Данное изобретение относится к всенаправленному (кругообзорному) восприятию изображения относительно единственной точки обзора, более конкретно к такому восприятию изображения, когда используют усеченный, по существу, имеющий форму параболоида отражатель.
Для многих прикладных задач, таких как наблюдение, организация телеконференций, опознавание удаленных объектов, фотограмметрия, обнаружение моделей, виртуальная реальность, компьютерная графика, система технического зрения и робототехника, необходимо, чтобы система формирования изображения имела большое поле зрения с тем, чтобы можно было принять столько информации об обстановке вокруг нее, насколько возможно.
Традиционные системы формирования изображения включают в себя камеру с объективом, который обеспечивает перспективную проекцию изображения. Однако камера даже с очень широкоугольным объективом имеет только ограниченное поле зрения (то есть охватывает меньший объем, чем полная полусфера). Это ограниченное поле зрения может быть расширено наклонением и панорамированием всей системы формирования изображения относительно ее центра проекции. Одна такая система описана в S.E. Chen, "Quicktime VR - An Image-Based Approach to Virtual Environment Navigation", Proc. of SIGGRAPH 95, (8): 29-38, август 1995. Статья L. McMillan и G. Bishop, "Plenoptic Modeling: An Image-Based Rendering System", Computer Graphics: Proc. of SIGGRAPH, август 1995, стр. 39-46, также описывает традиционную систему панорамирования и наклона. Этот тип системы, однако, имеет два серьезных недостатка: один, являющийся очевидным, недостаток связан с тем, что устройство имеет ответственные подвижные части, и второй, заключающийся в существенном количестве времени, требуемом для полного вращения, чтобы рассмотреть окружающую обстановку. Это ограничение во времени делает такое устройство неподходящим для прикладных систем реального времени.
Другой подход к увеличению поля зрения в системе формирования изображения заключается в использовании так называемого объектива "рыбий глаз", как раскрыто в E.L. Hall et al., "Omnidirectional Viewing Using a Fish Eye Lens", SPIE, Vol. 728, Optics, Illumination and Image Sensing for Machine Vision (1986), стр.250. Так как объектив "рыбий глаз" имеет очень короткое фокусное расстояние, поле зрения может достигать размера полусферы. Использование таких объективов в системе формирования изображения проблематично, однако, из-за того, что они являются значительно большими и более сложными, чем обычные объективы. Кроме того, трудно создать объектив "рыбий глаз" с фиксированной точкой обзора для всех точек соответствующего визуализируемого пространства. Патент США 5187667 и патент США 5359363 также посвящены использованию объективов "рыбий глаз", чтобы заменить обычные механизмы панорамирования и наклона, и соответственно обладают теми же недостатками.
Другие известные устройства используют поверхности отражения, чтобы увеличить поле зрения. Одно такое известное устройство раскрыто в V.S. Nalwa, "A True Omni-Directional Viewer", AT&T Bell Laboratories Technical Memorandum, BL0115500-960115-01, Jan. 1996. В этой работе раскрыто использование множества плоских отражающих поверхностей совместно с множеством камер на приборах с зарядовой связью (ПЗС), чтобы получить 360-градусное панорамное изображение 50-градусной зоны полусферического визуализируемого пространства. Конкретно, четыре плоских зеркала размещают в форме пирамиды, причем одну камеру устанавливают выше каждой из четырех плоских поверхностей отражения, и каждая камера рассматривает чуть больше 90o с помощью 50o полусферического визуализируемого пространства. Эта система обладает серьезным недостатком, заключающимся в необходимости иметь множество воспринимающих датчиков, чтобы захватить 360-градусное изображение. К тому же эта система имеет присущие ей проблемы, связанные с искажением на "стыках", когда отдельные изображения объединяют для получения полного вида на 360o.
Искривленные отражающие поверхности также используют совместно с воспринимающими датчиками формирования изображения. Yagi et al., "Evaluating Effectivity of Map Generation by Tracking Vertical Edges in Omnidirectional Image Sequence", IEEE International Conference on Robotics and Automation, June 1995, p. 2334 и Yagi et al., "Map-Based Navigation for a Mobile Robot With Omnidirectional Image Sensor COPIS", IEEE Transactions on Robotics and Automation, Vol. 11, N 5, Oct. 1995 раскрывают конический проекционный воспринимающий изображение датчик (COPIS), который использует коническую отражающую поверхность для сбора изображения от окружающей среды и обрабатывает информацию, чтобы направлять передвижение подвижного робота. Хотя COPIS способен достигать просмотра на 360o, он не является истинно всенаправленным воспринимающим изображение датчиком, так как его поле зрения ограничено углом при вершине конического зеркала и углом обзора объектива камеры. Кроме того, COPIS не имеет единственной точки обзора, но вместо этого имеет местоположение точек обзора, находящихся на окружности. Это местоположение множества точек обзора вызывает искажения в собираемых изображениях, которые не могут быть устранены для получения чистых перспективных изображений.
Ямазава (Yamazawa) и др. (см. "Obstacle Detection With Omnidirectional Image Sensor HyperOmni Vision", IEEE International Conference on Robotics and Automation, Oct. 1995, стр. 1062) раскрывают подразумеваемое усовершенствование в системе COPIS, которое включает в себя использование гиперболической отражающей поверхности вместо конической поверхности. Как описано, лучи света, которые отражены от гиперболической поверхности, независимо от того, где находится исходная точка, будут все сходиться в одной точке, таким образом давая возможность перспективного просмотра.
Хотя использование гиперболического зеркала целесообразно в том, что оно позволяет получить полное перспективное восприятие изображения, так как лучи света, которые составляют отраженное изображение, сходятся в фокальной точке отражателя, позиционирование воспринимающего датчика относительно отражающей поверхности является критичным, и любое нарушение будет ухудшать качество изображения. Далее, использование модели перспективной проекции наследственно требует, что при увеличении расстояния между воспринимающим датчиком и зеркалом поперечное сечение зеркала должно увеличиться. Поэтому практические соображения диктуют, что для того, чтобы сохранить зеркало разумных размеров, зеркало должно быть помещено близко к воспринимающему датчику. Это, в свою очередь, вызывает усложнения, относящиеся к конструкции оптики воспринимающего изображение датчика. К тому же преобразование воспринятого изображения к пригодным для использования координатам требует сложной калибровки вследствие природы сходящегося изображения. Другой недостаток состоит в том, что относительные позиции зеркала и оптики не могут быть изменены при одновременном поддерживании единственной точки обзора. Таким образом, гиперболическая зеркальная система не может воспользоваться преимуществом относительного перемещения зеркала и оптики, чтобы скорректировать поле зрения системы, в то же время поддерживая единственную точку обзора.
Патент США 3505465, выданный на имя Дональда Риса (Donald Rees) раньше, чем Yamazawa и др., также раскрыл использование гиперболической отражающей поверхности. Соответственно, раскрытие этого патента также обладает теми же недостатками, что и в статье Yamazawa и др.
Описанные выше известные устройства являются непригодными по одной из двух причин. Они или не в состоянии обеспечивать истинно всенаправленное устройство формирования изображения, которое способно воспринимать вид из единственной точки обзора, делая невозможным обеспечить свободные от искажений изображения с помощью устройства, или они предлагают устройство, которое требует сложных калибровки и воплощения.
Недостатки уровня техники, которые описаны выше, по существу, решаются в соответствии с настоящим изобретением, которое в одном аспекте является всенаправленным устройством формирования изображения для восприятия изображения визуализируемого пространства из единственной точки обзора, которое включает в себя усеченный, по существу, имеющий форму параболоида отражатель, расположенный для ортогонального отражения главных лучей электромагнитного излучения, исходящих из визуализируемого пространства. Имеющий форму параболоида отражатель имеет фокус, совпадающий с единственной точкой обзора всенаправленного устройства формирования изображения. Всенаправленное устройство формирования изображения также включает в себя телецентрирующее средство, оптически связанное с имеющим форму параболоида отражателем, для существенного отфильтровывания главных лучей электромагнитного излучения, которые не являются ортогонально отраженными имеющим форму параболоида отражателем. Всенаправленное устройство формирования изображения дополнительно включает в себя один или более воспринимающих изображение датчиков, установленных для приема ортогонально отраженных главных лучей электромагнитного излучения от имеющего форму параболоида отражателя, таким образом воспринимая изображение визуализируемого пространства.
Имеющий форму параболоида отражатель, согласно настоящему изобретению, может быть или выпуклым, или вогнутым. Центрирующее средство может включать в себя центрирующий объектив, центрирующую диафрагму или коллимирующую линзу.
Предпочтительно имеющий форму параболоида отражатель содержит, по существу, параболическое зеркало, имеющее поверхность, которая, по существу, удовлетворяет условиям уравнения, выраженного в цилиндрических координатах:
где z - ось вращения поверхности, r - радиальная координата и h - константа. Поскольку уравнение представляет симметричную поверхность вращения, то форма поверхности не является функцией угловой координаты Φ.
В предпочтительном варианте осуществления изобретения один или более воспринимающих изображение датчиков содержит одну или более видеокамер. Эти видеокамеры могут использовать один или более приборов с зарядовой связью или один или более приборов с инжекцией заряда. Альтернативно, один или более воспринимающих изображение датчиков могут содержать фотопленку. В другом предпочтительном варианте осуществления, по меньшей мере, один воспринимающий изображение датчик имеет неравномерную разрешающую способность, чтобы компенсировать неравномерное разрешение изображения, отраженного от имеющего форму параболоида отражателя.
Предпочтительно имеющий форму параболоида отражатель содержит зеркало, усеченное по плоскости, которая включает в себя фокус имеющего форму параболоида отражателя и которая является перпендикулярной к оси, проходящей через фокус и вершину имеющего форму параболоида отражателя.
В одном из вариантов осуществления имеющий форму параболоида отражатель установлен на фиксированном основании и один или более воспринимающих изображение датчиков установлены на подвижном основании, посредством чего перемещение одного или более воспринимающих изображение датчиков обеспечивает изменяющееся поле зрения. Альтернативно, имеющий форму параболоида отражатель может быть установлен на подвижном основании и один или более воспринимающих изображение датчиков могут быть установлены на фиксированном основании, посредством чего перемещение имеющего форму параболоида отражателя обеспечивает изменяющееся поле зрения. В каждом из этих вариантов осуществления также предпочтительно, чтобы был предусмотрен объектив с переменным фокусным расстоянием для оптического соединения одного или более воспринимающих изображение датчиков и имеющего форму параболоида отражателя.
В другом примере варианта осуществления один или более воспринимающих изображение датчиков выдают сигнал изображения, представляющий собой изображение визуализируемого пространства. Устройство обработки сигналов изображения подсоединено к одному или более воспринимающим изображение датчикам, которые преобразуют сигнал изображения от воспринимающих изображение датчиков в данные сигнала изображения. Устройство обработки сигналов изображения затем преобразует данные сигнала изображения в декартову систему координат, чтобы получить перспективное изображение, или в цилиндрическую систему координат, чтобы получить панорамное изображение. Обработка сигналов изображения может включать в себя средство интерполяции для получения интерполированных данных изображения, посредством чего интерполированные данные изображения и данные сигнала изображения объединяют, чтобы сформировать цифровое изображение. Выгодно, если устройство обработки изображений может дополнительно включать в себя средство для "наезда камеры" на предварительно выбранную часть цифрового изображения, чтобы таким образом получить увеличенное изображение предварительно выбранной части при предопределенном фокусном расстоянии.
В предпочтительной конструкции всенаправленное устройство формирования изображения содержит, по меньшей мере, одну линзу, оптически соединяющую один или более воспринимающих изображение датчиков и имеющий форму параболоида отражатель. Эта соединяющая линза может быть объективом с переменным фокусным расстоянием, микрообъективом или выравнивающей поле линзой. Целесообразно, если выравнивающая поле линза имеет кривизну поля изображения, приблизительно противоположную кривизне поля изображения имеющего форму параболоида отражателя. Предпочтительно выравнивающая поле линза является или плосковогнутой линзой, или апланатической, менисковой линзой.
В еще одной предпочтительной конструкции всенаправленное устройство формирования изображения используют, чтобы отобразить, по существу, сферическое визуализируемое пространство посредством использования двух усеченных, по существу, имеющих форму параболоида отражателей, установленных для ортогонального отражения главных лучей электромагнитного излучения, исходящего от двух дополнительных друг к другу полусферических сцен. Два имеющих форму параболоида зеркала устанавливают так, чтобы совместно использовать общую параболоидальную ось. К тому же, когда два имеющих форму параболоида отражателя являются выпуклыми, их устанавливают обращенными друг к другу задними поверхностями по их плоскостям усечения так, что они совместно используют общую точку фокуса. Когда два имеющих форму параболоида отражателя являются вогнутыми, их устанавливают так, что их вершины совпадают.
В следующем примере варианта осуществления настоящего изобретения имеется множество расщепителей электронного пучка для расщепления ортогонально отраженных главных лучей электромагнитного излучения от имеющего форму параболоида отражателя на множество пучков лучей. В этом варианте осуществления требуется множество воспринимающих изображение датчиков, причем каждый воспринимающий изображение датчик располагают так, чтобы принять, по меньшей мере, один из множества пучков лучей и таким образом воспринять часть изображения визуализируемого пространства.
В еще одном примере варианта осуществления имеется множество дихроичных расщепителей электронного пучка для разбиения ортогонально отраженных главных лучей электромагнитного излучения от имеющего форму параболоида отражателя на множество монохроматических главных лучей электромагнитного излучения. Как и в предыдущем варианте осуществления, требуется множество воспринимающих изображение датчиков, где каждый воспринимающий изображение датчик располагают так, чтобы принять, по меньшей мере, один из множества монохроматических главных лучей электромагнитного излучения и таким образом воспринять, по меньшей мере, одно монохроматическое изображение визуализируемого пространства.
В соответствии с настоящим изобретением предлагается также способ для восприятия изображения визуализируемого пространства из единственной точки обзора. В примере варианта осуществления способ включает в себя следующие этапы:
(a) ортогонально отражают главные лучи электромагнитного излучения, исходящего от визуализируемого пространства, на усеченный, по существу, имеющий форму параболоида отражатель так, что единственная точка обзора всенаправленного способа формирования изображения совпадает с точкой фокуса имеющего форму параболоида отражателя,
(b) подвергают телецентрирующей фильтрации существенную часть любых главных лучей электромагнитного излучения, которые не являются ортогонально отраженными имеющим форму параболоида отражателем, и
(c) воспринимают изображение визуализируемого пространства посредством восприятия ортогонально отраженных главных лучей электромагнитного излучения от имеющего форму параболоида отражателя с помощью одного или более воспринимающих изображение датчиков.
В следующем примере варианта осуществления предлагается способ всенаправленного восприятия изображений визуализируемого пространства из единственной точки обзора, который включает в себя следующие этапы:
(a) устанавливают усеченный, по существу, имеющий форму параболоида отражатель на фиксированном основании,
(b) устанавливают один или более воспринимающих изображение датчиков на подвижном основании,
(c) ортогонально отражают главные лучи электромагнитного излучения, исходящего от визуализируемого пространства, на, по существу, имеющий форму параболоида отражатель так, что единственная точка обзора всенаправленного способа отображения совпадает с точкой фокуса имеющего форму параболоида отражателя,
(d) подвергают телецентрирующей фильтрации существенную часть любых главных лучей электромагнитного излучения, которые не являются ортогонально отраженными имеющим форму параболоида отражателем,
(e) перемещают подвижное основание в первую позицию;
(f) воспринимают первое изображение визуализируемого пространства, имея первое поле зрения, посредством восприятия ортогонально отраженных главных лучей электромагнитного излучения от имеющего форму параболоида отражателя с помощью одного или более воспринимающих изображение датчиков,
(g) перемещают подвижное основание во вторую позицию, отличную от первой позиции, и
(h) воспринимают второе изображение визуализируемого пространства, имея второе поле зрения, посредством восприятия ортогонально отраженных главных лучей электромагнитного излучения от имеющего форму параболоида отражателя с помощью одного или более воспринимающих изображение датчиков.
Альтернативно, вместо установки имеющего форму параболоида отражателя на фиксированном основании и установки воспринимающих изображение датчиков на подвижном основании имеющий форму параболоида отражатель может быть установлен на подвижном основании, а воспринимающие изображение датчики могут быть установлены на фиксированном основании. Предпочтительно описанный выше способ также включает в себя этап оптического соединения имеющего форму параболоида отражателя и воспринимающих изображение датчиков с объективом с переменным фокусным расстоянием, который может быть использован для увеличения размера представляющей интерес области в визуализируемом пространстве.
Примеры вариантов осуществления настоящего изобретения подробно описаны ниже со ссылками на чертежи, на которых
фиг. 1a изображает вид сбоку примера варианта осуществления всенаправленного устройства формирования изображения,
фиг. 1b изображает вид сбоку альтернативного варианта осуществления, в котором имеющий форму параболоида отражатель связан с воспринимающим изображение датчиком прозрачным держателем,
фиг. 2 изображает вид в изометрии имеющего форму параболоида отражателя, установленного на плоском основании,
фиг. 3 изображает частичный вид в изометрии имеющего форму параболоида отражателя, отображенного в цилиндрической системе координат,
фиг. 4 изображает геометрическое представление ортогонального отражения от искривленной отражающей поверхности,
фиг. 5 является иллюстрацией ортогонального отражения от, по существу, имеющего форму параболоида отражателя на воспринимающий изображение датчик,
фиг. 6 иллюстрирует, как любая выбранная часть полусферического визуализируемого пространства может быть просмотрена из единственной точки обзора с использованием имеющего форму параболоида отражателя,
фиг. 7 изображает вид сбоку всенаправленного устройства формирования изображения с двумя обращенными друг к другу задними поверхностями, по существу, имеющими форму параболоида отражателями и двумя воспринимающими изображение датчиками,
фиг. 8 изображает вид в разрезе двух, по существу, имеющих форму параболоида отражателей, установленных друг к другу задними поверхностями и имеющих общую параболоидальную ось и общий фокус,
фиг.9 иллюстрирует отображение данных изображения в цилиндрических координатах, чтобы дать возможность получить панорамный вид,
фиг.10 изображает последовательность выполнения операций для примера варианта осуществления способа восприятия и обработки изображения, по существу, полусферического визуализируемого пространства из единственной точки обзора,
фиг. 11 изображает вид сбоку варианта осуществления всенаправленного устройства формирования изображения согласно настоящему изобретению, которое включает в себя удлиненный, имеющий форму параболоида отражатель,
фиг. 12 изображает вид сбоку варианта осуществления всенаправленного устройства формирования изображения согласно настоящему изобретению, которое включает в себя имеющий форму параболоида отражатель, усеченный по плоскости, которая наклонена относительно параболоидальной оси отражателя,
фиг. 13 изображает вид сбоку варианта осуществления всенаправленного устройства формирования изображения согласно настоящему изобретению, включающего в себя имеющий форму параболоида отражатель, который является большим, чем область изображения воспринимающего изображение датчика,
фиг. 14 изображает вид сбоку варианта осуществления всенаправленного устройства формирования изображения согласно настоящему изобретению, которое включает в себя вогнутый, имеющий форму параболоида отражатель,
фиг. 15 изображает вид сбоку варианта осуществления всенаправленного устройства формирования изображения согласно настоящему изобретению, которое включает в себя объектив с переменным фокусным расстоянием, оптически связывающий имеющий форму параболоида отражатель и воспринимающий изображение датчик,
фиг.16 изображает частичное изометрическое представление варианта осуществления всенаправленного устройства формирования изображения согласно настоящему изобретению, которое включает в себя имеющий форму параболоида отражатель, установленный на подвижном основании,
фиг.17А изображает вид сбоку варианта осуществления всенаправленного устройства формирования изображения согласно настоящему изобретению, которое включает в себя воспринимающий изображение датчик, установленный на подвижном основании,
фиг. 17В изображает вид сбоку варианта осуществления всенаправленного устройства формирования изображения согласно настоящему изобретению, которое включает в себя подвижную камеру,
фиг. 17С изображает вид сбоку варианта осуществления всенаправленного устройства формирования изображения согласно настоящему изобретению, которое включает в себя подвижную камеру и оптику,
фиг. 18 изображает частичное изометрическое представление варианта осуществления всенаправленного устройства формирования изображения согласно настоящему изобретению, которое включает в себя воспринимающий изображение датчик, содержащий четыре прибора с зарядовой связью, расположенных обращенными друг к другу боковыми поверхностями,
фиг. 19 изображает вид сбоку варианта осуществления всенаправленного устройства формирования изображения согласно настоящему изобретению, которое включает в себя множество воспринимающих изображение датчиков и расщепителей пучка,
фиг. 20 изображает вид сверху воспринимающего изображение датчика согласно варианту осуществления настоящего изобретения, воспринимающие изображение элементы которого распределены неравномерно и имеют разные размеры,
фиг. 21 изображает вид сбоку варианта осуществления всенаправленного устройства формирования изображения согласно настоящему изобретению, которое включает в себя плоское зеркало, которое оптически связывает имеющий форму параболоида отражатель и воспринимающий изображение датчик,
фиг. 22 изображает вид сбоку варианта осуществления всенаправленного устройства формирования изображения согласно настоящему изобретению, которое включает в себя микрообъектив, который оптически связывает имеющий форму параболоида отражатель и воспринимающий изображение датчик,
фиг. 23 изображает вид сбоку варианта осуществления всенаправленного устройства формирования изображения согласно настоящему изобретению, которое включает в себя линзу коллиматора, которая оптически связывает имеющий форму параболоида отражатель и линзу формирования изображения,
фиг. 24А изображает вид сбоку варианта осуществления всенаправленного устройства формирования изображения согласно настоящему изобретению, которое включает в себя выравнивающую поле плосковогнутую линзу,
фиг. 24В изображает вид сбоку варианта осуществления всенаправленного устройства формирования изображения согласно настоящему изобретению, которое включает в себя выравнивающую поле менисковую линзу с апланатическими сторонами, и
фиг.25 изображает вид сбоку варианта осуществления всенаправленного устройства формирования изображения согласно настоящему изобретению, которое включает в себя два вогнутых, имеющих форму параболоида зеркала, используемых для формирования изображения, по существу, сферического пространства.
Фиг. 1a иллюстрирует всенаправленное устройство формирования изображения 100 согласно примеру варианта осуществления настоящего изобретения. Выпуклый, имеющий форму параболоида отражатель 135, который установлен на плоском основании 140, расположен для ортогонального отражения изображения, по существу, полусферического визуализируемого пространства 130. Воспринимающий изображение датчик 110, такой как коммерчески доступная цветная видеокамера Sony 3CCD 111, имеющая телецентрирующую линзу или увеличительную линзу 112 и телецентрирующую диафрагму 113, установлен для приема ортогонального отражения изображения. Функции центрирующей линзы или диафрагмы заключаются в том, чтобы отфильтровать все лучи света, которые не перпендикулярны плоскости линзы или диафрагмы, то есть фоновый свет, который не формирует часть ортогонального отражения полусферического визуализируемого пространства.
Хотя описание здесь приведено для видимого света, настоящее изобретение равно применимо к другим формам электромагнитного излучения, типа ультрафиолетового света или инфракрасного света.
В альтернативном примере варианта осуществления устройства формирования изображения 100 согласно изобретению, показанного на фиг.1b, имеющий форму параболоида отражатель может быть подсоединен к воспринимающему изображение датчику прозрачным держателем 136, таким как отрезок прозрачной трубки.
Видеокамера 110 (фиг.1a) формирует аналоговый видеосигнал, представляющий ортогонально отраженное изображение, которое передают по кабелю 150. Видеосигнал преобразуют в цифровой сигнал устройством цифрового преобразования 120, которое является коммерчески доступным аналого-цифровым преобразователем видеосигнала системы NTSC (Национальный Комитет по телевизионным системам (США)).
Цифровой сигнал затем передают по кабелю 155 на универсальный компьютер 125, такой как рабочая станция DEC Alpha 3000/600. Как описано ниже более подробно, компьютер 125 запрограммирован так, чтобы позволить пользователю рассмотреть любую требуемую часть полусферического визуализируемого пространства, осуществить "наезд камеры" на выбранную часть визуализируемого пространства или панорамировать визуализируемое пространство любым требуемым способом.
Воспринимающий изображение датчик 110 может быть просто неподвижной или подвижной фотокамерой, использующей обычную фотопленку. Воспринимающий изображение датчик 110 может также быть портативной видеокамерой или видеокамерой 116, которая выдает выходной цифровой видеосигнал, который может подаваться прямо на компьютер 125 без необходимости в аналого-цифровом преобразователе 120.
Фиг.2 показывает изометрическое представление имеющего форму параболоида отражателя 135, который выступает из основания 140, на котором он сформирован. Отражатель 135 может содержать имеющий форму параболоида пластмассовый корпус, покрытый тонким слоем 145 металла с высокой отражающей способностью, такого как алюминий или серебро. Альтернативно, отражатель 135 может содержать имеющий форму параболоида полированный металлический корпус. Для этого последнего варианта осуществления может использоваться металл типа нержавеющей стали.
Фиг. 3 более подробно иллюстрирует предпочтительную геометрию имеющего форму параболоида отражателя 135, также как и ортогональное отражение изображения, по существу, полусферического визуализируемого пространства 130 на воспринимающий изображение датчик 110. Отражатель 135, изображенный на фиг. 3, определен в цилиндрических координатах r, Φ и z, которые, по существу, подчиняются уравнению
где z - ось вращения, r - радиальная координата и h - константа. Ось z совпадает с оптической осью конструкции формирования изображения, и точка 315 фокуса параболоида, определенного уравнением (1), совпадает с началом системы координат. Отражатель 135 (фиг.3) усечен по плоскости р, которая является, по существу, перпендикулярной к оси z 310 и которая включает в себя точку фокуса 315 его параболоидальной поверхности.
Все приходящие лучи 305, которые в противном случае могут проходить через точку фокуса 315, ортогонально отражаются на воспринимающий изображение датчик 110 отражающей параболоидальной поверхностью. Таким образом, точка фокуса 315 совпадает с единственной точкой обзора, из которой просматривают, по существу, полусферическое визуализируемое пространство 130. Воспринимающий изображение датчик 110 расположен на оптической оси 310 системы формирования изображения, и его светочувствительная поверхность перпендикулярна оптической оси. Использование ортогонального отражения для осуществления возможности просмотра, по существу, полусферического визуализируемого пространства из единственной точки обзора является выгодной особенностью настоящего изобретения.
Это ортогональное отражение, которое допускает просмотр из единственной точки обзора, может быть продемонстрировано со ссылкой на фиг.4. На фиг.4 z и r являются перпендикулярными цилиндрическими координатами для данного значения Φ угловой координаты. Угол падающего луча 405 относительно оси 
равен Θ. Падающий луч 405 ортогонально отражается отражающей поверхностью 415 в виде исходящего луча 410.
Чтобы иметь единственную точку обзора 420, любой падающий луч должен удовлетворять условию
tan(Θ)=z/r, (2)
и для ортогонального отражения все лучи должны быть отражены под углом
α = π/2, (3)
где α - угол между исходящим лучом 410 и осью. Чтобы эти два ограничения были удовлетворены и для того, чтобы угол падения был равен углу отражения, ясно, что угол β между отраженным лучом 410 и нормалью 
к поверхности в точке отражения должен быть равен
что может также быть выражено как
Наконец, наклон отражающей поверхности 415 в плоскости 
в точке отражения выражается следующим образом:
Подставляя (6) и (4) в (5), получают
Квадратичное выражение в уравнении (7) может быть разрешено, чтобы получить два решения для
но избежать взаимного самоперекрытия посредством отражающей поверхности, наклон кривой в правом квадранте делают отрицательным (то есть поверхность является выпуклой). Результатом является
Если а=z/r, то вышеуказанное равенство выражается так:
где h - константа интегрирования. Подставляя z=ra в уравнение (9), получают уравнение (1).
Таким образом, существует кривая, которая при вращении относительно оси 
образует поверхность, которая позволяет осуществить ортогональное отражение, по существу, полусферического визуализируемого пространства из единственной точки обзора. Эта кривая является параболой, определяемой уравнением (1), которая имеет единственную точку обзора, которая совпадает с фокусом 420 параболы.
В дополнение к обеспечению просмотра, по существу, полусферического визуализируемого пространства из единственной точки обзора всенаправленное устройство формирования изображения в соответствии с настоящим изобретением допускает просмотр любой части визуализируемого пространства, позволяет осуществить "наезд камеры" на выбранную часть и панорамирование визуализируемого пространства, все - относительно единственной точки обзора и без необходимости восстановления изображения или сложного преобразования кадра.
Фиг. 5 иллюстрирует, как просматривают часть, по существу, полусферического визуализируемого пространства воспринимающим изображение датчиком из единственной точки обзора. Фиг.5 также иллюстрирует, как усеченный выпуклый, по существу, имеющий форму параболоида отражатель 135 отображают в декартову систему координат. Оптическая ось 502 конструкции формирования изображения совпадает с осью z, и фокус 501, по существу, имеющего форму параболоида отражателя 135 расположен в начале координат. Приходящие лучи 505, 510 от просматриваемой части визуализируемого пространства 300 пересекают отражающую поверхность в точках 515 и 520, которые могут быть определены их соответствующими координатами х и у. Точки 515 и 520 лежат на воображаемых радиальных линиях 516 и 521 соответственно, которые исходят из точки обзора визуализируемого пространства, то есть фокуса 501 имеющего форму параболоида отражателя. Так как эти лучи ортогонально отражаются к воспринимающему изображение датчику 110, который имеет плоскую светочувствительную поверхность, перпендикулярную z-оси, спроектированные лучи будут пересекать светочувствительную поверхность в тех же самых соответствующих координатах х и у. Только координата z будет изменяться. Соответственно, имеется взаимно однозначное соответствие между координатой х-у точки пересечения с отражателем 135 ортогонально спроектированного луча и координатой х-у точки, в которой этот ортогонально спроектированный луч пересекает плоскую светочувствительную поверхность воспринимающего изображение датчика 110.
В предпочтительной конструкции воспринимающий изображение датчик 110 включает в себя плоский воспринимающий изображение датчик на приборе с зарядовой связью (ПЗС), имеющий массив светочувствительных элементов. Каждый элемент воспринимает интенсивность света в своем специфическом местоположении в массиве. Поэтому со взаимно однозначным соответствием сигналы изображения, выданные элементами ПЗС, охватывающими конкретный диапазон координат х-у в сетке, представляют лучи, которые являются ортогонально отраженными от отражающей поверхности 135 в точках в пределах того же самого диапазона координат х-у. Таким образом, отображение изображения в декартову систему координат является простой задачей для специалистов.
При взаимно однозначном соответствии, описанном выше, фиг.6 иллюстрирует способ "наезда камеры" на любую выбранную часть, по существу, полусферического визуализируемого пространства. Отражатель 135 устанавливают относительно ортогональных осей х, у и z тем же способом, что и на фиг.5. Чтобы осуществить "наезд камеры" при фокусном расстоянии f на выбранную часть визуализируемого пространства, центрированную вокруг точки 550, с определенным размером, только сигналы изображения от элементов ПЗС, расположенных в том же диапазоне координат х-у, что и область отражающей поверхности, проецирующей выбранную часть визуализируемого пространства, выбираются для увеличения и просмотра.
Более конкретно, чтобы определить соответствующую световую интенсивность для точки 570 в выбранной части визуализируемого пространства, выбирают сигнал интенсивности света, сформированный элементом ПЗС, который находится в точке 580. Как показано на фиг.6, сегмент линии, проведенной между точкой 570 и точкой фокуса 551, пересекает отражатель 135 в точке 552. Световая интенсивность в точке 570 равна световой интенсивности, представленной сигналом изображения, сформированным элементом ПЗС в точке 580, который расположен в точке с координатами х-у на сетке, ближайшей к координате х-у точки 552. То же самое повторяют для каждого элемента ПЗС в пределах того же диапазона координат х-у, что и область отражающей поверхности, проецирующей выбранную часть визуализируемого пространства. В результате ортогонального отражения и при взаимно однозначном соответствии, описанном выше, никакого восстановления изображения или сложного преобразования кадра не требуется.
Универсальный компьютер 125 может быть легко запрограммирован специалистом для выполнения вышеуказанных этапов, чтобы дать возможность просматривать любую часть полусферического визуализируемого пространства из единственной точки обзора и также дать возможность осуществлять "наезд камеры" на любую конкретную часть для получения увеличенного изображения этой части. Кроме того, при назначении последовательных точек по отражателю полусферическая сцена может быть панорамирована, как будто визуализируемое пространство просматривают из единственной точки обзора.
В варианте осуществления, описанном выше, очевидно, что, когда осуществляют "наезд камеры" на малые части визуализируемого пространства, число элементов ПЗС, выдающих информацию на компьютер 125, уменьшается и, следовательно, зернистость просматриваемого изображения увеличивается. В предпочтительном варианте осуществления информацию о точках в визуализируемом пространстве, которые не точно соответствуют элементам ПЗС, более точно аппроксимируют интерполяцией. Соответствующая программа интерполяции, которая может быть выполнена на компьютере 125, включена в приложение к настоящему описанию. Программа, приведенная в качестве приложения, отображает воспринятое всенаправленное изображение в обычное перспективное изображение, которое является подходящим для отображения на компьютере 125. Программа требует, чтобы пользователь ввел имя, положение центра и радиус кругообзорного изображения, которое должно быть преобразовано. Программа также требует, чтобы пользователь ввел название для сформированного перспективного изображения, также как фокусное расстояние и размер для перспективного изображения.
Таким образом, вместо простого выбора сигнала изображения, сформированного ближайшим элементом ПЗС, чтобы представить части изображения, которые не точно соответствуют элементу ПЗС, изображение для таких частей визуализируемого пространства оценивают в соответствии с прилагаемой программой, основанной на подходящем среднем значении сигналов изображения, сформированных элементами ПЗС, которые соответствуют соседним частям визуализируемого пространства. Конечно, более сложные программы интерполяции, известные специалистам, например те, что основаны на полиномиальном или временном соответствии, могут использоваться без отрыва от формы изобретения, которая определена формулой изобретения.
В дополнение к отображению в декартовой системе координат, которое было описано, что дает перспективное изображение, может также быть выполнено отображение в цилиндрической системе координат, чтобы получить панорамное изображение просматриваемого визуализируемого пространства. Отображение в цилиндрической системе координат описано со ссылками на фиг.9. Главный луч 950 (фиг. 9) от точки 945 в визуализируемом пространстве встречает имеющий форму параболоида отражатель 935 и ортогонально отражается к воспринимающему изображение датчику 910. Ортогонально отраженный луч 960 встречается с воспринимающим изображение датчиком в воспринимающем изображение элементе 965. Чтобы отобразить точку, представленную воспринимающим элементом 965, в цилиндрических координатах, предполагается, что усеченный цилиндр 970 окружает имеющий форму параболоида отражатель 935 и воспринимающий изображение датчик 910. Для точки, представленной воспринимающим элементом 965, затем "выясняют происхождение" по лучам 960 и 950 и определяют точку пересечения 955 луча 950 с усеченным цилиндром 970. Точке 955 затем назначают световую интенсивность воспринимающего элемента 965. То же самое вычисление выполняют для каждого воспринимающего элемента воспринимающего изображение датчика 910. Результирующая совокупность точек (с соответственно назначенными значениями световой интенсивности), расположенная на усеченном цилиндре 970, дает панорамное изображение просматриваемого визуализируемого пространства. Это панорамное изображение может быть просмотрено на дисплее дальнейшим отображением усеченного цилиндра на плоскую поверхность. Это отображение легко визуализируют специалисты, воображая, что цилиндр разрезан по длине и развернут. Кроме того, как очевидно для специалистов, интерполяция данных изображения, которая описана выше относительно отображения в декартову систему координат, может быть также использована для отображения с цилиндрическими координатами.
В предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения используют 0,85 см (1/3 дюймовый) ПЗС вместе с имеющим форму параболоида зеркалом с фокусным расстоянием 1,02 см (0,4 дюйма), рассеченным через его фокус и имеющим диаметр 4,06 см (1,6 дюйма). Используется коллимирующая линза, например линза модели Р32921 от EDMUND SCIENTIFIC of Barrington, Нью-Джерси, с объективом формирования изображения, имеющим фокусное расстояние 21,6 см (8,5 дюйма) для оптического подсоединения зеркала к ПЗС.
В следующем примере варианта осуществления изобретения всенаправленное устройство формирования изображения включает в себя дополнительный, по существу, имеющий форму параболоида отражатель 735, как показано на фиг.7. Дополнительный отражатель устанавливают так, чтобы ортогонально проецировать изображение дополнительного полусферического визуализируемого пространства 730, которое является дополнительным к полусферическому визуализируемому пространству 130, так что вместе они составляют сферическое визуализируемое пространство. Дополнительный воспринимающий изображение датчик 710 устанавливают так, чтобы принять изображение, ортогонально проецируемое дополнительным отражателем 735.
Сигнал изображения, представляющий ортогональное отражение дополнительного отражателя 735, преобразуют в цифровой сигнал преобразователем 720 тем же способом, что описан выше, и подают на тот же универсальный компьютер 125 по линии связи 725.
Как показано на фиг.8, отражатели 135 и 735 устанавливают обращенными задними поверхностями друг к другу и совместно использующими общую ось вращения 810, которая является также оптической осью устройства формирования изображения, и общий фокус 805, и каждый усечен по плоскости р, которая является, по существу, перпендикулярной оси вращения 810 и которая включает в себя фокус 805.
На фиг. 10 изображена последовательность операций 1000, иллюстрирующая способ восприятия изображения, по существу, полусферического или сферического визуализируемого пространства из единственной точки обзора согласно варианту осуществления настоящего изобретения. Блок-схема 1000 показывает необходимые этапы для восприятия полусферического визуализируемого пространства из единственной точки обзора. Способ требует ортогонального отражения, по существу, полусферического визуализируемого пространства 1010 и восприятия ортогонально отраженного изображения 1020.
Способ может также включать в себя этапы преобразования сигнала изображения в данные сигнала изображения 1030, отображения данных изображения в соответствующую систему координат 1040, интерполяции данных изображения 1060, чтобы вывести приближенные значения для данных отсутствующего изображения, и формирования цифрового изображения 1070 из данных отображенного изображения и из интерполированных данных изображения. Выгодно, если этапы определения направления просмотра, фокусного расстояния и размера изображения 1045 и "наезд камеры" 1050 на выбранную часть данных изображения могут быть выполнены перед этапом интерполяции.
К настоящему времени все описанные примеры вариантов осуществления используют "нормальный" имеющий форму параболоида отражатель. Используемый в настоящем описании и формуле изобретения термин "нормальный" в связи с имеющим формулу
параболоида отражателем относится к отражателю, имеющему форму параболоида, который усечен по плоскости, которая проходит через фокус имеющего форму параболоида отражателя и является, по существу, перпендикулярной параболоидальной оси имеющего форму параболоида отражателя. Используемая в настоящем описании и формуле изобретения параболоидальная ось имеющего форму параболоида отражателя является осью, проходящей через вершину и фокус имеющего форму параболоида отражателя. Как описано выше, используя нормальный, имеющий форму параболоида отражатель, можно отображать полную полусферу (π стерадиан) или, размещая два таких отражателя с обращенными друг к другу поверхностями, полную сферу (2π стерадиан). Фиг.11-15 изображают другие примеры вариантов осуществления всенаправленного устройства формирования изображения, в которых имеющий форму параболоида отражатель может также принимать форму различных ненормальных параболоидов.
Фиг. 11 изображает всенаправленное устройство формирования изображения, которое способно отобразить поле зрения (ПЗр) большее, чем полусфера, используя только одну камеру 1111 и один имеющий форму параболоида отражатель 1135. В варианте осуществления, показанном на фиг.11, имеющий форму параболоида отражатель 1135 является удлиненным параболоидом, который получают, отрезая соответствующий отражатель плоскостью, которая является нормальной к оси параболоида (z), но проходит ниже фокуса 1130 параболоида. Целесообразно, чтобы из-за того, что параболоид простирается ниже его фокуса, имеющий форму параболоида отражатель был способен ортогонально отражать лучи от полушария ниже его фокуса. В варианте осуществления, изображенном на фиг.11, например, охваченное имеющим форму параболоида отражателем поле зрения (ПЗр) составляет 240 градусов, или 75% полной сферы. Предпочтительно, как показано на фиг. 11, чтобы камера 1111 и имеющий форму параболоида отражатель 1135 были соединены оптикой 1112.
Фиг. 12 показывает всенаправленное устройство формирования изображения, которое может быть использовано для отображения ПЗр, которое наклонено относительно параболоидальной оси имеющего форму параболоида отражателя. Вариант осуществления, изображенный на фиг.12, включает в себя камеру 1211, оптику 1212 и имеющий форму параболоида отражатель 1235. Имеющий форму параболоида отражатель 1235 усечен по плоскости, проходящей через фокус имеющего форму параболоида отражателя 1235 и наклоненной относительно его параболоидальной оси (z). ПЗр этого отражателя, таким образом, является наклоненная полусфера, которая показана пунктиром на фиг.12. Хотя вариант осуществления на фиг.12 изображает плоскость сечения, проходящую через фокус параболоида, изобретение не ограничено этим вариантом осуществления. Плоскость сечения может также проходить выше фокуса 1230 параболоида (таким образом приводя к ПЗр меньшему, чем полусфера) или плоскость сечения может проходить ниже фокуса 1230 (таким образом приводя к ПЗр большему, чем полусфера).
Фиг. 13 изображает всенаправленное устройство формирования изображения, которое может быть использовано, чтобы отобразить ПЗр меньшее, чем полусфера. Вариант осуществления, показанный на фиг.13, включает в себя камеру 1311, подсоединенную к имеющему форму параболоида отражателю 1335 оптикой 1312. В этом варианте осуществления имеющий форму параболоида отражатель 1335 сформирован так, что он является "большим", чем область отображения камеры 1311. В этом контексте имеющий форму параболоида отражатель является "большим", чем область отображения камеры, если основание нормального параболоида, имеющее ту же самую форму, что и отражатель (то есть имеющее такую же параболоидальную константу h, что определена в уравнении (1)), больше, чем наименьший размер области отображения камеры. Принимая случай нормального параболоида для иллюстративных целей, ясно, что, когда такой параболоид является большим, чем область отображения камеры, только ПЗр меньшее, чем полная полусфера, может быть захвачено в область отображения камеры, так как ортогонально отраженные лучи на внешних краях параболоида не будут попадать на область отображения. Целесообразно, однако, чтобы изображение, захваченное с использованием такого имеющего форму параболоида зеркала, имело более высокое разрешение, чем соответствующее изображение, захваченное с использованием меньшего параболоида. Как показано на фиг.13, параболоидальная ось имеющего форму параболоида отражателя 1335 (z') может быть сдвинута относительно оптической оси (z), чтобы получить поля зрения по направлению к горизонту. Кроме того, нет необходимости в том, чтобы имеющий форму параболоида отражатель 1335 был нормальным параболоидом, но может быть усечен в соответствии с ПЗр, которое должно быть отображено.
К настоящему времени все описанные варианты осуществления содержали выпуклый, имеющий форму параболоида отражатель. На фиг.14 изображен вариант осуществления всенаправленного устройства формирования изображения согласно настоящему изобретению, который включает в себя камеру 1411, оптику 1412 и вогнутый, имеющий форму параболоида отражатель 1435. Вогнутый, имеющий форму параболоида отражатель может использоваться в прикладных задачах, где желательно скрытие отражателя (как, например, в наружных прикладных задачах, где необходима защита от погодных условий). В случае вогнутого, имеющего форму параболоида отражателя параболоидальное изображение визуализируемого пространства является "перевернутым", но изображение продолжает удовлетворять ограничению единственной точки обзора, раскрытому выше. Поэтому реальные перспективные изображения могут быть сформированы из вогнутого параболоидального изображения также, как из выпуклого параболоидального изображения. В случае вогнутого параболоида, однако, самое большое полусферическое поле зрения может быть получено с помощью единственного отражателя. Это полусферическое ПЗр получают, усекая параболоид плоскостью, которая проходит через фокус 1430 параболоида (плоскость, являющаяся или нормальной, или наклонной относительно оси параболоида (z)). Хотя вогнутый параболоид, который усечен выше его фокуса, также может использоваться, такой параболоид не является желательным, так как он сам создает препятствие для изображения.
Как показано на фиг.25, ПЗр больше полусферы может быть получено с использованием множества вогнутых, имеющих форму параболоида отражателей. На фиг. 25 два имеющих форму параболоида отражателя 2535а и 2535b расположены так, что они совместно используют общую параболоидальную ось (z) и их вершины 2545 совпадают. Вместе с воспринимающими изображение датчиками 2511а и 2511b два имеющих форму параболоида отражателя 2535а и 2535b способны отобразить две полусферы 2530а и 2530b соответственно. Эта система выгодно может быть использована, когда требуется, чтобы отражатели были "утоплены" для маскировки или предохранения. Недостаток использования вогнутых зеркал в такой конструкции вместо использования выпуклых зеркал в конструкции, изображенной на фиг.7, заключается в том, что небольшое слепое пятно, содержащее область между плоскостями усечения этих двух отражателей, является неизбежным.
Фиг.15 показывает вариант осуществления всенаправленной системы формирования изображения согласно настоящему изобретению с возможностью изменения масштаба изображения. Всенаправленная система отображения, изображенная на фиг. 15, включает в себя имеющий форму параболоида отражатель 1535, камеру 1511, объектив 1512 с переменным фокусным расстоянием и передающую оптику 1513. (Используемые в данном описании и прилагаемой формуле изобретения передающая оптика и коллимирующая оптика являются синонимами). Когда оптическое увеличение объектива 1512 с переменным фокусным расстоянием установлено равным его самому малому значению, всенаправленная система отображения обеспечивает изображение полной полусферы (или больше или меньше, чем полусфера, если используют варианты осуществления, изображенные на фиг.11 или фиг.13). При "наезде камеры" увеличительная линза 1512 обеспечивает более высокое увеличение (и поэтому более высокое разрешение) меньшего ПЗр. При "наезде камеры" эффективный центр проекции объектива 1512 с переменным фокусным расстоянием должен остаться приблизительно фиксированным, чтобы гарантировать, что система формирования изображения остается центрирующей. Предпочтительно используется передающая оптика 1513, чтобы гарантировать, что объектив 1512 с переменным фокусным расстоянием остается центрирующим по всем его параметрам настройки.
В варианте осуществления, показанном на фиг.15, объектив 1512 с переменным фокусным расстоянием может быть или фиксированным, или подвижным относительно имеющего форму параболоида отражателя 1535. Если объектив 1512 с переменным фокусным расстоянием фиксирован, то при увеличении могут наблюдаться только области вокруг параболоидальной оси (z). Предпочтительно поэтому объектив 1512 с переменным фокусным расстоянием снабдить некоторым средством перемещения, позволяющим располагать объектив с переменным фокусным расстоянием выше областей изображения по внешним краям имеющего форму параболоида отражателя 1535. Конечно, такое средство перемещения должно гарантировать, что оптическая ось объектива 1512 с переменным фокусным расстоянием всегда остается параллельной параболоидальной оси имеющего форму параболоида отражателя 1535.
Фиг.16 изображает всенаправленную систему отображения, которая может быть использована, чтобы осуществить динамическое изменение полей зрения визуализируемого пространства. Имеющий форму параболоида отражатель 1635 установлен на подвижном основании 1640, которое допускает перемещение имеющего форму параболоида отражателя 1635 по осям х, у и z. Подвижное основание 1640 может управляться или вручную, или компьютером. Используя подвижное основание 1640, динамическое изменение полей зрения визуализируемого пространства производят, например, круговым движением подвижного основания 1640 относительно оптической оси (z). Предпочтительно изображения являются изображением, обработанным так, как описано выше, чтобы получить перспективные или панорамные виды.
Фиг.16 также показывает использование объектива 1612 с переменным фокусным расстоянием совместно с подвижным основанием 1640. Объектив 1612 с переменным фокусным расстоянием добавляет возможность масштабировать сегменты имеющего форму параболоида отражателя 1635, полученные при обзоре системой формирования изображения перемещением подвижного основания 1640. Предпочтительно используют передающую линзу 1613, чтобы соединить объектив с переменным фокусным расстоянием и имеющий форму параболоида отражатель 1635. К тому же объектив 1612 с переменным фокусным расстоянием предпочтительно включает в себя ручное или автоматическое управление фокусом, чтобы гарантировать, что резкость изображений поддерживается по всем сегментам имеющего форму параболоида отражателя 1635. Альтернативно, может также использоваться перемещение отражателя по оси z, чтобы скорректировать фокус изображения.
Вместо перемещения имеющего форму параболоида отражателя как в варианте осуществления на фиг.16 одна или более частей камеры или оптики системы формирования изображения альтернативно могут быть перемещены, чтобы достичь того же эффекта, что изображен на фиг.16 варианта осуществления. Фиг.17А, 17В и 17С показывают различные примеры вариантов осуществления таких всенаправленных систем отображения. На фиг.17А воспринимающий изображение датчик 1710 (например, ПЗС) снабжается средством перемещения; на фиг.17В камера 1711 снабжается средством перемещения и на фиг.17С и камера 1711, и оптика 1712 снабжаются средством перемещения для одновременного перемещения их вместе. Как показано на чертежах, каждый из этих узлов может быть перемещен по любой из осей х, у или z, чтобы изменить отображаемое поле зрения. Как в варианте осуществления фиг.16, может быть использован объектив с переменным фокусным расстоянием, чтобы увеличить размер области, представляющей интерес. Целесообразно, чтобы при перемещении камеры или оптики вместо перемещения имеющего форму параболоида отражателя точка обзора всенаправленной системы формирования изображения оставалась фиксированной в пространстве в фокусе имеющего форму параболоида отражателя.
Варианты осуществления, показанные на фиг.16, 17А, 17В или 17С, целесообразно использовать в системе наблюдения. Возможность этих вариантов осуществления всенаправленного отображения позволяет оператору контролировать сразу всю область, представляющую интерес. Когда оператор наблюдает представляющую интерес определенную область в пределах проверяемой области, он может затем выбирать соответствующие координаты поступательного движения (для перемещения камеры, оптики или имеющего форму параболоида отражателя) и соответствующие установки параметров изменения масштаба изображения, чтобы рассматривать представляющую интерес область более подробно.
Фиг.18 изображает всенаправленную систему отображения, которая использует множество воспринимающих изображение датчиков, чтобы достичь увеличенного разрешения изображения. Вариант осуществления, изображенный на фиг.18, включает в себя имеющий форму параболоида отражатель 1835, видеоэлектронику 1809, четыре элемента ПЗС 1810a-1810d и отображающую оптику 1812. В этом варианте осуществления четыре элемента ПЗС 1810a-1810d располагают бок о бок в ненакладывающемся положении. Вариант осуществления, изображенный на фиг. 18, использует преимущество того факта, что коммерческие элементы ПЗС обычно изготавливают со стандартной разрешающей способностью независимо от их размера. Поэтому при использовании четырех коммерческих 0,635 см (1/4 дюйма) элементов ПЗС вместо единственного коммерческого 1,27 см (1/2 дюйма) элемента ПЗС разрешение изображения может быть учетверено. Хотя фиг.18 изображает использование элементов ПЗС, расположенных в ненакладывающемся положении, описанное здесь изобретение не ограничено таким положением. Таким образом, может аналогично использоваться конструкция, в которой множество элементов ПЗС частично накладываются. Кроме того, множество воспринимающих изображение датчиков могут быть изготовлены в виде единственной интегральной схемы, где каждый воспринимающий изображение датчик связан со своей собственной видеосхемой.
Фиг. 19 изображает другой вариант осуществления, который используют множество воспринимающих изображение датчиков, чтобы увеличить разрешение изображения. В этом случае множество воспринимающих изображение датчиков снабжаются множеством камер 1911. Расщепители пучка 1916 используют, чтобы направить отдельные сегменты параболоидального изображения на различные камеры. Поэтому будет целесообразным, чтобы каждая часть параболоидального изображения отображалась с более высоким разрешением, чем если бы полное изображение было отображено только одной камерой.
В другом примере варианта осуществления настоящего изобретения могут быть использованы дихроичные расщепители пучка (не показаны), чтобы разбить изображение на множество монохроматических изображений, которые могут быть восприняты множеством монохроматических детекторов изображения. Эти монохроматические изображения могут быть позже соответственно объединены в полноцветное изображение известным средством обработки изображения.
Фиг. 20 изображает плоский, воспринимающий изображение датчик 2010, как, например, элемент ПЗС. При использовании типового плоского, воспринимающего изображение датчика с имеющим форму параболоида зеркалом эффективное разрешение захваченного параболоидального изображения является значительно большим к внешнему краю изображения, чем в его центре. Например, когда используют плоский, воспринимающий изображение датчик для захвата изображения, отраженного нормальным, имеющим форму параболоида отражателем, разрешение захваченного изображения увеличивается в четыре раза от центра изображения к его краю. Чтобы скомпенсировать этот эффект, воспринимающий изображение датчик имеет воспринимающие элементы 2008, чьи размеры и положения изменены так, чтобы привести к однородному разрешению по всему изображению. Тот же самый подход может использоваться, чтобы увеличить разрешение в выбранных частях ПЗр. Когда специфические изменения разрешения трудны для реализации, могут использоваться стандартные изменения разрешения, например те, что обеспечиваются logpolar датчиками.
Одно или более плоских зеркал могут быть включены во всенаправленное устройство формирования изображения согласно настоящему изобретению для обеспечения гибкости размещения оптики и отражателя. Фиг.21 изображает предпочтительный вариант осуществления, в котором всенаправленная система отображения включает в себя имеющий форму параболоида отражатель 2135, плоское зеркало 2116, передающую линзу 2113, линзу 2112 формирования изображения и камеру 2111. В показанном варианте осуществления имеющий форму параболоида отражатель 2135 установлен над поверхностью 2140 и плоское зеркало 2116, передающая линза 2113, линза 2112 формирования изображения и камера 2111 скрыты под поверхностью 2140. Плоское зеркало 2116 установлено ниже отверстия 2145 в поверхности 2140 и изгибает, изменяет направление передачи изображения от имеющего форму параболоида отражателя на 90 градусов, таким образом направляя изображение к передающей линзе, линзе формирования изображения и камере. Хотя плоское зеркало изображено между имеющим форму параболоида отражателем и передающей линзой, плоское зеркало может также быть размещено между передающей линзой и линзой формирования изображения или между линзой формирования изображения и камерой, как очевидно специалистам.
Фиг.22 изображает вариант осуществления всенаправленной системы формирования изображения, в которой оптика между имеющим форму параболоида зеркалом 2235 и воспринимающим изображение датчиком 2210 содержит инвертированный микрообъектив 2212 с малым оптическим увеличением. В этом варианте осуществления отражатель 2235 находится в положении, обычно занятом окуляром микрообъектива, а воспринимающий изображение датчик 2210 - в положении, обычно занятом слайдом. Использование инвертированного микрообъектива будет целесообразным для отображения, так как в коммерческих микрообъективах хорошо осуществляется коррекция аберраций.
Фиг. 23 изображает вариант осуществления всенаправленной системы формирования изображения, в которой линза коллиматора 2313 помещена между имеющим форму параболоида зеркалом 2335 и оптикой отображения 2312. Целесообразно во многих случаях использовать коммерчески доступную линзу формирования изображения, чтобы сэкономить стоимость и время проектирования специальных линз. Большинство коммерчески доступных линз формирования изображения, однако, предназначены для отображения сцен, которые находятся очень далеко от линзы. Действительно, они обычно разрабатываются для объектов, которые бесконечно удалены от линзы. Поэтому при использовании для отображения объектов, которые расположены близко к линзе, изображение подвержено различным типам аберраций, которые ухудшают эффективную разрешающую способность линзы. Результатом является нечеткое или смазанное изображение. В данном варианте осуществления эту проблему решают при помощи коллимирующей линзы 2313, которая формирует виртуальный объект в бесконечности для оптики 2312 формирования изображения. Выгодно поэтому, когда использование коллиматорной линзы 2313 позволяет использовать коммерчески доступные линзы формирования изображения.
Варианты осуществления, изображенные на фиг.24А и 24В, поясняют использование выравнивающих поля линз между воспринимающим изображение датчиком 2410 и линзой 2413 формирования изображения. Выравнивающее поле средство необходимо, так как имеющий форму параболоида отражатель по настоящему изобретению, имеющий обычно малое фокусное расстояние, порядка нескольких миллиметров, подвержен формированию очень сильно искривленного поля. Один способ устранения этого дефекта отображения состоит в том, чтобы использовать воспринимающий изображение датчик с искривленной поверхностью, которая соответствует кривизне поля изображения. Более предпочтительно, однако, если может быть введена специальная линза, называемая выравнивающей поле линзой, которая имеет кривизну, противоположную по знаку кривизне отражателя. Поэтому два искривления поля компенсируются, и поверхность результирующего изображения становится плоской, позволяя всему изображению быть в резком фокусе на плоском, воспринимающем изображение датчике.
Два типа предпочтительных выравнивающих поля линз изображены на фиг.24А и 24В. На фиг. 24А изображена плосковогнутая линза 2412а. Плосковогнутую линзу 2412а помещают как можно ближе к воспринимающему изображение датчику 2410. Предпочтительно плосковогнутая линза 2412а находится в контакте с окном 2417 воспринимающего изображение датчика. В этом положении плосковогнутая линза 2412а компенсирует кривизну поля изображения отражателя при введении только малых количеств нежелательных аберраций.
Второй тип предпочтительной выравнивающей поля линзы - менисковой линзы 2412b - показан на фиг.24В. Обе поверхности менисковой линзы 2412b являются апланатическими к падающему свету. Если поверхность является апланатической, она не вводит никакой сферической аберрации, кому или астигматизм в пучок света; она только вводит кривизну поля изображения. Менисковая линза 2412b имеет заметный эффект выравнивания поля, который определяется толщиной линзы: чем толще линза, тем больше эффект выравнивания поля. В отличие от плосковогнутой линзы 2412а, показанной на фиг.24А, менисковая линза 2412b, изображенная на фиг.24В, не используется в контакте с воспринимающим изображение датчиком 2410.
Теория выравнивающих поля линз описана ниже. В идеале поверхностью наилучшего фокуса оптической системы является плоскость. Имея плоскую поверхность, ПЗС или другой тип плоского, воспринимающего изображение датчика может соответствовать поверхности с лучшим фокусом по всей его области, таким образом обеспечивая максимальное разрешение для изображения. К сожалению, оптическая система имеет тенденцию формировать свои лучшие изображения на искривленной поверхности. Соответственно, искривленную фокальную поверхность и плоскую поверхность ПЗС нельзя совместить по всей их области, и некоторая часть или все изображение будет не в лучшем фокусе.
Кривизну поля изображения оптической системы называют кривизной Пецваля (Petzval). Каждый оптический элемент в оптической системе влияет на кривизну Пецваля для системы. Если поверхность оптического элемента является преломляющей, ее влияние на кривизну Пецваля системы выражается так:
где n - показатель преломления оптического элемента и R - радиус кривизны поверхности оптического элемента. Ясно, что влияние поверхности на кривизну Пецваля зависит от знака радиуса. Если поверхность является зеркалом вместо преломляющей поверхности, ее влияние на кривизну Пецваля равно
Кривизну поля изображения вычисляют определением суммы влияний всех отражающих и преломляющих поверхностей и умножением суммы на простую константу. Если это значение не равно нулю, то поле изображения искривлено и будет иметь место проблема, описанная выше (то есть поверхность изображения и поверхность воспринимающего изображение элемента будут совпадать не полностью).
К сожалению, искривления оптических поверхностей не могут быть устранены, потому что они необходимы для других целей, например для управления сферической аберрацией, комой и астигматизмом. Поскольку управление этими аберрациями зависит от кривизны оптических элементов, если кривизна этих элементов изменяется, эти аберрации могут оказывать неблагоприятное влияние. Имеются два способа, однако, в которых кривизна Пецваля оптической системы может быть изменена без изменения других аберраций системы. Эти два способа формируют основу для двух типов выравнивающих поля линз, описанных выше.
Первый способ изменения кривизны Пецваля зависит от оптических характеристик оптической поверхности, расположенной на поверхности изображения. Если оптическая поверхность расположена на поверхности изображения (или промежуточного изображения, или конечного изображения оптической системы), то эта поверхность не будет изменять сферическую аберрацию, кому или астигматизм изображения. Единственное изменение будет в кривизне Пецваля. Таким образом, кривизна Пецваля для системы может быть исправлена посредством вставки поверхности с соответствующим радиусом кривизны в конечном фокусе системы. Это является основой для плосковогнутой выравнивающей поля линзы, описанной выше.
Второй способ изменения кривизны Пецваля зависит от оптических характеристик апланатических поверхностей. Предположим, что имеется апланатическая поверхность, которая определена следующим образом. Пусть s будет расстоянием от объекта до поверхности и s' будет расстоянием до изображения. Также, пусть n и n' будут показателями преломления материалов до и после поверхности соответственно (где n= 1 для воздуха и n>1 для стекла). Если s и s' связаны выражением
то поверхность не вводит никакой сферической аберрации или кому и обуславливает только очень малую степень астигматизма. Если затем используют толстую линзу, обе поверхности которой удовлетворяют этому условию, то разность их радиусов будет зависеть от толщины линзы. Этот факт может быть снова использован, чтобы управлять кривизной Пецваля для системы, регулируя толщину апланата. Это является основой толстой менисковой выравнивающей поле линзы, описанной выше.
В предпочтительном варианте осуществления плосковогнутой линзы 2412а, изображенном на фиг.24А, плосковогнутая линза состоит из ВК7 и имеет показатель преломления (n), равный 1,517. Радиус искривленной (вогнутой) поверхности r1 равен 6,2 мм. Противоположная искривленной поверхности r1 поверхность является плоской и находится в контакте с окном 2417 детектора изображения. Толщина линзы по оси равна 1,5 мм, а оптический диаметр - 3 мм.
В предпочтительном варианте осуществления апланата 2412b, изображенном на фиг. 24В, апланатическая линза выполнена из акриловой пластмассы и имеет показатель преломления (n) 1,494. Радиус искривленной (выпуклой) поверхности r2 = 4,78 мм, а радиус искривленной (вогнутой) поверхности r3 = 2,16 мм. Толщина линзы по оси равна 6,7 мм. Оптический диаметр искривленной выпуклой поверхности равен 7 мм, а оптический диаметр искривленной вогнутой поверхности равен 2,7 мм.
Хотя настоящее изобретение описано со ссылками на некоторые предпочтительные варианты его осуществления, различные модификации, изменения и замены будут известны или очевидны для специалистов, не отступая от объема и духа изобретения, объем патентной защиты которого определяется в соответствии с прилагаемой формулой изобретения.
Изобретение относится к всенаправленному устройству формирования изображения для восприятия изображения визуализируемого пространства из единственной точки обзора. Устройство включает усеченный, имеющий форму параболоида отражатель, расположенный так, чтобы ортогонально отразить главные лучи электромагнитного излучения, исходящие от указанного визуализируемого пространства, указанный отражатель имеет фокус, совпадающий с единственной точкой обзора всенаправленного устройства формирования изображения, центрирующее средство, оптически связанное с отражателем для отфильтровывания главных лучей электромагнитного излучения, которые не являются ортогонально отраженными отражателем, один или более воспринимающих изображение датчиков, установленных с возможностью приема указанных ортогонально отраженных главных лучей электромагнитного излучения от отражателя. Технический результат: обеспечение истинно всенаправленного устройства формирования изображения, упрощение калибровки и воплощения. 4 с. и 56 з.п.ф-лы, 25 ил.
z~ = { ~ h sup 2-r sup 2} over { 2h} ,
где z - ось вращения указанной поверхности;
r - радиальная координата;
h - константа.
z~ = { ~ h sup 2 - r sup 2} over { 2h} ,
где z - ось вращения указанной поверхности;
r - радиальная координата;
h - константа.
| Бесколесный шариковый ход для железнодорожных вагонов | 1917 |
|
SU97A1 |
| US 4540208 А, 22.10.1985 | |||
| СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ ИЗОБРАЖЕНИЯ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ | 1990 |
|
RU2011308C1 |
