全景摄像机的发展与应用

作者：ritayqh   发布时间：2013-11-20 11:01:29

  随着摄像机从模拟走向网络，“高清”日渐成为市场关注的热点，它的出现让人们可以看得更清楚，获得更多的细节。但是，客户在从之前“只能看见人脸”到现在“能看清人脸”的同时，又提出了另一方面的要求，那就是看得更广，即在同一个场景中能看到更多的东西。对此，原来是通过用几只摄像头覆盖一个区域，或用快球来回巡航扫描去解决。但在某些场合，这些方案还不能完全满足客户的要求，比如客户需要在同一个画面里确定人的移动，或需要用同一个场景中监看到的事物去说明一些问题，这个时候就需要全景摄像机，本文主要讨论全景摄像机的发展与应用。

一、 全景摄像机的发展与现状
        目前业内对全景摄像机还没有一个很明确的定义，对于能看得更广、角度更大的摄像机，大家都称之为全景摄像机。比如一个安装在广场或大门口的、短焦距的500万像素摄像机，它基本上能将大门口或广场上的事物看清楚，于是很多人称这种摄像机为全景摄像机。也有一些厂家把360度摄像机结合特定安装方式的解决方案称为全景摄像机，比如在会议室的天花板上装一台垂直向下的鱼眼摄像机，几乎能看到会议室的全景，这种方案也称之为全景摄像机。
        对于上述两种定义的全景摄像机，本企业都提供了相对应的产品。比如高端的500万像素 CCD网络摄像机或经济型的500万像素CMOS网络摄像机，都能实现大视野、高清晰的场景监控；另外，也有配合鱼眼镜头再结合本企业矫正解码库实现鱼眼式全景监控的全景摄像机。
        目前鱼眼式全景摄像机的产品形态包括多镜头式、单鱼眼镜头式、混合式三种。
        单鱼眼镜头式：采用枪型摄像机或半球型摄像机加鱼眼镜头的形式，这也是实现全景监控的一种最简单且最经济的方式，此种方式的关键点在于摄像机本身具有对鱼眼“畸变”的矫正能力，或者可以结合特殊的处理软件校正经过鱼眼镜头变形后的图像，并且不留痕迹的处理成一幅正常图像，使得人眼能够接受，此类全景摄像机的代表厂家有Mobotix 、奇偶、腾龙、海康威视和殷浩等，本文主要讨论单鱼眼镜头式的全景摄像机的应用。

图1 单鱼眼镜头全景摄像机画面“畸变”矫正

        多镜头式：采用多镜头多角度监控后拼接图像实现360度的监控，这种方式实现技术十分复杂，成本比较高，但却少了鱼眼全景摄像机带来的鱼眼畸变的困扰，此类全景摄像机的代表厂家有Arecont Vision和AVIGILON。
        混合式：采用PTZ球机加鱼眼镜头的形式，这种方式较为少见，摄像机在转动时可当作球机使用，当球机镜头和鱼眼镜头重合时，可当作全景摄像机使用，此类全景摄像机的代表厂家有Axis。

二、 全景摄像机的应用模式及特点
        目前全景摄像机主要应用于室外视野开阔的场所，譬如道路交通、露天广场、小区楼宇、港口码头等，某些场所监控宽度甚至达到百米以上，在看清全景图像实现调度的同时，不可能也没有精力再看清人脸、车辆牌照等细节。这些场合只需要在制高点安装一台鱼眼摄像机即可以满足一个场所内的全景监控。
与传统的监控摄像机相比，全景摄像机的优势包括:
 超宽监控视角
        一枚鱼眼镜头尽收360度全景，可取代传统的多支摄像机：用户只需要一枚专用的鱼眼镜头便能直接观看整个空间，四周的影像一次尽收眼底，完全消灭死角。
 降低成本
        全景摄像机的这种360度实时全景监控能力，使得无需为涵盖整个监控区域而安装多台摄像机，因而节省了摄像机硬件投资。监控摄像机路数大大减少，可以节省配套设备，如镜头、防护罩、布线、电源、录像、显示等相应配件和设备的成本，还可降低施工布线难度，节省安装时间、人工费用以及后续维护费用。
 虚拟PTZ技术
        采用虚拟PTZ技术，可以放大或移动监控视野内的图像区域，当转变方向观察另一个图像区域时，不会发出任何噪音，隐秘且不易察觉。由于没有机械移动部件，不需要时刻的进行机械化运转，全景摄像机不会发生任何磨损，产品结实耐用，使用寿命大大延长。全景环视的图像失真矫正可对多个图像区进行，这样，与机械PTZ摄像机不同，全景摄像机能同时观察和摄录多个不同的区域。

三、 全景摄像机的关键技术
        判断一款全景摄像机性能是否优良大约有两点：一、有效覆盖的视场角有多大，能看清的场景有多全；二、看到场景中像素点的清晰度有多少。全景摄像机的关键技术包括：
 高分辨率的实现
        高像素的产品不仅是Sensor的选取，ISP的处理、编码以及与网络相应的配合都很重要，并且在相应的结构、工艺等要求上，要比普通摄像机严格数倍。
 鱼眼展开矫正的准确性
        在将鱼眼摄像机所产生的圆形图像展开为人眼能接受的普通平铺图像的过程中，反畸变、反扭曲的算法是非常重要的。因为从镜头选型开始，就需要通过镜头的曲率特征分析、光学折射线路分析，以及结合透光亮考虑分析，才能取得一个比较好的图像源，以达到大景深、高分辨率，且画面周边和中心的解像力要均衡。对于全景摄像机的开发，本企业除了严格筛选以确保镜头的高品质的同时，对于鱼眼展开算法也做了长期、深入的研究。目前已经实现了对鱼眼镜头所产生的圆形图像进行有效展开及处理，获得了人眼习惯的平铺图像，并且在没有畸变和扭曲的细节基础上进行了相应优化，保证了整体图像的清晰、准确。

四、 全景摄像机的发展趋势
        全景摄像机发展至今已有十年有余，而真正的推广却是从近两年才开始的。因其高昂的价格、复杂的图像处理技术以及图像校正后的低分辨率等因素的限制，全景摄像机并没能像其他普通摄像机那样进入大众的生活，而是主要定位在专业应用市场，比如大场景环境或易于垂直安装的场合。
目前，市场对于全景摄像机的认知度还不是很高，更多的是厂家的宣广和引导工作。其实业界对于全景摄像机的技术并没有太多的争议或质疑，并且个人认为，对于全景摄像机的定义也没有必要进行过多的辩论，关键是要看产品能否满足客户的需要，是否解决使用者的具体问题。越来越多的客户会要求“看得更多、看得更清”，所以全景摄像机必然有着很大的市场。为此，本企业也做了大量的投入致力于全景摄像机的研发，如今已经推出了全系列的产品，包括高200万像素CCD、CMOS，500万像素CCD、CMOS等系列全景摄像机，以及200万像素鱼眼、500万像素鱼眼摄像机，可满足不同应用场景、不同价位要求的客户需求。
多技术融合是未来全景摄像机发展的主要方向：
 VMS支持
        全景摄像机的图像处理需要VMS（视频管理软件）的支持，但由于目前的鱼眼展开算法都是厂家私有的，导致VMS支持范围非常有限。如何将鱼眼展开算法实现互通共享，实现统一标准接口，是未来设备厂家和集成商需要共同努力的方向。
 分辨率
        全景摄像机相对于普通摄像机而言一个很大的优势在于其超大的监控范围，然而从分辨率密度上来考虑，同样的像素的摄像机在监控更大的区域时会导致像素的分散和退化。这是由于监控范围很大，在与传统监控镜头共用大小相同的成像芯片上，就需要接收数倍的图像信息，这就造成画面分辨率的下降，因此只有在对监控图像画面质量要求不太高或使用高分辨率成像器件时才能使用。这就解释了为什么300万像素的全景摄像机画面质量看上去像CIF分辨率。所以对于全景摄像机而言，提高画面分辨率是未来一项重要的研究课题。
 低照度
        全景摄像机大多数都没有ICR（机械式红外滤色片），导致其低照度效果很难令人满意。因为在以后的发展中会更多关注全景摄像机的夜间效果，譬如采用ICR+红外补光或者提升感光器的感光性能来提升低照度效果。
 宽动态
        以鱼眼摄像机为例，其采用具有360度超大视角的鱼眼镜头监控整个场景，如此大范围的监控势必会导致全景摄像机在白平衡以及曝光等方面的处理困难。正是由于这点，限制了全景摄像机在室内的应用。解决好全景摄像机的宽动态效果，能够推动未来全景摄像机在室内环境的应用。
 智能
        如何解放安防的人力一致是智能分析的发展方向，特别是在全景摄像机的无死角监控的条件下实现智能分析一定能够带来更好的安防应用。