為什么小小一個全景相機，兩個攝像頭就能拍出所有的視角，仿佛讓我們置身機器內(nèi)部在東看西瞧？在講它為啥讓你身臨其境前，我們得知道全景相機怎么能拍出這么大角度的畫面。
手機全景模式
打開手機，你會發(fā)現(xiàn)，鏡頭拍下的只是眼前的一部分視野。如果想把身前美景盡收眼底，則需要打開全景模式，并且雙手穩(wěn)定地沿著軸移動。
將手機移動時拍攝的多張照片拼接在一起，這一長卷畫幅才是眼見郁郁蔥蔥的景色。下圖的糊化是橫移速度不均導致，而缺角黑邊則是上下抖動的原因。
如果拍攝中的人物有走動的話，還容易出現(xiàn)殘影分身...
普通相機只能拍一個方向，想看別的地方要么轉(zhuǎn)動方向，要么切換到另一個相機的畫面（但又容易漏掉細節(jié)）。而全景相機在拍的時候也不用轉(zhuǎn)動，自然沒有殘影，又一眼看全所有角落，直接拍下 360° 的所有畫面...怎么做到的！
多個鏡頭
為了獲得真·全景圖像，我們可以用多攝像頭組合，同時拍攝各個角度的畫面，用算法把照片拼接融合成一個環(huán)帶畫面，或者球面的立體畫面。
廣角鏡頭
而為了能少用點攝像頭，我們當然希望鏡頭能拍攝的視角越大越好。就是你了，廣角鏡頭！它拍出來的視野范圍很大，我們在工廠里也用的很多，比如操作臺上的食物視角——「我就躺這兒，看看你們都要對我干什么！」（有種做手術前天旋地轉(zhuǎn)的感覺...）
魚眼鏡頭
這類鏡頭中有一位杰出代表，極焦距很短（≤16mm）的超廣角鏡頭——魚眼鏡頭。它最前鏡片向前部凸起呈半球形或負彎月形，形狀與魚的眼睛相似，因此得名。這款全景相機的單個魚眼鏡頭拍攝視角是超過 180° 的，大約達到了 200°。
這個視覺效果類似于魚在水下觀察水上的環(huán)境，當魚靠近水面就能獲得接近180° 的視角。如果稍微出來點水面，視角就更大些。（ 圖做累了，大家只管笑...）
而全景相機實現(xiàn)超過 180° 的視角，是采用更短的焦距、更大的圖像傳感器和專門的鏡頭設計！
三組鏡片的處理
魚眼相機的鏡頭并不是簡單的一個玻璃半球，實際上它非常復雜。簡單來說包括三組鏡頭，下圖依次從左到右看。
1，最前端的是我們?nèi)粘？吹降?strong>前鏡片，通常明顯凸出，接收來自極廣角度（如 180° 甚至更大角度）的光線，從而捕捉到超寬視野的畫面。
2，中間組使用非球面鏡片矯正色散（顏色分離），修正像場彎曲（避免邊緣模糊），并控制畸變程度（防止過度變形）。
3，后組鏡片通過凸透鏡組將光線精準聚焦到傳感器，同時校正殘余像差（如球差、場曲），提升整體清晰度。
半球視野
雖然魚眼鏡頭通過特殊的光學設計實現(xiàn)了超廣角成像，類似于將半球形視野投影至平面?zhèn)鞲衅鳌?/p>
但這種非相似性投影，自然會引入顯著的桶形畸變。
桶形畸變
在中心區(qū)域，魚眼鏡頭還近似遵循透視投影，物體比例和形狀保留較好，成像效果和普通相機相差不大。大家回憶下初中時學的小孔成像~
可是在邊緣區(qū)域，就出現(xiàn)了非線性壓縮，直線呈現(xiàn)明顯彎曲。像照哈哈鏡一般，大視野范圍付出的變形代價開始夸張~
校正畸變
誒~別急！已經(jīng) 2025 年了哦， 能拍當然還得能用。目前魚眼鏡頭的校正方法分兩種。一種是在鏡頭系統(tǒng)中加入負畸變校正鏡組，然后通過光學軟件優(yōu)化光學系統(tǒng)，降低系統(tǒng)畸變，但這會增加鏡片數(shù)量與制造成本。另一種是通過算法，將畸變嚴重的圖像重新構建為與現(xiàn)實物體較為相似的圖像，從而減小畸變。
簡單來說，要么在拍照時就戴「矯正眼鏡」，要么等拍完再用「還我漂漂拳」。兩種方法都能讓魚眼照片變得更符合人眼看到的真實世界。
隱藏自拍桿
既然單個魚眼鏡頭已經(jīng)可以獲取大視野畫面了，讓我們回到最初的好奇——這臺全景相機怎么做到 360° 無死角的記錄所有信息？理論上，只要擁有兩枚魚眼鏡頭，180° + 180° ，我們就能拼湊出 360° 的無死角。但是，別忘記鏡頭本身也存在物理厚度！
消費級全景相機發(fā)展到現(xiàn)在，這問題已經(jīng)解決。遠大于 180° 的視野范圍，看得更廣 cover 了鏡頭自身厚度帶來的那部分視野盲區(qū)。正反兩面相加依舊可覆蓋 360°，包括上下 180° 的俯仰角。我們從全景相機案例來分析，在獲得一個無死角空間的情況下，這個「看得更廣」還能通過算法把自拍桿隱藏，把無人機隱藏，把夾角范圍內(nèi)的一切隱藏，這反而成了全景相機 BUG 般的天然優(yōu)勢。
先拍攝，后取景。畢竟所有角度、每處細節(jié)在拍的時候就已經(jīng)被完整記錄下來了。
等等！小編還有話說...
「一臺全景相機 = N 個機位視角。一次全景拍攝，就同時捕捉了 360o 的所有視角，每一度都盡數(shù)記錄。」
接下來，讓我們看看可以用全景相機玩出什么花樣~比如，享受一下如小王子般的待遇：與小伙伴們擁有一顆可以自行命名的小行星，或者在展覽用的室內(nèi)小空間里當偵探？
參考文獻：（上下滑動可瀏覽）
[1] 江云峰，羅敏等.魚眼鏡頭的研究進展及應用[J].紅外技術 ,2023,45(4):342-351.
[2] 郭辰. 基于球面透視投影的魚眼圖像校正算法的研究與實現(xiàn)[D]. 中國科學院大學,2015.
[3] 姜幸儉,李霆.球面透視投影的魚眼鏡頭全景圖拼接[J].現(xiàn)代計算機.2020,(17).
[4]肖昆鵬. 基于特定角度魚眼圖像校正的設計與實現(xiàn)[D]. 陜西:西安電子科技大學,2017.
[5] Kumlera J J, Bauerb M. Fisheye lens designs and their relative performance[C]//Proc. of SPIE, 2000, 4093: 360-369.
[6] D. Schneider , E. Schwalbe, H.-G. Maas. Validation of geometric models for fisheye lenses[J]. ISPRS Journal of Photogrammetry and Remote Sensing.2009,64(3).
[7] Kim, Hyungtae,Jung, Jaehoon,Paik, Joonki.Fisheye lens camera based surveillance system for wide field of view monitoring[J].Optik: Zeitschrift fur Licht- und Elektronenoptik: = Journal for Light-and Electronoptic.2016,127(14).5636-5646.
來源：有趣的制造
原標題：就前后倆鏡頭，全景相機為什么能拍出所有的視角？| 有趣的制造
編輯：未
轉(zhuǎn)載內(nèi)容僅代表作者觀點
不代表中科院物理所立場
如需轉(zhuǎn)載請聯(lián)系原公眾號
熱門跟貼