CN2302537Y - 实时合成立体与动画摄影的装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种实时合成立体与动画摄影的装置,其照相机包括一个可伸缩的照相机身,相机镜头座,和载有柱镜屏与图像记录材料的片夹座。支架上设有照相机直线移动装置,照相机的镜头座和相机片夹座均设置在直线移动装置上,镜头座与片夹座分别固接各自的偏转引导装置,照相机镜头接设有调焦装置。由于其拍摄扫描角度大,摄取的是景物多方位无数幅连续画面,立体感强,图像跳动及闪烁少。

Description

实时合成立体与动画摄影的装置

本实用新型涉及一种立体与动画摄影的装置，尤其是一种可以多方位连续拍摄，实时合成的立体摄影装置。

我们生活在一个三维世界中，其中的任何物体都既有高和宽，又有深度。可是，传统的摄影术只能拍出二维照片，即只能反映被摄物体的高和宽的照片。因此，近一个世纪以来，许多实用新型家都在尝试实用新型能够拍摄立体照片的照相机。这种照片在反映被摄物体的高和宽的同时，还能反映其深度。

人的视觉系统通过许多视觉线索来获得三维知觉，视差是其中最有效的一个线索。当人注视一个物体时，两只眼睛从不同的角度看过去，从而形成略有不同的两个图像。右眼更多的看到该物体的右边，而左眼更多的看到该物体的左边。人的视觉系统能够从两眼视象对应点的视差中提取出深度信息。为了应用视差原理产生立体知觉，照相机必需产生至少两幅具有双眼视差的图像，并且这两幅图像能为两眼所分别接收。

现已有很多方法可以产生立体照片。最早使用的一种方法为双眼立体成象法，该方法使用两架照相机或一架照相机在两个不同的空间位置上拍摄两幅图像。在观看时，借助于某种特殊装备，人的右眼只看到从右面拍的图像，左眼只看到从左面拍的图像。这两幅图像在人的大脑中自动合成，形成一幅立体图像。因为这样的图像仅由两幅二维图像合成，通过装置如立体镜观看时只能看到景物一个方位的静止立体图像

三维空间成像技术又叫做自立体成像技术是对立体成像技术的重大改进。在自立体成像技术中，照相机拍摄多幅照片，而后这几幅照片经过后处理合成为一幅立体照片。这样一幅立体照片所含有的信息量(取决于用于合成立体照片的二维照片的数量)远大于使用双眼立体成象法所得的照片的信息量。如果观察者在通过某种装置如柱镜屏或狭缝屏观看照片时移动头部，他会感到是在从不同的方向观看同一物体，此感觉同在真实世界中观看物体极为相似。

自立体成像技术的一种实现方式是拍摄时使用一架多镜头照相机，或者使用一架单镜头照相机，但该照相机可以移动至不同的空间位置。被摄物体的各个不同侧面被照相机所拍得，而后这些照片被以某种方式(使用光学装置或计算机)合成为一张立体照片。中国专利号为93203576.0的“小型四镜头立体照相机”，以及美国专利号为5337096和4800407的专利即为此种设计。这类方法的一个主要缺点是观看时图像有跳跃感：当观察者移动头部时，他会看到图像从一幅跳换成另一幅，再跳换成别一幅。这种跳跃是因为用于合成立体图像的二维图像是分立的，不连续的。该方法的另一缺点是三维合成不能实时获得。必需经过一道后处理程序，费工费时，又可能导至误差。此外，多镜头相机一般镜头数量少，镜头间距小，因而合成的照片观察视角小，立体感不强。

实现自立体成像技术的一种较佳方式是模拟人眼观看过程，使用一架单镜头照相机扫描被摄物体。该照相机必需具备某种移动手段，以便从变换的角度连续扫描被摄物体。这种连续扫描方法与分立拍摄方法相比，照片信息量大大增加，因而观察方位宽，跳动少，立体感强。此种扫描照相机通常与柱镜屏或狭缝屏相结合，后者放置于相机焦平面附近，且位于用于记录图像的感光胶片之前。可移动照相机与柱镜屏或狭缝屏的结合导致立体照片的实时获得，因而避免了多镜头拍摄所必需的复杂的后处理程序。

美国专利2508587所提出的即是这样一种方法。在该设计中，照相机沿一弧形轨道移动，该弧形轨道的中心为被摄物体之所在。在扫描过程中，相机镜头总是对着被摄物体。另一相伴运动是柱镜屏以及紧贴其后的感光胶片在照相机移动过程中绕一垂直轴相对于相机镜头偏转。该照相机的应用受到限制，因为被摄物体到照相机的距离由弧形轨道的半径所预先确定，无法改变。

美国专利4107712提出了应用扫描方法的另一种照相机设计。在该设计中，照相机的机体在整个扫描过程中是固定的。在快门开启时镜头后面的小光阑在水平方向扫描通过镜头的入射光线。位于镜头焦平面附近的柱镜屏以与小光阑相同的移动方向直线移动一预先设定的距离，而感光胶片则与相机机体一样固定不动。此设计的不足之处在于：1它需要一个大口径，高质量的镜头，该镜头难于制造；2光阑扫描距离较小，因而所摄得的照片观察角度小，立体感不强；3柱镜屏的微小运动约一个节距需要高质量的控制系统，该系统的任何误差皆会导致所得立体照片的质量下降。

中国专利号为94237196.8的“单物镜多狭缝扫描瞬时合成立体摄影装置”所描述的照相机设计包括两组镜头：一组为普通镜头，另一组为微距摄影镜头。该设计以狭缝屏取代了柱镜屏。在曝光过程中做相对运动的组件有相机机体，微距摄影镜头，以及狭缝屏。相机机体沿直线轨道移动，与此同时微距摄影镜头和狭缝屏向相反的方向做直线运动。一张实时合成立体照片由此而产生。该设计所涉及到的运动比上述的美国专利4107712更为复杂，最终合成照片的质量要受到每一项运动精度的限制。而且，该设计仅用于120小画面，如若放大，会有复杂的后处理工作，又失去了实时合成的意义。

如上所述，在立体成像技术方面已有许多现成的设计，但是也存在各种各样的问题，使得这些设计无法产生高质量的，感觉自然的立体照片。

本实用新型的主要目的就是针对现有技术之不足而提供一种实时合成立体与动画摄影的装置，其不需要经过任何复杂后处理程序(胶片冲洗及贴附柱镜屏除外)，即可产生实时合成的立体图像的装置。

本实用新型的另一目的就是提供一种实时合成立体与动画摄影的装置，使用其摄制的照片，立体感强，能从多方位连续看到被摄物体的多个侧面，且跳动闪烁少。

本实用新型的再一目的就是提供一种实时合成立体与动画摄影的装置，其可拍摄动画。

本实用新型的目的是这样实现的：一种实时合成立体与动画摄影的装置，它包括一个可伸缩的照相机身，相机镜头座，载有图像记录材料的片夹座，图像记录材料前设有柱镜屏，均架设在支架上，其中所述的支架上设有照相机直线移动装置，照相机的镜头座和相机片夹座均设置在直线移动装置上，镜头座与片夹座分别固接各自的偏转引导装置，照相机镜头接设有调焦装置。

所述的直线移动装置为在支架上设有直线滑轨，由动力电机驱动的传送带，传送带设在直线滑轨中间。

所述的偏转引导装置为在直线滑轨上设有两上下设置的共轴心的镜头齿轮和片夹齿轮两个转动齿轮，镜头齿轮和片夹齿轮分别通过各自的连接件与镜头座和片夹座固接；镜头齿形导杆的一端齿合镜头齿轮，另一端顶触镜头反向倾斜导轨，片夹齿形导杆的一端齿合片夹齿轮，另一端顶触片夹反向倾斜导轨。

所述的镜头和片夹两根反向倾斜导轨之间的夹角与柱镜屏柱镜单元扫描角成比例。

所述的传送带的两端设有快门开及闭位置开关，电动机启动和停止定位开关。

所述的调焦装置为在相机的镜头座底部两侧套设有手动调焦丝杆。

所述的图像记录材料可为感光胶片，或是CCD阵列。

所述的相机可用于动画摄影。

根据上述技术方案分析可知，本实用新型可使所摄得的立体照片接近自然，无闪烁，且具有强的立体感，并且该方法易于实现，其装置容易制造，且可实时合成立体图像，即不需要经过任何复杂后处理程序。

下面结合附图和具体实施方案对本实用新型做进一步的详细说明。

图1为本实用新型的成像原理图。

图2a至2c为本实用新型柱镜屏上柱镜单元在不同扫描位置的成像过程示意图。

图3为柱镜屏上柱镜单元的几何构造示意图。

图4为本实用新型成像的观看过程示意图。

图5为本实用新型照相机扫描过程以及片夹座，镜头座的偏转运动过程示意图。

图6为本实用新型的一种实施例立体结构示意图。

图7为图6的底座立体结构示意图。

参见图1-5，详细说明本实用新型的成像原理。

为了得到连续的和立体感较强的图像，照相机必需对被摄物体在一大的范围内做连续扫描，从而拍摄物体多方面信息。此种连续扫描方法保证观察者移动头部时，会在较大范围内连续看到被摄物体的不同侧面，而不是看到一个画面跳变成另一个画面。大的扫描角是使立体感觉突出的另一个要素。照相机的扫描角定义为从照相机扫描起点到被摄物体的连线及从照相机扫描终点到被摄物体的连线所形成的夹角。该角度随照相机的直线移动距离的增加而增加，随从照相机到被摄物体的距离的增加而减小。本实用新型使用大的照相机直线移动距离，因而获得了相对大的扫描角。

应实时形成具有正确深度信息的立体照片。如果将柱镜屏放入照相机后不做任何调整，柱镜屏上的每个柱镜单元对入射光线再成象，会导致图像产生相反的深度感，即实际上在前的物体看着象藏在后面，而实际上在后的物体看着象在前面。本实用新型采用了柱镜屏相对于相机镜头的偏转的补偿运动，可实时合成具有正确深度关系的图像。其实时合成的特点使该方法比所有的使用后处理程序的方法更快和更精确。

而现有技术中所存在的闪烁感指的是立体画面上亮度不均匀，它是由柱镜屏每个柱镜单元成象的曝光区域不足或者重复曝光造成的。这里涉及到两个角度，一个是柱镜屏上柱镜单元的扫描角，定义为柱镜单元左右两极限入射光线的夹角；另一个是柱镜单元的象角，它是柱镜屏的一项技术指标，由柱镜单元的柱面半径，厚度，以及节距所决定。曝光区域不足的原因是柱镜单元的扫描角小于柱镜单元的象角，而重复曝光则起因于柱镜单元的扫描角大于柱镜单元的象角。因此，只有在这两个角度相等时，才能消除闪烁感，得到亮度均匀的立体画面。

为达到这种自立体摄影，扫描过程中在相机镜头，被摄物体，柱镜屏和图像记录材料之间要有相对运动。这些相对运动控制中的任何误差皆会导致图像质量下降。例如，如相机镜头和柱镜屏的相对运动未得到精确控制，立体照片上会呈现竖直暗条纹或亮条纹，及深度压缩或扩张等现象。因此，在扫描之前便易地调整相对运动的幅度，在扫描过程中严格地控制相对运动，遂成为自立体成像技术成功的关键。

参见图1，当照相机12沿直线滑轨ABC移动，扫描被摄物体10。相机镜头座30绕枢纽点24a偏转，使镜头光轴在整个扫描过程中对准被摄物体10。L和R代表被摄物体空间的左面和右面。光线r，m，和l分别代表在两极端位置A和C，以及中间位置B从被摄物体10入射至照相机的主光线。2β是光线r和l的夹角，它表示了照相机12在物空间扫描的范围。相机片夹座14位于照相机12的后部，其载有柱镜屏和图像记录材料。因为照相机12的镜头在整个扫描过程中均指向被摄物体10，该方法保证了在产生立体照片时最大限度的利用相机镜头的孔径。

参见图1，可知相机片夹座14，也即柱镜屏28的运动。如果在整个扫描过程中相机片夹座14与镜头座30的相对关系保持不变，从不同角度拍摄的图像会落在图像记录材料26的同一部位上，没有办法分离，因而无法获得立体感。为了分开不同的图像，相机片夹座14必需在扫描过程中相对于镜头座30运动。在本实用新型中，相机片夹座14是在枢纽点24b上，并以中垂线为轴。在A位置，相机片夹座14与基线BL虚线成逆时针角。在B位置，相机片夹座14与基线BL平行。在C位置，相机片夹座14与基线BL成顺时针角。而相机镜头的光轴总是垂直于基线BL，并与片夹座中垂线相交。

图2a至2c描述了在三个扫描位置A，B，C，柱镜屏28中央的部分柱镜单元的成象过程。图中只画出了最中心的柱镜单元和它的两个紧邻。L和R的意义同前面相似，即指出物空间左右方向的相应成象。因为镜头一次成象为反象，在象面上L，R的方向正好与物空间相反。Pr，Pm，和Pl为图1中标出的三条主光线r，m，和l在感光胶片上的成象点。所有的光线均通过柱镜单元的光心O，因此其方向并不为柱镜单元表面的折射所改变。还要指出一点，即柱镜单元焦平面上每一点是由一束以主光线为中心的具有一定通光孔径的光线所形成，而在图中只画出了它的主光线。从平面几何的原理可以推导出，主光线r，m，和l与柱镜屏28法线n的夹角等于相机片夹座14和基线BL的夹角。因此，该角度在A位置和C位置等于α，而在B位置等于0。由此推出，柱镜屏28的扫描角为2α。

图3描述了柱镜屏28上某一柱镜单元的几何构造。该柱镜单元有一光学中心O，柱面半径rL，节距p，厚度t。柱镜单元的象角为2φ，其由下列公式得出：

2φ＝2 arctan(p/(2t-2rL))为了拍出高质量的立体图像，柱镜屏厚度t应等于柱镜单元的焦距f，柱镜屏28的扫描角2α应等于柱镜单元的象角2φ。

图4为观看由照相机12拍摄的立体图像时的情形。由于图2是一次成像为反像，观看时要翻转为正像，其左、右方位与图2相反。当观察者用裸眼观看图像时，右眼Er接收到来自图像点Pr的光线，而左眼El接收到来自图像点Pl的光线。现在再回到图2。图像点Pr和Pl是由主光线r和l形成的，它们代表物空间中同一区域的右面成象和左面成象。因此，观察者右眼看到的是右面的象，而左眼看到的是左面的象，从而保证了该立体图像的正确深度显示。

图6、7为本实用新型的一较佳实施例。其利用机械装置实现了本实用新型的成像方法。

其支架10上设有由电机17驱动的传送带25，支架10的一端设有电机17转动及相机快门开闭控制装置21，传送带25的两端分别设有快门开或闭位置开关13和电动机启动或停止定位开关15。传送带25两侧设有动力直线滑轨20，相机镜头座30和相机片夹座14设置在直线滑轨20上，片夹座14上的图像记录材料前设有柱镜屏28。相机镜头座30下方套设有镜头调焦滑杆23。通过调节镜头调焦滑杆23可对被摄物体调焦。当相机镜头座30和相机片夹座14移动到快门开或闭位置开关13位置时，快门打开或关闭，当相机镜头座30和相机片夹座14移动到电动机启动或停止定位开关15，电机17方可启动或停止转动。

直线滑轨上设有两上下设置共轴心的镜头和片夹转动齿轮16a和16b，其相应的两根齿形导杆22a和22b的一端分别齿合两齿轮，两根齿形导杆的另一端分别顶触两根反向倾斜导轨18a和18b，两根反向倾斜导轨18a和18b可交叉铰接，其之间的夹角与柱镜屏柱镜单元扫描角成比例，设置恰当可保证消除闪烁感得到亮度均匀的照片。相机镜头座30通过连接件与上齿轮固接16a，而相机片夹座通过其连接件与下齿轮16b固接。图中所示出用于控制相机镜头座30运动的齿轮16a和齿形导杆22a。齿轮16b和齿形导杆22b为与齿轮16a和齿形导杆22a的平行结构，它们是用来控制片夹座及柱镜屏28的运动的。相机镜头座30装在齿轮16a上，其偏转方向由齿轮16a上的线段OH的方向来决定。在动力传动系统作用下，照相机12沿直线滑轨20移动。齿形导杆22a的一端沿交叉导轨18a滑动，另一端与齿轮16a相咬合。假设B位置为齿形导杆22a的0位置。在B位置，线段OH平行于直线滑轨20，相机镜头座30正对着被摄物体10。当照相机滑动至直线滑轨最右面位置A时，反向倾斜导轨18a相对于直线滑轨20的倾斜使齿形导杆22a向上移动一段距离1g。因为齿形导杆22a与齿轮16a相咬合，齿形导杆22a的向上线性运动1g导致了齿轮16a转动同样的弧长1g。齿轮16a的逆时针旋转角可由下述公式确定：

β＝21g/d         (β以弧度为单位)其中d为齿轮16a的直径。当照相机滑动至最左面的扫描位置C时，依相同原理，齿轮16a旋转角度为顺时针。如前所述，2β即为该立体照相机的扫描角。反向倾斜导轨18a与直线滑轨20的夹角为ε，其与角度β的关系可以用下述公式描述：

β＝(Dtanε)/d    (β以弧度为单位)其中D为照相机12的扫描距离。因为ε角度通常较小＜10°，故可得一个近似公式：

β＝(Dε)/d       (ε以弧度为单位)

反向倾斜导轨18b以粗虚线表示控制着相机片夹座14相对于照相机12的偏转，该偏转遵循与上述相同的原理。假设齿轮16b与齿轮16a有相同的直径，由上式可进一步推得，反向倾斜导轨18a与反向倾斜导轨18b之间的夹角ε1与柱镜屏28的扫描角2α之间的关系如下：

ε1＝αd/Dd和D为事先确定的参数。柱镜屏28的扫描角2α可按上式在扫描之前由调整反向倾斜导轨18a与反向倾斜导轨18b之间的夹角ε1来确定。

为适应在多种情况下拍摄多种规格尺寸照片的需要。其方法之一是可更换不同尺寸的片夹座和不同焦距的镜头。方法之二是控制祢散园直径，用大片夹拍不大于其尺寸的多规格照片，真正做到无后期加工。

在拍摄部分不滑动的情况下，仅偏转片夹座，在几个不同方位摄入几幅不同画面，经过显影冲洗，覆设柱镜屏，即可在不同的几个方位分别看到几个不同的画面，从而制作成动画。

在图像记录材料为CCD阵列时，可实现立体摄影数字化。

Claims (8)

1、一种实时合成立体与动画摄影的装置，它包括一个可伸缩的照相机身，相机镜头座，载有图像记录材料的片夹座，图像记录材料前设有柱镜屏，均架设在支架上，其特征在于：所述的支架上设有照相机直线移动装置，照相机的镜头座和相机片夹座均设置在直线移动装置上，镜头座与片夹座分别固接各自的偏转引导装置，照相机镜头接设有调焦装置。

2、根据权利要求1所述的实时合成立体与动画摄影的装置，其特征在于：所述的直线移动装置为在支架上设有直线滑轨，由动力电机驱动的传送带，传送带设在直线滑轨中间。

3、根据权利要求1所述的实时合成立体与动画摄影的装置，其特征在于：所述的偏转引导装置为在直线滑轨上设有两上下设置的共轴心的镜头齿轮和片夹齿轮两个转动齿轮，镜头齿轮和片夹齿轮分别通过各自的连接件与镜头座和片夹座固接；镜头齿形导杆的一端齿合镜头齿轮，另一端顶触镜头反向倾斜导轨，片夹齿形导杆的一端齿合片夹齿轮，另一端顶触片夹反向倾斜导轨。

4、根据权利要求3所述的实时合成立体与动画摄影的装置，其特征在于：所述的镜头和片夹两根反向倾斜导轨之间的夹角与柱镜屏柱镜单元扫描角成比例。

5、根据权利要求1所述的实时合成立体与动画摄影的装置，其特征在于：所述的传送带的两端设有快门开及闭位置开关，电动机启动和停止定位开关。

6、根据权利要求1所述的实时合成立体与动画摄影的装置，其特征在于：所述的调焦装置为在相机的镜头座底部两侧套设有手动调焦丝杆。

7、根据权利要求1所述的实时合成立体与动画摄影的装置，其特征在于：所述的图像记录材料可为感光胶片，或是CCD阵列。

8、根据权利要求1所述的实时合成立体与动画摄影的装置，其特征在于：所述的相机可用于动画摄影。

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