CN1825980A - 单镜头双光路摄像机实现的全兼容立体电视系统 - Google Patents

Abstract

本发明提出了单镜头双光路摄像机实现的全兼容立体电视系统，其特征是在摄像机的镜头聚焦物镜处放置一片左右反相的光开关，在场同步的控制下来分离左右眼视差图像，视差图像信号经处理，立体同步信号加入后，通过现有普通电视系统传送到电视接收机，电视机重显可裸眼观看的没有重影的包含立体信息的平面图像，用由立体同步信号控制的光偏振器将相邻场电视画面赋予相互垂直的光偏振特性，用相应的偏振光眼镜来观看三维立体电视图像。系统具有立体图像信息冗余量少、立体感强、没有重影、可不戴眼镜正常观看的与现行各类新旧电视制式双向兼容的特点。

Description

单镜头双光路摄像机实现的全兼容立体电视系统

技术领域

本发明属于一种用单个摄像机摄像的实现了与现有平面电视双向兼容的裸眼观看无重影的具有双目立体视觉特性的立体电视系统。

背景技术

在立体电视制式标准还未出台之前，各类立体电视系统设想争奇斗艳。分析各类立体电视系统原理，大都的在解决立体感强弱与兼容性问题上苦下功夫。

根据人眼的双目立体视觉与单目立体视觉两大视觉特性，实现立体电视的方式对应主要有两大类：

一类是利用双眼的视差特性，使一对视差信号的两幅图像同时出现在屏幕上，让两眼分别观看这两幅图像来获得立体视觉。该类系统具有场景真实，立体感强的特点，因为它是人双眼的直接仿真，同时它还可以人为增大摄像机间距来增强立体视觉，但由于两摄像机光路系统的相对独立性，使得该类系统很难实现与现有电视制式的双向兼容，同时存在系统成本高，目前还没有用此法实现双向兼容的立体电视系统出现。

第二类是利用人一只眼睛也能获得立体感的特点，将一对视差信号的两幅图像先后轮流地出现在屏幕上，从而获得立体视觉；这类立体电视很容易实现与现有电视制式的兼容，但根据人眼的立体视觉机理，要让单机获得立体视觉，必需要用特定的拍摄方式，如让摄像机不停的绕固定焦点转动，专利号为98101085.7所发明的全兼容无闪烁时分立体电视系统就是这种方式实现的，但该系统对摄像技术人员提出了过高的技术要求，在摄像机静止时没有立体视觉，对于景物焦点不确定的新闻现场更是不可能实现立体信息的实时传递。

另外，还有用色分法实现的立体电视系统。其中，桑格尔原理的立体电视系统最有特色，它是在摄像机的镜头光阑处放置一片左边红右边青的互补编码滤色片，当摄像机对有纵深度场景摄像时，聚焦平面上景物在摄像机靶面上形成清晰良好的色彩正常的像点，不在焦平面上的被摄物体的垂直交界线将变成红色与青色的双重线状的彩色镶边，我们用左边红右边青的互为补色的眼镜就能在显示屏看到左、右眼存在彩色视差的图像，从而形成立体视觉；它很好的实现了与现有电视系统的双向兼容；但桑格尔原理的立体电视系统是将立体信息转化为散焦点上的彩色信号(准确的说是不在焦平面上物体垂直边沿的彩色镶边)进行传送的，大家知道彩色信号不论是现行普通电视系统还是高清电视系统都是进行带宽压缩后的较低频率的色信号(即是大面积着色原理)，而电视立体信息(左眼图像与右眼图像的信息差别)刚好是图像信号的中高频分量，这种高频的彩色立体信号在色度通道中会被滤除，故很难利用现有电视制式将这种彩色化了的立体信息完整的传送出去，必然造成立体信息的大量损失，所以用它实现的立体电视效果不好，立体感差。

时至今日，能真正能实现与现有电视制式双向兼容，并实时传送立体图像的立体电视系统还没出现。

发明内容

本发明目的就是要融合单机立体电视系统与双机立体电视系统各自的优点，实现用单一摄像机拍摄出与现有各类电视制式双向兼容且具有双目立体视觉特性的立体电视系统。

本发明的特征是在摄像机的镜头光阑处放置一片左右反相的光开关，光开关在场同步信号的控制下左右交替开关工作，这样光路被分为左右两部份，各部分具有水平空间上的几何位置差异，摄像机工作时就会按场顺次交替记录左右光路的视差图像信息，形成全电视信号，再合理的安插上表征立体信号及左右场信息的立体同步信号后构成立体电视信号；这种立体电视信号由普通电视系统传输后送至电视接收机；普通电视机接收重放时，会重现出普通的平面电视画面；当用相应的立体电视重放时，电视机屏前的分段条状偏振光起偏器确保将相邻场电视画面赋予相互垂直的光偏振特性，用相应的偏振光眼镜就会看到三维的立体电视图像；不戴眼镜观看时由于相邻场信号是在同一聚焦系统中完成的，会看到一幅聚焦良好的没有重影的平面电视画面；同时该立体电视机在接收普通电视节目时，照样能重现良好的平面电视图像。真正实现了与现有电视制式双向兼容、具有能实时传送且不需要特定的拍摄要求的立体电视系统。

下面结合附图的图1对本发明的立体成像原理作进一步详细说明。

如图1(3)，当普通摄像机对焦于5点对场景1摄像时，场景1被摄像机的物镜3聚焦成像于光靶13上，只有在聚焦平面上的被摄物体(5点)才能在光靶上清晰的显示出像(点91)来，对于景物的远焦点6与近焦点4则表现为不同的散焦点90与92。即是说，我们现行电视信号中实际上包含了立体信息，只是我们看不清而已，因为它是散焦的。只有在焦平面上的景物才能形成清晰的平面图像重现出来。

当我们在摄像机的镜头光阑处(物镜处)放置一片左右反相的光开关2，光开关可在场同步信号的控制下左右交替开关工作。当此光开关在摄像机的场同步信号控制下左边打开右边关闭时，如图1(1)，光路被光开关2分成两半。此时虽只有左半光路通过，但仍能将场景1完整的聚焦于光靶面13上。此时5点聚焦于8点，光路分析可知8点仍在原来91点的位置；而远焦点6则成像于7点的位置上，相对于原来的成像位置(90的位置)像点7则偏向于光靶的右侧；而近焦点4则成像于9点，其相对于像点92位置偏左；同理，可分析出当光开关右边打开左边关闭时，如图1(2)，像点11位置不变；而远焦点6的像点10相对于原来的位置偏向光靶的左侧；而近焦点4的像12相对于原位置偏右；即是说：不论光开关在何种情况下，焦平面上的景物成像位置不变；当光开关左边打开右边关闭时，远于焦平面的物体像成像偏右，近于焦平面的物体成像偏左；当光开关右边打开左边关闭时，远于焦平面的像成像偏左，近于焦平面的物体成像偏右。这样，在不用双摄像机的情况下同样得到了双眼视差图像。

如图1(4)，将图1中(1)图与(2)图的视差图像同时重现于显示器14上时，我们仍能观察到聚焦良好的没有重影的焦平面图像18，18是由8与11重合而成，不在焦平面的图像则出现重影而变得模糊不清，如12与9及7与10，这与普通平面电视十分相似；当想法让(1)图的像7、8、9只出现在左眼，(2)图的像10、11、12只出现在右眼时，由两眼看到的图像有差异，大脑合成图像为17、18、19是具有与原空间位置一致的三维立体图像。

本发明的立体电视系统具有双目视差立体电视系统的立体感强、具有单摄像机立体电视系统兼容性好、具有桑格尔立体电视系统的信源信息冗余量少、易于传输，具有时间分割立体电视系统传输信号时的电路简单、成本低廉的特点；同时还具有偏振光立体电视系统L、R眼图像分离度好，可用柱面透镜分离视差法成像，构成不需要眼镜裸眼就可观看到立体图像的立体电视系统。

①立体感强

该系统是用光开关巧妙地将原单镜头的光路一分为二，使单摄像机具有了双摄像机才具有的双光路特性，虽然仍是单机，但得到的图像却是地地道道的双目视差图像，成像效果好，场景真实，立体感强。具有所有双目立体电视相当的立体效果。

②系统统兼容性好

由于摄像机光路聚焦系统与普通摄像机比没有改变，所以它摄的画面可以不作任何加工就在现有任意电视系统中传播及接收和重显，当然，必须要以相同制式为前提；普通平面电视接收机重显本系统立体电视节目时，会重显出清晰度更高的没有重影的层次更加分明的电视画面，因为它相当于收到一个用更大镜头的普通摄像机所摄的图像。同时，该系统下的立体电视机可正常收看现有各类普通电视节目。完全实现了系统的双向兼容。

③使用简单，通用性强

由于本发明的立体电视系统视差信息不是通过镜头的移动获得的，故对摄像者没有特别要求，任何人使用它都可摄到立体图像；同样，在本发明的立体电视系统中，无论是摄像机还是电视机都没有比现有系统有更复杂的操作要求。

④信源信息冗余量少、易于传输

在双目立体电视系统中要传送两个完全独立的(左右帧)画面来传递一个立体图像(立体帧)，而此系统只需传送一个独立的画面(左右场)就可传递一个立体图像(立体帧)。注意，此系统摄像机虽具有双光路特性，但它并不需要传递两个独立的完整画面，事实上它传送的只是两场(即一帧)的画面。它实质上是把左右光路视差图像的公共信息共同平分传送，差异部分才分开独立传送。而双目立体电视系统中，双眼的公共信息与视差信息都独立的传送了一遍，而差异总是极少数，即是说，双目立体电视系统几乎浪费了一半的系统资源。

⑤电路简单、成本低廉

在该立体电视系统中，左右光路信号是交替传送的，不需要双目电视系统中的双通道特性，象时分立体电视一样，成本低廉，电路简单、但又不会出现时分立体电视系统的图像闪烁现象，因为本系统左右图像信息具有相互包容的信号特性。

⑥图像分离度好

本系统显示端使用偏振光分离左右视差图像，分离度好，不存在桑格尔立体电视中左右色谱分离不完全的现象。

⑦立体信息在传递过程中损失量小。

本系统不是用彩色信号传递立体信息的，不存在象桑格尔原理立体电视系统中立体信息在信号处理时就出现大量损失的现象，该系统中立体信息的损失主要取决于系统信道，它与亮度信息的损失率相同，比彩色电视系统的色度信号抗干扰能力还强；如数字化后，可做到无损传输；这方面是桑格尔立体电视系统所无法比拟的。

⑧无彩色失真

相对于分色法立体电视系统，它不存在改变彩色信号的三基色分光特性，不会产生彩色失真，裸眼观看时也不会出现桑格尔立体电视系统的彩色镶边现象。

可以说，本发明的立体电视系统集成了现有立体电视系统的所有优点，并有效克服现有各类立体电视系统的缺陷，具有很好的发展前景。

附图说明

为了说明本发明的原理与系统实现方法，给出如下附图：

图1是本发明的原理示意图。其中图1中的(1)、(2)图是本立体摄像机工作时的两种状况，分别表示摄像机光开关左边打开右边闭和左边闭右边打开时的情景；(3)图表示普通摄像机工作时光通路示意；(4)图是立体视觉形成机理示意。

图2是本发明中摄像机要加的左右反相的光开关结构示意图。

图3是本发明的系统整体框图。本系统包括立体摄像，记录与传输，立体成像三大系统。

图4是本立体电视系统的立体全电视信号结构图(PAL)。它包含了立体全电视信号的所有信息。

图5是摄像机立体同步信号与立体全电视信号的产生及摄像机光开关驱动电路的电路框图。

图6是电视机立体同步检测电路的电路框图。

图7给出了显示器余辉时间与起偏器起偏时间的对应关系图。

图8为立体电视条状分段偏振屏及其驱动电路工作原理框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施方案作进一步详细说明。

图2是本发明的立体摄像机要加的左右反相的光开关结构示意图。它由左右两片对称的光开关合拼而成；其中20为左侧光开关；21为右侧光开关；23是电极，电极数为能满足驱动两个光开关的合适数目；60是光开关纵向中轴线，是光开关通光工作面上各部件的左右对称中轴，是摄像机的光路纵向分界线；22是连接左右光开关与安装光开关引线和电极的支架，22的宽窄不会影响立体成像，但要确保在光开关的中轴线60上纵向对称分部，并能保证整个光通路的光通量满足系统性能要求。光开关直径应大于或等摄像机聚焦物镜的直径。由前原理分析可知，这里的光开关把单镜头摄像机的单眼视觉特性变成了双眼视觉，相当于人的两眼，为了达到理想的立体效果，这里要求摄像机聚焦物镜的直径尽可能的做大，能达到人两眼间距离6.5cm以上的直径最为理想。光开关在摄像机内必须垂直安装，让中轴线60垂直于水平线，否则得到的将不是左右视差图像，光开关的安装位置应在聚焦物镜的前后最近处，如能将光开关与聚焦物镜做成一体更为理想。光开关工作时是用互为反相的驱动信号驱动，使光开关左右交替做开关光路的动作，故取名为左右反相光开关。

图3是本发明的系统整体框图。本系统包括立体摄像，记录与传输，立体成像三大系统。

其中摄像部分主要由光开关2、聚焦系统3、光电转换器13、立体同步信号发生电路27、光开关驱动电路26及普通摄像机系统电路25与混合器24等构成。其工作原理是：立体同步信号发生电路27取出摄像机系统电路25中复合同步信号30，分离出50Hz(PAL)的场同步信号，经光开关驱动电路26产生25Hz的方波并驱动光开关2，使光开关2按场交替开关光路的工作，奇数场时让左(右)半边光线通过右(左)半边关闭，偶数场时右(左)半边光线通过左(右)半边关闭，这种具有左右位置差异的光信号被3聚焦成像于光电转换器13上，13的输出信号经摄像机电路25按普通摄像机信号处理方式加工处理，形成相邻场具有视差特性的彩色全电视信号35后送混合器24，同时立体同步信号发生器27根据送往光开关驱动电路的驱动信号产生同左(右)眼视差场图像相对应的立体同步信号28(此发明中用了5个同步脉冲)，混合器适时的将其安插在35的场消隐后臂的连续5行的行正程正中央，这样就得到了包含有立体同步信号和左右视差图像的彩色立体全电视信号29了。

传输系统使用原有普通影像媒介。它们可以是光盘32、磁带33、电视转播站34、及其它，如闭路电视、英特网等等。

立体成像系统由立体电视接收机与眼镜构成。其工作原理是：电视接收电路36将影像媒介读取设备(如VCD、闭路电视等)传来的信号接收处理后送显示器14还原成电视画面；如果此时媒介传送的是立体电视信息，则显示器14显示的电视画面具有场间隔的左右眼视差图像，同时立体同步信号检测电路37能从电视接收电路36送来的复合同步信号中检测出立体同步信号40来，40在驱动电路中转换成25Hz的驱动信号，分成多路(后文用8路)并逐路延时(后文使用2.5ms)经放大分别驱动放置于显示屏前的分段条状起偏器(液晶)41的各条。41将显示器显示的图像光线起偏，使奇数场图像光线垂直偏振，偶数场图像光线水平偏振，当人戴上左边垂直右边水平的偏振光眼镜时，奇(偶)数场的左眼图像能通过左眼镜片43进左眼15，右眼图像因光线偏振方向不同而不能通过，同样，右眼16只能看到偶(奇)数场的右眼图像；这样，在人脑作用下形成立体视觉；当媒介传送的是平面电视信息时，立体同步检测电路37不能检测出立体同步信号，让驱动电路38仍驱动条壮起偏器交替工作，水平、垂直偏振光画面相同，用不用眼镜都会重现普通的平面电视图像；真正实现了与现有电视的双向兼容。

图4是本立体电视系统的立体全电视信号结构图(PAL)。(1)为偶数场与奇数场间的信号结构；(2)为奇数场与偶数场间的信号结构。其中44为前均衡脉冲，45是槽脉冲，46是后均衡脉冲，47是场消隐信号，48是行同步信号，72是场同步信号，93是彩色图像信号，还有彩色信号与色同步信号(未标明)，它们与普通是电视信号的作用与位置均一样；28是连续5个相嵌在后均衡脉冲之后的第4至第10行行正程中央的立体电视同步信号，其相对高度为100％，脉冲宽度为0.035H(H为行扫描周期，1H＝64μs)。这样的设置是为了保证同步信号的一致性和尽量不破坏原全电视信号结构，能满足同步信号电平与脉宽等参数要求，同时将它对行场同步信号和前后均衡脉冲的干扰减到最小，在电路上能被很容易的检测出来，同时不会对原有电接收机产生干扰。

图5是摄像机的立体同步信号与立体全电视信号的产生及摄像机光开关驱动电路的电路框图。

其工作原理是：在摄像机中，取出系统复合同步信号30，经行同步分离电路49分离出行同步头，再经H/2延时器50延时32μs(PAL中的半行时间)并反相后送至电子开关51作信号输入；场同步分离电路53分离出30中的场同步头，经2分频器54分频成25Hz同步信号，信号经9H延时器55延时后再由同步头展宽电路56将同步头展宽至5H得信号61，开关51在展宽的同步头信号61作用下闭合连续输出5个延时了半行的行同步脉冲，将它作为立体同步信号28，此信号由混合电路(59和52构成)混合加入彩色全电视信号35的场消隐后臂形成立体全电视信号29；25Hz信号61在方波发生器57中形成25Hz的驱动信号，经驱动电路58放大后驱动光开关2左右交替工作，开启与关闭左右光通路。

图6是立体电视机的立体同步检测电路。电视机同步分离电路62分离出负极性立体全电视信号中的立体复合同步信号71，场同步分离电路63分离出71中的场同步头经延时器64进行9H延时，再经同步头展宽电路65将场同步头从2.5H展宽至5H后，让其去打开与门电路67，当下场是左(右)眼视差图像时，此时延时并展宽后的场同步头正好对着立体同步信号的位置，与门电路67打开，让此时的立体复合同步信息71通过，由前面图4中的同步信号结构可知，此时的立体复合同步信号为10个连续的相距H/2的同步头脉冲(含立体同步信号在内)，该脉冲串经H/2延时器68延时H/2后与信号71在与门电路69中逐位相与时输出连续的9个高电平脉冲；当此时71中无立体同步信号时，表示下一场应是右(左)眼视差图像，67输出为5个连续的相距1H的同步头脉冲，该脉冲串经H/2延时器68延时H/2后与信号71在与门电路69中逐位相与时，由于高电平(同步头)相互错位H/2而无输出。如果连续多场都未能检测到立体同步信号，说明此时不是立体电视信息。根据上述立体同步电路的输出有无多个连续脉冲来判别是立体信号的左眼图像还是右眼图像以及来判别是否为立体电视节目，并将其送入如图8所示的驱动电路。

图8为立体电视条状分段偏振屏驱动电路工作原理框图。

图中列举一个八分段驱动电路来示意；其中73为推动电路，74、75、76、77、78、79、80为2.5ms延时器，81、82、83、84、85、86、87、88为驱动器，89为立体电视指示电路，当立体同步信号检测电路输出有立体信息时，指示电路工作使发光二极管发光提示用户。从图可知，立体同步检测电路送来的信号经波形调整电路70进行必要的延时及整形处理后，送往推动电路73放大后分8路去驱动各段起偏器工作，每路顺次时延2.5ms以保证使偏振屏41从上到下顺次起偏，将立体信号以场为单位赋予相互垂直的光偏振特性。

下面说明一下使用分段条状起偏器的目的

在本发明的立体电视接收机中，屏前起偏器41使用了多个水平条状的起偏器，并在工作时分段延时起偏，其目的是为了减少左右眼图像信号的互串。因为在现有电视制式中图像信号是逐行顺次传送的，显示器设备也是逐行顺次显示与消失的，即是说在同一时刻显示屏上下部分很可能不是同一场图像，这样，如果用一个单一的光偏振片来分离左右视差图像，必然会造成左右眼图像信息互串而减少立体感。为了减少这种影响，将偏振片做成水平条状，让各条只在显示信号到来时起偏，直至下一个要求改变偏振方向的驱动信号到来为止，这样，不仅减少了左右眼图像信号的互串，还延长了偏振片的有效通光时间，提高了屏幕亮度。为了进一步减少立体信号互串与提高亮度，要求立体电视显示器的余辉时间尽可能接近20ms(PAL)，因为在隔行扫描电视系统中，相邻场各行图像是相嵌在一起的，如余辉时间过长，则上一场的相嵌于行间的视差图相将串入本场，使立体感下降，如果余辉时间过短，则亮度又要下降，所以要求使用20ms余辉时间的显示器。

然而，在现行电视制式下，为了保证图像的相互衔接，又保证图像不产生重叠，现有显示器的余辉时约在20～40ms间，所以，在驱动电路前端，我们加了整形与延时调整电路70来一步调整起偏器的起偏时间，以让电路适应于不同余辉特性的显示器件。

图7给出了显示器余辉时间与起偏器起偏时间的对应关系。其中，94为场同步波形；95为立体同步信号位置示意；96表示余辉时间大于20ms时左右视差图像在屏上的显示时间关系，粗横线的长短表示某段起偏器后屏上有显像的最长时间；97为与96对应的要求能完全分开左右视差图像时对偏振器的起偏时间要求，有短横线的表示水平偏振，短竖线表示垂直偏振，有叉的表示要求关闭光路，此时不能让光线进入人眼，否则立体感要下降；98表示余辉时间小于20ms时的左右视差图像在屏上的显示时间关系；99为与98对应的要求能完全分开左右视差图像时对偏振器的起偏时间要求，有短横线的表示水平偏振，短竖线表示垂直偏振。

Claims (3)

1、单镜头双光路摄像机实现的全兼容立体电视系统其特征是：在摄像机的镜头聚焦物镜处放置一片左右交替开关工作的光开关，把光路均分为具有水平空间位置差异的两部份；各部分在与场同步的光开关控制下顺次投射到摄像机感光器上，得到的视差信号经处理、记录、立体同步信号加入后通过现有普通电视系统传送到电视接收机；电视机重显可裸眼观看的没有重影的包含立体信息的平面图像；用由立体同步信号控制的能将左右路视差信号完全分开的屏前水平分段条状起偏器将相邻场电视画面赋予相互垂直的光偏振特性；用相应的偏振光眼镜来观看三维立体电视图像。

2、根据权利要求1所述的单镜头双光路摄像机实现的全兼容立体电视系统其特征是：拍摄该立体电视信号的摄像机镜头的聚焦物镜处放置一片垂直安装的左右反相的光开关，使单摄像机具有了双摄像机才具有的双光路特性；这种光开关由左右两片对称的能打开与关闭光通路的光开关合拼而成；其工作区有效直径应大于或等于摄像机光通道直径，左右光开关及电极引线安装在不会影响光路左右对称性的不透光支架上，支架的大小要能保证整个光路的光通量满足系统性能要求。

3、根据权利要求1所述的单镜头双光路摄像机实现的全兼容立体电视系统其特征是：记录该立体电视信号的立体同步信号，用相嵌在场消隐后臂中间连续5行的行正程中央的脉冲表示，各脉冲的脉冲宽度为4.7μs，在负极性全电视信号中相对高度均为100％；它的出现代表紧接其后的这场信号为左眼图像或右眼图像信号；如果连续两场或两场以上都不出现立体同步信号，表示该期间不是立体电视信号。

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