CN1255206A - 光学成像系统和图形用户接口 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种光学成像系统,用于以可渐近调节的放大倍数成像一个物体。本发明的系统包括一个成像平面(6),用于投影来自于物体的图象区,成像光学装置(5)设置在成像平面(6)前方的物体一侧,并且最好有一个固定的焦距,用于在成像平面(6)上产生图象区。对所说的成像光学系统和/或所说的成像平面进行设置,以使它们可沿光轴方向移动,从而可调节放大倍数和/或聚焦出现在成像平面上的图象。在成像光学系统的前方物体的一侧,提供第一光学元件,第一光学元件接收宽角度的光学辐射以选择和/或传送物体发出的光束,这些光束穿过一个预定的焦点或节点(N),并且在第一光学元件和成像光学系统之间定位第二光学元件,以使穿过预定的焦点或节点的光束在一个过渡图象平面内产生一个物体的图象,这个图象又可由成像光学系统以可变的大小投影在成像平面内,从而在成像平面的区域内产生不同放大倍数的成像区。

Description

光学成像系统和图形用户接口

本发明涉及在权利要求1的前序部分定义的用于以无限可变放大倍数(变焦距)复制物体的一种光学成像系统，并且涉及在权利要求12中定义的一种图形用户接口。

从SCHRDER，G的“Technischhe Optik″(第7版，VogelBuchverlag Würzburg，第128页)可知，变焦距透镜形式的光学成像系统是公知的，它能以无限可变放大倍数复制一个物体。

先前公知的变焦距镜头主要包括几个透镜，其中的两个透镜是可以沿光轴移动的。这就可能在一方面改变焦距，并且借此无限改变放大倍数，另一方面又可聚焦到已改变的焦距上，从而使图象平面所在的平面在焦距改变时仍旧不变。

先前公知的变焦距镜头的一个问题是在复制期间产生的正弦误差随变焦距镜头的相应焦距调节位置而改变。在叠加具有不同焦距调节位置的图象时，这种变化就传到图象上，产生很不自然的印象，其原因是图象有不同的光学成象误差，它们也是要叠加的。

因此，本发明的一个目的是提供一种光学成像系统，该光学成像系统能够以无限可变放大倍数以及和对应的放大倍数无关的正弦误差复制一个物体。本发明的另一个目的是提供一种用于图象的多价表示法的图形用户接口。

通过权利要求1和12的区别特征来实现这个目的。

本发明包括如下的技术教导：首先以一个恒定的放大倍数并且和对应的焦距调节位置无关地复制物体的一个两维的过渡图象，然后以期望的放大倍数使这个过渡图象成像，从而使在复制过程期间产生的正弦畸变与相应的焦距调节位置无关。

这里的以及下面所说的物体这一概念应按通常的理解，并且包括一个单个的物体、一个空间的场景、和一个两维的显示。

按照本发明，从物体发出的并且可通过节点或焦点的那些优选的光线形成图象。为了从物体发出的所有光线中选择出可穿过该节点的光线，按本发明要提供一个光学元件，在优选实施例中该光学元件是作为一个球面透镜形成。垂直于球面透过球面透镜的光线按照折射率定律其方向不发生任何变化或者只有一点点变化，并且沿中心前进穿过球面透镜的中心点，而其余的光线被偏折因而对成像没有贡献。因此，球面透镜可选择从宽角度范围入射到该透镜上的并且同时又沿中心穿过该透镜的中心点的光线，所以球面透镜的中心点就是成像光线的节点或焦点。

然而，本发明不限于用于选择穿过节点的光线的球面透镜。例如，还可以使用针孔光阑或一个适当的透镜系统。成像光线的节点或焦点与这里的针孔光阑的中心点是一致的。

当为了选择穿过某个节点的光线使用球面透镜以及使用针孔光阑时，原则上不可能仅选择准确穿过该节点的那些光线，并且对于有足够强度的光来说，也不希望仅选择准确穿过该节点的那些光线。相反，在该节点附近的其它光线也要被截断而形成图象，并且借此而被选择。对于本发明的光学成像系统的功能起重要作用的唯一的事情就是：光学元件要在节点区中产生一个狭窄的光束。

此外，本发明的光学成像系统最好还有另一个光学元件，它在第一光学元件的下游，并且具有至少一个平凹透镜或包含一个相应的光学系统的透镜系统，平凹透镜的凹形侧面面对第一光学元件。对于一个优选实施例，按以下方式设置平凹透镜：平凹透镜的焦点与成像光线的节点重合，从而使经平凹透镜偏折后的通过节点的光线平行于光轴前进。于是，平凹透镜从一个发散光束产生出平行光线，该平行光线垂直于平凹透镜的平面表面。

在本发明的一个优选实施例中，球面透镜的半径等于平凹透镜的曲率半径，因此，在避开物体的那一侧，球面透镜要适应平凹透镜的凹形曲率或相应的光学系统的凹形曲率，并且球面透镜要和平凹透镜或相应的光学系统形成一个单元。对于本实施例，重要的是平凹透镜的折射率或者相应的光学系统的折射率要不同于球面透镜的折射率，因为否则的话光线在球面透镜和平凹透镜之间的界面上不会发生折射。

按本发明，平凹透镜(或者引导从物体发出的光线到一个平面图象显示装置的其它的相应的光学元件)在其平面一侧设有一个过渡图象平面，最好是一个漫射体层的形式，它能从平行光线产生一个过渡图象。这个过渡图象平面(最好是一个漫射体层的形式)或者直接安装在平凹透镜的平面表面，或者由一个分开的漫射体板组成。

因此，本发明的光学成像系统首先要从物体发出的所有光线中选择主要是通过特定节点的光线。然后，通过平凹透镜或者通过一个适当的光学系统将这些相互平行光线投射至最好是漫射体层形式的过渡图象平面上，并产生一个过渡图象，从而按正交投影复制出该图象的宽角度部分。

然后，借助于有一个固定焦距的成像光学装置，在一个平行于最好是漫射体层形式的过渡图象平面的光敏成像表面上复制这个过渡图象，所说的光敏成像表面由一个光敏膜或一个CCD传感器元件作为靶子(target)组成。光阑平面位于过渡图象平面和成像平面之间，即，当从物体观察时，位于第一光学元件的焦点的远侧。

为了调节焦距和/或为了聚焦在成像平面上出现的图象，要对成像光学装置和/或成像平面进行设置，以使它们可以平行于光轴移动。通过平行于光轴移动成像光学装置和/或成像平面，就可以无限可变地调节放大倍数，并且借此可无限可变地调节出现在成像平面上的图象部分。这样的配置就像一个变焦距镜头那样，其中的畸变和“焦距调节位置“无关，并且借此可不必对“焦距调节位置“进行校正。第一光学元件的焦点在光阑平面的前方。

按最简单的形式，成像光学装置由一个单透镜组成，该透镜可平行于成像系统的光轴移动。然而，通常可以使用具有几个单透镜的透镜成像系统。

由于本发明的光学成像系统的成像光学装置不复制通常是三维物体的物体本身，而是复制出现在通常是漫射体层形式的过渡图象平面上的两维过渡图象，所以正弦畸变和放大倍数的特定调节位置无关，这是有益的。

本发明的另一个优点是，还可以把按此方式获得的图象叠加在用其它的观察角和其它的焦距调节位置获得的图像上，获得的图象给人以很自然的印象，在图象的边缘没有任何由于叠加引起的干涉畸变的痕迹，这是由于图象的几何状态对于所有的调节位置全都完全相同的缘故。

在本发明的一个优选实施例中，把成像光学装置设置在一个管的主体内，这个管平行对准该成像系统的光轴，并且可以围绕它的纵轴转动。在管的主体的内部，有几个轮挡设在那里，当管的主体转动时，轮挡尽力转动成像光学装置的一个或几个透镜。然而，由于这些透镜被固定不能转动，并且只能沿轴向移动，所以当管的主体转动时，透镜进行免强的轴向移动。因此，通过转动管的主体，能够轴向移动成像光学装置的透镜，并且借此可调节光学成像系统的放大倍数。

在本发明的一个优选变型中，可提供自动聚焦，用于在放大倍数变化时自动聚焦成像光学装置。以此方式，当放大倍数改变时，可以省去手动聚焦。

一种可能的聚焦方法是沿成像系统的光轴移动一个或几个透镜，以使成像平面位于图象平面。

另一方面，另一种可能的聚焦方法是移动成像平面本身，以使图象平面和成像平面重合。

在这两种情况下，聚焦设备接收光学成像系统的活动部分的轴向位置，以此作为一个输入变量，并且从这个输入变量计算聚焦所需的成像平面的移动量或一个或多个透镜的移动量。

在从属权利要求中列出了本发明的其它的有益的改进，下面借助于附图并且结合本发明的实例对此作更加详细的说明，其中：

图1作为一个实例，用透视图表示一个光学成像系统；

图2用剖面图表示在图1的光学成像系统中的光线的路径；

图3作为一个物体点的实例，示出在图1和2的光学系统中一条光线的作图；

图4表示该系统的方块图；

图5表示线性投影的几何状态；

图6表示正交投影的几何状态；

图7表示线性投影的物体图象高度h_o随物体高度h的变化；

图8表示正交投影的物体图象高度h_o随物体高度h的变化；

图9表示线性投影的物体图象高度h′_o随偏向角δ的变化；

图10表示正交投影的物体图象高度h′_o随偏向角δ的变化；

图11表示线性投影的观察角α′_ob随偏向角δ的变化；

图12表示正交投影的观察角α′_ob随偏向角δ的变化；

图13表示投影系统具有物体的示例性场景中的场景-投影系统的位置的一个示意图；

图14表示在图13所示的情况下拍摄的图象：

     a)具有小观察角的线性投影系统

     b)具有大观察角的线性投影系统

     c)具有小观察角的正交投影系统

     d)具有大观察角的正交投影系统；

图15表示一组正交变焦距镜头的示意图；

图16表示对于这组正交镜头描述光线方向的方法；

图17表示对于这组正交镜头的图象产生过程；

图18表示改变这组正交变焦距镜头的视角的方法；

图19表示这组正交变焦距镜头的最大视角γ随透镜L₂和屏幕S₁之间的距离d的变化；

图20表示定位和排列摄像机的方法：

       摇摄角

       俯仰角

       侧滚角。

图1所示的光学成像系统1能够使空间场景以很小畸变和无限可变放大倍数成像。因为在很大程度上抑制了桶形或枕形畸变，所以由光学成像系统1拍摄的图象容易叠加，同时在最终的图象中没有例如干扰畸变的任何痕迹。这种显象最好是正交型的。

为了使低畸变成像成为可能，该光学成像系统1有一个球面透镜2，球面透镜2形成第一光学元件并且在它的外表面的一侧与一个平凹透镜3相连，平凹透镜3形成第二光学元件。平凹透镜3的曲率半径等于球面透镜2的半径，球面透镜2的半径精确地适配平凹透镜3的曲率半径，二者形成一个单元。为了减小总体尺寸，把球面透镜2的侧面、上部、下部削平，使由球面透镜2和平凹透镜3组成的单元在远离物体一侧上的球面的方向上大致呈矩形形状。球面透镜能够处理宽角度的入射光辐射，因此可获得大的图象角。

这里，制造平凹透镜3的材料的折射率与球面透镜2的材料的折射率不同，要对平凹透镜3的折射率进行选择，以使它的焦点位于球面透镜2的中心N。以此方式可以实现：沿中心穿过球面透镜2的光线在位于球面透镜2和平凹透镜3之间的界面上受到偏转后平行于光轴前进。

以此方式平行引导的光线随后垂直地投射到平凹透镜3的平面表面，并且在设置于此的漫射体层4上产生一个过渡图象。

于是，从要显象的空间场景的物体点发出的光线穿过球面透镜2的球形外表面，进入光学成像系统，沿着中心前进通过球面透镜2的中心N，然后平行地排列在位于球面透镜2和平凹透镜3之间的界面上，从而使空间场景的图象出现在漫射体层4上。

然而，出现在漫射体层4上的图象只是以恒定的放大倍数复制空间场景，并且该图象只起用于以无限可变放大倍数产生图象的一个过渡图象的作用。为此，把可沿该成像系统的光轴移动的具有自动聚焦功能的摄像机5、6放在漫射体层4之后，使出现在漫射体层上的图象以无限可变放大倍数在摄像机胶片6上成像。按照这里表示的最简单的形式，该摄像机包括一个光敏胶片6和透镜5，透镜5设在漫射体层4和胶片6之间，并且使它的光轴垂直于胶片的平面，透镜5可沿光轴移动以调节放大倍数。由于摄像机5、6总是复制在漫射体层4上出现的两维过渡图象而不是空间场景本身，所以在复制期间产生的正弦畸变和放大倍数或摄像机5、6的变焦距位置无关。

在图2的剖面图中详细表示出上述的光学成像系统中的光线的路径。为简单起见，也为了保持清楚，只表示出从单个的等距离设置的物体点发出的光线。

这些光线穿过球面透镜2的球形的外表面，进入光学成像系统，并且沿中心穿过光学成像系统的中心N。在相对侧，光线然后投射到位于球面透镜2和平凹透镜3之间的界面。由于平凹透镜3的焦点在球面透镜2的中心N，并且投射到界面的光线沿中心穿过球面透镜2并且借此穿过平凹透镜3的焦点N，光线被平凹透镜3平行地引导，因而以直角投射到漫射体层4，该漫射体层是敷在平凹透镜3的平面表面上的，因而和特定的放大倍数无关的空间场景的图象出现在漫射体层4上。

在漫射体层4的后边设置具有固定焦距的一个摄像机5、6。摄像机5、6可以沿成像系统的光轴移动，因此使以无限可变放大倍数复制在漫射体层4上出现的图象成为可能。为此目的，沿光轴移动摄像机5、6，并且以期望的放大系数聚焦到位，从而产生最终的图象部分。在该摄像机中有一个光阑，在该图中没有表示出这个光阑。如果从物体看去，该光阑设置在节点或焦点的远侧。

借助于从物体O(O_x，O_y，O_z)发出的光在图3中用实例表示出光线路径的数学几何结构。该光线以仰角β°和方位角α°穿过球面透镜的中心N。仰角β°是入射光线和水平平面之间的角，而方位角α°描绘的是平行于光轴延伸的垂直平面和入射光线之间的角。

这里，利用以下公式从物体点P的坐标值O_x、O_y、O_z计算方位角α°和仰角β°： ${\mathrm{\α}}_o=\arctan \frac{O_x}{O_y}$ ${\mathrm{\β}}_o=\arctan \frac{O_z}{O_y}$

入射光线然后沿中心穿过球面透镜2，并且在其相对侧上的点S_s投射到位于透镜2和平凹透镜3之间的球形界面，平凹透镜3的焦点和球面透镜2的中心N重合，从而借助平凹透镜3使沿中心穿过球面透镜2的光线平行排齐。

因此，从物体O发出的光线由平凹透镜3偏转，随后平行于光轴前进，最后在点SP投射至漫射体层4。这里，利用下面的公式从入射光线的方位角α和仰角β计算这个点SP的坐标值S_px、S_pz：

            S_px＝-sinαcosβ

            S_pz＝-cosαsinβ

这里，出现在漫射体层4上的图象有一个恒定的放大倍数，因此只起用于产生具有无限可变放大系数的图象的一个过渡图象的作用。为此目的，借助透镜5把出现在漫射体层4上的图象点成像到胶片平面6上，并且从下面的公式计算在胶片平面6内的对应于物体点O的图象点P的坐标值P_x、P_z：

        P_x＝sinαcosβf＝-S_pxf

        P_z＝cosαsinβf＝-S_pzf

从球面透镜2的半径r和胶片平面内的图象平面6的宽度b可获得系数f： $f=\frac{b}{r}$ 借助于本发明，可复制图象的不同部分，其中要保持透镜系统是对所有的图象部分校正过的。

在以下的描述中，借助于实例给出一种新型的图形用户接口的特征。这个接口旨在允许在计算机终端上显示实在空间(real world)和虚拟空间(virtual world)的物体的像，还有一些其它的计算机应用。图4表示这个接口的方块图。

通过一组摄像机来产生要在接口输出平台(一般是一个计算机显示器)上复制的一个图象的各个分量，该组摄像机是使用正交变焦距透镜系统(或它的样机)制成的。这组摄像机包括；涉及实在空间物体的实在摄像机(real camera)，和涉及虚拟物体以及计算机应用的虚拟摄像机(virtual camera)，所说的虚拟摄像机是借助于计算机扩展卡产生的。把通过这组摄像机产生的图象送入一个视频混频器中，所说的视频混频器形成该接口的一个部件。视频混频器产生最终的图象，然后把这个图象送到接口输出平台。通过用于摄像机控制的一个接口系统来控制摄像机位置。

为了保证在用户和系统之间的通信，该接口设有输入和输出平台。输入平台使操作最终图象的分量并产生与安装在该系统内的应用程序有关的信息成为可能。输出平台允许对最终的信息进行显示，并且借此可观察到安装的应用程序的状态。

该接口允许自由安排摄像机的移动路径以及它们的观察方向和角度。在系统中的每个摄像机都可独立于其它的摄像机操作，或者和其它摄像机同步地操作。作为接口操作的结果，任何所需的图象都能在屏幕上显示。

现在重点说明这里引入的区别于目前其它的图形用户接口的两个基本区别特征。首先，通过使用正交投影得到了最终的图象；和通用的线性投影方案相比，正交投影可完美地复制人眼观看周围景物的方式(在下面将会更加详细地表示出在线性投影和正交投影之间的比较结果)。其次，该系统允许没有任何限制地产生最终的图象。这个图象可以包含实在空间的物体的复制、虚拟空间的物体的复制、和计算机应用程序的复制。由于在得到最终的图象的过程中采用了移动控制系统并且使用了视频混频器，所有的这些复制都可随心所欲地改变和移动。移动控制系统能够控制摄像机的位置和方向，并且更加重要的是，能够以相同的精度重复单个摄像机的移动和多组摄像机的移动(在这种情况下，如果需要的话，应同步移动)。下面还要更详细地描述摄像机移动控制系统。视频混频器为在工作环境中自由操作图形的各个分量提供现代的图象处理方法。

就逻辑系统结构而论，该接口具有以下部件：

●基于一组正交变焦距镜头样机的、一个计算机图形(CG)透镜摄像机(用于“观察“虚像空间和计算机的应用程序)的系统；

●用于CG透镜摄像机的一个移动控制系统；

●配有正交变焦距镜头组的有多个光学透镜的摄像机(用于观察实在空间)的一个系统；

●配有光学透镜的摄像机的移动控制系统；

●视频混频器；

●输入平台；

●输出平台；

●基于笛卡儿空间(YXYZ)的计算机存储器的一个3维组织。这个3维存储器在屏幕上是作为一个3维的虚拟空间的图像出现的。在这个3维虚拟空间中，每个软件的图形接口都在笛卡儿空间中有一个单个的位置。借助于一个正交CG透镜(它是图形卡(硬件)的一个集成部分)把这个虚拟空间显示在屏幕上；

●借助于GPS(全局笛卡儿空间)系统自该存储器(计算机笛卡儿空间)的一个链接。

一个CG透镜摄像机应被理解为带有适当软件的一个计算机扩展卡，它能从观察一个3维的虚拟空间中构成两维图象。按照正交变焦距镜头组的功能原理进行图象构筑过程。虚拟的3维空间可以包含虚拟的3维物体，可利用场景造型方法在笛卡儿空间中造型所说的虚拟的3维物体，所说的虚拟空间还可包含计算机应用程序(如Windows95、autoCAD、XWindow)，这些应用程序用虚拟的屏幕显示，在一个虚拟空间中可用任何方式设置虚拟屏幕。这些屏幕代表应用程序和用户之间的一种通信装置。

CG透镜摄像机的特征是有3个参数：观察角、观察点、观察方向。这些参数明确地定义了摄像机用以理解虚拟空间的性质。

一个光学透镜摄像机应被理解为一个实在的摄像机；和一个CD透镜摄像机类似，光学透镜摄像机可产生两维的实在空间的图象。在该接口中使用的具有光学透镜的摄像机配有正交变焦距镜头组。

和上述情况一样，光学透镜摄像机也由观察角、观察点和观察方向确定。

借助于操作光学透镜摄像机(在系统中存在这种摄像机的情况下)的适当的机械式操作装置借助于具有适当软件的计算机扩展卡控制摄像机的移动。这个卡使得按照用户的需要计算摄像机位置序列然后再对其进行转换以便沿规定的路径移动摄像机成为可能。以此方式可随意地定位在该系统中存在的虚拟的和实在的这两种类型的摄像机，因而可构成任何移动系列。

借助系统摄像机产生的图象作为输入送到视频混频器。混频器组合提供的图象并且从它们产生最终的图象，并将其送到接口输出平台。混频器的容量在很大程度上确定了系统的整体容量。如果系统只使用单透镜摄像机，就可省去视频混频器。

接口输入平台的任务是使朝向用户系统方向的通信成为可能。这个平台包括基本输入设备，如键盘、鼠标、控制杆等，或包括较复杂的设备，如语言分析器，它们能在接口上产生控制系统的信息。这种信息有两种类型：

●接口信息，用于修改送到输入平台的最终图象的外观；

●应用程序信息，被传送至安装在系统内的应用程序，以便进行进一步的处理。

接口输出平台的任务是使从系统到用户方向的通信成为可能。使接口的实际状态成为可见的状态(它反映了系统的整体状态)的每个视频设备或一组视频设备起接口输出平台的作用。

在以下部分，将要比较利用线性投影和正交投影得到的图象的区别特征。假定我们有供我们使用的如图5所示的线性投影系统。我们希望知道，一旦物体处在系统的光轴y上，图象高度h_o是如何随物体高度h变化的。在所考虑的情况下，这是Tale定理的直接结果： $h_o=\frac{d_{o}h}{d}----\left(1\right)$

图7表示出以上所示的关系，系统参数d_o和d设定为常数。在正交投影系统中(图6所示)，由以下公式表示出类似的关系： $h_o=\frac{d_{o}h}{\sqrt{d^2+h^2}}----\left(2\right)$

图8表示的是图象高度h_o相对于物体高度h的绘出的曲线。立即可以看出，在线性投影的情况下，图象高度正比于物体的高度，比例系数取决于投影系统的参数。在正交投影情况下，并非如此。在这种情况下，在低的物体高度(一直到投影系统参数d_o的百分之几十时，图象高度h_o还是近似地正比于物体的高度h。一般来说，可以这样说，物体高度越大，图象高度的增加越慢。从理论上看，这种类型投影的最大可能图象高度等于d_o(图8中的曲线是用d_o＝0.1计算出来的)。

当观察的物体移出正交投影系统的光轴y以外，可以注意到相同的现象。在这种情况下，我们感兴趣的是有固定高度h的物体的图象高度h′_o。在垂直于系统光轴y的平面xoz上的不同位置定位物体。高度h′_o是作为偏向角δ的函数计算的(偏向角即为从观察点v观看物体的基面的角度)。为了进行比较，首先考虑线性投影的情况。如果物体移出系统的光轴，使从观察点v观察物体的基面的角度为δ，则在实在的物体和投影系统之间的距离d′按照下面的公式增加： $d^{\′}=\frac{d}{\cos \mathrm{\δ}}----\left(3\right)$ 以同样的方式，距离d′_o由以下公式确定： ${d^{\′}}_o=\frac{d_o}{\cos \mathrm{\δ}}----\left(4\right)$ 如果把方程(3)、(4)插入方程(2)，则可以得到： ${h^{\′}}_o=\frac{d_{o}h}{d}----\left(5\right)$

容易看出，图象高度h′_o不依赖于倾斜角δ。图9中表示出这种情况。与此相反，对于正交投影系统，当物体移出系统的光轴时，只有物体的距离d′变化，而图象距离d′_o保持不变，并且等于d_o由于物体距离再一次由方程(3)给出，所以可由下式计算图象高度h′_o： ${h^{\′}}_o=\frac{d_{o}h}{\sqrt{\frac{d^2}{{\cos }^2\mathrm{\δ}}+h^2}}----\left(6\right)$

图10表示高度h′_o随角度δ的变化。可以注意到，由于物体远离系统的光轴y，所以图象高度h′_o变得较小。这是由在物体和投影系统之间的距离的增加引起的。这种现象是非常普通的。例如让我们想像，我们正站在一幅极大的画的前面，在画上演示几遍符号“a”。很显然，在我们正前方的画上的符号似乎是比画的边缘上的符号大得多。

直到现在，我们已经研究了图象高度随投影的变化以及随被观察的物体的参数的变化。下面，要确定观察者观察图象的角度α′_o随上述参数的变化。假定，观察者的眼睛在投影系统的光轴上距图象平面x_o0y_o的距离为d_ob。那么，从以下角度可看见物体图象： ${{\mathrm{\α}}^{\′}}_{\mathrm{ob}}=\arctan \frac{{h^{\′}}_o}{{d^{\′}}_{\mathrm{ob}}}----\left(7\right)$

h′_o对于线性投影由(5)确定，对于正交投影由(6)确定。对于线性投影从下式可算出距离d′_ob： ${d^{\′}}_{\mathrm{ob}}=\sqrt{d_{\mathrm{ob}}^2+d_o^2}{\tan }^2\mathrm{\δ}----\left(8\right)$ 对于正交投影从下式可算出距离d′_ob： $d_{\mathrm{ob}}^{\′}=\sqrt{d_{\mathrm{ob}}^2+\frac{d^2{d}_o^2{\tan }^2\mathrm{\δ}}{d^2+h^2{\cos }^2\mathrm{\δ}}}----\left(9\right)$

如果这些方程与方程(7)组合，则对于线性投影可获得如下的观察角的最终公式： ${\mathrm{\α}}_{\mathrm{ob}}^{\′}=\arctan \frac{d_{o}h}{\sqrt[d]{d_{\mathrm{ob}}^2+d_o^2{\tan }^2\mathrm{\δ}}}----\left(10\right)$ 并且对于正交投影可获得如下的观察角的最终公式： ${\mathrm{\α}}_{\mathrm{ob}}^{\′}=\arctan \frac{d_{o}h}{\sqrt{\frac{d_{\mathrm{ob}}^2{d}^2+d_{\mathrm{ob}}^2{h}^2{\cos }^2\mathrm{\δ}+d^2{d}_o^2{\tan }^2\mathrm{\δ}}{{\cos }^2\mathrm{\δ}}}}----\left(11\right)$

在图11和12中针对这两种情况画出了角度α′_ob随角度δ的变化。为了产生这些曲线，要对投影系统和物体参数进行选择，以使在角度为5°时可观察到在系统的光轴y上放置的物体。容易看出，在两种情况下的函数的变化趋势是相同的：图象高度同物体和系统的光轴y之间的距离按相反方向变化。然而，在这种两情况之间还存在我们希望指出的重大差别。在线性投影情况下，当角度δ达到90°时，图象宽度无限延伸；而在正交投影情况下，图象宽度不超过d_o。但显然，线性投影系统的光学装置使实像的大小出现偏差。

现在我们试图判断一下，看投影系统的区别特征是如何影响最终的图象的外观的。让我们想像如下的情况。在投影系统的前方，在垂直于系统光轴的一个平面内，有一系列等长度的杆(图13)。图14表示具有不同的投影系统参数的图13所示的场景的显示情况。可以看出，在具有小视角的投影系统的情况下，在借助于线性投影或正交投影产生的图象之间实际上看不出任何差别。当利用投影系统的大视角时，才出现明显的差别。在这种情况下，对于线性投影，我们获得一个图象，其中所有的复制的杆似乎都变小，并且全是一样的高度，当然，在投影系统的正前方的杆比在侧面的杆更靠近。使用正交投影避免了这种情况。用正交投影，我们获得一个图象，其中靠近投影系统的那些杆比远处的杆复制的图象更大些。

在正交投影变焦距镜头组中的图象生成过程分两个阶段。在第一阶段(图15)，在虚拟屏幕S₁上产生一个过渡图象。这是按照正交投影规律借助于一个有180°视角的“鱼眼“型透镜(透镜组)L₁产生的。这样一个过渡图象是圆形的，是空间物体的复制品，它的位置靠近透镜组的光轴，并且在中心部分。在第二阶段，根据过渡图象在屏幕S₂上产生最终的图象。为此目的，使用一个观察透镜(透镜组)L₂，它按线性投影规律工作，并且具有一个给定的视角(明显小于180°)。这里所提出的透镜组的主要区别特征是，当改变透镜组的视角时，可获得恒定的过渡图象的最终图象，并且可选择并放大一部分图象或整个图象。如果透镜组使最终的图象产生几何畸变，那么这些畸变在变焦距过程中一直保持不变。透镜组的这个区别特征是特别重要的，并且影响由视频混频器提供的最终的图象的可靠性。

正交变焦距镜头组的观察方向由该镜头组的光轴确定，观察点位置由正交变焦距镜头组的位置确定。通过改变观察透镜L₂和虚拟屏幕S₁之间的距离可改变镜头组的视角。应该说明，所说的镜头组的视角在理论上可从180°改变到0°。

为了描述在正交变焦距镜头组上入射的光线的方向，要使用两个角：右斜入射角α和反射角β(图16)。这种表示方法在不丧失普遍有效性的条件下允许用一个两维的模型(在OvY平面内)进行待续的分析，所说的模型是通过确定角度β获得的。

下面对产生最终的图象的过程进行数学描述。

在上述假定下，我们可以设定β等于0。如果通过一个有视角α的正交变焦距镜头组观察到一个指定点(图17)，那么在虚拟屏幕S₁上的图象的高度为： $O^{\′\′}=\frac{d_{\mathrm{\δ}}}{d}{O}^{\′}=\frac{d_{\mathrm{\δ}}}{d}r\sin \mathrm{\α}----\left(12\right)$ 其中的r代表一个半径，它表示所用的正交投影的特征。这个点对应于在最终的屏幕S₂上的一个点，其高度为：

O′＝P＝rsinα                                      (13)

按以下所述计算正交变焦距镜头组的视角：

透镜L₂的特征是最大视角γ_o(图18)。如果放置透镜距虚拟屏幕S₁的距离为d，则该屏幕的一个圆形部分在这个透镜的观察范围内，所说的圆形部分的半径为： $r_1=d\tan \frac{1}{2}{\mathrm{\γ}}_3$

在这个范围内，对于通过透镜L₁可以看到的、其角度不大于下面公式表示的值的物体进行复制： $\mathrm{\γ}=2\arcsin \frac{\tan \frac{1}{2}{\mathrm{\γ}}_3}{r}d----\left(15\right)$

在同时，这是整个变焦距镜头组的视角。应该说明，值γ_o i r都是常数，它们表示镜头组的特征，并且只有距离d是变量，它影响镜头组的视角。在图19中，变焦距镜头组的视角γ表示成距离d的函数。

如果把透镜L₂的角度γ_o确定为水平的、垂直的、或斜的视角，则经上述计算的镜头组的视角也被确定为水平的、垂直的、或斜的。

下面描述摄像机移动控制系统的功能。摄像机在一个指定的时间记录的区域由实际的摄像机观察角、实际的摄像机观察点、实际的摄像机方位(alignment)确定。使用摄像机移动控制系统来改变摄像机的上述位置和方位。该系统可以控制摄像机观察点的所有的3个位置分量，所说的摄像机观察点在笛卡儿系统由矢量(x，y，z)确定，该系统还可以通过改变由TRP(俯仰角、侧滚角、摇摄角)确定的3个转角控制摄像机的观察方向。借助于摄像机移动控制系统，有可能改变光学透镜摄像机的位置和方位以及CG透镜摄像机的位置和方位。在光学(实在)摄像机和CG(虚拟)摄像机之间的差别在于：对于实在摄像机，改变的是用于锁紧摄像机的机械设备(操作装置)的配置，而对于虚拟摄像机，改变的是摄像机的方位和位置的对应矩阵。

本发明在它的实施例中不限于以上给出的优选实例。相反，可以想像出许多变化，这些变化利用了为根本不同类型的结构提供的所有解决方案。

Claims (19)

1.一种光学成像系统，用于以无限可变放大倍数复制一个物体，这种光学成像系统包括一个成像平面(6)，用于显示源自物体的图象区，成像光学装置(5)设置在成像平面(6)前方的物体一侧，并且最好有一个固定的焦距，用于在成像平面(6)上产生图象区，对成像光学装置(5)和/或成像平面(6)进行设置，以使它们可沿光轴方向移动，从而可调节放大倍数和/或聚焦出现在成像平面(6)上的图象，其特征在于：在成像光学装置(5)的前方物体的一侧，提供第一光学元件(2)，第一光学元件接收宽角度的光学辐射并且选择和/或传送物体发出的光线，这些光线穿过一个特定的焦点或节点(N)，其特征还在于：在第一光学元件(2)和成像光学装置(5)之间提供或设置第二光学元件，以使穿过特定的焦点或节点的光线在一个过渡图象平面内产生一个物体的图象，这个图象又可由成像光学装置(5)以可变的大小投影在成像平面(6)内，从而在成像平面的区域内产生不同放大倍数的成像区。

2.根据权利要求1的光学成像系统，其特征在于：在光线路径中的光阑平面设在焦点或节点远端，光线通过焦点或节点到达过渡图象平面。

3.根据权利要求2的光学成像系统，其特征在于：正交于过渡图象平面和/或成像平面发生复制。

4.根据前述权利要求之一所述的光学成像系统，其特征在于：作为平凹透镜或作为对应的光学系统(3)的第二光学元件在其平面一侧具有一个最好为漫射体层(4)形式的过渡图象平面，用于产生来自通过节点(N)的光线的过渡图象。

5.根据前述权利要求之一所述的光学成像系统，其特征在于：平凹透镜(3)的凹面面对光学元件(2)，因此它的焦点与光学元件(2)的节点或焦点(N)重合。

6.根据前述权利要求之一所述的光学成像系统，其特征在于：第一光学元件(2)是一个球面透镜。

7.根据前述权利要求之一所述的光学成像系统，其特征在于：球面透镜(2)的半径基本上等于平凹透镜的焦距或相应的光学系统(3)的焦距。

8.根据前述权利要求之一所述的光学成像系统，其特征在于：球面透镜(2)与平凹透镜(3)的凹面实现两维的接触。

9.根据前述权利要求之一所述的光学成像系统，其特征在于：光学元件是一个针孔光阑。

10.根据前述权利要求之一所述的光学成像系统，其特征在于：在成像平面(6)内提供一个胶片或一个CCD传感器元件。

11.根据前述权利要求之一所述的光学成像系统，其特征在于：提供自动聚焦设备，用于在成像平面(6)内聚焦图象。

12.一种图形用户接口，用于对实在空间的物体、虚拟空间的物体、以及任选的还有计算机应用程序进行复制，要在一个接口输出平台上显示的图象的分量由一个摄像机组产生，该摄像机组是使用正交变焦距透镜系统或它们的样机构成的，该摄像机组包括朝向(directed onto)实在空间的物体的实在摄像机、涉及虚拟物体的并且借助于计算机扩展卡产生的虚拟摄像机、和任选的计算机应用程序，由摄像机组产生的图象提供给一个视频混频器并进行处理，然后把由视频混频器产生的最终的图象送到接口输出平台，与此同时，由一个摄像机移动控制系统控制摄像机的位置。

13.根据权利要求12的图形用户接口，其特征在于：接口输出平台是一个监视器，视频混频器是该接口的一个部件。

14.根据权利要求12的图形用户接口，其特征在于：摄像机是带有适当软件的计算机扩展卡形式的CG透镜摄像机，以及实在摄像机形式的光学透镜摄像机；其特征还在于：该摄像机有正交变焦距透镜系统。

15.根据权利要求12的图形用户接口，其特征在于：摄像机移动控制系统具有至少一个带有适当软件的计算机扩展卡，其特征还在于：设置机械式操作装置以操作光学透镜摄像机，其特征还在于：为了控制虚拟CG透镜摄像机，可改变摄像机方位和位置的相应的矩阵，其结果是，可随意地定位在系统中使用的两种类型的摄像机，即虚拟摄像机和实在摄像机，并且可以按此方式随意地组成移动路径。

16.根据权利要求12的图形用户接口，其特征在于：设置接口输入平台，它包括基本输入设备，如键盘、鼠标、控制杆等，或者包括较复杂的设备，如语言分析器，用于在接口上产生控制该系统的信息。

17.根据权利要求12的图形用户接口，其特征在于：在正交变焦距镜头组中的图象产生过程有两个阶段，第一阶段在一个虚拟屏幕S₁上产生一个过渡图象，第二阶段根据过渡图象在屏幕S₂上产生一个最终的图象。

18.权利要求17的图形用户接口，其特征在于：按照正交投影规律借助于一个有180°视角的“鱼眼“型透镜或透镜组L₁在虚拟屏幕S₁上产生过渡图象，其特征还在于；这样一个过渡图象是圆形的，空间物体的复制品，它的位置靠近透镜组的光轴，位于中心部分。

19.根据权利要求17的图形用户接口，其特征在于：借助于按照线性投影规律起作用的一个有明显小于180°的给定的视角的观察透镜或透镜组L₂在屏幕S₂上产生最终的图象。

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