CN103124926A - 3d照相系统及方法 - Google Patents

Abstract

一种用于生成3D图像的系统及方法，包括以锥体构造布置在平行平面上的多个完全可调的光学元件，以使照相机具有不同会聚点和焦点。

Description

3D照相系统及方法

技术领域

本发明涉及一种照相系统以及生成3D图像的方法。

背景技术

人们通过基于一些提示（诸如细节、遮挡、透视和尺寸）将各个物体之间的空间关系相关联从而感知深度。细节是指越近的物体显出更多的细节，而远的物体显示出较少的细节。遮挡是指假定挡住另一个物体的物体为前景。透视是指物体相对于彼此具有不同的大小。尺寸是指物体看起来越小，则其越远。

在2D图像中，主体将显出平面状，因为其仅表示了高度和宽度；3D图像增加了深度这一维度。由于人类视觉为双目并用的，因此感知深度的一种方法为神经地组合左右眼接收的独立图像。为模拟这种立体效果，现有技术通过组合来自不同视点的独立图像以产生立体感效应，从而产生3D图像。例如，Glenn的第3,518,929号美国专利披露了一种3D照相系统，该系统包括用于拍摄一批图像的多个照相机单元。

由于从不同的视角拍摄主体，以不同视角拍摄的图像将显出略有不同。从不同视角拍摄图像引起的物体位置的明显变化称作视差。视差现象通常与目间距成比例。目间距是两个从两个不同视角拍摄图像的照相机之间的距离。若目间距太大，则视差幅度过大以致无法合适地将视角融合在一起，导致低质量的3D图像。若目间距太小，则视差幅度太小以致深度感知不足，也会导致低质量的3D图像。因此，通常希望的是，选择一种既不太大也不太小的优化目间距，以便具有足够的视差以产生3D效果，但不至于无法合适地将视角融合在一起。

通常，这通过使用具有多个光学元件的照相系统来实现，以便同时捕获来自不同视角阵列的多个图像。如上所述，Glenn的第3,518,929号美国专利披露了一种七个以直线阵列布置的照相机的系统。相似地，Smith等人的第4,475,798号美国专利披露了七个以曲线阵列布置的透镜的单一照相机。在这种照相系统中，光学元件总是以线性或曲线阵列布置。但是，这些传统配置对于最大化光学元件数量并不是最佳的，并且这些传统配置也并不利于优化视差幅度。此外，在这些传统配置中，照相机仅被定向为在一点上会聚，并且照相机仅绕其三个独立控制轴中的一个或两个旋转。

发明内容

本发明的一个目的是创建一种能够优化视差并提高分辨率的多照相机系统，从而产生更高质量的3D效果。

本发明的第二个目的是创建一种最大化光学元件数量而不增加目间距的多照相机系统。

本发明的第三个目的是创建一种允许多会聚点的多照相机系统，从而允许深焦。深焦为电影术语，是指在同一次拍摄中同时对焦前景和背景。

根据本发明目的的3D照相系统及方法包括多个配置在平行平面内的光学元件。应理解的是，光学元件指互连照相机系统中的分立照相单元，或可替换地，单一相机中的透镜。

根据本发明的目的，希望的是将照相机尽可能近的布置在一起，以便优化视差和提高分辨率。因此，在平行平面上以锥体布置方式来配置照相机。锥体布置是指，一个或多个照相机布置在锥体的顶点，照相机的其他水平面布置在平行平面（或基本平行的面）内，以便形成几何锥体或大体像锥体的几何形状。相比于以线性阵列进行布置，通过将照相机布置在平行平面上可以使照相机更紧密地聚集在一起。这种布置基于锥体堆积的几何原理。由于照相机可优化地以锥体构造进行堆叠，因此可将更多数量的照相机聚集在一起而不必增加目间距。以这种方式，能够以优化视差且提高分辨率的方式从更多的照相机拍摄更多的图像，从而提高了3D图像的质量。

此外，按照锥体构造的照相机布置通过模拟人眼解剖学而提高3D感知。人眼为弯曲的（像碗一样），感知深度。通过如本发明以锥体构造来布置照相机，照相机的组合充当一个大的3D眼。

此外，照相机连接至一个使各照相机完全可调的组件。每个照相机可移动：1）左-右（纬度），2）前-后（经度），以及3）上-下（高度）。此外，每个照相机可绕其三个独立控制轴的每个轴旋转。每个照相机可绕其纵轴旋转，称为偏航。每个照相机可绕其水平纬度轴旋转，称为俯仰。每个照相机可绕其水平经度轴旋转，称为横滚。大多数传统的3D照相系统仅允许独立调整纬度和偏航。在本发明中，每个照相机允许独立调整经度、纬度、高度、俯仰、横滚和偏航。

由于照相机在平行平面上堆叠且完全可调，因此能够定向照相机，以使其光轴在零点会聚或会聚到多于一点。在线性排列照相机的常规照相系统中，照相机会聚在一点上。在本发明中，可定向照相机，以使系统作为整体具有零会聚点或多个会聚点。由于照相机可同时会聚在不同的点，因此前景和背景可同时对焦进而可实现深度对焦。

本领域的普通技术人员熟知产生2D图像的装置和方法，可使用软件组合这种图像从而产生3D图像。

附图说明

图1A和1B为本发明实施方式的示意图，示出了在三个平行平面上以1-6-12六棱锥布置的照相机配置。

图2A和2B为本发明实施方式的示意图，示出了定向为零会聚的照相机。

图3为本发明实施方式的示意图，示出了定向为两个会聚的照相机。

图4A和4B为本发明实施方式的示意图，示出了在五个平行平面上以1-6-12-18-24的六棱锥布置的照相机配置。

图5A和5B为本发明实施方式的示意图，示出了在三个平行平面上以1-8-16的四角锥布置的照相机配置。

图6A和6B为本发明实施方式的示意图，示出了在五个平行平面上以1-8-16-24-32的四角锥布置的照相机配置。

具体实施方式

如图1A示意性示出的本发明实施方式中，用于记录主体的图像的3D照相系统1包括布置在三个平行平面（A、B和C）内的十九个照相机。顶点处的一个主照相机10位于第一平面A。六个第二照相机20位于平行于第一平面A的第二平面B上。相对于主体X，第二平面B位于第一平面A的前方，以使第二平面B比第一平面A更接近主体X。十二个第三照相机30位于平行于第二平面B的第三平面C上。相对于主体X，第三平面C位于第二平面B的前方，以使第三平面C比第二平面B更接近主体X。如图1B示意性地示出，这十九个照相机以六棱锥构造进行堆叠。

参考图2A和2B，可定向照相机以使其光轴在零点会聚。在照相机线性排列的常规照相系统中，照相机会聚在一点。在本发明的实施方式中，如图2A和2B所示，在A平面内的顶点照相机指向主体X，B平面和C平面内的照相机精确地平行于该顶点照相机，以使系统作为整体具有零会聚点。由于根据本发明的3D照相系统的照相机可同时会聚在不同的点，因此可同时对焦前景和背景来实现深焦。

可替代地，可定向照相机以使其光轴在多于一个点处会聚。如图3所示，一些照相机可会聚在对象X，而一些照相机可会聚在对象Y。例如，在录制棒球比赛时，一些照相机可会聚投手，一些照相机可会聚接球手。这种方法通过将投手和接球手进行锐聚焦从而提高了3D质量。这可通过允许多个会聚点来实现，而传统方法是不可能的。

相关地，除了具有不同的会聚点，照相机也可具有不同的焦点。例如，再次参考图2A和2B，平面A内的顶点照相机可聚焦于点X处的主体。平面B内的照相机可聚焦于或是位于前景或是位于背景中的第二点Z，该点不同于点X。相似地，平面C内的照相机可聚焦于或是位于前景或是位于背景中的第三点Y，该点不同于点X和点Z。因此每个焦点的聚焦深度不同于其他焦点。

如图4A和4B示意图所示的本发明第二实施方式100中，六十一个照相机以六棱锥构造而堆叠在五个平行平面A、B、C、D和E上。更详细地，主照相机110位于第一平面A的中心。六个第二照相机120以六边形图案对称布置在第二平面B上。十二个第三照相机130以六边形图案对称布置在第三平面C上。十八个第四照相机140以六边形图案对称布置在第四平面D上。二十四个第五照相机150以六边形图案对称布置在第五平面E上。平行平面A、B、C、D和E的顺序可颠倒。

如图5A和5B示意图所示的本发明第三实施方式200中，二十五个照相机以四角锥构造而堆叠在三个平行平面A、B和C上。更详细地，主照相机210位于第一平面A的中心。八个第二照相机220以四方形图案对称布置在第二平面B上。十六个第三镜头230以四方形图案对称布置在第三平面C上。平行平面A、B和C的顺序可颠倒。

如图6A和6B示例图所示的本发明第四实施方式200中，八十一个照相机以四角锥构造而堆叠在五个平行平面A、B、C、D和E上。更详细地，主照相机310位于第一平面A的中心。八个第二照相机320以四方形图案对称布置在第二平面B上。十六个第三照相机330以四方形图案对称布置在第三平面C上。二十四个第四照相机340以四方形图案对称布置在第四平面D上。三十二个第五照相机350以四方形图案对称布置在第五平面E上。平行平面A、B、C、D和E的顺序可颠倒。

虽然上述实施方式中描述的3D照相系统包括多个堆叠在三个或五个平行平面上的照相机，但是本领域的普通技术人员应理解的是，照相机可布置在任意数量的平行平面内。同样地，虽然这些实施方式的照相机以锥体结构来堆叠，本领域的普通技术人员应理解的是，照相机也能够以圆锥结构或其他类似结构来布置。

在本发明的3D照相系统中，照相机可在空间的全部三个坐标上自由移动。可针对经度、纬度、以及高度、俯仰、横滚和偏航来调节照相机。例如，通过独立地向上、向下或向其他方向移动，可调整在任意特定平面内的单独的照相机。任意特定平面的照相机可共同一致地调节，以调整各自平面内的镜头之间的目距离。此外，照相机也可作为一个单元共同地移动。以这种方式，可按需平移和定向照相机以便捕获多个不同的焦点。

尽管结合优选实施方式描述了本发明，但应理解的是，这并不旨在将本发明限于这些实施方式。相反地，旨在涵盖由所附权利要求定义的本发明精神和范围内包括的改变、修改和等同物。

Claims (20)

1.一种用于生成物体的3D图像的装置，包括：多个光学元件，所述光学元件的光学面布置在平行平面上。

2.根据权利要求1所述的装置，进一步包括：

在第一平面上的至少一个主光学元件，所述主光学元件关于所述物体聚焦在第一点，所述主光学元件能够捕获第一图像；

在平行于所述第一平面的第二平面上的至少一个第二光学元件，所述第二光学元件聚焦在不同于所述第一点的第二点，所述第二光学元件能够捕获第二图像；

在平行于所述第二平面的第三平面上的至少一个第三光学元件，所述第三光学元件聚焦在不同于所述第一点和所述第二点的第三点，所述第三光学元件能够捕获第三图像；

其中，所述第一、第二和第三图像被组合从而形成3D图像。

3.根据权利要求2所述的装置，进一步包括：

在所述第一平面上的一个主光学元件；

在所述第二平面上的六个第二光学元件；以及

在所述第三平面上的十二个第三光学元件；

其中，相同的光学元件以锥体构造进行布置。

4.根据权利要求2所述的装置，其中，对于所述物体，所述第二平面位于所述第一平面前方，并且对于所述物体，所述第三平面位于所述第二平面后方。

5.根据权利要求2所述的装置，其中，对于所述物体，所述第二平面位于所述第一平面前方，并且对于所述物体，所述第三平面位于所述第二平面前方。

6.根据权利要求2所述的装置，其中，各所述光学元件能够在空间的三个方向上独立移动。

7.根据权利要求2所述的装置，其中，各所述光学元件能够绕其光轴旋转。

8.根据权利要求2所述的装置，其中，各所述光学元件能够绕垂直于其光轴的水平轴俯仰。

9.根据权利要求2所述的装置，其中，各所述光学元件能够绕垂直于其光轴的纵轴偏航。

10.一种用于生成物体的3D图像的装置，包括：

位于第一平面上的主光学元件，所述主光学元件关于所述物体聚焦在第一点，所述主光学元件能够捕获至少一个第一图像；

在平行于所述第一平面的第二平面上对称布置的至少两个第二光学元件，所述第二光学元件聚焦在不同于所述第一点的第二点，所述第二光学元件能够与所述第一图像同时地捕获至少一个第二图像；

在平行于所述第二平面的第三平面上对称布置的至少三个第三光学元件，所述第三光学元件聚焦在不同于所述第二点的第三点，所述第三光学元件能够与所述第一图像同时地捕获至少一个第三图像；

其中，所述光学元件以锥体构造进行堆叠。

11.根据权利要求10所述的装置，其中，六个光学元件以六边形构造布置在所述第二平面上。

12.根据权利要求10所述的装置，其中，十二个光学元件以六边形构造布置在所述第三平面上。

13.根据权利要求10所述的装置，进一步包括：

以六边形构造对称布置在第四平面上的十八个光学元件，所述第四平面平行于所述第三平面，所述光学元件聚焦在不同于所述第一点的第四点，并且所述光学元件能够与所述第一图像同时地捕获至少一个第四图像。

14.根据权利要求13所述的装置，进一步包括：

以六边形构造对称布置在第五平面上的二十四个光学元件，所述第五平面平行于所述第四平面，所述光学元件聚焦在不同于所述第一点的第五点，所述光学元件能够与所述第一图像同时地捕获至少一个第五图像。

15.根据权利要求10所述的装置，其中，八个光学元件以方形构造布置在所述第二平面上。

16.根据权利要求10所述的装置，其中，十六个光学元件以方形构造布置在所述第三平面上。

17.根据权利要求10所述的装置，进一步包括：

以方形构造对称布置在第四平面上的二十四个光学元件，所述第四平面平行于所述第三平面，所述光学元件聚焦在不同于所述第一点的第四点，所述光学元件能够与所述第一图像同时地捕获至少一个第四图像。

18.根据权利要求10所述的装置，进一步包括：

以方形构造对称布置在第五平面上的三十二个光学元件，所述第五平面平行于所述第四平面，所述光学元件聚焦在不同于所述第一点的第五点，所述光学元件能够与所述第一图像同时地捕获至少一个第五图像。

19.一种产生物体的3D图像的方法，包括以下步骤：

使用位于第一平面上的主光学元件获取第一图像，所述主光学元件关于所述物体聚焦在第一点；

使用位于平行于所述第一平面的第二平面上的第二光学元件获取第二图像，所述第二光学元件聚焦在焦点深度不同于所述第一点的第二点；

使用位于平行于所述第二平面的第三平面上的至少一个第三光学元件获取第三图像，所述第三光学元件聚焦在焦点深度不同于所述第一点和所述第二点的第三点；

捕获数字介质上的、由每个所述光学元件获取的所述图像；

将来自每个所述光学元件的捕获的所述图像组合为立体图片。

20.根据权利要求19所述的产生物体的3D图像的方法，其中，基本上同时获取所述图像。

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