CN1149143A - 普通纸立体影像成像方法 - Google Patents

Abstract

一种普通纸立体影像成像方法，其中将一物体在至少二个不同视角上所取的平面影像利用电脑系统加以模拟透镜成像处理，而形成由几个不同视角所形成的交错影像图案。此图案可用现有印刷技术大量印刷复制；采用一底部平坦，其顶部设有与各影像条相匹配的平行设置的圆弧透镜部的透光立体影像成像膜，贴合在交错影像图案上，并借助透镜部的光学作用使交错影像图案上的该二平面的各影像条分别投射至观看者的左右眼内，使之看到立体影像。

Description

普通纸立体影像成像方法

本发明涉及一种立体影像成像的方法，特别是涉及一种可用普通的记录媒介物，如普通纸张等，来记录与保存所产生的立体影像的立体影像成像的方法。

长久以来，人类一直都是利用二维的记录媒介物，如纸张等，来记录保存三维的影像，例如摄影、绘画、印刷等，而由于日常所见的物体大部分均为三维立体物，因此利用二维媒介物来记录三维影像总令人有美中不足之感，尤其是在需要有立体感的情形下。基于此一需求，立体影像的成像方法在近年来一直都不断地在改进。最为著名的例子是利用相干光(激光)干涉来产生立体影像的全息成像术。虽然激光全息成像的效果极佳，但是在立体影像底片的制作及立体影像的重现上，均需要有相当复杂而昂贵的设备，因此不能以经济的方式加以普及化，而且也无法以普通的记录媒介物，例如纸张，来做立体影像的记录。

另一种常见的立体影像成像方法是利用人类双眼间的视角差来建立立体感的影像。其原理在于当一物体的影像投射至观察者的双眼上时，由于双眼的位置并不重叠，因此对于双眼而言，该被观察的物体相对于眼睛的角度并不同，二者间形成一夹角，借助这种角度上的差异，人类可以很轻易判定物体的远近，同时也由于这种可判定物体远近的能力，可使人类可以决定一被观察物体上不同点的远近，进而形成立体感。例如在图1中，观察者的一双眼睛L及R正观看一物体O，就该物体前方及后方二点(点A和点B)而言，观察点A的视角夹角α显然要比较远处点B的视角夹角β要大，而也就是此一视角大小上的差异可供观察者的大脑得以判别点A和点B的远近关系。此外，由于视角的不同，左眼L和右眼R所看到的影像并不会一样，这种的影像差异也可有助于该观察者判别物体O的立体感。为便于说明起见，左右二眼所看到的影像在下文及附图中将分别以(IL左平面影像)及IR(右平面影像)表示。

利用上述视角的差异而建立立体影像的原理即是使欲观看立体影像的双眼分别接受不同的影像(即IR和IL)，当此二影像(IR及IL)分别投射至观看者的双眼内时，由于双眼所接收到的影像就如同物体O因视角差异而分别在双眼所形成的不同的影像，观看者即会有看到立体影像的感觉。

借助这个原理，目前已有数种立体影像成像方法已开始其商业应用。其中一种方式即是利用不同波长的色光来形成左右平面影像(IL和IR)。例如说，以摄影机C1利用第一波长的光B1(例如红光)在预计的观看者的左眼位置对物体O取像而形成左平面影像IL，然后再以摄影机C2利用第二波长的光B2(例如绿光)在观看者的右眼位置对物体O取像而形成右平面影像IR，如图2中所示。在将这两个不同色光的平面影像IR及IL印制(例如冲洗相片)在同一记录媒介物(如纸或相纸)M上，如图3所示。除了红绿光外，其它波长不同的光波亦可应用在此方法上。由于二者所用光波波长不同，当观看者以肉眼观看时，其双眼会同时接收到二组不同色光的影像，故无法看到任何可辨认的影像。在此例中，由于红绿光的互补作用，观看者用肉眼只会看到一片漆黑。但是当观看者的左右二眼分别配戴上和取像相同色光的滤光镜时，由于滤光作用，左右二眼所看到的影像将会不同，而使观看者产生立体影像的感觉。

另一种方式是利用不同偏振方向的光，最好是偏振方向互相垂直的，来代替前面所述的不同波长的光，而观看者左右眼上所配戴的滤光镜即是用以滤掉不同偏振方向的光。如此同样可以将二平面影像分别地投射至观看者的双眼中进而产生立体影像。

但是，这些方法均需要观看者配戴特殊的眼镜方可看到立体的影像，因此在使用上非常不方便，而且成本也无法降低。

因此为克服上述问题，可以利用图4及图5中所示的方法来记录及再现立体影像，其中图4为外观图，而图5则为其一部分的剖面图。在此方法中，使用一片由具有折射率n的透光材料所制成的记录媒介物M来记录立体影像，在该媒介物M的第一表面上，设有多条平行的圆弧状突起10，而在相对的另一表面上则设置有底片12，由于这些圆弧状突起部10的作用是作为单面透镜之用，因此当利用此记录媒介物M在二个角度(即双眼位置)上分别对物体O取像时，就其上的任一圆弧突起条10而言，物体0的光会从二个不同的位置(O′及O″处)投射到底片12上，而由于媒介物M自身材料的折射率n及其透镜结构(即圆弧状突起)的作用，  代表物体O′及O″的光束将会如图5中所示，发生偏折而分别聚集在底片12上的相邻部位14和16(属于同一圆弧状突起10)上，而使该底片12上的这两部分14和16分别存放代表着O′及O″处的影像数据的一部分(某一长条状部位)，也就是双眼所分别应看到的平面影像IR和IL的一部分。同理，对于其它的圆弧透镜部10而言，其中每一个均可在底片12上形成两个相关的影像，代表着平面影像IR和IL的其它部分。通过适当的选用媒介物12的材料折射率n及其厚度t及圆弧半径R，由各圆弧透镜10在底片12上产生的各个影像片断将会是连续的但又不重叠，同时在底片12上所产生的各个左影像IL的片断及各右影像IR的片断将会是依序互相交错排列的。此交错排列的图案在下文中为方便起见将简称为“交错影像图案”。

而在立体影像的再现上，当观看者以单眼自某一给定的第一角度观看此媒介物M时，由于圆弧状透镜(突起部)10的折射，观看者将只能看到底片12上的各个左影像(IL)片断，而这些左影像片断将可互相衔接而形成一完整而不间断的影像，而此影像即是观看者左眼观看该物体O所可看到的影像。同样地，在另一给定的第二角度上，观看者单眼观看即可看到连续而不间断的右影像IR。因此，当观看者以双眼自给定的第一和第二角度处观看该媒介物M时，其双眼可分别观察到右平面影像IR及左平面影像IL，进而在其大脑中产生立体感。

在此要特别说明的是，由于人类的眼睛是呈左右排列的，而前述圆弧透镜是呈左右平行并排，因此只有在人类正常观看的垂直方向上才会产生立体影像，在水平方向上则无立体影像。由于人类并非是水平观看的，因此并无必要在水平方向表现立体感，但是，如果有需要，可将条状透镜修改成阵列式球面透镜组即可同时获得垂直及水平二方向的立体影像。

为使立体影像可以正确地呈现，在设计媒介物M时必须要仔细地计算其厚度t，以及圆弧透镜(突起部)10的半径r。但是，由于媒介物M通常是由塑胶材料射出成型制成的，在冷却固化后常会有收缩变形等现象发生，而使其厚度及透镜半径产生变化，因此其在底片上的交错影像图案的各交错排列左右影像片断14和16可能会互相分离开，或是重叠在一起，进而使观看者看到不良的立体影像。此外，也由于必须利用底片12来记录各个左及右影像片断14和16，因此在大量生产上相当不容易，如果再考虑前述的材料收缩变形等问题，则大量生产将是一件相当困难的事。另外，此种方式也无法应用在普通纸的印刷上，因此要加以非常普及的商业化利用也不可能。

因此，针对上述问题，本发明的目的即是要提供一种利用电脑装置来处理左右平面影像并形成交错影像图案以供记录的立体影像成像方法，它可以用普通的纸张来作为记录媒介物，因而更加经济，并可用一般的印刷来做大量生产。

按照本发明的立体影像成像方法，其中利用电脑装置将物体的至少二个不同角度所取影像(左右平面影像)精确地分割并依序交错排列而形成交错影像图案，而此一交错影像图案可通过现有的印刷技术重复地大量复制，同时其精度也可提高。

按照本发明的立体影像成像方法，其中利用电脑将物体的左右平面影像加以处理而将所得的交错影像图案印刷在任何目前的印刷方法所可使用的印刷媒介物上，并在其上加设一层透光的立体影像成像膜，其上方设有可和交错影像图案相配合的突起部(透镜部)，它可以是圆弧状，或者任何其它适当而可产生折射功效的形状，以将该印刷出的交错影像图案加以呈现成立体影像。

按照本发明的立体影像成像方法，其中该立体影像成像膜是由塑胶材料利用任何合适的技术加以制造的，而其材料在制造过程中的变形量由电脑利用软硬件装置来加以分析，并将此分析结果与交错影像图案的制作相匹配，以使得所印刷出的交错影像图案可精确地匹配于其立体影像成像膜的规格，而呈现出完美的立体影像。

为进一步地说明本发明的特点及优点，下文中将结合附图中所显示的实施例来说明本发明，而在附图中：

图1是一示意图，显示出人类双眼观察一物体的情形。

图2是一示意图，显示出用二个设置在双眼位置以代替双眼的摄影机对一物体取像的情形。

图3显示出由左平面影像和右平面影像同时存在于一记录某介物上的情形。

图4是一示意外观图，显示出利用表面上的圆弧状突起部(透镜)而产生立体影像的记录媒介物结构。

图5是图4中的记录媒介物的一部份的剖面图。

图6是本发明中所使用的记录媒介物及立体影像成像膜的分解图。

图7是印制在记录媒介物上交错影像图案的示意图。

图8是本发明的整组设备的示意外观图。

图9是本发明的一范例流程图。

图10是由多张平面影像所组成的交错影像图案的示意图。

首先请参阅图8，其中显示出本发明的立体影像成像方法所需的设备示意图。虽然此图中只示出了必要的最基本元件，但是熟知此技术的人员应当能在其中加入任何其它所需的元件而不脱离本发明的范畴。本发明的立体影像成像设备包含有至少一台摄影机20，它具有可将影像资料转换成电子信号的装置，因此最好是CCD(计算机控制显示)摄影机，并至少可在第一位置和第二位置处对一物体O取像。而其影像电子信号经由缆线22传输至一影像处理装置24，其在图中所示的实施例中为一个人电脑，可执行多种影像处理软件。此个人电脑24也可用来控制摄影机20的位置及其操作，但这一点在本发明中并非绝对需要。摄影机20所拍摄的影像经由电脑24处理后，即成为“交错影像图案”(见图7)，可以任何现有已知的印制技术，配合相关的装置26，加以印制在记录媒介物M(见图6)，如普通纸张或相纸等。

由于立体影像的形成必须要有二个自不同角度所取的平面影像，如前文所对论的IL和IR，因此在使用本发明的方法时，首先要针对所欲取像的物体O摄取二个不同角度的平面影像，而这两个角度应对应于观看者双眼所在的位置。因此，在图8所示的系统中，摄影机20必须要能在二个不同的角度位置上对物体O取像，而其所取的二个平面影像则分别转换成相关的电子信号，并传送至电脑24内。这两个平面影像IL及IR的电子信号将可用数字形式存储于电脑24的存储系统(未显示)内，并由可在电脑24上执行的软件，或是电脑24内设的硬件装置(未显示)加以做影像处理，进而使这两张平面影像IR和IL合成一张交错影像图案，其结构的一个例子如图7中所示，该图案可以视为由多条影像条28和30所构成，其中编号28用以代表奇偶数的影像条，而编号30则代表偶数的。依据前文中所述原理，奇数影像条28是取自该二平面影像IR和IL中的一个，例如说是左平面影像IL，而偶数影像条30则是取自另一平面影像，在此则为右平面影像IR，二者交错而形成此一交错影像图案。每一奇数影像条28和其相对应的偶数影像条30二者共同组成一影像条31。依据前述的原理，每一影像条组31中的奇数影像条28在依序组合后，可形成完整的左平面影像IL。同样的，所有的偶数影像条30也可依序合并而形成右平面影像IR。

除了以单一一台摄影机20在二个不同位置取像外，亦可以二台甚或更多台的摄影机(虚线所示的20′者)来对物体O取像，而提供这些左和右平面影像IL和IR。

由于左右平面影像IL和IR在电脑中的形式均是数字信号，因此将其处理而形成数字形式的立体影像图案对于熟知电脑影像处理技术的人员而言是相当的简易。因此其处理技术在本文中就不再加以说明。

至于影像条的宽度w，原则上奇和偶影像条应具有大致上相同的宽度，而其详细的大小则与立体影像的再现有关，应用电脑24加以决定，这一部分将在下文中再进一步加以说明。

由电脑24所处理而形成的数字形式交错影像图案可以储存在电脑24的存储系统中，以供稍后进一步加以使用或处理，或是利用任何的外设(未显示)加以印制在适当的媒介物M(图6和图7)上，如纸张，例如以激光或喷墨打印机加以打印在纸张M上，甚或是将此数字数据直接传送至电脑控制的商用印刷机上，直接加以大量印制。由于电脑数位影像数据的“硬拷贝”已是相当成熟的技术，因此将这些数字数据转换成适当媒介物，如纸张上的图案并无任何困难。

如此所形成并印制在媒介物M上的交错影像图案(图7)基本上可以视为物体O经由图4和图5中的圆弧状透镜10而在其相对的底片12上所形成的左和右影像部分14和16所组合而成的，因此通过使用相同的透镜结构，将可有效地重建物体O的立体影像。

根据本发明，其透镜结构的设置是利用透光材料，如透明塑胶，以适当的加工方法，如射出或压出成型，加工制成一层透光膜32(其在本文中亦称为立体影像成像膜)，见图6，它具有一大致上平坦的底面34，而其相对的顶面上则设有多条大致上平行的突起部36，每一条对应于每一影像条组31，而这些突起部36的截面在此说明例中呈圆弧状，其作用即是作为再现立体影像的透镜。在实际的应用上，透光膜32的平坦底面34是紧贴在交错影像图案的媒介物M上，并使其每一透镜36大致上对齐于其影像条(即相关的左右影像条28和30)，这样，当观看者自适当的位置透过透光膜32观看媒介物M上的交错影像图案时，借助透镜36的光学作用，即可感到影像的立体感。

透光膜32结合在媒介物M上的方式可以是任何适当的方式，例如利用粘着剂将透光膜32的平坦底面34直接粘附至媒介物M上，甚或是利用静电的原理等均可获得等效的结果。

由于透光膜32的材料的折射率n、圆弧透镜36的半径r、每一条透镜36的宽度w′和透光膜32的厚度t等对于立体影像的再现均有影响，因此根据本发明，透光膜32的相关设计数据(即前述数据)均须在设计完成后输入至电脑24内，以供电脑24在产生交错影像图案时使用。因此，当立体影像图案形成时，其影像条的宽度w可以匹配于透镜36的宽度w′(在此说明例中影像条的宽度w约为透镜宽度W′的一半)。

另外，由于透光膜在制造过程中，其制造的塑胶材料在固化的过程中均会有收缩变形的现象，因此若要产生精确的立体影像，在产生交错影像图案时就必须将此一因素列入考虑。根据本发明，其克服此变形问题的方法是采用实验的方式而取得各种可用的材料的可能变形量，并将这些数据输入储存在电脑24内。通过设定这些数据，当设计者将透光膜32的设计数据，如折射率n、厚度t、透镜半径r、透镜宽度w′等，输入至电脑24内以供形成适当的交错影像图案时，透光膜32的收缩变形量也将可用来修正上述的这些参数，而使得所产生的立体影像更为精确。

至于电脑24中可用的软件，都是一般熟知电脑影像处理的人所可轻易编写或使用的。在图9中显示其一简单范例的流程图。在此范例中，电脑24在步骤40先输入透光膜32的设计参数，即折射率n、厚度t、透镜半径r、透镜宽度w′，以及其材料。接下来在步骤42，电脑24会检查其存储系统中是否储存有该材料的变形数据。如果有，则在步骤44读取这些变形数据，并在步骤46将所输入的设计参数加以修正，然后读取(步骤48)左右二平面影像。如果没有该材料的变形数据，则直接至步骤48读取平面影像。然后执行影像处理作业(步骤50)，以将该二平面影像合成交错影像图案。其后在步骤52即可进行该交错影像图案的硬拷贝或储存作业。此一流程基本上是相当简单的，在此仅供参考之用，在实用上，以仍可以有相当的可变化之处，例如可先读取平面影像，然后再输入设计参数，而这些变化原则上并未脱离本发明的范畴，且这一软件部分也不是本发明的发明要点，因此以上的流程范例仅供参考之用。

很明显，通过电脑24的应用，本发明的立体影像成像方法是相当具有弹性的，对于不同的材料，不同的设计要求，只需要通过输入相关的参数，电脑24即可将二张平面影像合成任意的交错影像图案，而匹配于任何不同的透光膜的设计，因此生产上的弹性是显而易见的。另一方面，通过电脑合成的交错影像图案可以任意的做硬拷贝输出，可以在任何适当的媒介物上印制立体影像，同时可以商业化的大量制造，甚而可以作为使用量相当大的包装材料。

另一方面，通过目前已广为印刷业人员所熟悉的四色分色技术及软件(应用在电脑硬件上)，将可以轻易地将交错影像图案做适当的分色处理，若能进一步配合四色印刷装置(未显示)，即可大量快速而精确地复制交错影像图案。

除此之外，上面所述是用二张平面影像来产生交错影像图案，而此交错影像图案只可在某一特定的角度才可清晰地看到立体影像。也可采用多张(例如五张)自不同角度所取的平面影像来产生交错影像图案。如图10所示，在此情况中，如前所述，这些影像将由电脑加以处理而分别形成各别的影像条60、62、64、66、68，分别属于这五张平面影像中的一张的某一条状部分，而这五个影像条60、62、64、66、68共同组成一影像条组70。每一影像条组70均对于一圆弧状突起部(透镜部)，也就是每一影条组中的第一影像条，如60至68等，其宽度w″为透镜10的宽度w′的五分之一(就此例的情形而言)。当观看者由不同的角度观看时，通过这五个不同角度的平面影像的帮助，观看者将可从多个不同的角度看到立体影像。

当然，可根据需要使用不同数目的平面影像来产生交错影像图案，而借助电脑软硬件在分割及组合图案上的便利性及准确性，此一由多张平面影像所构成的交错影像图案是可以同样地轻易地形成的，而所需的成本并不会增加太多。

以上所说明的只是本发明的范例性实施例而已，仍可有相当多种可行而不脱离本发明的精神的范畴的变化，例如在前述的实施例中，其透镜部分为长条圆弧状，但是其它形状的截面，例如三角形截面也可采用，其原则是能将左右影像条分别传送至观看者的左右二眼而不混淆即可。另外，在上述的实施例中，其透镜是呈长条的“线状”，但是呈“点状”的透镜结构也可加以使用，也即其透镜并不是呈条状排列者，而是呈斑点状排列者，这样，不仅可在垂直方向上形成立体影像，在水平方向上也可产生立体影像。

Claims (17)

1、一种立体影像成像方法，包含有下列步骤：

a、提供一组摄影设备，可在至少二个不同的角度上对一物体加以取像，而形成第一和第二平面影像，并具有转换装置，可将该二平面影像分别转换成第一组和第二组电子信号；

b、提供一影像处理装置，以供接收所述第一组和第二组电子信号，并将所述电子信号加以处理而形成一交错影像图案；

c、将该交错影像图案做硬拷贝输出至一记录媒介物上；以及

d、提供一立体影像成像膜，具有一平坦底面及一个具有多个透镜部的顶部，并将该成像膜的底面附着至该记录媒介物上，以使观看者可以透过所述各透镜部而看到立体影像。

2、根据权利要求1中所述的立体影像成像方法，进一步包含有在进行第一组和第二组电子信号的处理之前先将立体影像成像膜的设计参数输入至该影像处理装置内的步骤，以使该影像处理装置所产生的交错影像图案可更精确地匹配于该立体影像成像膜。

3、根据权利要求2中所述的立体影像成像方法，其中该设计参数包含有立体影像成像膜的厚度及其材料的折射率，以及透镜部的设计参数。

4、根据权利要求3中所述的立体影像成像方法，其中所述透镜部为呈半圆柱状的圆弧突起，且其排列为大致上互相平行的，而其中所述透镜设计参数包含有圆弧半径和所述半圆柱在其平行排列方向上的宽度。

5、根据权利要求2中所述的立体影像成像方法，其中该立体影像成像膜是由一种透光材料模制加工成形的，且其中该方法进一步包含有以实验方式取得该透光材料加工时的变形量，并将该变形量作为一设计参数输入至该影像处理装置内的步骤。

6、根据权利要求1中所述的立体影像成像方法，其中该摄影设备包含有一台摄影机，可在至少二个不同的位置上对该物体取像而提供该二平面影像。

7、根据权利要求6中所述的立体影像成像方法，其中该摄影机是CCD摄影机。

8、根据权利要求1中所述的立体影像成像方法，其中该摄影设备包含有二台摄影机，可供在二个不同的位置上对该物体取像而提供该二平面影像。

9、根据权利要求8中所述的立体影像成像方法，其中所述摄影机是CCD摄影机。

10、根据权利要求1中所述的立体影像成像方法，其中该摄影设备包含有二台以上的摄影机，可从在二个以上不同的位置上对该物体取像而提供该至少二个的平面影像。

11、根据权利要求10中所述的立体影像成像方法，其中所述摄影机是CCD摄影机。

12、根据权利要求1中所述的立体影像成像方法，其中该影像处理装置是一电脑系统，其中可执行影像处理软件。

13、根据权利要求1中所述的立体影像成像方法，其中将影像电子信号处理成交错影像图案的步骤包含有将所述第一和第二平面影像加以切割成条状，而后再加以交错组合成该交错影像图案。

14、根据权利要求13中所述的立体影像成像方法，其中该切割成条状的第一和第二平面影像具有一给定的条宽度，而其中所述各透镜部为呈半圆柱状的圆弧突起，且其排列为大致上互相平行的，而所述透镜在其排列方向上的宽度为匹配于平面影像条的宽度。

15、根据权利要求1中所述的立体影像成像方法，其中该记录媒介物是纸张。

16、根据权利要求1中所述的立体影像成像方法，其中该立体影像成像膜附着至该记录媒介物上的方法是粘着。

17、根据权利要求1中所述的立体影像成像方法，其中所述用以将第一组和第二组电子信号处理而产生交错影像图案的步骤包含有四色分色处理，而该硬拷贝输出步骤包含有以四色分色印刷机将该交错影像图案加以印刷出来。

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