CN101915977B - 三维视频摄像镜头、三维摄像机 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种三维视频摄像镜头及三维摄像机。该三维视频摄像镜头包括：两个光学模块，所述每一光学模块包括透镜、相互平行的的两个平面镜，以及CCD图像传感器，且所述两个平面镜的反射面相对设置；并且，两个光学模块中的透镜轴线相平行，且中心连线与透镜轴线相垂直，两个光学模块中，相邻的两个平面镜相交，形成交点；在交点与两个CCD图像传感器的连接处之间，设置有光栅以防止两个光学模块中的光路发生干涉。基于本发明，可以根据人类视觉系统的成像原理，通过透镜、平面镜和柱面镜的选择使用或组合使用，用一台摄像机完成三维视频的采集。
Description
技术领域
本发明涉及三维视频成像技术领域，尤其涉及一种三维视频摄像镜头及三维摄像机。
背景技术
随着网络技术、多媒体技术的飞速发展和日益成熟，视觉信息在国防军事、国家安全、环境监测、交通管理、反恐抗灾、家庭娱乐等领域得到了前所未有的广泛应用，传统视频的清晰度虽然有了大幅度的提高，但其提供的平面视觉信息已越来越难以满足众多应用领域对“深度层次”的要求。三维视频(又称立体视频)具有更清晰的边界轮廓和更细腻的纹理图案，能够使前景、背景图像的区分更明显，从而能够呈现出更好的视频质量和更生动自然的立体感知效果，使人们感受到完全不同于一般二维画面的视觉体验。
在三维视频的成像方面，最早的研究可以追溯到19世纪30年代英国发明家Charles Wheatstone的工作。1884年David Brewster进一步改良了Charles的成像设备，使得19世纪末很多欧美家庭都能看到静态的三维图。在1903年的巴黎万博会上，Lumiere兄弟展出了第一部三维短片，不过一次只能有一位观众来欣赏。1928年，英国电视先驱John Logie Baird首次把三维视频原理应用到了实验电视平台上。自20世纪50年代以来，世界各国纷纷加大了对三维视频的研究投入。现有的三维视频生成与显示技术主要有色分法、光分法、时分法、全息法、自动三维显示等。但现有的系统往往需要两台甚至更多台摄像机来采集数据，真正意义上的三维视频摄像机还比较缺乏。
发明内容
本发明的目的在于提供一种三维视频摄像镜头及三维摄像机，基于本发明，可以根据人类视觉系统的成像原理，通过透镜、平面镜和柱面镜的选择使用或组合使用，用一台摄像机完成三维视频的采集。
一方面，本发明公开了一种三维视频摄像镜头，包括第一光学模块和第二光学模块，所述第一光学模块与所述第二光学模块通过光栅隔开以防止光路的干涉；其中，所述第一光学模块包括第一透镜组合、反射面相对设置且相互平行的第一平面镜和第二平面镜，以及第一CCD图像传感器，所述第一平面镜的法线与反射至第二平面镜光线的夹角为0°＜θ1＜90°；所述第一透镜组合包括一个或多个透镜；所述第二光学模块包括第二透镜组合、反射面相对设置且相互平行的第三平面镜和第四平面镜，以及第二CCD图像传感器，所述第三平面镜的法线与竖直方向的夹角为0°＜θ2＜90°；所述第二透镜组合包括一个或多个透镜；所述第一透镜组合与所述第二透镜组合的轴线相平行，且所述第一透镜光心与所述第二透镜光心之间的连线与透镜轴线相垂直；所述第二平面镜与所述第三平面镜相连接形成连接部，所述光栅设置于所述连接部与所述第一CCD图像传感器和所述第二CCD图像传感器相连接处。
上述三维视频摄像镜头，优选所述第一光学模块中，所述第一透镜的一侧设置有柱面镜组合；以及，所述第二光学模块中，所述第二透镜的一侧设置有柱面镜组合；所述柱面镜组合包括一个或多个柱面镜。
上述三维视频摄像镜头，优选所述第一CCD图像传感器和所述第二CCD图像传感器为一体成型的图像传感器或两个独立的图像传感器。
上述三维视频摄像镜头，优选所述第二平面镜与所述第三平面镜直接相连或在垂直方向通过外壳相连。
另一方面，本发明还公开了一种三维视频摄像机，其特征在于，所述摄像机包含所述的三维视频摄像镜头，所述三维摄像镜头通过镜头接口与所述三维摄像机相连接。
另一方面，本发明还公开了一种三维视频摄像镜头，所述第一平面镜、第二平面镜、第三平面镜和第四平面镜替换为柱面镜，且所述柱面镜的反射面相对。
另一方面，本发明还公开了一种三维视频摄像机，所述摄像机包含如上述三维视频摄像镜头，所述三维摄像镜头通过镜头接口与所述三维摄像机相连接。
另一方面，本发明还公开了一种三维视频摄像镜头，包括第三光学模块和第四光学模块，其中，所述第三光学模块包括第三透镜组合、相互平行的第五平面镜和第六平面镜，以及第三CCD图像传感器，所述第五平面镜的法线与反射至第六平面镜光线的夹角为0°＜θ1＜90°；所述第五平面镜和第六平面镜的反射面相对设置；所述第三透镜组合包括一个透镜或多个透镜；所述第四光学模块包括第四透镜组合、相互平行的第七平面镜和第八平面镜，以及第四CCD图像传感器，所述第七平面镜的法线与反射之第八平面镜的光线的夹角为0°＜θ2＜90°；所述第七平面镜和第八平面镜的反射面相对设置；所述第四透镜组合包括一个透镜或多个透镜；所述第三透镜中心与所述第四透镜中心的连线与透镜轴线相垂直。
上述三维视频摄像镜头，优选所述第三光学模块中，所述第三透镜的一侧设置有柱面镜组合；以及，所述第四光学模块中，所述第四透镜的一侧设置有柱面镜组合。
上述三维视频摄像镜头，优选所述第三CCD图像传感器和所述第三CCD图像传感器为一体成型的图像传感器或两个独立的图像传感器。
另一方面，本发明还公开了一种三维视频摄像机，所述摄像机包含上述三维视频摄像镜头，所述三维摄像镜头通过镜头接口与所述三维摄像机相连接。
另一方面，本发明还公开了一种三维视频摄像镜头，所述第五平面镜、第六平面镜、第七平面镜和第八平面镜替换为柱面镜，且所述柱面镜的反射面相对。
另一方面，本发明还公开了一种三维视频摄像机，其特征在于，所述摄像机包含上述三维视频摄像镜头，所述三维摄像镜头通过镜头接口与所述三维摄像机相连接。
相对于现有技术而言，与现有方法相比，本发明的优点有：
1、与传统的三维视频采集方法相比，本发明的两条光路间距更可控、相对位置更稳定，采集的视频更能反映人眼的特性。
2、本发明可以做成镜头直接用在现有的摄像机上，具有很好的兼容性和很强的实用性。
3、本发明的具体实施非常灵活，既可以采集两路完整分辨率的二维视频，也可以在采集时从水平或垂直方向上对两路视频分别进行采样；既可以使用两块CCD图像传感器，也可以只使用一块CCD图像传感器。
附图说明
图1是采用左右成像方式时，不使用柱面镜的三维视频摄像原理图；
图2是采用左右成像方式时，在透镜(组)之前使用柱面镜(组)的三维视频摄像原理图；
图3是采用左右成像方式时，在透镜(组)之后使用柱面镜(组)的三维视频摄像原理图；
图4是采用左右成像方式时，用柱面镜取代平面镜的三维视频摄像原理图；
图5是采用上下成像方式时，不使用柱面镜的三维视频摄像原理图；
图6是采用上下成像方式时，在透镜(组)之前使用柱面镜(组)的三维视频摄像原理图；
图7是采用上下成像方式时，在透镜(组)之后使用柱面镜(组)的三维视频摄像原理图；
图8是采用上下成像方式时，用柱面镜取代平面镜的三维视频摄像原理图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
一、采用左右成像方式时的三维视频摄像
1、不使用柱面镜的三维视频摄像
如图1所示，不使用柱面镜进行三维视频摄像时，涉及到的设备包括透镜A1(可以是若干凸透镜的组合，各个凸透镜的焦距可以不相同)、透镜A2(可以是若干凸透镜的组合，各个凸透镜的焦距可以不相同)、平面镜B11、平面镜B12、平面镜B21、平面镜B22、光栅C、镜头接口D、CCD图像传感器E等。其中光栅C用于防止光路的干涉，E为两块CCD图像传感器。
(1)光线分左右两路分别进入A1和A2，A1和A2与所拍摄物体的距离相等。
(2)第一路光线经平面镜B11和平面镜B12反射后，成像到第一块CCD图像传感器；第二路光线经平面镜B21和平面镜B22反射后，成像到第二块CCD图像传感器。
2、在透镜(组)之前使用柱面镜(组)的三维视频摄像
如图2所示，在透镜(组)之前使用柱面镜(组)时，涉及到的设备包括柱面镜(组合)F1、柱面镜(组合)F2、透镜(组合、变焦)A1、透镜(组合、变焦)A2、平面镜B11、平面镜B12、平面镜B21、平面镜B22、光栅C、镜头接口D、CCD图像传感器E等。其中光栅C用于防止光路的干涉，E为一块CCD图像传感器。
(1)光线分左右两路分别进入F1和F2，F1和F2与所拍摄物体的距离相等。
(2)第一路光线经过F1和A1之后，在水平方向上的分辨率被压缩为原来的一半，然后经平面镜B11和平面镜B12反射后，成像到CCD图像传感器的左侧区域；第二路光线经过F2和A2之后，在水平方向上的分辨率被压缩为原来的一半，然后经平面镜B21和平面镜B22反射后，成像到CCD图像传感器的右侧区域。
3、在透镜(组)之后使用柱面镜(组)的三维视频摄像
如图3所示，在透镜(组)之后使用柱面镜(组)时，涉及到的设备包括透镜(组合、变焦)A1、透镜(组合、变焦)A2、柱面镜(组合)F1、柱面镜(组合)F2、平面镜B11、平面镜B12、平面镜B21、平面镜B22、光栅C、镜头接口D、CCD图像传感器E等。其中光栅C用于防止光路的干涉，E为一块CCD图像传感器。
(1)光线分左右两路同时进入A1和A2，A1和A2与所拍摄物体的距离相等。
(2)第一路光线经过A1和F1之后，在水平方向上的分辨率被压缩为原来的一半，然后经平面镜B11和平面镜B12反射后，成像到CCD图像传感器的左侧区域；第二路光线经过A2和F2之后，在水平方向上的分辨率被压缩为原来的一半，然后经平面镜B21和平面镜B22反射后，成像到CCD图像传感器的右侧区域。
需要说明的是，在上述几个实施例中，平面镜B12和B21不一定直接相交，也可以在垂直方向通过外壳连接起来。
4、用柱面镜取代平面镜的三维视频摄像
如图4所示，用柱面镜取代平面镜进行三维视频摄像时，涉及到的设备包括透镜(组合、变焦)A1、透镜(组合、变焦)A2、柱面镜G11、柱面镜G12、柱面镜G21、柱面镜G22、光栅C、镜头接口D、CCD图像传感器E等。其中光栅C用于防止光路的干涉，E为一块CCD图像传感器。
(1)光线分左右两路同时进入A1和A2，A1和A2与所拍摄物体的距离相等。
(2)第一路光线经过柱面镜G11和柱面镜G12之后，在水平方向上的分辨率被压缩为原来的一半，并成像到CCD图像传感器的左侧区域；第二路光线经过柱面镜G21和柱面镜G22之后，在水平方向上的分辨率被压缩为原来的一半，并成像到CCD图像传感器的右侧区域。
二、采用上下成像方式时的三维视频摄像
1、不使用柱面镜的三维视频摄像
如图5所示，不使用柱面镜进行三维视频摄像时，涉及到的设备包括透镜(组合、变焦)A1、透镜(组合、变焦)A2、平面镜B11、平面镜B12、平面镜B21、平面镜B22、光栅C、镜头接口D、CCD图像传感器E等。其中光栅C用于防止光路的干涉，E为两块CCD图像传感器。
(1)光线分左右两路分别进入A1和A2，A1和A2与所拍摄物体的距离相等。
(2)第一路光线经平面镜B11和平面镜B12反射后，成像到第一块CCD图像传感器；第二路光线经平面镜B21和平面镜B22反射后，成像到第二块CCD图像传感器。
2、在透镜(组)之前使用柱面镜(组)的三维视频摄像
如图6所示，在透镜(组)之前使用柱面镜(组)时，涉及到的设备包括柱面镜(组合)F1、柱面镜(组合)F2、透镜(组合、变焦)A1、透镜(组合、变焦)A2、平面镜B11、平面镜B12、平面镜B21、平面镜B22、光栅C、镜头接口D、CCD图像传感器E等。其中光栅C用于防止光路的干涉，E为一块CCD图像传感器，x、y坐标分别表示图像的水平和垂直位置，z坐标表示相机距离所拍摄物体的距离。
(1)光线分左右两路同时进入F1和F2，F1和F2与所拍摄物体的距离相等。
(2)第一路光线经过F1和A1之后，在垂直方向上的分辨率被压缩为原来的一半，然后经平面镜B11和平面镜B12反射后，成像到CCD图像传感器的上侧区域；第二路光线经过F2和A2之后，在垂直方向上的分辨率被压缩为原来的一半，然后经平面镜B21和平面镜B22反射后，成像到CCD图像传感器的下侧区域。
2、在透镜(组)之后使用柱面镜(组)的三维视频摄像
如图7所示，在透镜(组)之后使用柱面镜(组)时，涉及到的设备包括透镜(组合、变焦)A1、透镜(组合、变焦)A2、柱面镜(组合)F1、柱面镜(组合)F2、平面镜B11、平面镜B12、平面镜B21、平面镜B22、光栅C、镜头接口D、CCD图像传感器E等。其中光栅C用于防止光路的干涉，E为一块CCD图像传感器，x、y坐标分别表示图像的水平和垂直位置，z坐标表示相机距离所拍摄物体的距离。
(1)光线分左右两路同时进入A1和A2，A1和A2与所拍摄物体的距离相等。
(2)第一路光线经过A1和F1之后，在垂直方向上的分辨率被压缩为原来的一半，然后经平面镜B11和平面镜B12反射后，成像到CCD图像传感器的上侧区域；第二路光线经过A2和F2之后，在垂直方向上的分辨率被压缩为原来的一半，然后经平面镜B21和平面镜B22反射后，成像到CCD图像传感器的下侧区域。
3、用柱面镜取代平面镜的三维视频摄像
如图8所示，用柱面镜取代平面镜进行三维视频摄像时，涉及到的设备包括透镜(组合、变焦)A1、透镜(组合、变焦)A2、柱面镜G11、柱面镜G12、柱面镜G21、柱面镜G22、光栅C、镜头接口D、CCD图像传感器E等。其中光栅C用于防止光路的干涉，E为一块CCD图像传感器。
(1)光线分左右两路同时进入A1和A2，A1和A2与所拍摄物体的距离相等。
(2)第一路光线经过柱面镜G11和柱面镜G12之后，在垂直方向上的分辨率被压缩为原来的一半，并成像到CCD图像传感器的上侧区域；第二路光线经过柱面镜G21和柱面镜G22之后，在垂直方向上的分辨率被压缩为原来的一半，并成像到CCD图像传感器的下侧区域。
有以下三点需要说明：
(1)在图1、图2和图3给出的两条光路中，平面镜的倾角可以调节。以两条光路中的第一个平面镜为例，角度θ1和θ2可以不相等(例如，可以不是45°角，只要能保证两次反射后的光路与之前平行即可)，第二个平面镜亦如此。
(2)图1、图2、图3、图5、图6、图7中的平面镜以及图4、图8中的柱面镜均可用更广泛意义上的曲面镜代替。根据实际所需要的采样方式，CCD图像传感器的数量和尺寸可以选择。
(3)上述各图中，镜头接口D可以使本发明的镜头直接套接在现有的摄像机上。这样有助于降低成本，便于推广应用。
以上对本发明所提供的一种三维视频摄像镜头及三维摄像机进行详细介绍，本文中应用了具体实施例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (7)
1.一种三维视频摄像镜头，其特征在于，
包括第一光学模块和第二光学模块，所述第一光学模块与所述第二光学模块通过光栅隔开以防止光路的干涉；其中，
所述第一光学模块包括第一透镜组合、反射面相对设置且相互平行的第一平面镜和第二平面镜，以及第一CCD图像传感器，所述第一平面镜的法线与经第一平面镜反射至第二平面镜光线的夹角为0°＜θ1＜90°；所述第一透镜组合包括一个或多个透镜；
所述第二光学模块包括第二透镜组合、反射面相对设置且相互平行的第三平面镜和第四平面镜，以及第二CCD图像传感器，所述第三平面镜的法线与经第四平面镜反射至第三平面镜的光线的夹角为0°＜θ2＜90°；所述第二透镜组合包括一个或多个透镜；
所述第一透镜组合与所述第二透镜组合的轴线相平行，且所述第一透镜组合的光心与所述第二透镜组合的光心之间的连线与透镜轴线相垂直；所述第二平面镜与所述第三平面镜相连接形成连接部，从所述连接部至所述第一CCD图像传感器和所述第二CCD图像传感器相连接处设置所述光栅。
2.根据权利要求1所述的三维视频摄像镜头，其特征在于，
所述第一光学模块中，所述第一透镜组合的一侧设置有柱面镜组合；以及，所述第二光学模块中，所述第二透镜组合的相同一侧也设置有柱面镜组合；所述柱面镜组合包括一个或多个柱面镜。
3.根据权利要求1所述的三维视频摄像镜头，其特征在于，所述第一CCD图像传感器和所述第二CCD图像传感器为一体成型的图像传感器或两个独立的图像传感器。
4.根据权利要求1所述的三维视频摄像镜头，其特征在于，所述第二平面镜与所述第三平面镜直接相连或在光栅的垂直方向通过外壳相连。
5.一种三维视频摄像机，其特征在于，所述摄像机包含如权利要求1至4中任一项所述的三维视频摄像镜头，所述三维摄像镜头通过镜头接口与所述三维摄像机相连接。
6.根据权利要求1所述的三维视频摄像镜头，其特征在于，所述第一平面镜、第二平面镜、第三平面镜和第四平面镜替换为柱面镜，且第一柱面镜与第二柱面镜的反射面相对，第三柱面镜与第四柱面镜的反射面相对。
7.一种三维视频摄像机，其特征在于，所述摄像机包含如权利要求6所述的三维视频摄像镜头，所述三维摄像镜头通过镜头接口与所述三维摄像机相连接。
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