Всенаправленное устройство формирования изображения

Всенаправленное устройство формирования изображения

Реферат

 

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.

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 90^o с помощью 50^o 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 360^o.

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 360^o, 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 .

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, 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 угловой координаты. Угол падающего луча 405 относительно оси равен . 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()=z/r, (2) и для ортогонального отражения все лучи должны быть отражены под углом = /2, (3) где - 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 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 включ