CN102223557B - 一种裸视全景立体成像***及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种裸视全景立体成像方法,利用多图像成像***,真实复原实物光线的传输路径,使观察者不需借助任何工具,即可以像观察实物一样裸眼多角度观察,产生强烈的全景立体感。利用平行移动相机对同一视场进行多次拍摄获取一组相似的、有视差的压缩图像组,通过与压缩图像组一一对应的透光柱镜组观察压缩图像,观察者在不同角度观察到的是有角度差异的立体图像,与观察实物时一致,随着观察者得移动而呈现不同观察角度的图像,具有强烈的立体感和真实感。
Description
技术领域
本发明涉及立体成像技术领域,尤其涉及一种裸视全景立体成像***及方法。
背景技术
人们在观察一个立体的物体时,生理反应是稍微摆动头部,这样可以取得明显的视差,以准确判断实物的距离。目前一些立体成像***采用的是双图像***,观察者只能在固定角度观察到实物图像,无法多角度观察,或者在不同角度观察到的都是同一角度的图像,因此观察者移动时,图像不发生变化。而光栅成像技术属于像素成像,仅能反映一列像素,像素的宽度为光栅的宽度,光栅最小的宽度也有0.5mm,因此成像较为模糊,也不适合移动观察,移动观察时,图像即跳回相邻像素,因此观察者移动时,图像回到原来的图像。目前的立体电影是通过佩戴双色眼镜或者偏振镜,使两幅图像分别被人的左右眼观察到,从而形成立体图像,尽管图像相对清晰,但实质是定点图像,即人无法通过移动观察不同的角度,因此立体效果有限。
中国专利局于2010年12月22日公布的发明专利申请:LED显示屏的裸眼立体成像方法及***(申请号:201010252938.4)公开了一种利用柱透镜阵列再现立体影像原理实现LED显示屏的裸眼立体成像方法及***,通过在已有的LED显示屏上加入柱面透镜的裸眼立体成像方法,利用柱面透镜的折射性及人眼的视觉景深,在人体的左眼和右眼中分别成像,左右眼中成像后在人脑中进行叠加,那么人眼看到的图像就为立体图像。该技术采用的是双图像***,观察者移动时观察到的是同一图像,立体效果有限;而且只能在极为有限的有效显示区域内才能观察到立体效果。
发明内容
为克服上述问题,本发明提出一种裸视全景立体成像***及方法,利用多图像成像***,真实复原实物光线的传输路径,使观察者不需借助任何工具,即可以像观察实物一样裸眼多角度观察,产生强烈的全景立体感。
为达到上述目的,本发明所提出的技术方案为:一种裸视全景立体成像***,包括:透光柱镜组、压缩图像组、框架、定位调整机构、保护玻璃板、光源和图片定位玻璃夹板;所述压缩图像组包括一系列直立、连续布置的压缩图像,由图片定位玻璃夹板定位于框架上;所述光源用于照亮压缩图像组;所述透光柱镜组由多个柱镜直立、连续布置,平行设立于压缩图像组前面,每个柱镜与压缩图像一一对应;每个柱镜与其对应的压缩图像的距离K取值为使***成连续、不间断的清晰的立体图像的距离;所述压缩图像由以柱镜宽度B为间距平行移动取相器对同一视场进行多次拍摄,并对拍得的图像按照柱镜的放大比例进行横向压缩,获得的与每个柱镜一一对应的图像,且每两相邻图像为相似的、有视差的两幅图像;所述K值为 其中F为柱镜焦距,B为柱镜宽度;所述定位调整机构调整透光柱镜组与压缩图像组的相对位置,使每个柱镜与压缩图像一一对应。
进一步的,所述柱镜水平剖面为光学曲线,各柱镜宽度B小于或等于人体双眼距离,人体双眼距离为60~70cm,所以各柱镜宽度B小于或等于70cm。
优选的,所述光源位于压缩图像组背面、前侧面、上侧面或底侧面。
本发明提出的制造上述成像***的技术方案:一种裸视全景立体成像方法,包括如下步骤:
a)制作透光柱镜组,由多个柱镜直立、连续布置;
b)拍摄压缩图像组,包括一系列直立、连续布置的压缩图像;
c)由图片定位玻璃夹板将获得的压缩图像组安装于框架上,由光源照亮压缩图像组;
d)将步骤a)制得的透光柱镜组平行设立于压缩图像组前面;
e)由框架上的定位调整机构调整透光柱镜组与压缩图像组的相对位置,使每个柱镜与压缩图像一一对应;
f)调整压缩图像组到透光柱镜组的距离,使***成连续、不间断的清晰的立体图像,此时每个柱镜与其对应的压缩图像的距离为K,然后锁定二者的位置,透过柱镜观察压缩图像,透光柱镜组将复原实景光线传输路径;
步骤b)所述拍摄压缩图像组的方法为,以柱镜宽度B为间距平行移动取相器对同一视场进行多次拍摄,对拍得的图像按照柱镜的放大比例进行横向压缩,获得与每个柱镜一一对应的压缩图像;且压缩图像组的每两相邻图像为相似的、有视差的两幅图像;所述K取值为 其中F为柱镜焦距,B为柱镜宽度。
进一步的,所述柱镜水平剖面为光学曲线,各柱镜宽度B小于或等于人体双眼距离。
本发明的有益效果:本发明的全景立体成像不需要佩戴专门的眼镜,有利于生活中的应用和推广,较现有的技术更具真实感;且观察者在不同角度观察到的是有角度差异的立体图像,与观察实物时一致,因此具有强烈的立体感和真实感;本发明成像属于图像成像,是连续的图形,不仅观察图像清晰,且随着观察者的移动而呈现不同观察角度的图像。
附图说明
图1为本发明的裸视全景立体成像***示意图;
图2为本发明裸视全景立体成像原理示意图;
图3为本发明透光镜组与压缩图像位置关系示意图。
主要组件标号说明:1透光柱镜组;101,102透光柱镜;2压缩图像组;3框架;4光源;5双眼;6立体虚像;P1,P2……Pn压缩图像。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式,对本发明做进一步说明。
本发明利用柱镜虚像成像原理,在各柱镜后面放置按柱镜宽度距离平行平移拍摄的压缩图像,使通过透光柱镜形成的虚像与实物光线进入观察者双眼的角度一致,实现实景光线传输路径的复原,形成高仿真的立体图像。
本发明提出的一种裸视全景立体成像***,如图1所示,包括:透光柱镜组1、压缩图像组2、框架3、定位调整机构、保护玻璃板、光源4和图片定位玻璃夹板;所述压缩图像组2包括一系列直立、连续布置的压缩图像P1,P2……Pn,由图片定位玻璃夹板(图中未画出)定位于框架3上;并通过定位调整机构调整透光柱镜组与压缩图像组的相对位置,使每个柱镜与压缩图像一一对应;所述光源4位于压缩图像组2背面、前侧面、上侧面或底侧面等可照亮压缩图像组2的位置;所述透光柱镜组1由多个柱镜直立、连续布置,平行设立于压缩图像组2前面,每个柱镜与压缩图像一一对应;每个柱镜与其对应的压缩图像的距离K取值为使***成连续、不间断的清晰的立体图像的距离。优选的,K取值为K取值为 其中F为柱镜焦距,B为柱镜宽度。所述透光柱镜组1是由透光材料制成的高放大倍数的凸透镜,由多个柱镜直立、连续布置,柱镜水平剖面为光学曲线,每个柱镜宽度B小于或等于人体双眼的距离,人体双眼距离为60~70cm,考虑到儿童观察者的双眼距离,又柱镜宽度越大成本越低,考虑降低成本,故本实施例中柱镜宽度B取值以60cm为佳。柱镜垂直剖面的外表面为直线,其高度不限,但如果太高,应考虑观察角度形成的放大倍数变化,采取相应的措施消除两端放大倍数变大的影响。
本发明原理:柱镜的一个特点是,不同角度的光线经过柱镜时,其光轴均经过柱镜的中心点。本发明就是利用这一特点,在一定条件下使双眼观察到不同的图像,通过图像参数设计,可以复原真实物体光线的传输路径,从而在人的大脑合成立体图像。如图2所示,双眼5通过柱镜101,102观察压缩图像P1,P2时,在选定的焦距F后,将压缩图像组2与透光柱镜组1保持一定距离K时,双眼5观察到的压缩图像P1,P2是相邻的。左右双眼5独立观察柱镜101,102时,各个柱镜101,102对应的压缩图像P1,P2的虚像在左右双眼5均独立形成了连续的图像。由于上述特定的拍摄方法,左眼形成的连续图像与右眼形成的连续图像按照视差重叠,在大脑内合成立体虚像6,与观察实物时的光线路径一致,具有强烈的立体效果。
如图1所示,本发明的一种裸视全景立体成像方法,包括如下步骤:
a)制作透光柱镜组1,由多个柱镜直立、连续布置,柱镜水平剖面为光学曲线,每个柱镜焦距为F,宽度为B,B小于或等于人体双眼距离;因为人体双眼距离为60~70cm,考虑到儿童观察者的双眼距离,又柱镜宽度越大成本越低,考虑降低成本,故本实施例中柱镜宽度B取值以60cm为佳;柱镜焦距F取值越小,可实现立体观察的区域越广,但是焦距若过小,压缩图像组的位置就接近于焦点位置,使成像虚化严重,焦距F取值在能使***清晰成像的条件下尽量小,本实施例中F取值为120cm;
b)拍摄压缩图像组2,以柱镜宽度B为间距平行移动取相器对同一视场进行多次拍摄,对拍得的图像按照柱镜的放大比例进行横向压缩,获得与每个柱镜一一对应的压缩图像组2;
c)由图片定位玻璃夹板将获得的压缩图像2组安装于框架3上,压缩图像组2背面或前侧面等可照亮压缩图像的位置设置有光源4;
d)将步骤a)制得的透光柱镜组1平行设立于压缩图像组2前面;
e)由框架3上的定位调整机构调整透光柱镜组1与压缩图像组2的相对位置,使每个柱镜与压缩图像一一对应;
f)调整压缩图像组2到透光柱镜组1的距离,使***成连续、不间断的清晰的立体图像,此时每个柱镜与其对应的压缩图像的距离为K,然后锁定二者的位置,透过柱镜观察压缩图像,透光柱镜组将复原实景光线传输路径。
上述步骤b)拍摄压缩图像组1,具体的,从观察者方向看,每个柱镜的后面各有一幅经过压缩的图像P1、P2……Pn,每个图像是在不同位置拍摄的同一视场,要求相机以柱镜宽度B为间距平行移动,从不同位置拍得每个柱镜对应的图像,拍得的图像按照柱镜的放大比例(展开比)进行横向压缩,压缩图像与柱镜一一对应。受图像区域限制,在柱镜很多的情况下,可以截取有效区域制作压缩图像。压缩图像与柱镜一一对应,也就是有多少个柱镜就有多少个压缩图像,每张压缩图像均是在不同位置独立拍摄的同一视场的图像,因此相邻压缩图像均是相似的、有视差的两幅图像。
上述透光柱镜组1与压缩图像组2的距离K与柱镜的放大的比例(焦距)相关,即为确保双眼观察图像时,所形成的虚像连续、不断开也不重叠,在柱镜焦距F一定时,该距离K有一最佳取值。该最佳取值的确定方法如图3所示,可以采用作图法,也可采用计算法。
作图法:如图3中,B为人双眼距离,与柱镜宽度一致,最佳取值为60cm;L为观察者与透光柱镜组1的距离,根据观察者的活动范围确定;F为柱镜焦距,由于焦距过小时,K值接近F值,虚像虚化严重,需要采用非球面镜或镜组设计,因此本实施例中F取值为120cm。其作图步骤如下:
1)按比例画出柱镜宽度B的直线AOC;
2)以O为圆心,焦距F为半径作圆弧;
3)计算出观察者在距透光柱镜组L远处时双眼视角的夹角θ;
4)作出三角形AB1C和AB2C;
5)找出AB2与CB1的交点E,测量E与直接AOC的距离,即为透光柱镜组1与压缩图像组2的唯一确定的距离K。
即压缩图像的位置应设置在左右两眼5观察区域刚好相邻、既不重叠也不分离的位置,如此,才能满足左眼和右眼观察到的图像是连续的清晰的立体图像。如图3中的E1E和EE2处,三角形AB1C和三角形AB2C分别为左眼和右眼透过柱镜的观察区域,位置E1E和EE2正好是左右两眼观察区域刚好相邻、既不重叠也不分离的位置,即压缩图像组2应置于直线E1E2位置处。
计算法:根据图3中所示,压缩图像组2与透光柱镜1的最佳距离K可由如下公式计算得出: 式中,K为压缩图像组2与透光柱镜组1的距离;B为柱镜宽度;F为柱镜焦距;L为观察者与透光柱镜组1的距离。
本发明首创了多图像成像***,信息量远高于双图像立体成像***,能够真实复原实物光线的传输路径,可以像观察实物一样多角度观察。因此,观察者在摆动头部,或者在一定范围内移动时,均可复原不同角度的观察图像,产生强烈的立体感。
尽管结合优选实施方案具体展示和介绍了本发明,但所属领域的技术人员应该明白,在不脱离所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围内,在形式上和细节上对本发明做出的各种变化,均为本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种裸视全景立体成像***,其特征在于,包括:透光柱镜组、压缩图像组、框架、定位调整机构、保护玻璃板、光源和图片定位玻璃夹板;所述压缩图像组包括一系列直立、连续布置的压缩图像,由图片定位玻璃夹板定位于框架上;所述光源用于照亮压缩图像组;所述透光柱镜组由多个柱镜直立、连续布置,平行设立于压缩图像组前面,每个柱镜与压缩图像一一对应;每个柱镜与其对应的压缩图像的距离K取值为使***成连续、不间断的清晰的立体图像的距离;所述压缩图像由以柱镜宽度B为间距平行移动取相器对同一视场进行多次拍摄,并对拍得的图像按照柱镜的放大比例进行横向压缩,获得的与每个柱镜一一对应的图像,且每两相邻图像为相似的、有视差的两幅图像;所述K值为 其中F为柱镜焦距,B为柱镜宽度;所述定位调整机构调整透光柱镜组与压缩图像组的相对位置,使每个柱镜与压缩图像一一对应。
2.如权利要求1所述的一种裸视全景立体成像***,其特征在于:所述柱镜水平剖面为光学曲线,各柱镜宽度B小于或等于人体双眼距离。
3.如权利要求2所述的一种裸视全景立体成像***,其特征在于:所述各柱镜宽度B小于或等于70cm。
4.如权利要求1所述的一种裸视全景立体成像***,其特征在于:所述光源位于压缩图像组背面、前侧面、上侧面或底侧面。
5.一种裸视全景立体成像方法,其特征在于,包括如下步骤:
a)制作透光柱镜组,由多个柱镜直立、连续布置;
b)拍摄压缩图像组,包括一系列直立、连续布置的压缩图像;
c)由图片定位玻璃夹板将获得的压缩图像组安装于框架上,由光源照亮压缩图像组;
d)将步骤a)制得的透光柱镜组平行设立于压缩图像组前面;
e)由框架上的定位调整机构调整透光柱镜组与压缩图像组的相对位置,使每个柱镜与压缩图像一一对应;
f)调整压缩图像组到透光柱镜组的距离,使***成连续、不间断的清晰的立体图像,此时每个柱镜与其对应的压缩图像的距离为K,然后锁定二者的位置,透过柱镜观察压缩图像,透光柱镜组将复原实景光线传输路径;
步骤b)所述拍摄压缩图像组的方法为,以柱镜宽度B为间距平行移动取相器对同一视场进行多次拍摄,对拍得的图像按照柱镜的放大比例进行横向压缩,获得与每个柱镜一一对应的压缩图像;
且压缩图像组的每两相邻图像为相似的、有视差的两幅图像;所述K取值为 其中F为柱镜焦距,B为柱镜宽度。
6.如权利要求5所述的一种裸视全景立体成像方法,其特征在于:所述柱镜水平剖面为光学曲线,各柱镜宽度B小于或等于人体双眼距离。
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