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就前后俩镜头，全景相机为什么能拍出所有的视角？ | 有趣的制造

有CastAI约 7 分钟

4 年前就有小可爱发问洗碗机，年年被 cue...Image 洗碗机工作的时候，内部全是喷淋水、蒸汽，还上了压力和温度...原理的资料倒是好找，有图有真相的条件不太允许哇，想让我放啥一次性废止的相机进去拍啊？

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直到我前一阵看到影石Insta360 全景相机的一段测试视频，是在下图淋雨实验箱的喷淋环境中进行的。而且这相机还有做 70℃ 温度，90% 湿度的恒温恒湿箱测试。🤔 诶？裸机水下 15m 的防水性能，那岂不是？！

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我就入手了这周新发布的影石Insta360 X5 全景相机（红圈的是俩鱼眼镜头），自己搭配一个潜水灯当洗碗机这密闭空间的光源，这就帮我一探究竟吧~
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😈 除了正常吃饭后的碗碟，也试了试把家里的 n 种酱料做调配...
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喷淋原理图
洗碗机的原理图一般商家都会展示，但这图片...Image 像是在说所有的喷淋臂都同时冲洗着碗筷。实际真是这样吗？
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切换成装进洗碗机的全景相机视角，就能发现上下两个喷淋臂并非同时运行，而是交叉运转着冲刷碗碟。
交叉喷淋
下图记录的是位于碗筷下方的喷淋臂在朝上冲水，而上方喷淋臂静止不动。喷淋臂转动的力来自斜向水流的自带动，好比花园里开了水龙头就乱甩的皮管...万一有碗筷挡住了喷淋臂，不转动顶多是洗不干净，不至于损坏部件。
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而下图中，则是只有碗筷上方的喷淋臂在运转。我用全景相机也是为了能拍到所有角度，随时拖拽鼠标就能细看有没有其他部件在同时运作，以及找到最适合看碗碟被清洗的直播视角...😝 当然也可以避开被水流强力滋到镜头的模糊视野~
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别小看这滋出来的水流，三叉喷淋臂上分布的出水孔，旋转喷出来的其实是混合了洗涤剂、加热到 70℃ 左右带压力的水柱。下图的 10s 动图，脏兮兮的盘子一下子被冲得干干净净，舒爽～不过我是整整放了 12 倍速...怪不得洗一次碗要几十分钟了，确实是每个角落都反复洗...
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洗碗机的有图有真相，搞定~可新的好奇又来了。🤔 为什么小小一个全景相机，两个摄像头就能拍出所有的视角，仿佛让我置身机器内部在东看西瞧？在讲它为啥让你身临其境前，我们得知道全景相机怎么能拍出这么大角度的画面。
手机全景模式
打开手机，你会发现，镜头拍下的只是眼前的一部分视野。如果想把身前美景尽收眼底，则需要打开全景模式，并且双手稳定地沿着轴移动。
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将手机移动时拍摄的多张照片拼接在一起，这一长卷画幅才是眼见郁郁葱葱的景色。下图的糊化是横移速度不均导致，而缺角黑边则是上下抖动的原因。
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如果拍摄中的人物有走动的话，还容易出现残影分身...😅
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普通相机只能拍一个方向，想看别的地方要么转动方向，要么切换到另一个相机的画面（但又容易漏掉细节）。而全景相机在拍的时候也不用转动，自然没有残影，又一眼看全所有角落，直接拍下 360° 的所有画面...怎么做到的！
多个镜头
为了获得真·全景图像，我们可以用多摄像头组合，同时拍摄各个角度的画面，用算法把照片拼接融合成一个环带画面，或者球面的立体画面。
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广角镜头
而为了能少用点摄像头，我们当然希望镜头能拍摄的视角越大越好。就是你了，广角镜头！它拍出来的视野范围很大，我们在工厂里也用的很多，比如操作台上的食物视角——「我就躺这儿，看看你们都要对我干什么！」（有种做手术前天旋地转的感觉...）
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鱼眼镜头
这类镜头中有一位杰出代表，极焦距很短（≤16mm）的超广角镜头——鱼眼镜头。它最前镜片向前部凸起呈半球形或负弯月形，形状与鱼的眼睛相似，因此得名。我这款 X5 全景相机的单个鱼眼镜头拍摄视角是超过 180° 的，大约达到了 200°。
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这个视觉效果类似于鱼在水下观察水上的环境，当鱼靠近水面就能获得接近180° 的视角。如果稍微出来点水面，视角就更大些。（Image 图做累了，大家只管笑...）
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而全景相机实现超过 180° 的视角，是采用更短的焦距、更大的图像传感器和专门的镜头设计！
三组镜片的处理
鱼眼相机的镜头并不是简单的一个玻璃半球，实际上它非常复杂。简单来说包括三组镜头，下图依次从左到右看。
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1，最前端的是我们日常看到的前镜片，通常明显凸出，接收来自极广角度（如 180° 甚至更大角度）的光线，从而捕捉到超宽视野的画面。
2，中间组使用非球面镜片矫正色散（颜色分离），修正像场弯曲（避免边缘模糊），并控制畸变程度（防止过度变形）。
3，后组镜片通过凸透镜组将光线精准聚焦到传感器，同时校正残余像差（如球差、场曲），提升整体清晰度。
半球视野
虽然鱼眼镜头通过特殊的光学设计实现了超广角成像，类似于将半球形视野投影至平面传感器。
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但这种非相似性投影，自然会引入显著的桶形畸变。
桶形畸变
在中心区域，鱼眼镜头还近似遵循透视投影，物体比例和形状保留较好，成像效果和普通相机相差不大。大家回忆下初中时学的小孔成像~
可是在边缘区域，就出现了非线性压缩，直线呈现明显弯曲。像照哈哈镜一般，大视野范围付出的变形代价开始夸张~
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校正畸变
诶~别急！已经 2025 年了哦，😅 能拍当然还得能用。目前鱼眼镜头的校正方法分两种。一种是在镜头系统中加入负畸变校正镜组，然后通过光学软件优化光学系统，降低系统畸变，但这会增加镜片数量与制造成本。另一种是通过算法，将畸变严重的图像重新构建为与现实物体较为相似的图像，从而减小畸变。 
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🤔 简单来说，要么在拍照时就戴「矫正眼镜」，要么等拍完再用「还我漂漂拳」。两种方法都能让鱼眼照片变得更符合人眼看到的真实世界。上图是我这款影石Insta360 X5 的去畸变组合拳效果，配套的 App 上一键秒切换的。
隐藏自拍杆
既然单个鱼眼镜头已经可以获取大视野画面了，让我们回到最初的好奇——这台全景相机怎么做到 360° 无死角的记录所有信息？理论上，只要拥有两枚鱼眼镜头，180° + 180° ，我们就能拼凑出 360° 的无死角。但是，别忘记镜头本身也存在物理厚度！
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消费级全景相机发展到现在，这问题已经解决。远大于 180° 的视野范围，看得更广 cover 了镜头自身厚度带来的那部分视野盲区。正反两面相加依旧可覆盖 360°，包括上下 180° 的俯仰角。我们从影石的全景相机案例来分析，在获得一个无死角空间的情况下，这个「看得更广」还能通过算法把自拍杆隐藏，把无人机隐藏，把夹角范围内的一切隐藏，这反而成了全景相机 BUG 般的天然优势。
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而我们拍摄的洗碗机内部，就是在这一段丰富详尽的影像文件中，取出我们想要的画面和角度。先拍摄，后取景。毕竟所有角度、每处细节在拍的时候就已经被完整记录下来了。
等等！Cast 还有话说...
这机器的宣传点相当精准，很适配我们揭秘更多机器内部的需要。简直是我们小团伙儿的解决方案啊！
「一台全景相机 = N 个机位视角。一台影石Insta360 X5，就是一支拍摄团队。一次全景拍摄，就同时捕捉了 360º 的所有视角，每一度都尽数记录。」
😝 接下来，让我看看可以用全景相机玩出什么花样~比如，享受一下如小王子般的待遇：与小伙伴们拥有一颗可以自行命名的小行星，或者在展览用的室内小空间里当侦探？
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参考文献： 
[1] 江云峰，罗敏等.鱼眼镜头的研究进展及应用[J].红外技术 ,2023,45(4):342-351.

[2] 郭辰. 基于球面透视投影的鱼眼图像校正算法的研究与实现[D]. 中国科学院大学,2015.

[3] 姜幸俭,李霆.球面透视投影的鱼眼镜头全景图拼接[J].现代计算机.2020,(17).

[4]肖昆鹏. 基于特定角度鱼眼图像校正的设计与实现[D]. 陕西:西安电子科技大学,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.

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