CN102223557B - 一种裸视全景立体成像系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种裸视全景立体成像方法，利用多图像成像系统，真实复原实物光线的传输路径，使观察者不需借助任何工具，即可以像观察实物一样裸眼多角度观察，产生强烈的全景立体感。利用平行移动相机对同一视场进行多次拍摄获取一组相似的、有视差的压缩图像组，通过与压缩图像组一一对应的透光柱镜组观察压缩图像，观察者在不同角度观察到的是有角度差异的立体图像，与观察实物时一致，随着观察者得移动而呈现不同观察角度的图像，具有强烈的立体感和真实感。

Description

一种裸视全景立体成像系统及方法

技术领域

本发明涉及立体成像技术领域，尤其涉及一种裸视全景立体成像系统及方法。

背景技术

人们在观察一个立体的物体时，生理反应是稍微摆动头部，这样可以取得明显的视差，以准确判断实物的距离。目前一些立体成像系统采用的是双图像系统，观察者只能在固定角度观察到实物图像，无法多角度观察，或者在不同角度观察到的都是同一角度的图像，因此观察者移动时，图像不发生变化。而光栅成像技术属于像素成像，仅能反映一列像素，像素的宽度为光栅的宽度，光栅最小的宽度也有0.5mm，因此成像较为模糊，也不适合移动观察，移动观察时，图像即跳回相邻像素，因此观察者移动时，图像回到原来的图像。目前的立体电影是通过佩戴双色眼镜或者偏振镜，使两幅图像分别被人的左右眼观察到，从而形成立体图像，尽管图像相对清晰，但实质是定点图像，即人无法通过移动观察不同的角度，因此立体效果有限。

中国专利局于2010年12月22日公布的发明专利申请：LED显示屏的裸眼立体成像方法及系统（申请号：201010252938.4）公开了一种利用柱透镜阵列再现立体影像原理实现LED显示屏的裸眼立体成像方法及系统，通过在已有的LED显示屏上加入柱面透镜的裸眼立体成像方法，利用柱面透镜的折射性及人眼的视觉景深，在人体的左眼和右眼中分别成像，左右眼中成像后在人脑中进行叠加，那么人眼看到的图像就为立体图像。该技术采用的是双图像系统，观察者移动时观察到的是同一图像，立体效果有限；而且只能在极为有限的有效显示区域内才能观察到立体效果。

发明内容

为克服上述问题，本发明提出一种裸视全景立体成像系统及方法，利用多图像成像系统，真实复原实物光线的传输路径，使观察者不需借助任何工具，即可以像观察实物一样裸眼多角度观察，产生强烈的全景立体感。

为达到上述目的，本发明所提出的技术方案为：一种裸视全景立体成像系统，包括：透光柱镜组、压缩图像组、框架、定位调整机构、保护玻璃板、光源和图片定位玻璃夹板；所述压缩图像组包括一系列直立、连续布置的压缩图像，由图片定位玻璃夹板定位于框架上；所述光源用于照亮压缩图像组；所述透光柱镜组由多个柱镜直立、连续布置，平行设立于压缩图像组前面，每个柱镜与压缩图像一一对应；每个柱镜与其对应的压缩图像的距离K取值为使系统成连续、不间断的清晰的立体图像的距离；所述压缩图像由以柱镜宽度B为间距平行移动取相器对同一视场进行多次拍摄，并对拍得的图像按照柱镜的放大比例进行横向压缩，获得的与每个柱镜一一对应的图像，且每两相邻图像为相似的、有视差的两幅图像；所述K值为 $K=\frac{B}{2}\×\frac{F/\sqrt{F^2+{\left(\frac{B}{2}\right)}^2}}{\mathrm{Sin}(\mathrm{Arc}\tan \frac{B}{L}+\mathrm{Arc}\tan \frac{B}{2F})},$ 其中F为柱镜焦距，B为柱镜宽度；所述定位调整机构调整透光柱镜组与压缩图像组的相对位置，使每个柱镜与压缩图像一一对应。

进一步的，所述柱镜水平剖面为光学曲线，各柱镜宽度B小于或等于人体双眼距离，人体双眼距离为60～70cm，所以各柱镜宽度B小于或等于70cm。

优选的，所述光源位于压缩图像组背面、前侧面、上侧面或底侧面。

本发明提出的制造上述成像系统的技术方案：一种裸视全景立体成像方法，包括如下步骤：

a)制作透光柱镜组，由多个柱镜直立、连续布置；

b)拍摄压缩图像组，包括一系列直立、连续布置的压缩图像；

c)由图片定位玻璃夹板将获得的压缩图像组安装于框架上，由光源照亮压缩图像组；

d)将步骤a)制得的透光柱镜组平行设立于压缩图像组前面；

e)由框架上的定位调整机构调整透光柱镜组与压缩图像组的相对位置，使每个柱镜与压缩图像一一对应；

f)调整压缩图像组到透光柱镜组的距离，使系统成连续、不间断的清晰的立体图像，此时每个柱镜与其对应的压缩图像的距离为K，然后锁定二者的位置，透过柱镜观察压缩图像，透光柱镜组将复原实景光线传输路径；

步骤b）所述拍摄压缩图像组的方法为，以柱镜宽度B为间距平行移动取相器对同一视场进行多次拍摄，对拍得的图像按照柱镜的放大比例进行横向压缩，获得与每个柱镜一一对应的压缩图像；且压缩图像组的每两相邻图像为相似的、有视差的两幅图像；所述K取值为 $K=\frac{B}{2}\×\frac{F/\sqrt{F^2+{\left(\frac{B}{2}\right)}^2}}{\mathrm{Sin}(\mathrm{Arc}\tan \frac{B}{L}+\mathrm{Arc}\tan \frac{B}{2F})},$ 其中F为柱镜焦距，B为柱镜宽度。

进一步的，所述柱镜水平剖面为光学曲线，各柱镜宽度B小于或等于人体双眼距离。

本发明的有益效果：本发明的全景立体成像不需要佩戴专门的眼镜，有利于生活中的应用和推广，较现有的技术更具真实感；且观察者在不同角度观察到的是有角度差异的立体图像，与观察实物时一致，因此具有强烈的立体感和真实感；本发明成像属于图像成像，是连续的图形，不仅观察图像清晰，且随着观察者的移动而呈现不同观察角度的图像。

附图说明

图1为本发明的裸视全景立体成像系统示意图；

图2为本发明裸视全景立体成像原理示意图；

图3为本发明透光镜组与压缩图像位置关系示意图。

主要组件标号说明：1透光柱镜组；101,102透光柱镜；2压缩图像组；3框架；4光源；5双眼；6立体虚像；P1，P2……Pn压缩图像。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式，对本发明做进一步说明。

本发明利用柱镜虚像成像原理，在各柱镜后面放置按柱镜宽度距离平行平移拍摄的压缩图像，使通过透光柱镜形成的虚像与实物光线进入观察者双眼的角度一致，实现实景光线传输路径的复原，形成高仿真的立体图像。

本发明提出的一种裸视全景立体成像系统，如图1所示，包括：透光柱镜组1、压缩图像组2、框架3、定位调整机构、保护玻璃板、光源4和图片定位玻璃夹板；所述压缩图像组2包括一系列直立、连续布置的压缩图像P1，P2……Pn，由图片定位玻璃夹板（图中未画出）定位于框架3上；并通过定位调整机构调整透光柱镜组与压缩图像组的相对位置，使每个柱镜与压缩图像一一对应；所述光源4位于压缩图像组2背面、前侧面、上侧面或底侧面等可照亮压缩图像组2的位置；所述透光柱镜组1由多个柱镜直立、连续布置，平行设立于压缩图像组2前面，每个柱镜与压缩图像一一对应；每个柱镜与其对应的压缩图像的距离K取值为使系统成连续、不间断的清晰的立体图像的距离。优选的，K取值为K取值为 $K=\frac{B}{2}\×\frac{F/\sqrt{F^2+{\left(\frac{B}{2}\right)}^2}}{\mathrm{Sin}(\mathrm{Arc}\tan \frac{B}{L}+\mathrm{Arc}\tan \frac{B}{2F})},$ 其中F为柱镜焦距，B为柱镜宽度。所述透光柱镜组1是由透光材料制成的高放大倍数的凸透镜，由多个柱镜直立、连续布置，柱镜水平剖面为光学曲线，每个柱镜宽度B小于或等于人体双眼的距离，人体双眼距离为60～70cm，考虑到儿童观察者的双眼距离，又柱镜宽度越大成本越低，考虑降低成本，故本实施例中柱镜宽度B取值以60cm为佳。柱镜垂直剖面的外表面为直线，其高度不限，但如果太高，应考虑观察角度形成的放大倍数变化，采取相应的措施消除两端放大倍数变大的影响。

本发明原理：柱镜的一个特点是，不同角度的光线经过柱镜时，其光轴均经过柱镜的中心点。本发明就是利用这一特点，在一定条件下使双眼观察到不同的图像，通过图像参数设计，可以复原真实物体光线的传输路径，从而在人的大脑合成立体图像。如图2所示，双眼5通过柱镜101,102观察压缩图像P1，P2时，在选定的焦距F后，将压缩图像组2与透光柱镜组1保持一定距离K时，双眼5观察到的压缩图像P1，P2是相邻的。左右双眼5独立观察柱镜101,102时，各个柱镜101,102对应的压缩图像P1，P2的虚像在左右双眼5均独立形成了连续的图像。由于上述特定的拍摄方法，左眼形成的连续图像与右眼形成的连续图像按照视差重叠，在大脑内合成立体虚像6，与观察实物时的光线路径一致，具有强烈的立体效果。

如图1所示，本发明的一种裸视全景立体成像方法，包括如下步骤：

a)制作透光柱镜组1，由多个柱镜直立、连续布置，柱镜水平剖面为光学曲线，每个柱镜焦距为F，宽度为B，B小于或等于人体双眼距离；因为人体双眼距离为60～70cm，考虑到儿童观察者的双眼距离，又柱镜宽度越大成本越低，考虑降低成本，故本实施例中柱镜宽度B取值以60cm为佳；柱镜焦距F取值越小，可实现立体观察的区域越广，但是焦距若过小，压缩图像组的位置就接近于焦点位置，使成像虚化严重，焦距F取值在能使系统清晰成像的条件下尽量小，本实施例中F取值为120cm；

b)拍摄压缩图像组2，以柱镜宽度B为间距平行移动取相器对同一视场进行多次拍摄，对拍得的图像按照柱镜的放大比例进行横向压缩，获得与每个柱镜一一对应的压缩图像组2；

c)由图片定位玻璃夹板将获得的压缩图像2组安装于框架3上，压缩图像组2背面或前侧面等可照亮压缩图像的位置设置有光源4；

d)将步骤a)制得的透光柱镜组1平行设立于压缩图像组2前面；

e)由框架3上的定位调整机构调整透光柱镜组1与压缩图像组2的相对位置，使每个柱镜与压缩图像一一对应；

f)调整压缩图像组2到透光柱镜组1的距离，使系统成连续、不间断的清晰的立体图像，此时每个柱镜与其对应的压缩图像的距离为K，然后锁定二者的位置，透过柱镜观察压缩图像，透光柱镜组将复原实景光线传输路径。

上述步骤b)拍摄压缩图像组1，具体的，从观察者方向看，每个柱镜的后面各有一幅经过压缩的图像P1、P2……Pn，每个图像是在不同位置拍摄的同一视场，要求相机以柱镜宽度B为间距平行移动，从不同位置拍得每个柱镜对应的图像，拍得的图像按照柱镜的放大比例（展开比）进行横向压缩，压缩图像与柱镜一一对应。受图像区域限制，在柱镜很多的情况下，可以截取有效区域制作压缩图像。压缩图像与柱镜一一对应，也就是有多少个柱镜就有多少个压缩图像，每张压缩图像均是在不同位置独立拍摄的同一视场的图像，因此相邻压缩图像均是相似的、有视差的两幅图像。

上述透光柱镜组1与压缩图像组2的距离K与柱镜的放大的比例（焦距）相关，即为确保双眼观察图像时，所形成的虚像连续、不断开也不重叠，在柱镜焦距F一定时，该距离K有一最佳取值。该最佳取值的确定方法如图3所示，可以采用作图法，也可采用计算法。

作图法：如图3中，B为人双眼距离，与柱镜宽度一致，最佳取值为60cm；L为观察者与透光柱镜组1的距离，根据观察者的活动范围确定；F为柱镜焦距，由于焦距过小时，K值接近F值，虚像虚化严重，需要采用非球面镜或镜组设计，因此本实施例中F取值为120cm。其作图步骤如下：

1)按比例画出柱镜宽度B的直线AOC；

2)以O为圆心，焦距F为半径作圆弧；

3)计算出观察者在距透光柱镜组L远处时双眼视角的夹角θ；

4)作出三角形AB1C和AB2C；

5)找出AB2与CB1的交点E，测量E与直接AOC的距离，即为透光柱镜组1与压缩图像组2的唯一确定的距离K。

即压缩图像的位置应设置在左右两眼5观察区域刚好相邻、既不重叠也不分离的位置，如此，才能满足左眼和右眼观察到的图像是连续的清晰的立体图像。如图3中的E1E和EE2处，三角形AB1C和三角形AB2C分别为左眼和右眼透过柱镜的观察区域，位置E1E和EE2正好是左右两眼观察区域刚好相邻、既不重叠也不分离的位置，即压缩图像组2应置于直线E1E2位置处。

计算法：根据图3中所示，压缩图像组2与透光柱镜1的最佳距离K可由如下公式计算得出： $K=\frac{B}{2}\×\frac{F/\sqrt{F^2+{\left(\frac{B}{2}\right)}^2}}{\mathrm{Sin}(\mathrm{Arc}\tan \frac{B}{L}+\mathrm{Arc}\tan \frac{B}{2F})},$ 式中，K为压缩图像组2与透光柱镜组1的距离；B为柱镜宽度；F为柱镜焦距；L为观察者与透光柱镜组1的距离。

本发明首创了多图像成像系统，信息量远高于双图像立体成像系统，能够真实复原实物光线的传输路径，可以像观察实物一样多角度观察。因此，观察者在摆动头部，或者在一定范围内移动时，均可复原不同角度的观察图像，产生强烈的立体感。

尽管结合优选实施方案具体展示和介绍了本发明，但所属领域的技术人员应该明白，在不脱离所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围内，在形式上和细节上对本发明做出的各种变化，均为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种裸视全景立体成像系统，其特征在于，包括：透光柱镜组、压缩图像组、框架、定位调整机构、保护玻璃板、光源和图片定位玻璃夹板；所述压缩图像组包括一系列直立、连续布置的压缩图像，由图片定位玻璃夹板定位于框架上；所述光源用于照亮压缩图像组；所述透光柱镜组由多个柱镜直立、连续布置，平行设立于压缩图像组前面，每个柱镜与压缩图像一一对应；每个柱镜与其对应的压缩图像的距离K取值为使系统成连续、不间断的清晰的立体图像的距离；所述压缩图像由以柱镜宽度B为间距平行移动取相器对同一视场进行多次拍摄，并对拍得的图像按照柱镜的放大比例进行横向压缩，获得的与每个柱镜一一对应的图像，且每两相邻图像为相似的、有视差的两幅图像；所述K值为 $K=\frac{B}{2}\×\frac{F/\sqrt{F^2+{\left(\frac{B}{2}\right)}^2}}{\mathrm{Sin}(\mathrm{Arc}\tan \frac{B}{L}+\mathrm{Arc}\tan \frac{B}{2F})},$ 其中F为柱镜焦距，B为柱镜宽度；所述定位调整机构调整透光柱镜组与压缩图像组的相对位置，使每个柱镜与压缩图像一一对应。

2.如权利要求1所述的一种裸视全景立体成像系统，其特征在于：所述柱镜水平剖面为光学曲线，各柱镜宽度B小于或等于人体双眼距离。

3.如权利要求2所述的一种裸视全景立体成像系统，其特征在于：所述各柱镜宽度B小于或等于70cm。

4.如权利要求1所述的一种裸视全景立体成像系统，其特征在于：所述光源位于压缩图像组背面、前侧面、上侧面或底侧面。

5.一种裸视全景立体成像方法，其特征在于，包括如下步骤：

a)制作透光柱镜组，由多个柱镜直立、连续布置；

b)拍摄压缩图像组，包括一系列直立、连续布置的压缩图像；

c)由图片定位玻璃夹板将获得的压缩图像组安装于框架上，由光源照亮压缩图像组；

d)将步骤a)制得的透光柱镜组平行设立于压缩图像组前面；

e)由框架上的定位调整机构调整透光柱镜组与压缩图像组的相对位置，使每个柱镜与压缩图像一一对应；

f)调整压缩图像组到透光柱镜组的距离，使系统成连续、不间断的清晰的立体图像，此时每个柱镜与其对应的压缩图像的距离为K，然后锁定二者的位置，透过柱镜观察压缩图像，透光柱镜组将复原实景光线传输路径；

步骤b）所述拍摄压缩图像组的方法为，以柱镜宽度B为间距平行移动取相器对同一视场进行多次拍摄，对拍得的图像按照柱镜的放大比例进行横向压缩，获得与每个柱镜一一对应的压缩图像；

且压缩图像组的每两相邻图像为相似的、有视差的两幅图像；所述K取值为 $K=\frac{B}{2}\×\frac{F/\sqrt{F^2+{\left(\frac{B}{2}\right)}^2}}{\mathrm{Sin}(\mathrm{Arc}\tan \frac{B}{L}+\mathrm{Arc}\tan \frac{B}{2F})},$ 其中F为柱镜焦距，B为柱镜宽度。

6.如权利要求5所述的一种裸视全景立体成像方法，其特征在于：所述柱镜水平剖面为光学曲线，各柱镜宽度B小于或等于人体双眼距离。

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