360度全景摄像技术应用浅析

      摘要：以往我们在狭小空间试图构建监控系统，无外乎会采用几种方案：短焦距镜头摄像机、调整安装位置、或多摄像机联动对射等。但以上几种方式都存在着不同的应用缺陷;选择短焦距镜头摄像机时，水平可视范围小于80度(广角也超不过90度)，因而监控范围较小;调整安装位置，往往受到客观环境的制约而影响稳定安装(例如一面是玻璃、一面是门、顶上有电线或无法承重的装饰吊顶等等);选择多摄像机联动对...   

      以往我们在狭小空间试图构建监控系统，无外乎会采用几种方案：短焦距镜头摄像机、调整安装位置、或多摄像机联动对射等。但以上几种方式都存在着不同的应用缺陷;选择短焦距镜头摄像机时，水平可视范围小于80度(广角也超不过90度)，因而监控范围较小;调整安装位置，往往受到客观环境的制约而影响稳定安装(例如一面是玻璃、一面是门、顶上有电线或无法承重的装饰吊顶等等);选择多摄像机联动对射，不仅增加了设备投入的成本，也使得施工变得更加繁琐。

　　所以，通常只有在必须的情况下，我们才费尽周折地试图在狭小空间安装视频监控设备。就当人们开始将要习惯忍受这样的架设行为时(固有的需求矛盾所制)，悄然产生一种新生力量---- 360度全景摄像。

一 技术简介

　　顾名思义，360度全景摄像就是一次性收录前后左右的所有图像信息，没有后期合成，更没有多镜头拼接。其原理依据仿生学(鱼眼构造如图1)采用物理光学的球面镜透射加反射原理一次性将水平360度，垂直180度的信息成像(如图2)，再采用硬件自带的软件进行转换，以人眼习惯的方式呈现出画面。

　　图1 鱼眼结构

      图2 鱼眼镜头的硬件示意图

　　鱼眼镜头是一种超广角的特殊镜头，其视觉效果类似于鱼眼观察水面上的景物。鱼的眼睛类似人眼构造，但是相对于扁圆形的人眼水晶体，鱼眼水晶体是圆球形，虽然只能看到比较近的物体，但却拥有更大的视角。

      图3中，人眼看水中实物，由于实物反射的光线在水中发生折射，使人误以为物体处于虚像的位置(例如水中筷子弯曲现象)。根据折射原理，光从空气斜射入水等介质中时，折射角小于入射角;光从水等介质斜射入空气中时，折射角大于入射角。也可以概括为，光从一种介质斜射入另一种介质时，传播方向一般会发生变化。鱼眼镜头就是利用折射原理，本着拥有更大的球面弧度(类似鱼眼的球形水晶体)，成像平面离透镜更近(鱼眼的水晶体到视网膜距离很近)的设计思想，进行开发制造的。

　　[page]

      一般来说，焦距越短，视角越大，而视角越大，因光学原理产生的变形也就越强烈。为了达到水平360度，垂直180度的超大视角，鱼眼镜头允许桶形畸变合理存在，除了画面中心的景物保持不变，其他本应水平或垂直的景物都发生了相应的变化。为了把畸变后的图象转化为适合于人眼观看的正常图像，需要通过软件对图像进行坐标变换，并进行图像修正等处理。

　　图4是以日本FXC鱼眼镜头为例，简要介绍360摄像头软件处理的基本流程：

　 　 360度全景图片                             转换坐标并做图像增强处理           截取部分信息                                                                                            　　

图4软件处理流程

　　图5是日本FXC360全景处理处理系统中，圆形图像转换为平面图像所用到的原理与方程式。在PC端软件或者嵌入式处理系统中通过计算处理，呈现出人眼所习惯的平面图像。

　图5 软件处理所用方程式

二 360度摄像头的产品特点

　　1，压倒性的宽角度摄像

　　水平360度，垂直180度全景摄像，颠覆了以往广角摄像机的概念。对360度产品来说，

　　视频监控已经无死角。

　　图6 一般摄像头取景角度

　　图7 360度摄像头取景角度

　　[page]

      2，球面图像可转化为正常的平面视图

　　鱼眼摄像头所取景的图像，经过摄像机内部软件的修正，图面展开等处理，可转化为适合人眼的正常平面视图。

图8 平面展开实景图

      3，降低成本。

　　相比采用传统摄像机视频监控系统，采用全方位取景的360度摄像头，可以有效降低摄像头数量，并缩减在多输入硬盘录像机方面的投入，还可降低施工布线难度，并节省后续维护费用。

　　4，可接入已有的视频监视系统

　　360度摄像头，可以无缝接入已有的模拟监控系统，扩展性较好。用铜轴电缆与普通的硬盘录像机接续，即可实现360度全景监控。

三 应用案例

　　360度全景摄像可以广泛应用于楼宇大厅，出入口，电梯，会议室，饮食店，停车场，工厂厂房多钟场合。下面是采用360度全景摄像设备实现的某监控实例。

　　在狭小的公交车车厢内的应用(如图9，图10所示)。该案例采用日本FXC的360全景摄像头，安装于车厢中部，仅用一台设备，即可实现无死角全景视频监控。若采用传统的摄像机监控，一节车厢大约要4台设备才能覆盖全部范围，在狭小的空间内，破坏美感，容易引起乘客不快。

　　图9 车内球形成像

 图10 车内成像展开

　[page]　

      某公司会议室内应用 (如 图11所示)。该案例中，结合音视频记录设备，采用360全景摄像技术，仅用一台设备，即可真实地全程记录会议。把记录数据上传至服务器，可供日后查阅或相关被授权人员阅览。日本FXC株式会社的该系统是会议记录行业的终极设备。

　　图11 会议室中的三种视觉处理(原始图像、二分图像、四分图像)

　　如上述实例所示，360度全景摄像可以将周围环境图像信息尽收“眼”底。在狭小的空间应用自如，可以剔除死角和盲区。如果不考虑整体尺寸，按照市面上现有的2.8mm (75度)广角摄像机组合来实现一台360度“全景”摄像机的视野，需要{(360 ÷ 75 ≈ 5)+(180 ÷ 75 ≈ 2)} ≈ 7 台。

四 其他特点

　　除上述特点之外，360度全景独有的虚拟PTZ技术(如图11)，使得可以在回放图像时，体验Zoom In/Out以及旋转等操作，可完全取代传统高速球机中电机驱动的云台控制系统。有了虚拟PTZ的技术基础，一方面实现虚拟现实将更为容易;另一方面，将减少机械电机部件，更大程度上减少设备功耗和发热，减少器件摩擦损耗，延长设备和系统的使用寿命。

　　采用360度全景摄像头，狭小空间的视频监控系统就有了一套全新的方案，可解决视距、视角、安装、成本控制等多种问题。

　　图12 日本FXC摄像头虚拟PTZ操作实例

五 结语

　　360度全景以其能真实快速表现360度范围内场景的全部图像信息，能给浏览者带来身临其境的感觉，在多种应用场景中，优势都比较明显。 除了在监控行业，在产品展示、视频教学、影音娱乐、虚拟现实等方面，也可发挥巨大作用;相信在不久以后这种图像技术会应用到各个行业中。