CN2033173U - 用于获得立体感的电视附加装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型为电视附加装置，其技术特征是不改变电视系统的制式，由专门的成像装置使同一景物对应于人左、右眼不同视角的两幅画面先在水平方向缩小后再摄象，这两幅画面在电视屏幕的左、右两半区域同时显示后，由本实用新型的观察装置进行水平方向放大使画面复原，并由已有的偏振光技术和光轴调节方法使观者看到的两幅画面重合，从而可获得大的图象面积且水平分辨率与原电视机相同的彩色/黑白立体电视图象，克服了已有技术图象大幅度缩小，分辨率严重降低的致命缺点。

Description

本实用新型属电视技术领域，具体来说是一套包括成像装置及观看装置在内的，用于获得立体感的电视附加装置。

我们对世界的经验是立体的，即三维的。人们的眼睛感知三维空间可通过肌肉线索（muscular    cues），单眼线索（monocu－lar    cues）和双眼线索（binocular    cues）来实现。

肌肉线索——人们注视近物时，眼球肌内的紧张程度不同于注视远物时眼球肌内的紧张程度。通过调节晶状体的厚度才能使不同距离的物体在视网膜上形成明晰的像。这种调节是通过改变与晶状体相连的睫状肌的紧张程度来完成的。肌肉线索只是对距离眼睛2～3米内的物体才能提供三维信息，对于更远的物体，睫状肌就不能进一步伸展。

视觉幅合的肌肉线索也能提供近距离物体的三维信息。视觉幅合是两眼对同一刺激所作的反应。当物体处于更近距离时，只有两个眼球都转向鼻子侧，才能注视该物体。这需要控制眼球做这种运动的眼球外部肌肉增加其紧张度才能实现。一般说来，视觉幅合的肌肉线索只能提供距眼球六米以内物体的三维信息，当观看更远距离的物体时，两眼视线就保持平行。

单眼线索——许多关于物体景深的三维的信息只需要一只眼睛就能感受到，如感知熟悉物体的大小，插入物的高度、阴影、线性透视、结构梯度和运动视差。美术家正是利用该线索在一维平面上创造出能表达物体景深感受的画面。

双眼线索－－由于人两眼在头部的位置略有不同（水平距离为60～65mm），从而两只眼睛所看到的景物也略有差异。视网膜上的物象的差异叫做双眼视差。人左右眼提供的观看角度不同的两幅景物在观看者视觉系统中复合起来，使人对三维空间有更深的体验。双眼视差是人类获得立体感受最重要的途径。正因为如此，只要能对同一场景拍摄下两幅对应于人左右眼观看到的、视角不同的画面，并将这两幅画面同时在电视屏幕上显示出来，再借助特定装置把这两幅画面分别送入人的左右眼，即可看到立体画面。

中国专利文献CN86210147U所公布的彩色立体电视观看装置，就是基于双眼线索，把对应于人左右眼的两幅景物相同但视角不同的图像安排在电视屏幕的上下两个对称区域上，并在这两幅画面前分别复盖两块透振光方向互相垂直的偏振片，同时在观看者左右眼前对应地放置两块偏振片，使它们的透振光方向分别与两画面前的偏振片的相同。这样左右眼就各自看到一幅景物相同但视角不同的图象。经过一装置对光轴进行调节，使左右眼分别观看到的图象重合，就可在人的视觉系统中产生三维空间的感受。该方案虽然结构简单，成本低，可使用普通电视机，但存在下述缺点：

1.在画面长宽比不变的情况下，所看到画面的面积仅为所用电视机屏幕的四分之一；

2.立体画面的水平分辨效仅为所用电视机屏幕水平分辨率的二分之一；

3.忽略了肌肉线索和单眼线索在三维感受中起的作用，较长时间观看将引起严重不适（类似于晕车或长时间观看立体电影产生的不适），并且不利于眼睛的保健。

上述缺点产生的原因分析如下：

1.见图1，若保持可视面积的长宽比与原电视屏幕的长宽比相同，即L’／h’＝L／h＝4／3，由于h’＝0.5h，所以L’＝0.5L，因此可视立体画面的面积S’＝L’，h’＝0.25Lh＝0.25S，这里S为原电视屏幕的面积，L、h分别为原电视屏幕的长和宽，而L’、h’为可视立体画面的长和宽。即使设法让每一视角的画面充满屏幕的一半（左眼上半，右眼下半，画面长宽比变为8／3），可视立体画面的面积也仅能达到原电视屏幕面积的一半，即一台大屏幕电视机只能当做小屏幕的使用。

2.每一种确定的电视制式其图象的水平扫描线条数是确定的（如中国制式水平扫描为625行／帧）。由于采用上下两半屏幕对称分割，所以最终看到的立体图象的水平扫描线数仅为所用电视系统原屏幕扫描线数的一半，即水平分辨率仅为原屏幕的一半。

3.观看者距离电视屏幕的距离不固定（可近可远），在不同距离观看同一画面时视线夹角是不同的，距离屏幕近则视角大，远则视角小，从而观看画面景物时，双眼线索与肌肉线索、单眼线索提供的三维信息之间就会产生矛盾（例如，观察者距离屏幕较近，单眼线索提供的景物尺寸就大，表示景物较近，同时肌肉线索提供的信息也将表示景物较近，此时若屏幕图象是远景，则双眼线索提供的信息将表示景物较远，可见三个线索提供的信息有矛盾），扰乱人们平时习惯了的、这三个线索所提供信息间的平衡关系，使人产生严重的不适。

本实用新型的目的是提供一种电视附加装置，它既保持了结构简单、成本低和可使用普通电视机的特点，又能使人们看到的立体画面面积不小于原电视机屏幕的面积，同时水平分辨率也不变（中国制式为625行／帧）。

此外根据实际需要，本实用新型还可给出缓解观看立体电视时肌肉线索、单眼线索及双眼线索提供的三维信息间矛盾的解决方案，从而使立体电视的观看更为舒适、景物立体感更强。

本实用新型的基本原理是使景物画面单方向缩小后再拍摄，图象在屏幕上显示后进行单方向放大后再观看。见图2，方框acfd示意摄像机及电视机的有效成像区域。本实用新型中的成像装置具有这样的性能：在保持原被摄画面高度h不变的同时，对左右眼画面进行水平方向M倍的宽度缩小，即将宽度压缩成L／M（M＞1），并使得对应于人左、右眼的两幅图像分别充满区域abed及区域bcfe。本实用新型中的观看装置具有这样的性能：它对画面水平方向的放大倍率等于对垂直方向的放大倍率的M倍。这样就将摄像时宽度被缩小了的景物复原。可见，立体画面的水平扫描线数没有损失，即水平分辨率不变。若取M＝2，则立体画面尺寸与所用电视机屏幕完全相同。本实用新型就这样获得了高的图象清晰度和大的图象尺寸。

本实用新型由三个部分组成：（1）双目、双画面、能对被摄景物进行水平方向M倍缩小的拍摄电视用成像装置（可以是附加在普通摄象机镜头前的装置，也可以是专门制造的）；（2）两块面积相同（均为电视屏幕面积的一半）、透振光方向正交、左右对称地固定在普通电视机屏幕前方并且密切对接起来的偏振薄膜（或镜片）；（3）置于观看者眼前，其左右观察孔装有两片透振光方向分别与电视屏幕前左右偏振片的透振光方向平行的偏振片，并能对画面进行水平方向M倍放大、双目光轴可调，或再加上具有焦点及全屏幕放大率可在一定范围内由使用者自由调节的功能的观看装置。

本实用新型的优点是不但可以不改变所用电视的制式，简单易行，而且看到的立体图象面积大、分辨率高，观看舒适，可用于各种彩色及黑白电视系统，因其成本极低使得用普通电视机观看高质量彩色／黑白立体电视节目成为现实。

图1为现有技术立体画面面积示意图。

图2为本实用新型画面分区示意图。

图3为本实用新型成像装置结构实例示意图。

图4为本实用新型电视屏幕前的偏振片实例示意图。

图5为本实用新型观看装置结构实例示意图。

图6～13为本实用新型成像装置的其他结构实例示意图。

图14～16为本实用新型观看装置的其他结构实例示意图。

下面根据附图给出本实用新型三个组成部份的具体实例，但本实用新型的范围不局限于此。

见图3，由左框窗A进入的图象信息经过全反射（镀银）平面镜〔1〕和〔2〕的反射后进入凹〔负〕柱面透镜〔5〕和凸（正）柱面透镜〔6〕。由于柱面透镜对平行光线单方向会聚或发散，所以适当选择柱面镜〔5〕、〔6〕的曲率半径，可使由〔6〕透出的图象信息（光线）相对于射入〔5〕的同一图象在水平方向受到M倍的缩小而在垂直方向上不变。该图象信息经过由球面镜组成的成像光具〔7〕（可认为是普通摄像镜头）后，将在摄象管焦平面的右半区域〔9〕上成像。同理，由右光窗B进入的图像信息，经过全反射平面镜〔4〕、〔3〕，柱面透镜〔5〕和〔6〕，光具组〔7〕之后，在摄像管焦平面的右半区域〔8〕上成像。这样，摄像机就可一次获得对应于人左、右眼分别观看景物的两个画面，且在水平方向上被缩小了M倍。此外，根据对具体景物的拍摄需要，为了使在左、右画面取景时充分兼顾肌肉线索和双眼线索提供的信息间的平衡，让〔1〕、〔4〕可绕着轴〔10〕、〔11〕同步转动或分别转动适当的角度，从而可拍下对应于人左、右眼看到的不同距离和不同方位的景物。同时调整或分别调整〔1〕与〔2〕、〔3〕与〔4〕之间的距离，使〔1〕与〔4〕之间的距离大于人左右眼间的距离（一般6～6.5cm），便可让由双线眼线索获得的视差信息得到夸张（或称加强），使人对特定景物获得更强的立体感受。元部件〔1〕～〔11〕以及安装架〔12〕可以是一个组装在一起的完整的立体电视成像镜头（或称装置），也可以是一个不包括〔7〕的，用来附加在普通电视摄象机镜头前用以拍摄立体电视的附加镜头（或装置）。通过适当选择〔5〕与〔7〕间的距离及设计尺寸，〔6〕也可以不要。为提高图象质量，〔5〕～〔7〕可用多层胶合的、镀膜的多组光学镜片。

图4表示固定在电视机屏幕前的偏振片，〔13〕为支承框架，〔14〕和〔15〕为两块左右对称并密切对接的，透振光方向正交的偏振薄膜。〔14〕和〔15〕处于同一个平面上。〔13〕、〔14〕和〔15〕可作为一个整体安装后置于电视屏幕前，也可将〔14〕、〔15〕夹于某种透明材料中，放置于屏幕前，或者采取其他方式或将〔14〕、〔15〕固定在屏幕前。

图5为观看装置，〔16〕、〔17〕各是一块透振光方向与图4中的〔14〕、〔15〕的透振光方向平行的偏振片。这样，屏幕左半部的图象就只能进入左观察孔C，右半部的图象只能进入右观察孔D。物镜〔18〕、〔19〕是凸（正）柱面透镜，目镜〔20〕、〔21〕是凹（负）柱面透镜，〔18〕和〔20〕、〔19〕和〔21〕分别装于两镜筒〔22〕内，两镜筒由连接臂〔23〕连接，〔23〕的左右两臂之间装有铰链〔24〕。柱面透镜〔18〕、〔20〕组合起来使自左观察孔进入的图象在水平方向得到M倍展宽；柱面透镜〔19〕、〔21〕组合起来使自右观察孔进入的图象在水平方向得到M倍的放大。调节〔18〕与〔20〕、〔19〕间的距离可使放大后的图象被人左右眼清晰地看到。以〔24〕为轴，调节两镜筒连接臂〔23〕间的夹角，使左、右镜筒光轴的夹角在水平方向得到调节，让观察者左右两眼看到的景物按人的视觉习惯组合起来。

图6的拍摄装置省略了图3结构中的柱面透镜〔5〕、〔6〕，并将平面反光镜〔2〕、〔3〕改换成凸柱面反射镜〔25〕。〔25〕的作用是将从〔1〕和〔4〕射入的景物图象经过水平方向M倍的缩小后再投射给成象光具组〔7〕，从而在摄象管焦平面上获得两幅经过水平方向缩小的、与人左、右眼对应的景物图象。

图7的拍摄装置省略了图3结构中的柱面透镜〔5〕、〔6〕，并将平面反光镜〔1〕、〔4〕改换成凸柱面反射镜〔26〕、〔27〕，〔26〕、〔27〕的作用是将从左、右光窗进入的景物图象经过在水平方向M倍的缩小之后再投射给全反射平面镜〔2〕、〔3〕。

图8～图10的拍摄装置，它们的光路与图3的相似，只是反光器件相应地换成了不同尺寸的柱面反射镜〔25〕～〔30〕。

图11的拍摄装置，省略了图3结构中的〔5〕、〔6〕，在左、右光窗前分别增加了凹柱面透镜〔33〕、〔34〕和凸柱面透镜〔35〕、〔36〕。图中〔31〕、〔32〕为镜筒〔37〕、〔38〕为用于调节〔33〕与〔35〕、〔34〕与〔36〕间距离的调节环；〔39〕、〔40〕为左右镜筒固定轴；〔41〕、〔42〕为左右镜筒调节连杆；〔43〕为左右镜筒光轴调节器，由它可调节左右镜筒光轴间的夹角。

图6～11中的光具组〔7〕也可以省去，使图示结构成为一个用来安放在某种适当的普通摄象机镜头前的立体拍摄附加装置。

图12的拍摄装置与图3的区别在于柱面透镜〔6〕移到了光具组〔7〕的下方。

图13的拍摄装置省去了图3结构中的平面反射镜〔1〕～〔4〕，并将柱面透镜〔5〕换成镜片〔5a〕。〔5a〕的特点在于其面向景物的一方是两个以拍摄焦平面的中心线为对称轴的光学平面（两个平面间有一适当的夹角），而面向〔6〕的一方为一凹柱面。〔5a〕的作用是利用光线在平面侧发生的折射，使左光窗能够拍摄到中心线以左的景物，同理，使右光窗能够拍摄到中线以右的景物，使从两个平面进入的景物，成为与人左、右眼观察时相对应的两幅画面。〔5a〕的凹柱面则使由两个平面进入的景物受到水平方向上M倍缩小。当然在有条件的情况下也可采用置于不同位置的两部摄像机同步进行拍摄，然后利用现有的电视图象合成技术（设备），将两部摄像机同时拍下的图象进行水平方向M倍的缩小，且使之能分别成像于电视屏幕的左右两半部，从而获得本文所需的图象。这种利用现有电视图象合成技术（设备）进行水平方向M倍缩小的方法，也可用来将现有的立体电影影片翻拍成为可利用本发明所述装置观看的电视节目。

图14的观看装置是在图5的基础上加装变倍率光具组〔44〕及变倍调节环〔45〕。〔44〕的作用是调节整幅图象的放大率，使得在一定距离范围内观看者看到的图象都是视角相当的（或者说是图象尺寸相当的），换句话说是使在较近距离观看到的图象与在较远距离观看到的图象一样大。这样做的好处在于使人从单眼线索获得的信息与从肌肉线索和双眼线索获得的信息充分平衡，从而消除长时间观看引起的不适。图14中，〔46〕、〔47〕是铰链，〔48〕是镜筒连接臂，〔49〕是置于人面部鼻腂附近的佩带支撑物。

图15和16都是无放大倍率调节功能的观看装置。图15采用了对称结构。由凹柱面反射镜〔53〕、〔54〕实现对图象的水平方向放大。调节旋钮〔66〕可使置于人面部鼻腂附近的佩带支撑物〔59〕伸缩，从而调节人左右眼与〔53〕、〔54〕间的距离，让水平放大率在一定范围内可变。调节轴〔57〕、〔58〕可改变左、右眼光轴间的夹角，使观看到的图象重合。调节件〔64〕、〔65〕用来调节镜架的长度，使整套装置能象普通眼镜那样佩带。图16采用非对称结构，各部分的调节原理与图15大致相同。图15、16中，〔51〕、〔52〕为平面反射镜，〔55〕为安装支座，〔56〕为联动观察孔，〔60〕、〔61〕为档块，〔62〕、〔63〕为佩带臂，〔67〕、〔68〕为偏振片。

Claims (10)

1、一种电视附加装置，由能拍摄对应于人左、右眼视角的双画面的成像装置，两块面积相同、透振光方向正交并密切对接起来、固定在电视屏幕前的偏振片，以及左右观察孔装有两片透振光方向分别与电视屏幕前相应偏振片的透振光方向平行的偏振片。并且双目光轴可调的观看装置三部分组成，其特征在于：

a.所说的成像装置是可对被摄景物进行水平方向M(＞1)倍缩小的装置，

b.电视屏幕前的两块偏振片在同一平面上左右对称排列，

c.观看装置是能对画面进行水平方向M倍放大的装置。

2、如权利要求1所述的电视附加装置，其特征在于：

a.所说的成像装置是一光学镜头，它装有柱面镜以使被摄景物在水平方向得到M倍缩小，

b.观看装置有柱面镜以使画面在水平方向得到M倍放大。

3、如权利要求2所述的电视附加装置，其特征是所说的光学镜头具有如下结构：由左光窗A进入的图象信息经全反射平面镜〔1〕和〔2〕的反射后，进入凹柱透镜〔5〕和凸柱面透镜〔6〕，然后经过由球面镜组成的成像光具组〔7〕在摄象管焦平面的右半区域〔9〕上成象，由右光窗B进入的图象信息经全反射平面镜〔4〕和〔3〕的反射后，进入凹柱面透镜〔5〕和凸柱面透镜〔6〕，然后经过〔7〕在摄象管焦平面的左半区域〔8〕上成象。

4、如权利要求3所述的电视附加装置，其特征在于：平面镜〔1〕和〔4〕可分别绕轴〔10〕和〔11〕旋转，平面镜〔1〕与〔2〕、平面镜〔3〕与〔4〕间的距离可以调节。

5、如权利要求3所述的电视附加装置，其特征是所说的光学镜头可以是所有元部件组装在一起的完整的成像镜头，也可以是一个不包括成象光具组〔7〕在内的，用来附加在普通电视摄象机镜头前的附加镜头。

6、如权利要求2所述的电视附加装置，其特征是观看装置的物镜〔18〕、〔19〕是凸柱面透镜，目镜〔20〕、〔21〕是凹柱面透镜，物镜和目镜装于两镜筒〔22〕内，两镜筒由连接臂〔23〕连接，连接臂的左右两臂之间装有铰链〔24〕。

7、如权利要求2所述的电视附加装置，其特征是所说的光学镜头具有如下结构：由左、右光窗A和B进入的图象信息分别经平面镜〔1〕和〔4〕的反射后，再各自由左、右凸柱面反射镜〔25〕作水平方向M倍的缩小，并投射给成象光具组〔7〕。

8、如权利要求1所述的电视附加装置，其特征是所说的成像装置是一光学镜头，具有如下结构：目镜〔5a〕面向景物的一方是两个以拍摄焦平面的中心线为对称轴的光学平面，而面向凸柱面透镜〔6〕的一方为一凹柱面，光线在平面侧发生的折射使左光窗A能拍摄到中线以右的景物，右光窗B能拍摄到中线以左的景物，〔5a〕的凹柱面使由两个平面进入的景物受到水平方向上M倍缩小。

9、如权利要求2所述的电视附加装置，其特征是观看装置的物镜〔18〕、〔19〕是凸柱面透镜，目镜〔20〕、〔21〕是凹柱面透镜，在〔18〕与〔20〕、〔19〕与〔21〕间装有变倍率光具组〔44〕及变倍调节环〔45〕。

10、如权利要求2所述的电视附加装置，其特征是M＝2，观看装置采用柱面反射镜在水平方向上放大画面。

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