鱼眼镜头的成像模式和应用简介

鱼眼镜头是一种极端的广角镜头，通过引入桶形畸变，对物理空间进行“压缩形变”，从而获得视角为180~270度的超广角成像，尽管物像间差异很大，但不影响分辨率，且能保证物点与像点的一一对应关系，可以实现大范围的清晰成像。

为了使镜头达到最大的摄影视角，这种镜头的前镜片呈抛物状向前部凸出，与鱼的眼睛颇为相似，因此被称为“鱼眼镜头”。大多数鱼眼镜头都是定焦镜头，只有极少数是变焦镜头。因其超广角的特性，鱼眼镜头在天文、气象、森林防火以及国防军事等领域都有着重要的应用。

一、鱼眼镜头的成像原理

鱼眼镜头的视觉效果类似于鱼在水中观察水面上的事物，当鱼在贴近水面的位置观察时，视角可以达到近180°的广角。这种现象在光学原理中属于全反射和光路可逆。因此，鱼眼镜头也被称为全景镜头。一般认为，16mm或焦距更短的镜头即为鱼眼镜头，但是在工程上视角范围超过140度的镜头即统称为鱼眼镜头，在实际中也有视角超过甚至达到270度的镜头。

鱼眼镜头是一种特殊镜头，但是在成像时因为实际生活中的景物是有既定的固定形态的，而通过鱼眼镜头产生的画面效果超出了这一范畴，所以需要合适的模型设计，以计算像点的准确位置。

鱼眼镜头可分为两种类型：一种是较为常见的全幅鱼眼镜头，拍出的影像是方形的，整个画面并不出现遮角现象；另一种是圆形鱼眼镜头，其视角能够达到180°以上，拍出影像的成像圈是圆形的，画面的四角全被遮挡住了。

鱼眼镜头的焦距很短、视角很大，能使景物的透视感得到极大的夸张。鱼眼镜头所拍摄的画面中除通过中心部分的直线仍保持平直外，其他部分的直线都变弯曲了。

二、鱼眼镜头的畸变校正

鱼眼镜头靠人为引入大量桶形畸变获得大视角，从而能够获得大视场的图像信息，所以图像除画面中心处物体形状不变，其它本应是直线的部分都有一定的扭曲变形，这对其应用造成了很多限制。例如，在安防领域，一个鱼眼镜头可以代替多个普通镜头，进行大范围的监视，由于视角可达180º，几乎没有监控死角，即使只用一个镜头，被监控者也几乎没有办法移动或破坏镜头而不被发现，然而由于图像的畸变使物体难以用人眼识别，使其监视能力大打折扣。例如在机器人领域，自动化的机器人要求能采集周围景物的图像信息并加以识别，以采取对应的行动，若采用鱼眼镜头则可使采集效率提高2-4倍，但由于引入了畸变使通常的识别软件难以应用。

所以我们需要某种方式来识别鱼眼镜头的所得图像。一种方式是直接在原图像中进行识别，例如提供了一种算法，可以识别太阳在图像中的位置，但由于畸变的原因，同一物体在不同位置时其特征也会变化，这会极大地增加软件的运算量，也很难实现对复杂图形的识别。所以，现在通用的方法是通过一系列变换抵消图像中的畸变，从而获得正常的图像，进而加以识别。

三、鱼眼镜头像高与Sensor的关系

目前位置鱼眼的成像以垂直内切和上下部分裁切为主。

四、鱼眼镜头的应用

鱼眼镜头的用途很广泛，对于近距离拍摄大范围景物非常有用，并且容易得到视觉冲击力强烈的画面。例如用于拍摄风景时，可使画面显得更有气势和空间感；而在狭窄的室内环境拍摄时，也可拍出看似很宽广的空间效果。但是由于鱼眼镜头的视角远远超出了人眼所能看到的范围，因此拍出的照片会给人极其夸张和不真实的视觉感受，但往往也能获得富有想象力或情趣的特殊画面效果。

由于鱼眼镜头的前镜片凸出，因而无法像普通镜头那样为其安装滤光镜。鱼眼镜头通常采用内置滤光镜的方式解决此问题，根据拍摄需要，由拍摄者操控镜头上的滤光镜转换环，将需要的滤光镜转换至镜头的摄影光路中。

若不希望鱼眼镜头的畸变影响画面的均衡，可以选择拍摄相对较为对称的场景，这样画面看起来就会舒服许多。

近年来，鱼眼镜头更多地应用于广角成像领域，在军事、监控、全景模拟、球幕投影等方面。相较于其他系统，鱼眼镜头具有质量轻、体积小等优势，同时也具有需要消除相差的不便捷之处。