CN101137925A - 3维图像捕获摄像机和不需要眼镜的非立体3维观察装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于捕获和再现3维图像以使不用眼镜就可以看到它们的系统。本发明的系统解决了利用简单的非多面透镜从多视点捕获和再现的问题。不同的图像利用高速快门通过时间上的连续复用来综合。当观察者的眼睛横向移动时，从一点到另一点上图像是不同的，从而可以不需要镜片和图像模糊的中间区域就可以使得到达每只眼睛的图像不同。本发明包括一个系统，在该系统中，再现设备形成到达摄像机的光路经的延续，使得两部分联合操作，以捕获和再现三维图像。该系统包括图像捕获摄像机和再现装置。本发明适用于电视传输、摄影和观看三维录像带。

Description

3维图像捕获摄像机和不需要眼镜的非立体3维观察装置

技术领域

本发明涉及包括电视和录像的视听领域，其原理也可以用于电影和摄影领域。本发明的基本原理是基于用于捕获和再现图像的光学和光电子学。

背景技术

目前已经存在很多可以三维观看图像的专利和装置，目前也有可以对观察者产生三维效果的不同系统。

现存的系统可以分成三类：

a)需要眼镜的系统。这些系统可以被称为立体系统，它们通过叠加两幅略微不同的图像，然后以相同的相对位移投射该图像，其中，图像可以用如两个相互略微横向偏移的摄像机、摄影机或电影摄像机获得。观察者对眼镜的使用使得两幅叠加的图像选择性地投射到左眼和右眼，从而产生三维效果。

b)利用眼睛和屏幕与两幅也是不同的图像的相对位置来产生三维效果的系统，其中，根据眼睛的横向位移而选择性地看到该两幅不同的图像。这些系统的缺点在于存在无法产生三维效果且图像不清晰的空间位置。

c)全息系统。全息系统中，图像因在观察者所在空间中的点不同而不同，就好像其在围绕对象的空间中移动。这些系统通常是利用激光技术产生的单色全息图。

只有前两种系统具有可以被用于利用电视系统传输的现实可能性。

第一种已知的装置为一种玩具，该玩具由一副配有透镜的眼镜和圆盘构成，该圆盘上安装有通过立体摄影术获得的完全相反的幻灯片对。

所有的这些装置都是基于立体效应的，这种立体效应利用两幅不同的图像，每幅图像对应一只眼睛，以传递真实的距离感觉。

也在很久以前被开发且在电影中是众所周知的其它系统，利用偏振光眼镜，以便用透镜的略微水平移动和用于把光偏振为角度相差90°的滤光器，将图像从两个电影镜头投射到屏幕上，从而每个眼睛只接收一幅图像。其它相似的电影和摄影系统以及后来的视频系统，对两只眼睛分别使用红和蓝滤光器，也可以产生对来自摄像机或光学系统之一的图像的不同感知。

下面的表格给出了检索结果，以确定与本发明的目的相同的已经公开的专利的当前状态。

专利号	标题	注释
			JP2004077778	Autostereoscopic information display	这是一个显示器或屏幕，没有详细说明所显示的图像的产生。
US2003039031	Observer-adaptive autostereoscopicdisplay	这是一个显示器或者屏幕，没有详细说明所显示的图像的产生。
			JP2001045521	STEREOSCOPIC IMAGEPHOTOGRAPHING OPTICALSYSTEM AND STEREOSCOPICIMAGE PHOTOGRAPHINGDEVICE USING IT	用于从单个目标生成照片以视差显示的装置。对于功能无法比较。
JP2000206460	STEREOSCOPIC VIDEO DISPLAYDEVICE WITHOUT USINGSPECTACLES	用于显示立体图像的屏幕，可以由多个观察者同时观看，且所有的观察者从不同的视点可以看到相同的图像且具有相同的感觉。利用不同的基本原理和不同的目的，还通过不同的方法解决显示。
			JP2000267045	STEREOSCOPIC VIDEO DISPLAYDEVICE	利用菲涅耳透镜的立体显示系统。这个系统没有可比性，原因是它需要不构成发明部分的其它装置来获得图像，

		且它不被设计为传送或接收。
			JP2000224614	THREE DIMENSIONAL DISPLAYMETHOD AND DEVICE	利用感官知觉感知再现的一定三维效果。没有详细说明是如何捕获图像的。
JP2000162545	MULTI-VIEWPOINT THREEDIMENSIONAL VIDEO DISPLAYSYSTEM	这是一个用于多观察者(一幅图像对应于一只眼睛)的立体系统。不包括图像捕获。
			JP2000039588	DEVICE FOR PROJECTING VIDEOON STEREOSCOPIC SCREEN	利用镜子投射立体图像的系统。没有关于图像捕获的任何内容。
DE10252830	Autostereoscopic adapter for flat paneldisplay，includes electronic sensor unitwith circuitry matchingscreen-lens-scanning rasterconfiguration	用于显示立体图像的屏幕，可以由多个观察者同时观看，且所有的观察者从不同的视点会看到相同的图像，且会有相同的感觉。利用不同的基本原理和不同的目的，还通过不同的方法解决显示。
			US2003234909	STEREOSCOPIC IMAGE DISPLAYMETHOD AND APPARATUS	用于动画立体图像投射的系统
US2003076407	Stereoscopic image-taking lensapparatus，stereoscopic image-takingsystem and image-taking apparatus	用于取得立体视频图像的摄像机。
			US2004218037	3D display using micromirrors array	利用多微镜的投射系统
ES8608697	Improvements in cameras for formingthree-dimensional images	利用狭缝状物镜和多个镜筒

上述表格中覆盖了国内和世界范围的数据库中关于三维显示的说明。大部分是基于立体视法和其它一些利用视差对齐的方法。

发明内容

本发明优于初期发明的地方在于，它解决了利用单面透镜而不是多面透镜的特征从多视点捕获并再现图像的问题。通过利用高速快门随时间连续复用而整合不同的图像。三维感觉被产生在绕屏幕的中心垂直轴的约50°的圆弧内的所有点处。

本发明提供一种捕获图像并把图像再现成三维图象的系统，从而可以不使用眼镜就可以看到三维图象。

功能说明

理解本发明的技术功能的最好的办法是把它看成一个窗口。当你透过窗口的玻璃看时，你会获得具有三维感的图像。我们假设你正在透过房间的窗口看，光线从外部入射到窗口并进入到房间内。如果我们可以使通过房间的窗口进来的光线从投影机或屏幕的窗口射出，从而来自窗口的另一侧的所有方向的携带光信息的数千条光线对应于窗口玻璃的每一点，所述窗口玻璃在每一点处保存每条光线的相同强度和颜色，并且根据该方向，我们会得到现实的真实且相同的再现。

当摄影师想利用具有透镜的暗箱(obscure camera)聚焦一幅图像时，移动所述透镜，使其靠近或者远离投影面，直到发现物体与透镜相距的特定距离，在该距离处，物体的图像最清晰。。

如果我们设想透镜的直径为两米，例如，用于巨大的暗箱的透镜。对这种透镜，也存在一个特定距离，在该特定距离处，特定物体平面会被最佳地聚焦。在该点处，从物体平面上的一个点发出的不同光线通过透镜并通过其表面上的所有点，最终被汇聚在单个点处，该单个点对应于摄像机的传感器的平面。

如果我们利用具有小开口的不透明屏幕盖住透镜，聚焦的图像仅通过该小开口进入。如果所述开口沿平行于透镜的水平直径的线正好在透镜前方移动，投射到摄影机平面的图像为观察者的眼睛会从实际上那个非常相同的点看到的一幅图像。

由于对于被聚焦的物体，图像被聚焦，当开口从左向右或者从右向左移动时，该物体在板(用于在暗箱中把图像形成在其上)表面上不经历任何位移，这是因为物体被聚焦，所以从被聚焦的物体上的一点穿过透镜的所有光线聚合在图像的单个点处。图1示出了这种情况。

尽管如此，当开口从右向左移动时，图像移动的物体是没有被聚焦的物体，从而这些物体的图像是模糊的。见图1，在房子前的人的没有被聚焦的图像。

为了再现三维图象，被聚焦的物体发出的光线必须在屏幕上且在观察者前面产生实像或虚像，且未被聚焦的物体必须根据它们被观看的位置而显示在不同的点处。

如图2所示，为了产生三维感觉，投射器必须实现以下两个目的：

●第一，为了形成完全的三维感，图像必须形成在距离观察者一定距离处，其大致与真实距离相同，所述图像可以比屏幕本身更近，产生在更靠近观察者之处，也可以产生在更远处，如10米、20米或者几千米远的位置处。

●第二，未被聚焦的环境，包括位于被聚焦物体的后方和那些更靠近被聚焦物体的环境，在观察者的眼睛移动时也必须被修正，以使每个眼睛根据观察者的位置接收到略微不同的信息

为了缩减正好在信号被捕获到摄像机中时开始的信息，进行把视觉信息简化到具有感官重要性的最小值的缩减是有帮助的，这些简化的例子在再现声音和图像方面是常用的：

●利用两个扬声器传输立体声信号。

●自然界存在的无数种颜色中，只使用三种颜色作为基色，将这三种颜色进行组合以传递色感。

●现实的无数个瞬间中，只传输20或30帧/秒，以生成运动图像。

●就彩色电视中的黑色和白色信号而论，屏幕的每单位表面积的信息量为三种颜色信号密度的四分之一。

同样，为了传输“真实的三维图象”，并不需要来自“窗口”的所有信息。在捕获图像和在观察器上再现图像时进行下面的简化：

1、不传输整个窗口，我们“降低窗帘”从而只留下一水平狭缝。由于观察器的垂直位移而引起的图像变化被忽略。

2、不传输所有物体的清晰精确的图像，只清晰地传输被聚焦的物体的图像。我们习惯于看到未被聚焦的物体显示分辨率较低的模糊图像。

3、所提出的系统还具有如下的功能：被聚焦的物体从摄像机所传输的所有观察点看实际上都是一样的，在各个观察点具有与未被聚焦的物体(这些物体不在焦距上)不同的图像。观察器横向位移时获得的不同图像不同于相对被聚焦物体距离更远和更近的物体的位置处。如果我们认为被聚焦物体被固定在被聚焦面上，换句话说，在以最大清晰度看到的平行于摄像机的光敏面的平面上，当存在从左向右的运动时，对应的图像不移位，最远的物体显示为从左向右移动，而那些最近的物体显示为从右向左移动。

所提出的系统中，当观察者的眼睛横向移动时，图像因点的不同而变化，从而使得每个眼睛看到的图像是不同的，就像实际上在那里，本系统不需要眼镜且没有图像不清晰的过渡区。在所提出的系统中，投射器形成到达摄像机的光路的延续，从而作为组合的两者的功能是捕获图像并三维再现图像，换句话说，投射器可以利用摄像机产生的信号显示三维图像。也有其它的再现系统，例如，用或不不用眼镜，用于一个观察器或多个观察器的立体系统，其图像可以从本发明提供的摄像机在狭缝上选择两个位置或多对位置进行特定的处理所产生的图像中获得。逻辑上也可以利用电脑而不是用摄像机来产生信号，但这些不会是“真实”的图像。

本发明的最显著的特征在于狭缝透镜、连续快门和高速光敏传感器。

狭缝顾及观察者的眼睛的可能位置的线性范围。被聚焦的物体的所有图像聚合成单幅图像，所以即使位置的选择是离散且非连续的，在被聚焦的物体的图像中也是不能被感知到的。但是，未被聚焦的物体随着用于观察它们的狭缝上的点的不同，其被定位的位置也不同。这些物体由于没有被聚焦，从而其具有漫射的轮廓，所以离散的位置不具有可察觉的影响。

关于连续快门，其允许通过选择性地开启快门来选择狭缝上的离散位置。切换必须是光学电子式的，以允许快速、灵活、可靠的控制。现在有基于磁光和光电现象的快门线，可以适用于所需的功能。

高速光敏传感器必须能在光电快门的缝隙时间内获得图像。

具体实施方式

下面说明本发明的构成、摄像机和投射器。

摄像机，参见图3

摄像机包括狭缝和透镜。透镜可以被简化为设置在两个彼此平行且平行于透镜轴的平面之间的透镜中的切口(cut)。透镜还必须具有长焦距，以避免在透镜边缘所产生的图像中产生像差。但是，由于透镜高度较小，只有穿过水平狭缝的光会通过，因此，相对于高度，焦距甚至更大。因此，对垂直方向上的表面曲率的要求不需要像对水平方向上的表面曲率的要求那么严格，这样可以利用前表面上的水平母线和圆形或抛物线形准线来降低生产成本，这种情况下，母线在后表面上为垂直的，且具有球形或抛物线形准线。

在透镜前面放置快门，在不透明屏幕中打开一个缝隙以允许光线进入，光线从狭缝的一端移动到另一端然后再返回。在这些位置中的每一个位置上，当穿过装置的屏幕中的孔的光被投射时，所产生的图像与之前的图像略有不同，其中，图像被聚焦到该装置上。被处理的图像为在检测平面上聚焦的图像，该检测平面以相距摄像机的特定距离而对应于被聚焦的物体。焦距上的信息必须被传送到投射器单元的控制器，以设置图像、光圈张角和变焦距。摄像机必须配置有高速取像的装置，根据狭缝的尺寸和三维效果的所需精度，速度大约为1000～100000幅图像每秒。

投射器

再现系统包括用于产生图像(如“电视监控器”)的屏幕、一组透镜、调焦系统以及用于控制聚焦位置和光圈张角的伺服控制器和一线性组的快门。理论上，在视频或阴极射线屏幕上再现的低反差图像必须被再现与摄像机捕获的帧的重复次数相同的次数，即1000～100000幅图像每秒，通常，一帧图像与下一帧图像非常相似。但是，如果使用插补或者失去更少的信息，每秒的图像数会更多。图像被透镜聚集并倒转，从而在屏幕上形成实像。这个实像是由次级透镜采集并形成虚像，其中，根据透镜和屏幕的相对距离，该虚像定位在与观察者相距无穷远处或者任意距离的任何平面处。一旦光线穿过次级透镜，它们会已经恢复当它们达到摄像机中的狭缝时所具有的方向，但仅对于取景窗的一个小窗口。

为了使一只眼睛看到的图像与另一只眼睛看到的图像不同，从而当观察者移动时，他们会看到不同的景色，就像现实中从一边移动到另一边且我们看到物体的变化调整时所出现的，对于摄像机的打开的快门的每个位置必须存在一个不同的投影。这是利用仅允许一幅图像通过一点，即不透明板中的孔来实现的，其中，该不透明板与摄像机中的快门孔的移动相一致地横向移动。区别在于，现在，其可以是垂直狭缝，而不是具有几厘米的相似高宽尺寸的孔，以使在观察区内，可以从不同的高度看到相同的图像。在这个区域内，图像在观察者的高度改变时不发生变化，而当位置改变为更朝向观察者的左侧或右侧时发生变化。如果观察者向前或向后移动，他们会感觉到他们在接近图像，从而图像对他们来说看起来像是真的。

可供选择的方案

可以用抛物面镜代替透镜，所述抛物面镜会把不同的图像聚焦到固定位置上。

具有连续光圈的快门组的设置可以有几种可供选择的方案。最容易说明的是前面提到的一个，在摄像机中，位于首级透镜的前面，正好在狭缝处，对应地，关于投射器，紧邻透镜并靠近观察者。其他可选的位置为位于摄像机中的首级透镜的焦平面上；关于投射器，位于末级透镜的焦平面上并位于某个中间位置，如位于焦点和屏幕之间。也可以插入到外透镜的中间。图8示出了把快门放置在不同位置的效果。

如果快门组位于外透镜的焦平面上(图8B)，可以用另外的方法分析投射器的功能。焦平面对应于真实形成的图像在无限远处的点组。如果我们看远处的风景，例如，远处的山脉、月亮或夜空，图像必须产生在焦平面上，以使再现后其看起来像是位于无限远处。这种情况下，摄像机狭缝的一点与另一点之间，并不真正存在被聚焦的图像的可察觉的变化。我们在焦平面上所发现的是有角的片断(angular fragment)，每个与其图像相同。如果我们把快门组放置在焦平面的位置，它会给出一种在远处有一系列垂直线的印象。因此，在聚焦远处物体时，快门不能放在外透镜的焦平面上，在聚焦远于一定距离的物体时，它们必须从焦平面上移开。

但是，当聚焦附近的物体时，外透镜的快门还会接近观察者眼睛的焦距，并且可以看到由于使用投射器摄像机的联合装置而产生的一系列不需要的垂直线。由于它们会是未被聚焦的且不会被观察者容易区分，因此把快门组放置在焦平面上是可取的。在焦平面上的快门组的功能可以按如下的方式理解：它不是在摄像机中选择狭缝的位置，而是选择主角方向的位置，就像机场或船上通过旋转雷达天线来扫描一样。

当被聚焦的物体很近时，从横向位移很近的位置所获得的图像会有很大的变化，或者换句话说，对于不同的狭缝快门，需要增加快门的数量。由于利用外透镜的焦平面上的n个快门和紧接于外透镜的m个快门可以获得n×m个快门，因此组合使用在焦平面上和外透镜上的快门可以简化装置的构造。

图像处理和传输

图像处理需要压缩信息的方法，以便信息流不需要对应于与所用快门数同样的单个信息的次数。

根据随时间的均匀性或按照特定方向，或者按照帧重复或其它原理，利用数字压缩技术可以进一步缩小每时间单元的信息数量。

由于以下原因，利用所提出的摄像机所获得的图像的特征可以简化信息：

●与平行于摄像机(垂直于透镜轴)的平面相对应的图像，当正好位于焦平面上时，从穿过快门的光通道的光圈的一个位置到另一个位置上是不变的(与被聚焦的物体相重合)。

●在不与焦平面重合的邻近平面上的物体图像，对开口快门的两个位置会显示出在它们之间的轻微移位，且开口快门的两个位置之间的距离越大，移位越大(接近焦平面的清晰位移)。

●不靠近焦平面的物体的图像为没有清晰轮廓的图像，且当比较来自两个独立快门的图像时，会改变相对于图像的位置。物体距离焦平面的距离越远，同时开口快门的开口的两个位置之间的距离越远，这些相对位置的差别就越大，与两者大致成比例。如果物体比焦平面更远，相对位移为一个方向，如果物体比较平面更近，相对位移为反方向。(模糊位移)

d)附图说明

图1

图1示出了一个房子，其中房子前站着一个人。我们看到具有一组快门、透镜和图像检测板的摄像机。我们可以看出被聚焦的物体为房子，且人比房子更接近摄像机。我们可以看到来自房子的单个点，即屋顶的顶点的光线，当穿过两个不同的快门时，如何在板的同一点上会合。尽管如此，在房子前面的人的图像对于两个不同的快门，即，对于两个不同的视点，却产生了两个不同的图像。

图2

图2包括两部分：A和B。在A中，我们可以看到三个物体(1)、(2)、(3)、在板(5)上形成图像的透镜(4)和两只眼睛的可能设置(6)和(7)。物体(1)利用透镜(4)在位于板(5)本身上的(8)上产生图像。物体(3)在(10)上产生其图像，(10)不在板(5)上，这意味着利用两个不同的快门，可以在板上产生两幅不同的图像。同样，物体(2)在(9)上产生实像，且利用两个不同的快门，与板交叉会产生两幅不同的图像。

现在如果我们转到B，我们看到当观察者在(16)和(17)处看图像投影器时所获得的图像。我们看两个透镜(21)和(14)。在点(18)处，在屏幕(15)上形成一幅清晰的图像。这是通过来自板(15)的信息的传输所产生的图像。利用透镜(14)，通过在(14)和(17)之间延伸光线，可以为观察者(16)和(17)产生了一幅虚像。我们看到反过来对应于真实物体(1)的(11)中的虚像(18)。显示在(15)中的其他的点利用透镜(21)在(20)和(19)处产生实像。这些图像是双重的且不是同时发生的，且利用透镜(14)，它们在平面上形成虚像，在该平面上图像为(11)。当打开对应于观察者(17)的快门时，会在(23)上出现图像，同样，当打开对应于观察者(16)的快门时，会在(25)上出现图像。眼睛位于(16)和(17)上的观察者的视觉印象为：(23)和(25)为从两个视点看到的(13)的感觉。

对于仅从(16)和(17)可视的图像(24)和(22)也会出现这种情况，给观察者的印象是它们对应于物体(12)。我们看到对应于真实物体(1)、(2)和(3)的虚拟物体(11)、(12)和(13)。

图3

在图3中，我们看到摄像机的两个横截面图。注意透镜和狭缝的长度远大于其高度。我们看到限定在(1)中的一行快门，所述(1)设置在透镜(2)和(3)之间。还设置有透镜(4)，其用于通过马达(6)聚焦。从图中我们还可以看到用于捕获图像的板。

图4

在图4中，我们可以看到投影器。平面两维屏幕为(5)。透镜(4)产生一倒转的实像，这个实像可以通过透镜(2)和(3)从外部看到。快门(1)位于透镜(2)和(3)之间。通过定位屏幕(5)的马达(6)控制虚像的设置。

图5和图6

从图5中我们可以看到一行摄像机快门，从图6中，我们可以看到一行投射器快门。

图7

图7示出了摄像机和不同的投射器的功能。在图的右侧，我们可以看到观察者的眼睛，即右眼Re和左眼Le。摄像机的一行快门在图中用L标记。字母N和M代表两个投射器的窗口。罗马数字I、II、III、IV和IV’代表所产生的图像的不同的可能位置。I表示的位置同时代表摄像机L观察到的物体。我们可以看到与摄像机相距d的被聚焦的物体A₁。我们可以看到点B₁，由于它不是被聚焦的物体，根据被打开的是哪一个快门会产生不同的图像。从图中可以看出来自在点A₁的线上的两个快门的视图的漫射投影，其中点A₁代表焦平面。从而，由于B₁不是被聚焦的物体，被标记为B_z的B₁的表观位置为不精确的位置。

点A₁和B₁还代表可以位于投射器和观察者的左眼和右眼之间，通过投射器M看到且在投射器之外的图像。A₁为投射器透镜通过监视器图像产生的实像。图像B₁也出现在A₁的平面上，但由于对每个打开的快门它出现在不同的位置上，在不同位置时它到达每个眼睛Re和Le，所以它看起来是在轻微不精确的位置上的模糊物体，但会提供一种很好的三维感。为了使投射器M产生的图像比投射器更近，必须定位投射器的快门，以使它们的图像，即，通过投射器M的外透镜产生的快门的图像，位于L。由于投射器的快门位于投射器的外部，所以它们不能位于L，但它们可以位于一个使其图像位于L的一个位置上。在这个区域I中，图像A₁仅可以从线k所画出的带状区域内看到。眼Re可以看到A₁但他们的眼Le不能看到它。

现在如果我们转到图像区域II，这会是投射器M按1/2比例产生的图像，其中距离e为d的一半。观察者在同样的位置Re和Le。快门沿M的长度在长度L的半长上分布。在前面的例子中，实像为A₂，而由于到达眼Re和Le的不同图像，B₂被认为是在那个位置上。这种情况下，投射器的快门必须设置为在外部上邻接投射器的外透镜。

现在如果我们转到图像区域III，这会是投射器按1∶1比例产生的图像，其中，距离c等于d。观察者在同样的位置Re和Le。快门沿M的长度在长度L的半长上以相同的密度或者单个快门长度分布，所以快门的数量仅为L中的一半。在前面的例子中，实像为A₃，而由于到达眼Re和眼Le的图像不同，B₃被认为是在那个位置上。这种情况下，投射器的快门必须设置为在外部上邻接投射器的外透镜。但是区域III的这个图像，也可以通过投射器N产生，使得投射器的快门对齐，以使来自快门的由投射器N中的最后透镜产生的来自快门的实像位于线M上。

现在如果我们转到图像区域IV，由投射器N按1∶1的比例产生图像，其中，距离b等于d。观察者在同样的位置Re和Le。快门沿N的长度分布成一行，其具有与L中的快门相同的单个快门长度分布。在前面的例子中，实像为A₄，而由于到达眼Re和眼Le的图像不同，B₃被认为是在那个位置上。这种情况下，投射器的快门必须设置为在外部上紧邻投射器的外透镜。

但在区域IV中的这个图像也可以通过投射器N产生，使得投射器的快门对齐，以使由投射器M中的最后透镜产生的来自快门的图像位于线N上。

在区域IV’中，显示了由投射器N产生的更小的图像，根据比例因子对这幅图像进行了缩小。通过投射器N的外透镜产生的虚像给出位置A’。由于穿过每个快门的图像中的不同也受该相同比例因子的影响，因此图像B”变成了B’。

图8

图8示出了在投射器的位置处快门位移的影响。

A部分示出了快门组Sh，位于距离d处，其中d>f，f为投射器的外透镜的焦距。开口快门在Sh’产生了一幅图像，使得如果摄像机仅允许光线通过与所示的快门相同的快门进入，只有聚合成对应于开口快门Sh、Sh’的实像的点的光线会通过屏幕S。在这幅图像中所表示的快门位置对观看比投射器本身更接近观察者的投射器屏幕“外部”的物体是充足的。

B部分示出了包括快门组的平面正好位于投射器的外透镜的焦平面上的情况。这种情况下，我们看到仅从屏幕S发出的特定方向的光线会通过。从而，如果投射器聚焦的平面图像位于无穷远处，仅有那个方向的单一颜色和光强是可视的，且由于对不同的开口快门，它也是变化的，从而可以看到一定的方向范围。如果对于观察者平面图像不位于无限远处，换句话说，如果在投射器的最后的透镜的焦平面上没有聚焦的实像，图像会根据哪个图像对应于开口快门而改变。

最后，C部分示出了第一个可能的位置，该位置正好位于外部上或者位于外透镜自身的内部。

图9

图9示出了狭缝透镜的透视图。

e)至少一个实施方法的详细说明

f1-摄像机(狭缝)

最简单的摄像机可以按以下方法制作：

一个暗箱，宽大于85cm，深1.5米，高45cm。前面设置有一水平狭缝，从盒子的一侧到另一侧的宽度为80cm，高度为5cm，从而形成以尺寸为5×80cm的矩形。在狭缝后面，且位于盒子内，是一个快门，其由30个彼此邻接的尺寸为2.67×5cm的矩形快门构成。所述快门覆盖整个狭缝。快门以开口沿狭缝移动的形式打开和关闭，尽管同时可以打开两个或者更多快门。在快门后面为一个直径为1m的会聚透镜，其被切割成盒子的矩形尺寸。由于只有一个狭缝用于通过光线，因此只需要使用透镜的一部分，该部分与相对于透镜的聚焦轴对称设置的两个水平且相互平行的平面的边界相对应。透镜的焦距为1m，形成倒转图像的屏幕的尺寸为高0.4m乘宽0.71m。形成在屏幕上的图像被每秒捕获约750幅图像的高速摄像机读取，其中每幅图像对应于一个打开的快门而其它的快门被关闭。一个装置测量从摄像机到被聚焦的物体的焦距。

f2-投射器(窗口)

图像投射器由阴极射线管构成，其高为0.4m，宽为0.71m，该投射器每秒投射750幅图象，对应于移动2.67cm的30次拍摄，其中聚焦在屏幕上的所有拍摄的速度为25次/秒。图像被从上到下且从左到右地倒转投射。在阴极射线监视器前面设置有快门和透镜。快门由30个快门依次构成，其中，所述快门每次打开和关闭一个，以使在任何时候都不会有超过2个快门同时打开。每个快门都相同且具有与监视器的高度大致相同的高度；它们被设置在一侧到另一侧之间，且占了大约80cm的水平长度。快门被加框且仅允许来自监视器的光通过打开的快门。在快门后面设置有一直径约为2米的透镜，其焦距为1m，以使透镜在距离透镜约1m处产生相同尺寸的监视器的聚焦图像。由于其倒转来自阴极射线监视器的被倒转投射的图像，因此这个图像是非倒转的图像。直径约为2m且焦距约为5m的次级透镜，使得在一定距离处可以看到监视器的实像，该距离取决于首级透镜形成的非倒转图像的位置。透镜的位置根据摄像机发射的与焦平面的距离信号决定。

f)可能应用

可能的应用包括电视传输，拍电影，以及观看视频电影、具有特写镜头的节目(其中节目源在观众的房间内)以及远距离看到的风景和旷地。可以利用现有的立体系统观看用该摄像机获得的图像，所以忽略了额外的信息。

1、一种用于捕获图像的照相机，由暗箱构成，该暗箱包括：

水平狭缝状的光阑，其长度远大于其高度；

快门，由不透明元件上制成的缝隙构成，以利用该快门允许光线通过，该快门沿狭缝的长度移动；

由一个或者几个透镜或镜子构成的聚焦系统和用于通过前后移动透镜来调焦的机构；

焦距位置传感器，用于产生代表被聚焦物体所位于的焦距和照相机的光圈角度的信号；

高速图像传感器。

2、根据权利要求1所述的捕获三维图像的照相机，其特征在于，对应于通过快门的移动而获得的视点的不同位置，所述照相机获得一组图像，并且被聚焦的物体占有一个位置，该位置在其对应的快门开口和视点发生变化时不变，未被聚焦的物体在对应于不同视点的图像中占有不同的位置。

3、根据权利要求1所述的照相机，其特征在于，所述照相机利用在两个不同平面上的快门光圈的组合来在捕获图像，尤其是靠近照相机的那些图像时实现更高的分辨率。

4、根据权利要求1所述的用于捕获图像的照相机，其特征在于，所述透镜为位于两个相互平行且平行于透镜轴线的平面之间的具有圆形截面的透镜的一部分，该两个平面相对于透镜的中心对称设置。

5、根据权利要求1所述的用于捕获图像的照相机，其特征在于，所述照相机具有权利要求4所述的照相机透镜，所述透镜具有两个被限定为直线母面的表面的折射面，所述直线母面具有一侧与另一侧正交的母面，换句话说，轴线交叉的两个圆柱体。

6、一种用于三维再现图像的装置，包括：

产生图像的荧光屏，如阴极射线管；

一组透镜或镜片，用于定位、聚焦以及颜色和光学象差的校正；

调整图像的透镜系统，用于聚焦或定位虚像或实像；

一个或多个移动快门光阑，或者多行复式快门，每个由一行单独快门构成，其中，所有快门的连续光圈限定了用于来自屏幕的光的通过的整个窗口。

7、根据权利要求6所述的用于再现图像的装置，其特征在于，所呈现的图像为由光线的延长形成的虚像或者截断来自荧光屏的光线所产生的实像，该荧光屏在离背景更远或者更近的距离处或者靠近观察者的位置形成平面图像。

8、根据权利要求6所述的三维再生图像的装置，其特征在于，权利要求6所述的观察者看到实像或虚像的位置是通过定位伺服机构所控制，而该定位伺服机构是由权利要求1所述的代表照相机中的焦距的信号所控制。

9、根据权利要求6所述的用于再现图像的装置，其特征在于，在进一步向左或向右的每个观察者的位置处可以看到图像是由权利要求6中所述的排列成与每个位置对齐的水平行的快门的动作决定的。

10、根据权利要求6所述的三维再现图像的装置，其特征在于，多行快门位于最外侧透镜的内焦平面上，或者位于产生利用外透镜产生快门的虚像的内平面上，或者位于产生位于透镜和一个观察者或者两个或三个观察者的组合必须位于的那点的外部的快门的实像的内平面上，从而可以看到位于很远距离处、中间距离处或者靠近观察者的图像。

11、根据权利要求6所述的图像再现装置，其特征在于，所述装置利用位于两个不同平面上的快门光圈的组合来增加图像，尤其在附近物体的中心处的图像的分辨率。

Claims (13)

1.一种用于捕获图像的摄像机，由暗箱构成，该暗箱包括：

水平狭缝，其长度远大于其高度；

复式快门，包括一列/行或多列/行相邻的单独的快门；

聚焦系统，由一个或者多个透镜或者镜子以及调焦机构构成；

产生信号的装置，其中，该信号代表被聚焦的物体所处的焦距和图像的光圈的度数；

高速图像传感器；

控制快门次序打开和关闭的装置。

2.根据权利要求1所述的摄像机，其特征在于，所述快门的打开控制为使得从每列或每行快门中的一个快门到另一个快门，光通道会连续地变化。

3.根据权利要求1所述的摄像机，其特征在于，所述所有快门的打开和关闭根据时间规律每秒发生几次，其中，该时间规律为向每个快门分配一个时间份额。

4.根据权利要求1所述的用于捕获三维图像的摄像机，其特征在于，对应于通过控制快门的打开而依次获得的视点的不同位置，所述摄像机获得一组图像，并且被聚焦的物体占有一个位置，该位置在其对应的视点发生变化时不变，未被聚焦的物体在对应于视点的不同位置的图像中占有不同的位置。

5.根据权利要求1所述的摄像机，其特征在于，当捕获图像，尤其是靠近摄像机的那些图像时，所述摄像机利用在不同的两列或平面上的快门光圈的组合来实现更高的分辨率。

6.一种用于摄像机狭缝的透镜，其特征在于，所述透镜为在两个平面之间具有圆形截面的透镜的一部分，它被以一定的方式进行切割，以使它被限定在长度远大于高度的空间内，该空间被包括在相互平行且平行于透镜轴线的两个平面之间，其中，该两个平面相对圆形截面的透镜的直径和所述轴线对称设置。

7.根据权利要求6所述的用于摄像机狭缝的透镜，其特征在于，所述透镜具有两个折射面，所述折射面为具有直线母线的规则表面，且一侧的母线与另一侧的母线正交。

8.一种用于三维再现图像的装置，包括：

产生图像的屏幕，如阴极射线管；

一组透镜或镜片，用于定位、聚焦、以及颜色和其它光学象差的校正；

透镜系统，用于调整图像以聚焦或定位图像，并用于控制光圈角或变焦；

用于控制实像或虚像在监视器屏幕上的焦点位置以及图像光圈角度的装置；

一行或几行复式快门光阑，每个由一行单独快门构成，其中，所述单独快门位于垂直位置上，且彼此邻接，形成一行。

9.根据权利要求8所述的用于再现图像的装置，其特征在于，通过离观察者最近的透镜或镜子形成一幅虚像或实像(投影器屏幕的虚像或者实像)，在距离背景更远或更近的位置处、或者靠近观察者的位置处、或者在屏幕和观察者之间，可以看到所呈现的图像。

10.根据权利要求8所述的三维再现图像的装置，其特征在于，权利要求8所述的观察者看到实像或虚像的位置是通过定位装置所控制，而该定位装置是由权利要求1所述的可以产生代表摄像机中焦距的信号的装置所控制。

11.根据权利要求8所述的用于再现图像的装置，其特征在于，由于如权利要求8所述，光圈的动作被设置成一水平行，因此当观察者的位置向左或向右移动时，可视图像变化或者可以发生变化；当观察者的位置向前或向后移动时，可视图像不发生变化。

12.根据权利要求8所述的三维再现图像的装置，其特征在于，多行快门位于最外侧透镜的内焦平面上，或者位于可以产生利用外透镜产生快门的虚像的内平面上，或者位于产生快门的实像的内平面上，其中该快门比透镜和一个观察者或者两个或三个观察者的组合必须位于的那点更远，从而可以观看位于很远距离、中间距离或者靠近观察者的图像。

13.根据权利要求8所述的图像再现装置，其特征在于，所述装置利用位于两个不同平面上的快门光圈的组合来增加图像，尤其在附近物体的中心处的图像的分辨率。

Images