CN1904723A - 一种立体动画图像合成方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种立体动画图像合成的方法和装置，不用传统的照相底片，不需要机械的图像对位，采用计算机控制的显示部件显示的n幅图像作为输入源，经光学透镜和快门成像在感光材料上，使之曝光，感光材料前有一个周期为p的光栅元件，用于对所成之像分割，产生条纹图形。每完成一次曝光，光栅元件和感光材料由一个位移驱动机构驱动产生一个相对位移p/n，再进行下一幅图像曝光。最后，n幅像交叉充满在感光材料上，且不重叠。本发明提供的方法和装置，合成图像的幅数可达到6幅以上，并大大降低了设备的复杂程度和成本。

Description

一种立体动画图像合成方法及装置

技术领域：

本发明涉及一种合成立体/动画图像的方法及装置，特别是涉及一种用计算机控制的图像显示器作为输入源，经由光学系统成像，在感光材料上曝光，并在感光材料上合成立体/动画图像的方法和装置。

背景技术：

在立体/动画图像显示领域，柱面透镜光栅技术已得到广泛应用。基于柱面透镜光栅的立体/动画图像显示产品，其基本结构为两层，一层是多幅相关联图像交叉在平面载体上得到的合成立体/动画图像，另外一层是柱面透镜光栅，两者对位贴合后即可得到立体/动画图像显示产品。其中，用于合成立体/动画图像的设备分辨率是影响产品质量的关键因素，设备分辨率越高，合成图像幅数越多，就越能表现更深的景深，或者更连续的动画图像。

现有的立体/动画图像合成方法和设备，主要有扫瞄直写方式和光学成像曝光方式，前者如美国专利(专利号：5697006)所公开的发明，将三原色混合为单点光束，逐点在柱面透镜光栅背面的感光层上曝光，直至整片曝光完成，经显影定影后，就得到立体/动画图像。虽然该方法可以控制曝光光点足够小，从而有较高的分辨率，可合成较多图像幅数，但它需要复杂的光电控制，设备昂贵，每片曝光时间长，难以普及。

目前，商业领域应用较为常用的是光学成像曝光方式，从合成方式概括，主要有光栅平移曝光合成和多角度曝光合成；从图像输入方式上概括，有使用传统的照相底片，也有采用电子图像显示器显示的图像。

申请号为90101390以及93241294的中国专利都采用了光栅平移曝光合成方式，图1是其原理图，101是照明光源，102是记录了多幅视差图的照相底片，103是成像透镜，104是柱面透镜光栅，感光相纸105处在光栅104的焦平面上。柱面透镜光栅104在这里起图像分割的作用，每幅图像通过光栅在相纸上形成条纹图形，底片上多幅相关联的图像依次成像，通过光栅的平移，交叉曝光在相纸105的不同位置，填满相纸。平移是通过驱动机构106实现的。

如上所述的光栅平移曝光方式，由于采用了柱面透镜光栅分割并合成图像，立体/动画合成图层与光栅的周期良好匹配，使得立体/动画图的合成设备相对简单。但目前的技术都采用了传统的照相底片作为图像输入源，底片的处理手续繁杂，耗时且不经济，曝光时底片上多幅图像之间的精确对位也是一个比较棘手的问题，基于以上原因，实际中一般合成2-6幅图像。

专利号为5818495的美国专利，以及申请号为94100215的中国专利都采用了角度曝光合成方式，图2是这种方式的原理图，201是计算机，202是计算机控制的电子图像显示器，203是光学成像透镜，204是柱面透镜/感光层复合体，即背面有预涂敷感光层的柱面透镜光栅。图像显示器依顺序显示相关联的多幅图像，通过成像透镜和柱面透镜光栅，在复合体的感光层上曝光，每完成一幅图像的曝光，显示器202、成像透镜203、复合体204中的任意两个移动到下一个位置，使图像以新的角度成像在复合体上，直至所有图像曝光完成。

多角度曝光合成方式的优点是可直接在背面有预涂敷感光层的柱面透镜光栅上曝光，曝光完成后，经显影和定影，就得到立体/动画显示产品，不需要相纸和光栅的贴合步骤。值得一提的是，上面所述专利号为5818495的美国专利，以及申请号为94100215的中国专利都采用了计算机控制的电子显示图像作为输入源，不需要传统照相底片的处理，相对于底片输入方式是一个进步。但它们也都采用了多角度曝光合成的方式，其缺点也是显而易见的，由于需要两个部件的大范围移动，以及移动后保证图像之间的对位，其设备复杂庞大，操作不便。另外，大角度成像时成像透镜的像差严重，影响了图像的成像质量，合成图像的幅数一般也在2-6幅。

发明内容：

本发明要解决的技术问题是提供一种合成高质量立体/动画图像的方法及装置，不用传统的照相底片，合成图像的幅数可达到6幅以上，并尽可能地降低设备的复杂程度和成本。

为解决上述技术问题，本发明采用计算机控制的显示部件显示的n幅图像作为输入源，经光学透镜和快门成像在感光材料上，使之曝光，感光材料前有一个光栅元件(周期为p)用于对所成之像分割，产生条纹图形。光栅元件和感光材料由一个位移驱动机构驱动可实现相对移动。

需合成的n幅图像来自数码照相/摄像器材，也可来自于用商业软件产生的立体视差图或动画图，在曝光前，计算机对这n幅图像进行大小、色彩、亮度、分色等图像属性的处理，并完成n幅图像的对位。

显示部件从计算机读取图像文件数据，并顺序显示n幅图像，每完成一次图像显示和曝光，快门关闭，光栅元件和感光材料在位移驱动机构驱动下，相对移动一个距离d，且满足关系式d＝p/n，显示部件显示下一幅图像，快门打开，进行下一幅图像的曝光，最后，n幅图像交叉并充满在感光材料上。

光栅元件可以是柱面透镜光栅，也可以是光学掩模，其作用是分割图像形成条纹图。图3是柱面透镜光栅(有效焦距为f)用作光栅元件的示意图，光学透镜301将来自电子显示部件的图像成像在感光材料303上，感光材料303处在柱面透镜光栅302的焦平面上，由于柱面透镜光栅302的聚焦作用，在感光材料303上形成了曝光与未曝光区域交替的条纹图；快门304靠近光学透镜前面或者后面，它与感光材料303之间的距离为L，快门304有两个作用，当光栅元件与感光材料需要移动相对位移时，快门完全关闭，阻挡所有光线；当需要曝光时，快门张开一个有限的宽度w，并满足关系式w＝(p·L)/(n·f)，被限制的快门透光宽度使得图像在感光材料303上形成的条纹图每个条纹的宽度正好是p/n，n幅图像在感光材料上曝光后充满感光材料又不互相重叠。

图4是用光学掩模402作光栅元件的示意图，它具有周期性透光和不透光区域，感光材料403与之紧密相靠，与透光部分对应的区域曝光，从而形成条纹图。401是成像透镜。快门404关闭时，阻挡所有光线；张开时，宽度不受到限制。一般要求光学掩模具有高反差特性，即透光部分光强与遮挡部分剩余光强之比很高(如10000)，以消除杂光。

显示部件可以是液晶LCD显示器、阴极射线CRT显示器、硅基液晶LCOS显示器、数字微镜DMD显示器中的任何一种。显示部件可以显示彩色图形，并在光路中插入一块滤光片，以适应彩色感光材料的感光特性。也可以将每幅图形分解为三基色图，在时间上分开曝光，通过控制基色图的曝光时间来调整色度。

另外一种曝光方法是，将n幅图像的每幅图像分解为三基色图，曝光时，三基色图分别曝光，每种基色图的n幅图像曝光在一张透过型感光材料上，共得到三张与基色相对应的透过型感光材料，经显影定影后，三张透过型感光材料作为三基色母板，通过接触曝光将立体动画图像复制到其它彩色感光材料上，每次曝光时，需要将母板对位，以保证三基色的重合。

所用的感光材料可以是传统的感光相纸，也可以是透过型感光板或感光胶片，黑白、彩色均可。可以通过计算机对图像进行预处理，并调整曝光量以适应不同感光材料的感光特性。

位移驱动机构包括一个夹具用于固定光栅元件；一个平台用于固定待曝光的感光材料；驱动器可以是步进电机，也可以是高精度手动旋钮，驱动器带动夹具或者平台移动，使两者产生相对位移，移动方向垂直于栅线，位移量d由需合成的图像幅数n及光栅元件的周期p决定，并有d＝p/n，这样使得n幅图像正好充满感光材料。在使用手动旋钮作为驱动器时，采用一个位移传感器来显示光栅元件与感光材料之间的相对位移量。光栅平移的精度由步进电机或者手动旋钮的精度决定，一般商业产品可以实现1微米或更高；

由于本发明的图像处理和显示依靠计算机及其控制的显示部件完成，免去了照相底片处理的繁琐步骤，节省了材料和成本，同时，由于采用了光栅平移曝光方式，使多幅图像的对位可在计算机上实现，免去了硬件的对位机构，使立体/动画图像的合成设备和步骤大大简化。

用本方法制作的立体/动画图像显示产品，包含的图像数n主要取决于用于复合的柱面透镜光栅的成像精度及光栅元件的精度。商业化的75线/英寸柱面透镜光栅，成像精度为5-10微米；对于柱面透镜光栅型的光栅元件，其精度也取决于透镜的成像质量，即5-10微米，而对于光学掩模型的光栅元件，其精度取决于透光部分的线宽，较大面积的光学掩模可以达到2-5微米。最终的图像幅数由分辨率相对较低的用于复合的柱面透镜光栅的成像精度决定，即5-10微米，即对于75线/英寸立体/动画图像显示产品，包含的图像数，可以到达33-66幅；因此本发明提供的方法和装置，可以制作出更大的立体景深和更连续的动画。

附图说明：

图1是立体动画图像光栅平移曝光合成方式的原理图

图2是立体动画图像角度曝光合成方式的原理图

图3是用柱面透镜光栅用作光栅元件的示意图

图4是用光学掩模作光栅元件的示意图

图5是依据本发明的第一个具体实施例

图6是依据本发明的第二个具体实施例

具体实施方式：

实施例1：见附图5(俯视图)。液晶显示模块502与计算机501由数据线513相连，计算机501处理过的n幅彩色图像由液晶显示模块502顺序显示，并由成像透镜503成像在彩色相纸508上，柱面透镜光栅507固定在夹具506上，并与彩色相纸508保持一个柱面透镜焦距f的距离，夹具506与柱面透镜光栅507的平面粘合，粘合部分是透明的，以保证光线到达柱面透镜光栅507。柱面透镜光栅507的周期宽度为p。彩色相纸508用真空吸附方式紧密吸附在平台510上。512是供真空吸附用的真空泵，511是连接真空泵512与平台510的橡胶管。滤光片505的作用是调整色调。

快门504与计算机501通过控制线514相连，它与柱面透镜光栅507的距离为L。步进电机驱动机构509通过控制线515与计算机501相连。在每显示曝光完成n幅图像中的任一幅时，快门504在计算机501控制下关闭，步进电机驱动机构509在计算机501控制下动作，带动平台510及其上吸附的彩色相纸508移动，移动方向垂直于柱面透镜光栅507的栅线，位移量d由需合成的图像幅数n及柱面透镜光栅507的周期p决定，有d＝p/n。移动完成后，在计算机501控制下快门504打开，打开时宽度w为(p·L)/(n·f)，进行下一幅图像的曝光，直至n幅图像完成。快门504的宽度限制使得n幅图像在彩色相纸508上曝光后充满但不重叠。

实施例2：见附图6(侧视图)。单色CRT显示模块602与计算机601由数据线611相连。计算机601将n幅彩色图像分解为三基色图，得到n幅代表红色的基色图，n幅代表绿色的基色图，n幅代表蓝色的基色图。首先，单色CRT显示模块602顺序显示n幅代表红色的基色图(也可以是绿色或蓝色基色图)，并由透镜603成像在透过型感光干板608上。光学掩模609紧贴在透过型感光干板608上，它的周期宽度为p。一般要求光学掩模609具有高反差特性，即透光部分光强与遮挡部分剩余光强之比很高(如10000)，以消除杂光。透过型感光干板608通过夹具固定在平台610上。反射镜605用于折叠光路，以便操作。

手动旋钮进给机构包括螺丝606和螺母607，螺母607固定在平台610上。快门604在每显示曝光完成n幅图像中的任一幅时关闭，螺丝606动作，带动光学掩模609移动，移动方向垂直于光学掩模609的栅线，位移量d由需合成的图像幅数n及光学掩模609的周期p决定，有d＝p/n。光栅测微仪用于测量和显示位移量，其位移传感头611与光学掩模609接触，位移量可由光栅测微仪的控制和显示面板610读出，位移传感头611通过数据线609与光栅测微仪的控制和显示面板610相连。移动完成后，快门604打开，进行下一幅图像的曝光，直至n幅图像完成，得到代表红色的立体/动画复合图像，对应的透过型感光干板称作红色母版。快门604打开时宽度不受限制，这是因为使用了光学掩模609而不是柱面透镜光栅的缘故。

同样的方法可以得到绿色和蓝色母版，三基色母板进一步可用于彩色立体/动画图像的批量复制，即每张母板与其他感光材料(如传统的照相纸)接触对位曝光，三张曝光完成后就得到彩色立体/动画复合图像。

Claims (12)

1.一种立体动画图像合成方法，采用计算机控制的显示器显示相关联的n幅图像，n大于等于2，用光学透镜经快门将所述的n幅图像成像在感光材料上，使之曝光；其特征在于：

(1)用所述的计算机对所述的n幅图像进行大小、色彩、亮度、分色等图像属性的处理，并完成n幅图像的对位；

(2)一个光栅元件靠在所述感光材料上，光栅周期为p，图像经由所述的光学透镜和光栅元件分割成像在感光材料上，光栅元件和感光材料由一个位移驱动机构驱动可实现相对移动；

(3)所述的显示器顺序显示所述的n幅图像，每完成一次图像显示和曝光，所述的快门关闭，光栅元件和感光材料相对移动一个距离d，且满足关系式d＝p/n，显示器显示下一幅图像，快门打开，进行下一幅图像的曝光，最后，n幅图像交叉并充满在感光材料上。

2.按照权利要求1所述的立体动画图像合成方法，其特征在于，所述的光栅元件是柱面透镜光栅，焦距为f，所述感光材料处在其焦面上，所述的快门靠近所述的光学透镜前或后，快门与感光材料之间的距离为L，当快门打开时，与柱面透镜光栅栅线垂直方向的透光宽度被限制为w，满足关系式w＝(p·L)/(n·f)，使得n幅图像在感光材料上曝光后充满感光材料又不互相重叠

3.按照权利要求1所述的立体动画图像合成方法，其特征在于，所述的光栅元件是光学掩模，其掩模面与所述的感光材料感光面紧贴，所述的光学掩模每个周期的透光部分占周期p的1/n，使得n幅图像在感光材料上曝光后充满感光材料平面又不互相重叠。

4.按照权利要求1-3所述的任一种立体动画图像合成方法，其特征在于，所述的n幅图像的每幅图像分解为三基色图，每幅图像曝光时，三基色图在时间上分开，通过调整三基色图曝光时间来适应所述感光材料的彩色感光特性。

5.按照权利要求1-3所述的任一种立体动画图像合成方法，其特征在于，所述的n幅图像的每幅图像分解为三基色图，曝光时，三基色图分别曝光，每种基色图的n幅图像曝光在一张透过型感光材料上，共得到三张与基色相对应的透过型感光材料，经显影定影后，三张透过型感光材料作为三基色母板，通过接触对位曝光将立体动画图像复制到其它彩色感光材料上。

6.按照权利要求1-3所述的任一种立体动画图像合成方法，其特征在于，还包括一个滤光片，插入在光路中靠近成像透镜或快门位置，所述的n幅图像的每幅图像为三基色合成的彩色图像；滤光片滤光特性的选取由所述感光材料的彩色感光特性决定。

7.一种立体动画图像合成装置，包括一台计算机、由所述的计算机控制的图像显示部件、光学透镜、快门、感光材料；所述的图像显示部件是液晶LCD显示器、阴极射线CRT显示器、硅基液晶LCOS显示器、数字微镜DMD显示器中的任何一种；所述的光学透镜将所述显示部件显示的图像成像在感光材料上，使之曝光；其特征在于：

(1)还包括一个光栅元件靠在所述感光材料上，其周期为p；

(2)所述的图像显示部件顺序显示计算机处理好的相关联的n幅图像，n大于等于2；

(3)有一个位移驱动机构，当显示部件的图像变换时，所述位移驱动机构使所述感光材料及光栅元件产生相对位移。

8.按照权利要求7所述的立体动画图像合成装置，其特征在于，所述的光栅元件是柱面透镜光栅，焦距为f，所述感光材料处在其焦面上，所述的快门靠近所述的光学透镜前或后，快门与感光材料之间的距离为L，当快门打开时，与柱面透镜光栅栅线垂直方向的透光宽度为w，满足关系式w＝(p·L)/(n·f)，使得n幅图像在感光材料上曝光后充满感光材料平面又不重叠。

9.按照权利要求7所述的立体动画图像合成装置，其特征在于，所述的光栅元件是光学掩模，其膜面与所述的感光材料感光面紧贴；所述的光学掩模每个周期的透光部分占周期p的1/n，使得n幅图像在感光材料上曝光后充满感光材料平面又不重叠。

10.按照权利要求7-9所述的任何一种立体动画图像合成装置，其特征在于，还包括一个滤光片，插入在光路中靠近成像透镜或快门位置。

11.按照权利要求7-9所述的一种立体动画图像合成装置，其特征在于，所述的位移驱动机构包括一个夹具用于固定所述的光栅元件；一个平台用于固定所述的感光材料；一个步进电机驱动装置可带动所述的夹具和平台相对移动，移动方向垂直于栅线，每次移动的位移量为p/n；移动方式是夹具移动，平台不动，或者夹具不动，平台移动。

12.按照权利要求7-9所述的一种立体动画图像合成装置，其特征在于，所述的位移驱动机构包括一个夹具用于固定所述的光栅元件；一个平台用于固定所述的感光材料；一个手动旋钮进给机构可带动所述的夹具和平台相对移动，移动方向垂直于栅线，每次移动的位移量为p/n；一个位移传感器用于探测和显示所述夹具和平台的相对位移量；移动方式是夹具移动，平台不动，或者夹具不动，平台移动。

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