CC BY
169
УДК 681.78
ПАНОРАМНЫЕ СИСТЕМЫ КРУГОВОГО ОБЗОРА
Денис Николаевич Шевченко
Университет ИТМО, 197101, Россия, г. Санкт-Петербург, Кронверкский пр., 49, студент-магистрант, тел. (906)229-74-80, e-mail: [email protected]
Ольга Васильевна Багдасарова
Университет ИТМО, 197101, Россия, г. Санкт-Петербург, Кронверкский пр., 49, кандидат технических наук, доцент кафедры прикладной и компьютерной оптики, тел. (911)812-26-46, e-mail: [email protected]
Александр Аванесович Багдасаров
ОАО «Государственный оптический институт им. С. И. Вавилова», 199053, Россия, г. Санкт-Петербург, Кадетская линия В.О., 5, корпус 2, кандидат технических наук, старший научный сотрудник, тел. (951)672-33-66, e-mail: [email protected]
В статье рассмотрены различные конструкции панорамных систем кругового обзора, разработанные за последние 50 лет. Выявлены возможности разработки подобных систем с улучшенными параметрами и применения их в новых областях.
Ключевые слова: панорама, панорамные системы кругового обзора, круговой обзор, оптические системы.
PANORAMIC 360-DEGREE IMAGING APPARATUS
Denis N. Shevchenko
ITMO University, 197101, Russia, Saint-Petersburg, Kronverksky pr., 49, master, tel. (906)229-74-80, e-mail: [email protected]
Olga V. Bagdasarova
ITMO University, 197101, Russia, Saint-Petersburg, Kronverksky pr., 49, Candidate of Engineering Science, Associate Professor at the Department of Applied and Computer Optics, tel. (911)812-26-46, e-mail: [email protected]
Alexander A. Bagdasarov
Public Limited Company «State Optical Institute named after S. I. Vavilov», Russia, Saint-Petersburg, Kadetskaja line, 5, building 2, Candidate of Engineering Science, Senior Scientist, tel. (951)672-33-66, e-mail: [email protected]
The article considers various designs panoramic systems developed over the last 50 years. Revealed the possibility of developing such systems with improved parameters and their application in new areas.
Key words: panorama, panoramic 360-degree imaging apparatus, 360-degree, optical system.
Как известно, фото и видеооптические системы воспроизведения панорамной картины строятся по следующим принципам: - Системы с составным угловым полем:
а) многоканальные фотоустройства, в которых широкое угловое поле достигается методом склейки («сшивания») из нескольких фотографий (физически или при компьютерной обработке), сделанных последовательно так, чтобы границы каждого следующего кадра накладывались на предыдущий. Таким образом получаются панорамы статичных сцен. На рис. 1, предоставлена одна из многих панорамная фотокамера «Горизонт D-L3», совместного производства России и итальянской компании Silvestri. Камера «сшивает» панорамы при помощи поставляемого в комплекте программного обеспечения Silvestri. Полученные одновременно три изображения после обработки объединяются в один снимок с углом обзора по вертикали 45 ИГ, а по горизонтали 120°.
Рис. 1. Цифровая фотокамера «Горизонт D-L3»
б) многоканальные системы видеонаблюдения, обеспечивающие круговой обзор в масштабе реального времени. Система видеонаблюдения, представленная на рис. 2, может обеспечивать воспроизведение как скомпонованной единой панорамной картины, так и посекторной в зависимости от потребностей пользователя.
Такие системы получили широкое применение в комплексах обеспечения безопасности как в стационарном, так и в мобильном вариантах при проведении массовых мероприятий, на транспорте, в промышленности, в быту.при мониторинге акваторий и пожароопасных пространств, для осуществления безопасности полётов при установке системы совместно, с РЛС кругового обзора и т.д.
Рис. 2. Многообъективная система видеонаблюдения Arecont Vision AV8365 - 8 Megapixel 360 Degree Panoramic H.264 IP Camera
Следует отметить устойчивую тенденцию комплектования современных автомобилей бизнес-класса, автомобилей-внедорожников (а в последнее время и автомобилей эконом-класса) транснациональных компаний Toyota, Nissan, Ford и др. системами видеонаблюдения и видеорегистрации по периметру автомобиля тремя-пятью видеокамерами. Камеры просматривают невидимые участки дорого для избежания потенциально опасных ситуаций на резких подъёмах, спусках, крутых поворотах, при заднем ходе, для контроля «слепых» зон при маневрировании и парковке, для охраны периметра и регистрации дорожной ситуации. Картина видеорегистрации при этом воспроизводится на центральном дисплее на приборной панели автомобиля и регулируется многофункциональным переключателем на рулевом колесе.
- Системы с механическим сканированием:
а) фотоаппараты с вращающимися в горизонтальной плоскости (вдоль длинной стороны кадра) объективом вокруг оси, перпендикулярной оптической оси аппарата и проходящей через «узловую» точку оптической системы - точку, вращение объектива вокруг которой не приводит к изменению положения изображения рассматриваемого объекта на светочувствительной поверхности.
б) фото и видеосистемы с вращающимся корпусом. В отличие от аппаратов с поворотным объективом угол сканирования здесь может достигать 360 градусов (и более). Скорость вращения от 5 до 120 угловых градусов в секунду.
-Системы с панорамной оптикой, обеспечивающей панорамирование в пределах 360° и, как правило, представляющие собой зеркально-линзовые композиции. Это может быть, например, любая фото или видеокамера дополненная зеркальной насадкой и линзовым адаптером для согласования с оптикой самой камеры. Пример такой системы представлен на рис. 3 и на рис. 4.
* кошт емши«гом nimlm« «1 nmman«1 шмм м ошыоммт* юм
Рис. 3. Насадка кругового обзора для компоновки цифровых фотокамер
Рис. 4. Насадка кругового обзора для компоновки цифровых фотокамер
Данная американская разработка способная обеспечить круговой обзор и фотосъемку объектов в вертикальном направлении в пространстве предметов в пределах 52,5° выше горизонта и 62,5° ниже горизонта, была создана в XXI столетии.
Зеркальная поверхность насадки выполнена в виде асферики высокого порядка. Насадка имеет 12 модификаций для компоновки различных моделей цифровых камер.
В подобных системах при угловом поле в вертикальном направлении в пространстве предметов, охватывающем одновременно области, как ниже так и выше горизонта, оптическое изображение не свободно от дисторсионных искажений, как правило, достигающих значительных величин. В целом же аппаратно-программный комплекс системы обеспечивает декодирование панорамной картины в качественный прямоугольный снимок.
Если же рассматривать в подобной по составу композиции только угловое поле ниже линии горизонта (достигающее 80°), то дисторсия может не превышать 1%. Некоторые линзовые оптические элементы в таких системах могут содержать асферические поверхности высокого порядка. Подобные системы целесообразно размещать под потолком для наблюдения нижележащего пространства с использованием CCD-матриц со средней разрешающей способностью (640-480 элементов)
Напомним, что круговой обзор, предусматривающий обзор пространства предметов по азимуту в 360°, может быть сформирован в двух форматах: цилиндрическом и сферическом. В зависимости от этого разрабатывается свой инструментарий для получения изображения, его обработки, декодирования.
В свете рассматриваемой темы круговой обзор будет связан с цилиндрическим форматом, где обзор по углу места осуществляется в пределах от нескольких градусов до нескольких десятков градусов относительно линии горизонта. Изображение получается в виде кольца, ширина которого зависит от конструкции объектива и углового поля в пространстве предметов по вертикали.
Кольцевое изображение декодируется в прямоугольный формат.
В настоящее время в ГОИ разработан вариант объектива кругового обзора с полями по вертикали до 79,5°. Относительное отверстие 1:3,5. Фокусное расстояние 1,35мм. Спектральный диапазон 495 -656 нм. Проекция на матрицу 1/1,8". Качество изображения по разрешающей способности достаточно для работы с 8-мегапиксельными матрицами.
Декодировка кольцевого формата в прямоугольный образ позволит получать высококачественные неискаженные изображения.
Целью дальнейшей работы является исследование форм однозеркальных головных насадок для панорамных систем кругового обзора и выявления таких решений, которые обеспечивали бы в совокупности с линзовой составляющей в единой композиции приемлемое качество изображения с минимальными дисторсионными искажениями в пределах поля, близкого к полусфере.
© Д. Н. Шевченко, О. В. Багдасарова, А. А. Багдасаров, 2015
