本发明涉及一种图像采集系统，尤其涉及一种可定位的全景三维成像系统及定位方法。
背景技术：
目前，在法庭科学领域中/在案件现场勘验中/在刑事照相过程中，实现对法庭现场/案件现场/犯罪现场的记录和重现的方式主要是，利用各类照相系统(机)对实景进行拍摄记录，是二维的视频图像记录，数据、信息和痕迹均为二维。我国公安等执法部门迫切需要在现场勘验场景中运用三维全景图像技术，弥补传统刑事照相二维图像的短板，提升案件分析、案情研判和并案调查的效率。
现有申请公布号为cn110381306a的发明专利提供了一种球形三维全景成像系统，其包括球体、至少三个的镜头组、与镜头组对应的图像传感器、数据处理单元、储存模块，以及电源模块，镜头组的实焦点均位于球体的球心处，图像传感器位于镜头组的成像面处。
利用上述成像系统可形成三维全景，并采用诸如结构光全景测量或者激光扫描全景测量等方法，可测量出三维全景中任一点与成像系统球心之间的距离。
但是上述技术方案存在以下问题：当目标定位点与成像系统处于透明物体(例如玻璃)的两侧时，由于激光或者结构光经过透明物体表面会发生反射和折射，影响激光或结构光的强度或方向，导致对目标定位点的测量出现误差，无法定位实际视野可见的目标点，因此有待改善。
技术实现要素：
为此，本发明的目的是提供一种可定位的全景三维成像系统及定位方法，以解决上述技术问题。
本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：
一种可定位的全景三维成像系统及定位方法，包括摄像控制设备，以及至少两个球形摄像装置，所述球形摄像装置包括至少三个镜头组、用于接收镜头组光信号的图像传感器，以及数据处理单元，所述摄像控制设备用于控制所有球形摄像装置对目标点同时拍摄；
其中两个所述球形摄像装置分别形成第一全景和第二全景，所述第一全景和第二全景具有拍摄重叠区域，且所述目标点位于所述拍摄重叠区域内。
作为优选，所述球形摄像装置设置有三个，且三个球形摄像装置的球心不在同一条直线上。
作为优选，所述摄像控制设备在拍摄时同时向多个球形摄像装置发送电压信号。
一种可定位的全景三维成像系统的定位方法，所述全景三维成像系统包括第一球形摄像装置和第二球形摄像装置在内的至少两个球形摄像装置，所述第一球形摄像装置和第二球形摄像装置同时拍摄，分别形成第一全景和第二全景，所述定位方法用于定位空间中目标点的坐标，包括以下步骤：
s1、将第一球形摄像装置和第二球形摄像装置安装至第一全景和第二全景均包含有目标点p1(x,y,z)的位置；
s2、在空间中任取一点作为坐标原点o(0,0,0)建立三维坐标系xyz，经实地测量，得到第一球形摄像装置的球心坐标d1(a1,b1,c1)，第二球形摄像装置的球心坐标d2(a2,b2,c2)；
s3、确定d1p1所在直线的其中一个方向向量，由该方向向量得到所在直线的对称式方程(1)；
s4、确定d2p1所在直线的其中一个方向向量，由该方向向量得到所在直线的对称式方程(2)；
s5、联立方程(1)和方程(2)，解得(x,y,z)，即为目标点p1在三维坐标系xyz中的坐标。
作为优选，在s3步骤中，确定d1p1所在直线的其中一个方向向量包括以下步骤：
s31、以第一球形摄像装置的球心作为坐标原点建立三维坐标系x1y1z1；
s32、以z1轴为转轴，旋转y1d1z1所在平面至其经过目标点p1(x,y,z)所需转动的角度为α1，以x1轴为转轴，旋转x1d1y1所在平面至其经过目标点p1所需转动的角度为β1；
s33、得到d1p1所在直线的其中一个方向向量为(cosβ1×sinα1,-sinβ1,cosβ1×cosα1)。
作为优选，d1p1所在直线的对称式方程表示为：
作为优选，在s4步骤中，确定d2p1所在直线的其中一个方向向量包括以下步骤：
s41、以第二球形摄像装置的球心作为坐标原点建立三维坐标系x2y2z2；
s42、以z2轴为转轴，旋转y2d2z2所在平面至其经过目标点p1所需转动的角度为α2，以x2轴为转轴，旋转x2d2y2所在平面至其经过目标点p1所需转动的角度为β2；
s43、得到d2p1所在直线的其中一个方向向量为(cosβ2×sinα2,-sinβ2,cosβ2×cosα2)。
作为优选，d2p1所在直线的对称式方程表示为：
作为优选，所述全景三维成像系统设置有三个球形摄像装置，分别为第一球形摄像装置、第二球形摄像装置和第三球形摄像装置，所述全景三维成像系统可定位空间任一目标点的坐标。
作为优选，当目标点p1位于第一球形摄像装置和第二球形摄像装置的球心连线的所在直线上时，利用第一球形摄像装置和第三球形摄像装置的组合或者利用第二球形摄像装置和第三球形摄像装置的组合，定位目标点p1的坐标。
本发明提供的一种可定位的全景三维成像系统及定位方法具有如下优点：
1.利用两个球形摄像装置拍摄形成的第一全景和第二全景，能够准确定位位于这两个全景拍摄重叠区域中目标点的坐标；
2.利用三个球形摄像装置能够解决当目标点位于两个球形摄像装置连线之间时的特殊情况，以进一步扩大定位范围；
3.多个球形摄像装置的同时拍摄，保证所形成的全景在瞬间的一致性，以此降低由一个球形摄像装置多次在不同地点拍摄所带来的时间误差。
附图说明
图1为本发明中球形摄像装置的结构示意图；
图2为本发明中球形摄像装置的立体剖视图；
图3为本发明中三维坐标系xyz的示意图；
图4为本发明中定位方法的步骤流程图。
图中各附图标记说明如下：
1、球体；2、镜头组；3、图像传感器；4、数据处理单元；5、储存单元；6、电源模块。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
当前，我国公安等执法部门在现场勘验所采用的拍照手法包括几种，一种是利用同一相机，在多个角度分别对目标点进行拍摄，以此形成环绕目标点的多张照片，二是利用多个相机，在不同的角度对目标点进行拍摄，以此形成同一时间的目标点的多张照片。
第二种方式在时间性上优于第一种方式，但即便是第二种方式也会存在弊端，相机所呈现出的照片具有局部性，在一张照片当中无法尽显勘验现场的所有角度，即相机无法拍摄其后方的情况，若在后续侦查工作中需要观测相机后方的物体位置，上述相机所拍摄的照片便无法仅需提供侦查帮助。
为此，在申请公布号为cn110381306a的发明专利提供了一种球形三维全景成像系统中，利用该系统可以拍摄勘验现场的所有物体，形成三维全景，并利用结构光全景测量或者激光扫描全景测量等方法，便可测量出三维全景中任一点与成像系统球心之间的距离。
但是，目标定位点与成像系统处于透明物体(例如玻璃)的两侧时，由于激光或者结构光经过透明物体表面会发生反射和折射，影响激光或结构光的强度或方向，导致对目标定位点的测量出现误差，无法定位实际视野可见的目标点。
为同时解决上述的“普通相机无法完成勘验现场的全方位拍摄”以及“现有的球形三维全景成像系统无法应对出现透明阻碍物时的定位”这两项问题，本发明提供一种可定位的全景三维成像系统，具体如下。
一种可定位的全景三维成像系统，如图1至图4所示，包括摄像控制设备，以及至少两个球形摄像装置。
球形摄像装置包括球体1，在球体1的表面安装有至少三个镜头组2，在优选的情况时，可安装三十六个或七十二个镜头组2。
镜头组2等距且均匀地分布于球体1的表面，每一镜头组2均具有实焦点和成像面，每一镜头组2的实焦点均汇集于球体1的球心处，镜头组2用于采集其所负责的区域内的场景，拍摄形成图像。
在球体1的内部设有数量与镜头组2相同的图像传感器3，并且与镜头组2一一对应，图像传感器3位于与其对应的镜头组2的成像面处，用于接收镜头组2的光信号，并将光信号转化为电信号。
在球体1内还设有数据处理单元4、储存模块和电源模块6。
数据处理单元4，与所有的图像传感器3均电连接，接收部分或所有图像传感器3传输过来的电信号，能控制在同一时刻所有镜头组2采集到所负责区域内的场景图像集合。
储存模块，与数据处理单元4电连接，接收并储存由数据处理单元4输出的场景图像集合。
电源模块6，与镜头组2、数据处理单元4及储存模块连接，用于为镜头组2、数据处理单元4及储存模块供电。
摄像控制设备用于控制所有球形摄像装置对目标点同时拍摄，且摄像控制设备在拍摄时同时向多个球形摄像装置发送电压信号，使得每个球形摄像装置的摄像时间间隔不大于100毫秒，以此提高所有的球形摄像装置所形成的全景三维场景在时间上的统一性，避免由于拍摄时间误差所导致的光线、物体位置等多因素的变化而引起的定位误差。
除目标点位于两个摄像装置连线之上的特殊情况，利用两个摄像装置即可完成在该空间中任一目标点的定位。
两个球形摄像装置分别形成第一全景和第二全景，第一全景和第二全景具有拍摄重叠区域，且目标点位于拍摄重叠区域内。
将第一全景和第二全景想象成一个巨大的球体，在电脑系统中观察第一全景和第二全景，即相当于人体位于巨大的球体中心处观察空间的全景，若确定某一方向作为初始方向，那么以第一球形摄像装置的球心至目标点作出一条射线，该射线的方向是可以通过第一全景以及初始方向所确定，再以第二球形摄像装置的球心至目标点作出一条射线，该射线的方向也是可以通过第二全景以及初始方向所确定，如此两条射线的方向向量即可在确定，射线所在的交点坐标亦可确定，由此便确定目标点的坐标。
以上为利用两个球形摄像装置定位空间目标点的坐标的实现原理。
但是，若目标点位于上述两个球形摄像装置的球心所在的直线上时，上述形成的两条射线便会在同一直线上，如此其交点有无数个，便无法确定目标点的坐标。
为此，本发明进一步优化，球形摄像装置设置有三个，且三个球形摄像装置的球心不在同一条直线上。
如此，即便目标点位于其中两个球形摄像装置的球心连线处时，亦可将其中任一球形摄像装置替换成第三个球形摄像装置进行定位目标点的坐标。
在上述方案中，如何通过两个球形摄像装置确定两条射线的方向向量，再以该方向向量确定目标点的坐标的具体方法，为本发明的欲解决的问题的关键所在。
为此，本发明还提供一种可定位的全景三维成像系统的定位方法，能够应用该定位方法的全景三维成像系统包括第一球形摄像装置和第二球形摄像装置在内的至少两个球形摄像装置，第一球形摄像装置和第二球形摄像装置同时拍摄，分别形成第一全景和第二全景。
定位方法定位空间中目标点的坐标具体包括以下步骤：
s1、将第一球形摄像装置和第二球形摄像装置安装至第一全景和第二全景均包含有目标点p1(x,y,z)的位置；
在安装前应当先确定所勘验的现场的首要目标点的位置，然后位于该位置的附近安装第一球形摄像装置和第二球形摄像装置；
s2、在空间中任取一点作为坐标原点o(0,0,0)建立三维坐标系xyz，经实地测量，得到第一球形摄像装置的球心坐标d1(a1,b1,c1)，第二球形摄像装置的球心坐标d2(a2,b2,c2)；
坐标原点通常选择在空间所拍摄的角落处，比如若在一间房间中进行拍摄，可选择房间任一墙角作为坐标原点o(0,0,0)，如此可使第一球形摄像装置和第二球形摄像装置的球心坐标以及目标点的坐标均位于同一空间象限中；
s3、确定d1p1所在直线的其中一个方向向量，由该方向向量得到所在直线的对称式方程(1)，具体包括以下步骤：
s31、以第一球形摄像装置的球心作为坐标原点建立三维坐标系x1y1z1；
s32、以z1轴为转轴，旋转y1d1z1所在平面至其经过目标点p1(x,y,z)所需转动的角度为α1，以x1轴为转轴，旋转x1d1y1所在平面至其经过目标点p1所需转动的角度为β1；
s33、得到d1p1所在直线的其中一个方向向量为(cosβ1×sinα1,-sinβ1,cosβ1×cosα1)；
并且，d1p1所在直线的对称式方程表示为：
s4、确定d2p1所在直线的其中一个方向向量，由该方向向量得到所在直线的对称式方程(2)，具体包括以下步骤：
s41、以第二球形摄像装置的球心作为坐标原点建立三维坐标系x2y2z2；
s42、以z2轴为转轴，旋转y2d2z2所在平面至其经过目标点p1所需转动的角度为α2，以x2轴为转轴，旋转x2d2y2所在平面至其经过目标点p1所需转动的角度为β2；
s43、得到d2p1所在直线的其中一个方向向量为(cosβ2×sinα2,-sinβ2,cosβ2×cosα2)；
并且，d2p1所在直线的对称式方程表示为：
s5、联立方程(1)和方程(2)，解得(x,y,z)，即为目标点p1在三维坐标系xyz中的坐标。
在上述中，x1轴、x2轴平行于x轴，y1轴、y2轴平行于y轴，z1轴、z2轴平行于z轴。
同理，上述的定位方法无法定位位于第一球形摄像装置和第二球形摄像装置的连线之上的目标点。
为此，在本定位方法中，将全景三维成像系统设置有三个球形摄像装置，分别为第一球形摄像装置、第二球形摄像装置和第三球形摄像装置，此时的全景三维成像系统可定位空间任一目标点的坐标。
以下以同时需要对空间若干个目标点p1、p2、p3，进行定位举例说明如何实现空间任一目标点的定位工作，其中，p1位于第一球形摄像装置和第二球形摄像装置的球心连线的所在直线上，p2位于第一球形摄像装置和第三球形摄像装置的球心连线的所在直线上，p3位于第二球形摄像装置和第三球形摄像装置的球心连线的所在直线上。
利用第一球形摄像装置和第三球形摄像装置的组合或者利用第二球形摄像装置和第三球形摄像装置的组合，并利用本定位方法，即可定位目标点p1的坐标。
利用第一球形摄像装置和第二球形摄像装置的组合或者利用第一球形摄像装置和第三球形摄像装置的组合，并利用本定位方法，即可定位目标点p2的坐标。
利用第一球形摄像装置和第二球形摄像装置的组合或者利用第二球形摄像装置和第三球形摄像装置的组合，并利用本定位方法，即可定位目标点p3的坐标。
由此解决仅设置两个球形摄像装置时，当目标点位于两个球形摄像装置的球心连线之上时，便无法定位目标点的问题。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。
1.一种可定位的全景三维成像系统，其特征在于，包括摄像控制设备，以及至少两个球形摄像装置，所述球形摄像装置包括至少三个镜头组、用于接收镜头组光信号的图像传感器，以及数据处理单元，所述摄像控制设备用于控制所有球形摄像装置对目标点同时拍摄；
其中两个所述球形摄像装置分别形成第一全景和第二全景，所述第一全景和第二全景具有拍摄重叠区域，且所述目标点位于所述拍摄重叠区域内。
2.根据权利要求1所述的可定位的全景三维成像系统及定位方法，其特征在于，所述球形摄像装置设置有三个，且三个球形摄像装置的球心不在同一条直线上。
3.根据权利要求1所述的可定位的全景三维成像系统及定位方法，其特征在于，所述摄像控制设备在拍摄时同时向多个球形摄像装置发送电压信号。
4.一种可定位的全景三维成像系统的定位方法，其特征在于，所述全景三维成像系统包括第一球形摄像装置和第二球形摄像装置在内的至少两个球形摄像装置，所述第一球形摄像装置和第二球形摄像装置同时拍摄，分别形成第一全景和第二全景，所述定位方法用于定位空间中目标点的坐标，包括以下步骤：
s1、将第一球形摄像装置和第二球形摄像装置安装至第一全景和第二全景均包含有目标点p1(x,y,z)的位置；
s2、在空间中任取一点作为坐标原点o(0,0,0)建立三维坐标系xyz，经实地测量，得到第一球形摄像装置的球心坐标d1(a1,b1,c1)，第二球形摄像装置的球心坐标d2(a2,b2,c2)；
s3、确定d1p1所在直线的其中一个方向向量，由该方向向量得到所在直线的对称式方程(1)；
s4、确定d2p1所在直线的其中一个方向向量，由该方向向量得到所在直线的对称式方程(2)；
s5、联立方程(1)和方程(2)，解得(x,y,z)，即为目标点p1在三维坐标系xyz中的坐标。
5.根据权利要求4所述的可定位的全景三维成像系统的定位方法，其特征在于，在s3步骤中，确定d1p1所在直线的其中一个方向向量包括以下步骤：
s31、以第一球形摄像装置的球心作为坐标原点建立三维坐标系x1y1z1；
s32、以z1轴为转轴，旋转y1d1z1所在平面至其经过目标点p1(x,y,z)所需转动的角度为α1，以x1轴为转轴，旋转x1d1y1所在平面至其经过目标点p1所需转动的角度为β1；
s33、得到d1p1所在直线的其中一个方向向量为
(cosβ1×sinα1,-sinβ1,cosβ1×cosα1)。
6.根据权利要求5所述的可定位的全景三维成像系统的定位方法，其特征在于，d1p1所在直线的对称式方程表示为：
7.根据权利要求4所述的可定位的全景三维成像系统的定位方法，其特征在于，在s4步骤中，确定d2p1所在直线的其中一个方向向量包括以下步骤：
s41、以第二球形摄像装置的球心作为坐标原点建立三维坐标系x2y2z2；
s42、以z2轴为转轴，旋转y2d2z2所在平面至其经过目标点p1所需转动的角度为α2，以x2轴为转轴，旋转x2d2y2所在平面至其经过目标点p1所需转动的角度为β2；
s43、得到d2p1所在直线的其中一个方向向量为
(cosβ2×sinα2,-sinβ2,cosβ2×cosα2)。
8.根据权利要求7所述的可定位的全景三维成像系统的定位方法，其特征在于，d2p1所在直线的对称式方程表示为：
9.根据权利要求4所述的可定位的全景三维成像系统的定位方法，其特征在于，所述全景三维成像系统设置有三个球形摄像装置，分别为第一球形摄像装置、第二球形摄像装置和第三球形摄像装置，所述全景三维成像系统可定位空间任一目标点的坐标。
10.根据权利要求9所述的可定位的全景三维成像系统的定位方法，其特征在于，当目标点p1位于第一球形摄像装置和第二球形摄像装置的球心连线的所在直线上时，利用第一球形摄像装置和第三球形摄像装置的组合或者利用第二球形摄像装置和第三球形摄像装置的组合，定位目标点p1的坐标。
技术总结