CN1172267A - 新型立体视觉图象技术及装置 - Google Patents

Abstract

本发明根据左右眼视网膜图象信息传递至大脑的通路完全相同、左右眼共用一个景深坐标系的视觉规律,将用平行成象法模拟左右眼得到的两幅有视差的图象先后在小于视觉暂(残)留效应起作用的时间内显示,并使左、右眼轮流各看一个图象,使大脑获得两幅有视差的图象信息而产生立体感;两眼对两有视差的图象的选择是任意的。本发明的拍摄装置有同步装置、异步装置,可应用于电影、电视、计算机、录放象系统、照相机等。

Description

新型立体视觉图象技术及装置

本发明名称为：新型立体视觉图象技术及装置。本发明提出了一种新的立体图象获取、显示的技术以及实施此技术方案的有关装置，它根据人体左、右眼视网膜上视觉信息传递至大脑的通路完全相同的特点、左右眼共用一个景深坐标系的特点设计：将用平行成象法模拟人体左右眼而获得的两幅有视差的图象信息，依次先后输入左眼和右眼，并且在技术上保证：此两幅图象具有重合的景深坐标系，图象信息显示的时间间隔在视觉暂(残)留效应起作用的时间内(约0.1秒)，使大脑能根据这两幅有视差的图象信息快速获得立体感。从按本发明方案显示的图象中获得立体视觉是将两个有视差的图象分别输入左眼与右眼，使左、右眼轮流看时，左(右)眼对两有视差的图象的选择是任意的。

目前的立体显示技术在人佩戴特殊眼镜时，必须保证左眼看左视图，右眼看右视图，因而不易推广；尤其在电视和电影上不能普及。目前尚未有使用一个放映机，或能进行现场直播，左、右眼虽然各看一个视图，但是不一定要求左眼看左视图、右眼看右视图(左、右眼对两有视差的图象没有专门的选择)的技术。

本发明的目的在于，为了提高人类认识世界的能力、丰富文化娱乐生活，而提出的一种符合人类观看世界的自然习惯、便于推广的立体图象显示技术方案，以及实现此方案的有关现场拍摄装置。

根据心理学介绍，人的视觉是这样产生的：光线通过角膜进入眼球，经过虹膜，从虹膜的瞳孔通过水晶体而到达视网膜；瞳孔起着光圈的作用。视网膜犹如照相底片，是眼睛的感光系统。视网膜把光能转换成化学能，再由视神经转化成电能后送入大脑皮层的枕叶，产生视觉。

如果没有大脑，眼睛只能“视而不见”；“见”的功能由大脑完成。然而，外界景象不能直接进入大脑，大脑只能“见而不视”；“视”的功能由眼睛完成。

视觉信息传递的第一个重要特征是：不管是左眼还是右眼，每一个眼球中的视网膜的左半边(视网膜分为左、右两半边)的信息只能传递至间脑左侧的外侧膝状体；视网膜的右半边的信息只能传递至间脑右侧的外侧膝状体。大脑两侧各有一个枕叶，同侧枕叶只与同侧膝状体连接；即：右侧枕叶与两眼视网膜右半边连接；左侧枕叶与两眼视网膜左半边连接。这说明不管是左眼还是右眼，视网膜上图象信息传递到大脑的通路完全相同。换句话说，左(右)外侧膝状体上的视觉信息既可以来自左眼视网膜的左(右)半边，也可以来自右眼视网膜的左(右)半边；两眼视网膜上同一半边传递来的信息交迭在一起。根据这个特征，本应由右眼看的图象可用左眼看，本应用左眼看的图象可用右眼看，同样能产生立体视觉。参见图1和图2，图1名称为立体视觉图，图2名称为等效立体视觉图；图1中供右眼看的模拟右眼视图①在图2中供左眼看，图1中供左眼看的模拟左眼视图②在图2中供右眼看。当我们使左、右眼各看同侧图象时，在图1、图2中都能看到立体图象(方法：用纸遮住图形以外的线条及文字符号，先让鼻子尖靠近左右视图中间，左、右眼各看各的图象，待两眼中的图象合为一个图象时，便产生立体视觉；如果发现左右图合拢时有高低差，可以转动头调节两眼视点的高低，使左右图完全重合)。

根据心理学介绍，视差引起立体感，它是这样产生的：人的视网膜是一个有长度和宽度的平坦的二维空间；当看一个平面物体时，由于人天生只能双眼共看一个物体，所以两眼视轴必须在物体上相交，交点叫注视点。无形中，将注视点作为视网膜上二维参考坐标系的原点。平面物体上的同一点在两眼的视象点落在两眼视网膜相应的部位上。如果将两个视网膜完全重迭，相应象点也完全重合，好象它们具有共同的参考坐标系。事实上，这个过程是由大脑完成的；这时，人感知是一个平面物体。图1与图2之所以等效的另一个原因是因为左、右眼看的都是平面景象——图片，任一图片在两眼视网膜上二维坐标中的相应象点完全重合。由于双眼间距约65毫米，看立体物体时，左右眼视网膜上的视象不完全落在相应的部位。参见图3：图3的名称为视差产生示意图，图中A、B、C三点，A点为左、右眼③的注视点，在视网膜④上，它们的象点为 A‘₁、A“₁，B‘₁、B“₁，C‘₁，、C“₁。当将A‘₁与A“₁重合时，B‘₁与B“₁、C‘₁与C“₁不重合，于是产生视差。这是由于A点与B、C点存在深度差别。图中BC连线与双眼③的焦点连线平行；如果选择图中D点为参考坐标系的原点的话(D点作为注视点)，由于改变了参考坐标系，使得两视网膜④上的对应点完全重合，从而判断B、C点没有深度差。这说明深度具有相对性，相对注视点而言；进一步说明，视差也有相对性，相对某一坐标系而言。

视觉信息传递的第二个重要特征是：当人眼看实际景象时，由于两眼只能同时共看一个目标，所以两眼视网膜上的图象享有共同的二维坐标系，我们称它为景深坐标系，坐标原点就是注视点。图3中，通过A点作与纸面垂直的平面得景深面⑨，两个眼睛③的视轴构成的平面就是纸面，两眼睛③位于对称面⑧两侧，对称面②垂直于纸面。虽然景深面⑨在实际空间中看不见，但是它们确实可成为两眼③的共享的景深坐标系的平面；此时A点是坐标系的原点。在景深面⑨上，B“₃、C“₃对应左眼视网膜④上的B“₁、C“₁，B‘₃、C‘₃对应右眼视网膜④上B‘₁、C‘₁，A点对应A‘₁、A“₁。在景深面⑨上，A‘₁与A“₁共同对应一个点：景深坐标系的原点A，说明双眼③共享一个景深坐标系。平行面⑤与景深面⑨平行。

对于实际景象，由于大脑的功能，人天生有这个本领——共享景深坐标系。但是，当我们两眼各看一个图片时(例如：图1中的两幅有视差的图片)，此时左右眼视网膜上的二维坐标系原点不能马上重合，因为这不是看一个实物，而是看图片——两个实物，这两个实物又代表一个实景；需要眼与大脑协调整顿。经验表明，此时两眼中感到左、右图象在相互靠拢，最后重合，产生立体视觉。这种视觉调整大约需要几秒钟的时间。

视觉信息传递的第三个重要特征是视觉暂(残)留效应：当被视的对象消失以后，原先它在视网膜上的图象不会马上消失，还可以保留一段时间，大约为0.1秒。利用视觉暂(残)留效应可以使左、右眼轮流睁开、闭合，同样可以获得立体视觉。国外有的立体电视技术就是采用这种方法：使人戴上特制眼镜，保证左眼看左视图，右眼看右视图，屏幕上左视图与右视图轮流出现，也能产生立体视觉。

至今的立体显示技术都要求人在佩戴特制眼镜时，保证左眼看左视图、右眼看右视图。本发明提出了佩戴特制眼镜时，左、右眼对两个有视差的图象无特殊选择要求的立体视觉图象技术方案与有关装置。

既然左右眼传递视觉信息的通路完全相同，既然有视觉暂(残)留效应；只要图象轮流显示速度足够快，那么我们不妨采用：在同一时刻使一个眼睛只看一个图象，在不同时刻先后显示两幅有视差的图象，使左、右眼轮流看，也能产生立体视觉：因为，只要在大脑中存在两幅有视差的图象信息，大脑就能产生立体视觉——大脑只能“见而不视”，不能判断两幅图象来自何方，也无需判断来源。左、右两眼轮流各看一个视图时，因为每个视图都是平面图，所以两眼对左、右视图的选择可任意。

本发明提出的新式立体图象获取及显示的技术方案，是根据以上提及的视觉信息传递的三个特征而设计的，它通过以下方法实施：首先用平行成象法模拟人的左、右眼而获得两幅有视差的图象，然后将此两幅图象分别先后向每一只眼提供，两图象具有重合的景深坐标系(显示屏上，两图象的景深坐标系原点在同一个位置)；图象信息通过每一只眼睛的视网膜传递至左、右外侧膝状体，并且，在技术上保证，由于视觉暂(残)留效应的作用，此两幅图象的信息在左、右外侧膝状体上交迭，又传递至大脑皮层左、右侧枕叶，产生立体视觉。可借助于特殊眼镜使得左、右眼能轮流看到一个视图，轮流看的速度与轮流显示速度一样，而且显示与观看同步。

平行成象法通过以下两个途径实现：1.平行主光轴法，2.交叉主光轴法。

1.平行主光轴法：参见附图4，图4的名称为平行主光轴法示意图；图中，对称面⑧垂直纸面，其两侧各有一个成象器⑥，用以模拟图3中的人的左右眼③，景深面⑨垂直对称面⑧及纸面。两个成象器⑥的主光轴与景深面⑨垂直，并与景深面⑨相交于Z点和Y点，ZY连线构成景深坐标系的横轴，中点O为原点；图中M点的右侧、N点的左侧为共视区。成象器⑥的成象面⑦与景深面⑨平行。图4中的成象面⑦等效于图3中的平行面⑤；也就是说，如果把图4中的两个成象器⑥放在图3中的两个眼睛③的位置，平行面⑤就是成象面⑦，此时虽然成象器⑥的主光轴相互平行无交点，但是从光路图可以看出，这时成象器⑥获得的图象等效于眼睛③获得的图象；即可以用主光轴相互平行的两个成象器⑥来模拟左、右眼③获得两个等效的有视差的图象。采用平行主光轴法的优点是，在重放图象时，可以采用一个镜头：此时将显示屏作为景深面⑨，屏中心与景深坐标系原点重合，镜头的主光轴通过屏中心，与屏面垂直；按光路可逆性可知，屏上的图象与眼睛看到的图象是一样的，当双眼注视屏幕中心时，在小于视觉暂(残)留效应的时间内，先后轮流看到两幅有视差的图象而获得立体视觉。

2.交叉主光轴法：参见附图5，图5的名称是交叉主光轴法示意图；图中成象器⑥的两个主光轴相交于景深面⑨A点，A点是景深坐标系的原点，A点模拟图3中的两个眼睛③的注视点。两个成象器⑥的成象面⑦保持与景深面⑨平行，图中的对称面⑧始终与成象器⑥的成象面⑦垂直，此时成象面⑦获得的图象与图3中的平行面⑤上获得的图象完全类似。当用一个镜头的放映器在小于视觉暂(残)留效应起作用的时间内把由此法获得的两有视差的图象显示于屏幕时，只要人的双眼注视屏中心轮流观看，并以屏中心为景深坐标系的原点，便能产生立体视觉。

附图6的名称为景深坐标系立体示意图，图中景深面⑨与对称面⑧垂直相交于直线IL，IL是景深坐标系的纵轴，横轴MN上与O点等距离的两侧Z点、Y点对应图4中的平行主光轴法的两个成象器⑥主光轴与景深面⑨的交点Z点、Y点。图6中O点对应图5中交叉主光轴法的两个光轴的交点A。

本发明的优点是：1.需要佩戴特殊眼镜时，虽然左、右眼各看一个视图，但是对两有视差的视图的选择是任意的；2.应用于电视时，可以进行立体图象现场直播；3.应用于电影时，只需单镜头放映机就能使人看到立体画面；4.可以制作立体动画片。

实现本发明的拍摄装置有：1.同步装置；2.异步装置。

1，同步装置：由模拟人体双眼的镜头对景物同时拍摄，获取两幅有视差的图象信息，然后将此两图象信息先后输出。

2.异步装置：由模拟人体双眼的镜头对景物先后拍摄，获取两幅有视差的图象信息，然后先后输出。

参见附图7，图7的名称是拍摄装置示意图，图中成象器⑥由开关器⑩控制，开关器⑩可以是光学快门，也可以是电子开关装置。当开关器⑩是光学快门时，可以轮换切断成象器⑥的光路，使成象器⑥分别先后获得两个有视差的图象信息；当开关器⑩是电子开关装置时，在不切断光路的条件下，可以将两个镜头产生的有视差的图象的光电信息依次先后输出。

通过以上组成关系可见，当用两个成象器⑥按平行主光轴法或交叉主光轴法获得两幅有视差的图象时，通过开关器⑩的控制，向外按时序依次输出此两图象信息；它们被暂时记录下来，或者通过传播系统传到显示屏上。当图象在屏上显示的时间间隔远小于视觉暂(残)留效应起作用的时间、此两图象具有重合的景深坐标系(原点在屏上同一位置)、人观察时将视轴对准屏上图象的景深坐标系原点，并且使两眼中心连线与景深坐标系横轴在同一平面上，人的每一个眼睛先后看到一幅图象后，两有视差的图象信息在外侧膝状体上交迭：视网膜右半边的信息通过右外侧膝状体传到大脑右侧枕叶；视网膜左半边的信息通过左外侧膝状体传到大脑的左侧枕叶；两侧枕叶上的信息使大脑产生立体视觉。由于两眼视觉信息传递至大脑的通路完全相同，又由于显示屏上图象始终具有重合的景深坐标系，因此，尽管两眼对两有视差的图象没有特殊的选择，也能马上使人获得清晰的立体视觉图象。左、右眼轮流看图象时，轮流观看的速度与轮流显示速度一样而且同步。

本发明中两幅有视差的图象也可以由绘画方式获得，将它们录制在记录器上(胶卷，磁带，光盘，固体存储器等)，并且在视觉暂(残)留效应起作用的时间内先后显示，两图象具有重合的景深坐标系，使双眼与显示同步地轮流看一个图象，同样能产生立体视觉。

本发明中成象器⑥获得的两有视差的图象既可以借助可见光，也可以借助其它电磁波、声波、超声波，从而实现借助于非可见光的立体视觉成象。

Claims (7)

1.本发明名称为新型立体视觉图象技术及装置，由成象器⑥、开关器⑩组成拍摄装置；其特征是：采用平行成象法由成象器⑥模拟人的左、右眼③获得两幅有视差的图象，经开关器⑩控制后向外先后输出(存储或传播)，当此两幅图象在同一个显示屏幕上显示时，它们先后显示的时间间隔小于人眼③视觉暂(残)留效应起作用的时间(约为0.1秒)，而且在技术上保证，此两图象相应于景深面⑨上景深坐标系原点的象点在屏幕上重合(具有重合的景深坐标系)，当人眼③观察屏幕时可以把屏幕所在平面作为景深面⑨，左、右眼③位于对称面⑧两侧、与对称面⑧等距离，将双眼③注视点与景深坐标系原点重合，对先后显示的有视差的图象连续观察(双眼③轮流看)，产生立体视觉。

2.按权利要求1所述的新型立体视觉图象技术及装置，其特征是：成象器⑥可以是电子光学镜头，也可以是绘画装置(例如：笔，或者计算机绘画系统)，由这些绘画装置获得有视差的图象。当借用非可见光时，成象器⑥可以是发射、接收非可见光的成象系统。模拟双眼③的成象器⑥拍摄位置间距可按视差大小的需要调整。

3.按权利要求1所述的新型立体视觉图象技术及装置，其特征是：开关器⑩可以是光学快门，也可以是电子开关装置；当开关器⑩是光学快门时，它可以轮换切断模拟双眼③的两个成象器⑥的光路，先后向外输出有视差的图象；当开关器⑩是电子开关装置时，它可以轮换获取成象器⑥模拟双眼③获得的两有视差的图象的电子信息，向外输出。

4.按权利要求1所述的新型立体视觉图象技术及装置，其特征是：平行成象法中景深坐标系位于景深面⑨上，景深面⑨与成象器⑥的成象面⑦平行，对称面⑧与景深面⑨垂直，两成象器⑥主光轴与对称面⑧等距(或主光轴与对称面⑧夹角相等)，景深坐标系原点到两成象器⑥、或者到两眼③等距离；成象器④的主光轴垂直于景深面⑨(平行主光轴法)，或者两成象器⑥的主光轴的交叉点就是景深坐标系的原点(交叉主光轴法)。

5.按权利要求1所述的新型立体视觉图象技术及装置，其特征是：成象器⑥可以是双镜头组合体，也可以是单镜头单机(两次拍摄获得两有视差的图象)。

6.按权利要求1所述的新型立体视觉图象技术及装置，其特征是：成象器⑥也可以借助于非可见光(电磁波、声波、超声波等)成象。

7.按权利要求1所述的新型立体视觉图象技术及装置，其特征是：显示屏上的图象供左右眼③轮流看时，左右眼③轮流各看一个图象的时间间隔与两有视差的图象轮流显示的时间间隔一样而且同步。左(右)眼对图象的选择是任意的：不管是左视图还是右视图，都可以被左(右)眼看。

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