为：
$S\left(r_k\right)=T\left(r_k\right)=\frac{1}{N}\underset{i=0}{\overset{k}{\Sigma }}N\left(r_i\right)---\left(9\right)$
上式中，变换函数为灰度级累积分布函数T(r)，设原始图像的灰度级为rk， S(r)为变换后图像的灰度分布函数，N为图像中的像素总数，N(ri)为图像中灰 度级为ri的像素总数。
7、如权利要求6所述的全方位视觉装置，其特征在于：所述的图像预处理模块包 括：
图像滤波单元，用于采用二维Gabor滤波器对圆形全方位图像进行滤波；
图像质量判断单元，用于采用二维FFT变换计算频域高频能量，并比较所得的高 频能量值与预设的下限值，在高频能量值大于下限值时选择性地输出全方位图像。
8、如权利要求5所述的全方位视觉装置，其特征在于：所述的反射部件还包括非 透光圆锥体、透明圆柱体，所述的双曲线面镜位于圆柱体的上端，且面部的凹口 向内伸入圆柱体内，所述的双曲线面镜的底面为反射面；所述的反射面中央固定 连接所述的圆锥体，所述的圆锥体的锥角向下；所述的双曲线面镜、圆锥体、圆 柱体的旋转轴在同一中心轴线上；所述的透镜位于圆柱体内的下方；
所述的摄像部件包括CCD摄像装置、底座，所述的CCD摄像装置安装在底座上 部中央，所述的底座上开有与所述的圆柱体的壁厚相同的圆槽；
所述的圆锥体填充非透光性物质或者用遮光性涂料来喷涂其表面；
所述的底座上设有透镜固定架，所述的透镜安装在透镜固定架上。
9、如权利要求8所述的全方位视觉装置，其特征在于：所述的视觉装置为上固定 式，所述的圆柱体的上端通过螺钉与天花板固定连接。
10、如权利要求8所述的全方位视觉装置，其特征在于：所述的视觉装置为下固 定式，所述的底座通过悬臂安装在电线杆或墙面上，所述的圆柱体的上方安装防 雨遮阳帽。

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