CN111277811A - 一种三维空间相机及其拍照方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于三维空间相机技术领域，具体公开了一种三维空间相机及其拍照方法，包括同一光学***下的图像一摄影单元和图像二摄影单元，还包括对图像一摄影单元和图像二摄影单元进行数据处理的处理***，所述处理***包括对图像一摄影单元和图像二摄影单元进行图像拍摄的控制单元，对控制单元进行处理的记录存储单元，以及对记录存储单元进行计算的三维坐标计算单元，通过对三维空间物点或构成三维物体的全部空间物点同时拍摄一组或多组两幅图像（拍双照），通过计算这些物点在双照中的高度比例关系，来计算出三维空间物点或构成三维物体的全部空间物点正对于相机的三维坐标。

Description

一种三维空间相机及其拍照方法
技术领域
本发明属于三维空间相机技术领域，尤其涉及一种三维空间相机及其拍照方法。
背景技术
人类发明照相机已经有180年了，但这些相机只能记录二维世界，没有第三维度的距离深度信息，为了得到距离深度信息，我们还需要一些辅助技术，如：超声波测距、激光雷达测距、红外测距、单目结构光测距以及双目测距等；超声、激光、红外等装置通过测量发射源发射与返回之间的时间差来计算被测物体与传感器之间的距离，称之为主动法，主动法测距比较方便、迅速，计算较为简单，因此在实时控制上得到了广泛的应用，但是发射和接收设备价格昂贵，成本较高，而且反射、噪音、交叉等环境问题难于避免，实现大像素比较困难，要实现普遍应用性，还是有困难的；单目结构光测距只能用于短距的测量，如为提高人脸识别准确度而开发的人脸距离的结构光测距；双目立体视觉通过左右摄像机提供的两个图像的视差信息能够比较准确地恢复视场的三维信息，但是，双目视觉的得到空间距离信息，需要左右图像对应点的匹配分析，计算工作量大，双目视觉测量还容易受到特征点误匹配的影响，难以满足实时性要求。
发明内容
本发明的目的是提供一种三维空间相机及其拍照方法。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种三维空间相机，包括同一光学***下的图像一摄影单元和图像二摄影单元，还包括对图像一摄影单元和图像二摄影单元进行数据处理的处理***，所述处理***包括对图像一摄影单元和图像二摄影单元进行图像拍摄的控制单元，对控制单元进行处理的记录存储单元，以及对记录存储单元进行计算的三维坐标计算单元，所述处理***通过信号连接与控制线与图像一摄影单元、图像二摄影单元连接。
同一光学***为共轴球面***，所述图像一摄影单元与图像二摄影单元的光学主平面之间的距离为D，D不小于零。
进一步的，所述图像一摄影单元和图像二摄影单元之间还设有图像一转换单元，所述图像一转换单元通过信号连接与控制线与处理***连接，所述图像一转换单元至少为一个，图像一转换单元与图像一摄影单元的光学主平面之间的距离为E，E不小于零。
进一步的，所述图像一摄影单元还设有至少一个图像一并行相关成像单元，所述图像一并行相关成像单元通过信号连接与控制线与处理***连接，所述图像一并行相关成像单元的光路与图像一摄影单元的光路相同或相关，所述图像一并行相关成像单元与图像一摄影单元的光学主平面之间的距离为G，G不小于零。
进一步的，所述图像一并行相关成像单元与图像二摄影单元之间还设有至少一个图像一并行相关成像单元转换单元，所述图像一并行相关成像单元转换单元通过信号连接与控制线与处理***连接，所述图像一相关成像单元与转换单元之间的距离为K,K不小于零。
一种三维空间相机的拍照方法，当所述光学***与光学子***都为共轴球面***时，物点的三维坐标表征为：H0物高、U0物距和α光学子午面夹角，包括以下步骤：
1)图像一摄影单元对三维空间的物点进行拍照，感光记录一个二维的图像一，在这个二维图像一上有物点的像点一的像高与光学子午面夹角坐标；
2)图像二摄影单元对图像一摄影单元光路上的像点一进行拍照，感光记录一个二维的图像二，这个二维的图像二上有间接来自物点的像点二的像高与光学子午面夹角坐标；
3)图像拍摄控制单元设置一组光学***参数，这组参数可以对某一个景深内的物点的像点一和像点二分别清晰记录在图像一与图像二上，记录存储单元将图像一摄影单元与图像二摄影单元感光器上的图像一与图像二的数据进行记录并存储，三维坐标计算单元利用存储与记录单元记录的数据以及图像一摄影单元和图像二摄影单元的光学***参数对图像一与图像二上像点的二维坐标进行计算，得到空间三维物点的物距，物高与光学子午面夹角的三维坐标并存储；
4)重复步骤3)，得到另一个景深内的三维空间物点的三维坐标信息并存储；
5)对需要三维坐标测量的物点，通过划分一个到多个景深，重复步骤3)和步骤4)，得到所需的整个深度范围内物点的一组成对的图像一与图像二，以及整个深度范围内的空间三维空间物点的物距，物高与光学子午面夹角的三维坐标信息，并存储，再通过显示器或投影仪显示出物体的三维立体照片。
进一步的，所述的步骤2)中：图像一摄影单元与图像二摄影单元之间设有至少一个图像一转换单元，图像一转换单元将像点一光学转换到图像一转换单元光路上的像点i，图像二摄影单元对像点i进行拍照，感光记录一个二维的图像三，这个二维图像三上有间接来自物点的像点二的像高与光学子午面夹角坐标。
进一步的，所述的步骤2)中：图像一摄影单元还设有至少一个图像一并行相关成像单元，图像一并行相关成像单元也对三维空间的物点进行成像，得到像点一’，图像二摄影单元对像点一’进行拍照，感光记录一个二维的图像四，这个二维图像四上有间接来自物点的像点二的像高与光学子午面夹角坐标。
进一步的，所述的步骤2)中：图像一并行相关成像单元与图像二摄影单元之间还设有至少一个图像一并行相关转换单元，图像一并行相关成像单元也对三维空间的物点进行成像，得到像点一’，图像一并行相关转换单元将像点一’光学转换到图像一并行相关转换单元光路上的像点i’，图像二摄影单元对像点i’进行拍照，感光记录一个二维的图像五，这个二维图像五上有间接来自物点的像点二的像高与光学子午面夹角坐标。
进一步的，用来形成图像一与图像二或图像三或图像四或图像五的光或波为可见光，红外光，紫外光，X-光电磁波，超声波中的一种。
进一步的，所述物点的发光，是物点本身的光或光源照射物点产生的光。
进一步的，所述的步骤3)中：三维坐标计算单元利用存储与记录单元记录的数据以及图像一摄影单元和图像二摄影单元的光学***参数对图像一与图像二上像点的二维坐标进行计算，得到空间三维物点的物距，物高与光学子午面夹角的三维坐标，具体计算过程如下：
光学***的全部光学***参数集合，Oi(i＝1,…,N)；
Oi为描述整个光学***特性的最少的或独立的，N个光学***参数的集合；
像点一与像点二的光学子午面夹角，α1,α2；
像点一与像点二的像高，H1,H2；
也即：
物点的光学子午面夹角，α0；
α0＝Φ(Oi,α1,α2,H1,H2)
i＝1,2,…N (公式11)
物点的物距，U0；
U0＝Ω(Oi,α1,α2,H1,H2)
i＝1,2,…N (公式12)
物点的物高，H0；
H0＝Ψ(Oi,α1,α2,H1,H2)
i＝1,2,…N (公式13)。
本发明具有的优点是：由于该相机通过对三维空间物点或构成三维物体的全部空间物点同时拍摄一组或多组两幅图像(拍双照)，通过计算这些物点在双照中的高度比例关系，来计算出三维空间物点或构成三维物体的全部空间物点正对于相机的三维坐标(对应于立体照片的拍摄，记录与存储)，利用拍双照方法得到的这些空间物体的三维坐标，可以用计算机或其它立体显示技术显示出三维立体空间物体。
附图说明
图1是本发明三维空间立体相机的结构示意图。
图2是图像一摄影单元后面有一个图像转换单元的三维空间立体相机的结构示意图。
图3是有图像一并行相关成像单元的三维空间立体相机的结构示意图。
图4是同时有并行相关成像单元与图像转换单元的三维空间立体相机的结构示意图。
图5是实验例1的光路配置示意图。
图6是实验例1中物点的像高比与物距的关系图(当设置图5的光学***参数：f1＝35mm,f2＝60mm,D＝145mm)。
图7是实验例1中物距U0与像距V1的关系图(当设置图5的光学***参数：f1＝35mm,f2＝60mm,D＝145mm时，物距大于50米时)。
图8是实验例1中物距U0与像距V2的关系(当设置图5的光学***参数： f1＝35mm,f2＝60mm,D＝145mm时，物距大于50米时)。
图9是实验例1中物距U0与像高比H2/H1的关系图(当设置图5的光学***参数：f1＝35mm,f2＝60mm,D＝145mm时，物距大于50米时)。
图10是实验例1中物距U0与像高H2、H1的关系图(当设置图5的光学***参数：f1＝35mm,f2＝60mm,D＝145mm时，物距大于50米时)。
图11是实验例2的光路配置示意图。
图12是实验例3的光路配置示意图。
图13是实验例4的光路配置示意图。
1、发光物点；2、图像一摄影单元；3、图像二摄影单元；4、处理***；5、像点一(含感光器)；6、像点二(含感光器)；7、图像一转换单元；8、像点i； 9、图像一并行相关成像单元；10、像点一’；11、信号连接与控制线；12、图像一并行相关成像单元图像转换单元；13、凸透镜F1；14、凸透镜F2；15、45°反光镜；16、凸透镜Fi；17、反光镜Fi；18、体状发光体Fi；19、像点i’；20、凹面镜。
具体实施方式
如图1所示，本发明公开了一种三维空间相机，包括同一光学***下的图像一摄影单元2和图像二摄影单元3，还包括对图像一摄影单元2和图像二摄影单元3进行数据处理的处理***4，所述处理***4包括对图像一摄影单元和图像二摄影单元进行图像拍摄的控制单元，对拍摄完图像进行存储的记录存储单元，以及对记录存储单元进行计算的三维坐标计算单元，同一光学***为共轴球面***。所述图像一摄影单元2与图像二摄影单元3的光学主平面之间的距离为D，D不小于零。
如图2所示，所述图像一摄影单元2和图像二摄影单元3之间还设有图像一转换单元7，图像一转换单元7至少为一个，图像一转换单元7与图像一摄影单元2之间的光学主平面距离为E，E大于或等于零。
如图3所示，在图1的基础上，图像一摄影单元2还设有至少一个图像一并行相关成像单元9，所述图像一并行相关成像单元9的光路与图像一摄影单元 2的光路相同或相关，光路相关指的是通过一些计算参数把两个光路的成像特性表示出来，所述图像一并行相关成像单元9与图像一摄影单元2的光学主平面之间的距离为G，G大于或等于零。
进一步的，如图4所示，在图3的基础上，所述图像一并行相关成像单元 9与图像二摄影单元3之间还设有至少一个图像一并行相关成像单元转换单元 12，所述图像一并行相关成像单元9与转换单元12的光学主平面之间的距离为 K,K大于或等于零。
所述处理***4通过信号连接与控制线11与图像一摄影单元2、图像二摄影单元3、图像一转换单元7、图像一并行相关成像单元9和图像一并行相关成像单元转换单元12分别连接，所述图像一摄影单元2、图像二摄影单元、图像一转换单元7、图像一并行相关成像单元9和图像一并行相关成像单元转换单元 12的组装使用成像光学元器件，如凸透镜、凹透镜、凹面镜、凸面镜、平面反光镜、体状散光体，体状发光体，CCD感光器芯片或CMOS感光器芯片等。例如图像一摄影单元可采用一个凸透镜和一个CCD感光器。本发明还公开了一种三维空间相机的拍照方法，在共轴球面***下，物点的三维坐标表征为：H0物高、U0物距和α光学子午面夹角，包括以下步骤：
1)图像一摄影单元2对三维空间的发光物点1进行拍照，感光记录一个二维的图像一，在这个二维图像一上有发光物点1的像点一的像高与光学子午面夹角坐标；
2)如图1所示，当只存在图像一摄影单元2和图像二摄影单元3时，图像二摄影单元3对图像一摄影单元2光路上的像点一5进行拍照，感光记录一个二维的图像二，这个二维图像二上有间接来自发光物点1的像点二6的像高与光学子午面夹角坐标。
如图2所示，当图像一摄影单元2与图像二摄影单元3之间设有至少一个图像一转换单元7时，图像一转换单元7将像点一5光学转换到图像一转换单元光路上的像点i(8)，图像二摄影单元3对像点i(8)进行拍照，感光记录一个二维的图像三，这个二维图像三上有间接来自物点1的像点二6的像高与光学子午面夹角坐标。
如图3所示，当图像一摄影单元2还设有至少一个图像一并行相关成像单元9时，图像一并行相关成像单元9也对三维空间的发光物点1进行成像，得到像点一’10，图像二摄影单元3对像点一’10进行拍照，感光记录一个二维的图像四，这个二维图像四上有间接来自发光物点1的像点二6的像高与光学子午面夹角坐标。
如图4所示，当图像一并行相关成像单元9与图像二摄影单元3之间还设有至少一个图像一并行相关转换单元12时，图像一并行相关成像单元9也对三维空间的发光物点1进行成像，得到像点一’10，图像一并行相关转换单元12将像点一’10光学转换到图像一并行相关转换单元12光路上的像点i’19，图像二摄影单元3对像点i’19进行拍照，感光记录一个二维的图像五，这个二维图像五上有间接来自物点1的像点二的像高与光学子午面夹角坐标。
3)图像拍摄控制单元设置一组光学***参数，这组参数可以对某一个景深内的物点的像点一和像点二分别清晰记录在图像一与图像二上，记录存储单元将图像一摄影单元与图像二摄影单元感光器上的图像一与图像二的数据进行记录并存储，三维坐标计算单元利用记录存储单元记录的数据以及图像一摄影单元和图像二摄影单元的光学***参数对图像一与图像二上像点的二维坐标进行计算，得到空间三维物点的物距，物高与光学子午面夹角的三维坐标并存储；
4)重复步骤3)，得到另一个景深内的三维空间物点的三维坐标信息并存储；
5)对需要三维坐标测量的物点，通过划分一个到多个景深，重复步骤3)和步骤4)，得到所需的整个深度范围内物点的一组成对的图像一与图像二，以及整个深度范围内的空间三维空间物点的物距，物高与光学子午面夹角的三维坐标信息，并存储，再通过显示器显示出物体的三维立体照片。
进一步的，用来形成图像一与图像二的光或波为可见光，红外光，紫外光， X-光，电磁波，超声波中的一种。
进一步的，所述物点的发光，是物点本身的光或光源照射物点产生的光。
具体的三维立体相机的光路配置，见以下实验例。
实验例1
图5为对应于图1的三维空间立体相机***结构的，在某一光学子午面夹角时的一个光路举例示意图。光路设置与摄影过程描述如下：
1、光路***为共轴球面***。
2、图像一摄影单元与图像二摄影单元的摄影成像镜头都使用凸透镜，凸透镜13和凸透镜14，它们焦距分别为f1与f2。
3、两个凸透镜的光学主平面间距为D。
4、图像一摄影单元使用一只半透半反的反光镜15(如图5所示，反光镜的朝上面部分反光，另一面透明)，与光轴成45°摆放在凸透镜13的焦点前面。这个半透半反45°反光镜15把经过凸透镜13聚光的光，反射一部分光，把这部分反射光成像在图像一摄影单元内的感光器(如CCD或CMOS)上，得到二维图像一。
5、以上二维图像一上有来自发光物点1的像点一5(或物体的像点群一)的像高与光学子午面夹角坐标。
6、以上透过半透半反45°反光镜15的光继续前行，成像在图像一摄影单元的光路上(在图5所示的凸透镜13的像距为V1，像高为H1处的像点)。
7、来自光路上的以上像点H1(发)光，经过凸透镜14，成像在图像二摄影单元内的感光器上，得到二维图像二。
8、在以上二维图像二上有间接来自物点的像点二6(或间接来自物体的像点群二)的像高与光学子午面夹角坐标。
在共轴球面***情景下，物点的三维坐标可以描述为：
H0:物高(物点在光学主轴上的高度)；
U0:物距(物点离光学主点的轴向距离)；
α:光学子午面夹角(物点，与光学主轴构成的面为光学***的子午面。当定义某一个子午面为主子午面时，α为物点所在的子午面与主子午面的夹角)。
物点的成像过程，与用以上两幅相关的二维图像计算物点的三维坐标的原理陈述如下：
物点与两个像点在同一个光学子午面内，所以物点的光学子午面夹角α0与两个像点的光学子午面夹角α1，α2相等，也即：
α1＝α2＝α0 (公式1)
在近轴近似条件下：
Figure 1
Figure 2
Figure BDA0002378428980000112
Figure BDA0002378428980000113
V1+U2＝D (公式6)
以上6个公式里，总共有13个参数。其中f1,f2,与D，3个参数为已知的光学***参数设置。H1,H2，α1，α2，4个参数为通过两次感光拍摄测试得到，感光拍摄测试：快门开启，CCD或CMOS曝光记录影像，快门开启一定(非常短) 时间后，快门关闭。未知的H0,U0,α0，V1,U2,V2,6个参数，可以通过计算求解以上6个公式来得到：如U0，H0，V1，与V2的计算结果为：
Figure BDA0002378428980000114
其中：
a＝DDH2/E1-2Df1H2/H1+f1f2H2/H1-Df2H2/H1-Df2+f2f2H2/H1+f1f2 (公式7a)
b＝DDH2/E1-2Df1H2/H1+f1f2H2/H1-Df2H2/H1-Df2+f2f2H2/H1+f1f2 (公式7b)
c＝DDf1f1H2/H1-Cf1f1f2-Cf1f1f2H2/H1 (公式7c)
Figure 3
Figure 4
Figure 5
公式7，8说明，通过如图5这样拍双照，测量两个像高，可以计算得到物点的三维坐标：物距，物高，与光学子午面夹角(物像在同一个子午面内)。在固定的焦距f1,f2,与两个凸透镜的光学主平面间距D，这3个光学***参数下，物距只与像高比(H2/H1)有关；物高与像高(H1)和像高比(H2/H1)两者都有关。
公式9，10说明，通过如图5这样拍双照，测量两个像高，也可以计算得到两个摄影单元的像距。在固定的f1,f2,与D，3个光学***参数下，两个像距 V1,V2也只与像高比(H2/H1)有关。一般情况下，像距是不测量的，正确的像距对应于清晰的成像。
对某个物点测三维坐标时，图像一摄影单元先对物点对焦(改变焦距f1或像距V1)，拍摄图像一。在固定以上图像一摄影单元光学***参数(焦距f1或像距V1)情况下，图像二摄影单元对图像一摄影单元光路上的图像一对焦(改变焦距f2，或像距V2，或光学主平面间距D)，拍摄图像二。测量两个图像上的像高H1,H2,及光学子午面夹角α1＝α1＝α0，用公式7,8计算得到物点的物距U0 与物高H0。从而得到物点的三维坐标：α0，U0，H0。
当设置图5的光学***参数：f1＝35mm,f2＝60mm,D＝145mm时，物点的像高比与物距的关系如图6所示。测得的小的像高比对应于远的物点的物距。
三维空间的一个有大小的物体可以看成物体的大小对应的深度方向的物距距离范围内的一个物点群构成。三维空间的多个物体可以看成在一定的物距范围内的多个物点群组成的。若多个物体在光学***的某个景深范围内，可以通过在这个景深范围内拍一组双照，在照片上测量与物点群对应的像点群的光学子午面夹角物点，得到物点群的光学子午面夹角坐标。通过公式7，8算出物点群的物距与物高坐标。这个对应于拍得这个景深范围内的立体照。可以通过改变光学***参数配置，改变景深覆盖范围，扫描拍双照，得到更大物距/深度范围内三维物体的立体照。
以下用图示来进一步形像地说明以上拍双照确定三维空间物体群的三维坐标。当设置图5的光学***参数：f1＝35mm,f2＝60mm,D＝145mm时，并且在物距大于50米时，图像一像1与图像二像2的像距与物距的关系，分别如图7,8 所示；像高比与物距的关系，如图9所示；物高H0＝1000mm时，物距U0与像高H2，H1的关系，如图10所示。
图7,8说明，当多个物体有60米以上物距时，像距V1，V2的变化都非常小(小于+，-10um)，可以认为它们都可以在同一组双照里对焦成像。也就是说在图5的光学***中，用f1＝35mm,f2＝60mm,D＝145mm光学***参数配置时，***的景深在60米以远(或景深范围为60米到无穷远)。图9说明，在60米以远，像高比仍是随着物距的增加单调减小。图10说明，对于1米高的物体，在60米到100米，两个像高仍是可测量的。图7,8,9,10说明，本发明专利的光学***，可以在***的景深里，拍一组双照，可以测量计算得到景深范围内的三维物体坐标。测量方法为测量双照上的像点群的像高H1,H2,及光学子午面夹角α1＝α1＝α0，用公式7,8计算得到对应物点群的物距U0与物高H0。从而得到***景深范围内的物点群的三维坐标：α0，U0，H0。
通过改变***的焦距(f1,f2)与光学主平面间距(D)可以改变***的景深范围。用不同的景深范围拍双照(扫描拍照)，可以在更大的物距范围内测量三维空间物体群的三维坐标(光学子午面夹角，物距，物高)，或拍得更大物距范围内的三维空间物体群的立体照。
以上三维空间立体相机的三维坐标测量计算原理可以进一步推广到普遍适用的非近轴近似，非共轴的其它有的光学***中，一个物点的三维坐标计算公式可以统一为：
它们都是以下三类参数的函数：
光学***的全部光学***参数集合，Oi(i＝1,…,N)；
Oi为可以描述整个光学***特性的最少的或独立的，N个光学***参数的集合。如各光学部件的物方/物方焦距，物方/像方主平面间距，部件的非球面几何参数，部件间的主平面间距或相对位置，等等。
像点一与像点二的光学子午面夹角，α1,α2；
像点一与像点二的像高，H1,H2。
也即：
物点的光学子午面夹角，α0；
α0＝Φ(Oi,α1,α2,H1,H2)
i＝1,2,…N (公式11)
物点的物距，U0；
U0＝Ω(Oi,α1,α2,H1,H2)
i＝1,2,…N (公式12)
物点的物高，H0；
H0＝Ψ(Oi,α1,α2,H1,H2)
i＝1,2,…N (公式13)
公式11,12，13可以应用于以下几个实施例子的物点或物点群的三维坐标的计算。
实验例2
具体的，见图11，图11为对应于图2的三维空间立体相机***结构的，在某一光学子午面夹角时的一个光路举例示意图。光路设置与摄影过程描述如下：
1、光路***为共轴球面***。
2、图像一与图像二两个摄影单元的摄影成像镜头都使用凸透镜，凸透镜13 和凸透镜14，它们焦距分别为f1与f2。
3、凸透镜13与14的光学主平面间距为D。
4、图像一摄影单元后面有一个图像一转换单元。
5、图像一转换单元也使用凸透镜16(凸透镜Fi)，它的焦距为fi。
6、凸透镜16与凸透镜14的光学主平面间距为E。
7、图像一摄影单元使用一只半透半反的反光镜15(如图11所示，反光镜 15的朝上面部分反射，另一面透明)，与光轴成45°摆放在凸透镜13的焦点前面。这个半透半反45°反光镜15把经过凸透镜13聚光的光，反射一部分光，把这部分反射光成像在图像一摄影单元内的感光器(如CCD或CMOS)上，得到二维图像一。
8、以上二维图像一上有来自物点(光)的像点一(或物体的像点群一)的像高与光学子午面夹角坐标。
9、以上透过半透半反45°反光镜15的光继续前行，成像在图像一摄影单元的光路上(在图11所示的透镜F1的像距为V1，像高为H1处的像点。
10、来自光路上的以上像点H1(发)光，经过凸透镜Fi(16)，成像在图像一转换单元的光路上(在图11所示的透镜Fi的像距为Vi，像高为Hi处的像点。图示的像点为虚像。
11、来自光路上的以上像点Hi(发)光，经过凸透镜F2，成像在图像二摄影单元内的感光器上，得到二维图像二。
12、在以上二维图像二上有间接来自物点的像点二(或间接来自物体的像点群二)的像高与光学子午面夹角坐标。
光学***景深范围内物点或物点群的三维坐标通过公式11,12，13计算得到。通过改变***的焦距(f1,f2,fi)与光学主平面间距(D,E)可以改变***的景深范围。用不同的景深范围拍双照(扫描拍照)，可以在更大的物距范围内测量三维空间物体群的三维坐标(光学子午面夹角，物距，物高)，或拍得更大物距范围内的三维空间物体群的立体照。
实验例3
具体的见图12，图12为对应于图2的三维空间立体相机***结构的，在某一光学子午面夹角时的一个光路举例示意图。光路设置与摄影过程描述如下：
1、光路***为共轴球面***。
2、图像一摄影单元使用凸透镜13(凸透镜F1)，它的焦距为f1。图像二摄影单元使用凹面镜20，它的焦距为f2。
3、凹面镜20为凸面全透，凹面部分反射的凹面镜。
4、凸透镜13与凹面镜20的光学主平面间距为D。
5、图像一摄影单元后面有一个图像一转换单元。
6、图像一转换单元使用如图12所示的左面反光的平面反光镜Fi(17)。
7、凹面镜20与反光镜Fi(17)的光学主平面间距为E。
8、图像一摄影单元使用一只半透半反的反光镜15(如图12所示，反光镜的朝上面部分反光，另一面透明)，与光轴成45°摆放在凸透镜13的焦点前面。这个半透半反45°反光镜15把经过凸透镜13聚光的，透过凹面镜20的光，反射一部分光，把这部分反射光成像在图像一摄影单元内的感光器(如CCD或 CMOS)上，得到二维图像一。
9、以上二维图像一上有来自物点(光)的像点一(或物体的像点群一)的像高与光学子午面夹角坐标。
10、以上透过半透半反45°反光镜的光继续前行，成像在图像一摄影单元的光路上(标注在图12所示的半透半反45°反光镜右面的像点H1处)。
11、来自光路上的以上像点H1(发)光，经过反光镜Fi(17)，成像在图 12所示的反光镜Fi(17)的右边Hi处。这个像点Hi为虚像。
12、来自光路上的以上像点Hi(发)光，经过凹面镜20，成像在图像二摄影单元内的感光器上，得到二维图像二。
13、在以上二维图像二上有间接来自物点的像点二(或间接来自物体的像点群二)的像高与光学子午面夹角坐标。
光学***景深范围内物点或物点群的三维坐标通过公式11,12，13计算得到。通过改变***的焦距(f1,f2)与光学主平面间距(D,E)可以改变***的景深范围。用不同的景深范围拍双照(扫描拍照)，可以在更大的物距范围内测量三维空间物体群的三维坐标(光学子午面夹角，物距，物高)，或拍得更大物距范围内的三维空间物体群的立体照。
实验例4
图13为对应于图2的三维空间立体相机***结构的，在某一光学子午面夹角时的一个光路举例示意图。光路设置与摄影过程描述如下：
1、光路***为共轴球面***。
2、图像一摄影单元使用凸透镜13(凸透镜F1)，它的焦距为f1。图像二摄影单元使用凹面镜20，它的焦距为f2。
3、凹面镜20为凸面全透，凹面部分反射的凹面镜。
4、凸透镜13与凹面镜20的光学主平面间距为D。
5、图像一摄影单元后面有一个图像一转换单元。
6、图像一转换单元使用如图13所示的体状散光体或体状发光体Fi(18)。
7、凹面镜20与体状散光体Fi(18)的光学主平面间距为如图13所示的E。
8、图像一摄影单元使用一只半透半反的反光镜(如图13所示，反光镜的朝上面部分反光，另一面透明)，与光轴成45°摆放在凸透镜F1的焦点前面。这个半透半反45°反光镜把经过凸透镜F1聚光的，透过凹面镜20的光，反射一部分光，把这部分反射光成像在图像一摄影单元内的感光器(如CCD或CMOS) 上，得到二维图像一。
9、以上二维图像一上有来自物点(光)的像点一(或物体的像点群一)的像高与光学子午面夹角坐标。
10、以上透过半透半反45°反光镜的光继续前行，成像在图像一摄影单元的光路上(标注在图12所示的半透半反45°反光镜右面的像点H1处)。
11、来自光路上的以上像点H1(发)光，经过体状散光体散光，可以看为就地成像在像点H1的同一个地点。这个像点Hi为实像。
12、来自光路上的以上像点Hi(发)光，经过凹面镜20，成像在图像二摄影单元内的感光器上，得到二维图像二。
13、在以上二维图像二上有间接来自物点的像点二(或间接来自物体的像点群二)的像高与光学子午面夹角坐标。
光学***景深范围内物点或物点群的三维坐标通过公式11,12，13计算得到。通过改变***的焦距(f1,f2)与光学主平面间距(D,E)可以改变***的景深范围。用不同的景深范围拍双照(扫描拍照)，可以在更大的物距范围内测量三维空间物体群的三维坐标(光学子午面夹角，物距，物高)，或拍得更大物距范围内的三维空间物体群的立体照。

Claims (12)

1.一种三维空间相机，其特征在于：包括同一光学***下的图像一摄影单元和图像二摄影单元，还包括对图像一摄影单元和图像二摄影单元进行数据处理的处理***，所述处理***包括对图像一摄影单元和图像二摄影单元进行图像拍摄的控制单元，对控制单元进行处理的记录存储单元，以及对记录存储单元进行计算的三维坐标计算单元，所述处理***通过信号连接与控制线与图像一摄影单元、图像二摄影单元连接。
2.如权利要求1所述的三维空间相机，其特征在于：同一光学***为共轴球面***，所述图像一摄影单元与图像二摄影单元的光学主平面之间的距离为D，D不小于零。
3.如权利要求2所述的三维空间相机，其特征在于：所述图像一摄影单元和图像二摄影单元之间还设有图像一转换单元，所述图像一转换单元通过信号连接与控制线与处理***连接，所述图像一转换单元至少为一个，图像一转换单元与图像一摄影单元的光学主平面之间的距离为E，E不小于零。
4.如权利要求2所述的三维空间相机，其特征在于：所述图像一摄影单元还设有至少一个图像一并行相关成像单元，所述图像一并行相关成像单元通过信号连接与控制线与处理***连接，所述图像一并行相关成像单元的光路与图像一摄影单元的光路相同或相关，所述图像一并行相关成像单元与图像一摄影单元的光学主平面之间的距离为G，G不小于零。
5.如权利要求4所述的三维空间相机，其特征在于：所述图像一并行相关成像单元与图像二摄影单元之间还设有至少一个图像一并行相关成像单元转换单元，所述图像一并行相关成像单元转换单元通过信号连接与控制线与处理***连接，所述图像一相关成像单元与转换单元之间的距离为K, K不小于零。
6.一种如权利要求1所述的三维空间相机的拍照方法，当所述光学***与光学子***都为共轴球面***时，物点的三维坐标表征为：H0物高、U0物距和a光学子午面夹角，其特征在于，包括以下步骤：
1）图像一摄影单元对三维空间的物点进行拍照，感光记录一个二维的图像一，在这个二维图像一上有物点的像点一的像高与光学子午面夹角坐标；
2）图像二摄影单元对图像一摄影单元光路上的像点一进行拍照，感光记录一个二维的图像二，这个二维的图像二上有间接来自物点的像点二的像高与光学子午面夹角坐标；
3）图像拍摄控制单元设置一组光学***参数，这组参数可以对某一个景深内的物点的像点一和像点二分别清晰记录在图像一与图像二上，记录存储单元将图像一摄影单元与图像二摄影单元感光器上的图像一与图像二的数据进行记录并存储，三维坐标计算单元利用存储与记录单元记录的数据以及图像一摄影单元和图像二摄影单元的光学***参数对图像一与图像二上像点的二维坐标进行计算，得到空间三维物点的物距，物高与光学子午面夹角的三维坐标并存储；
4）重复步骤3），得到另一个景深内的三维空间物点的三维坐标信息并存储；
5）对需要三维坐标测量的物点，通过划分一个到多个景深，重复步骤3）和步骤4），得到所需的整个深度范围内物点的一组成对的图像一与图像二，以及整个深度范围内的空间三维空间物点的物距，物高与光学子午面夹角的三维坐标信息，并存储，再通过显示器或投影仪显示出物体的三维立体照片。
7.如权利要求6所述的三维空间相机的拍照方法，其特征在于：所述的步骤2）中：图像一摄影单元与图像二摄影单元之间设有至少一个图像一转换单元，图像一转换单元将像点一光学转换到图像一转换单元光路上的像点i，图像二摄影单元对像点i进行拍照，感光记录一个二维的图像三，这个二维图像三上有间接来自物点的像点二的像高与光学子午面夹角坐标。
8.如权利要求6所述的三维空间相机的拍照方法，其特征在于：所述的步骤2）中：图像一摄影单元还设有至少一个图像一并行相关成像单元，图像一并行相关成像单元也对三维空间的物点进行成像，得到像点一’，图像二摄影单元对像点一’进行拍照，感光记录一个二维的图像四，这个二维图像四上有间接来自物点的像点二的像高与光学子午面夹角坐标。
9.如权利要求8所述的三维空间相机的拍照方法，其特征在于：所述的步骤2）中：图像一并行相关成像单元与图像二摄影单元之间还设有至少一个图像一并行相关转换单元，图像一并行相关成像单元也对三维空间的物点进行成像，得到像点一’，图像一并行相关转换单元将像点一’光学转换到图像一并行相关转换单元光路上的像点i’，图像二摄影单元对像点i’进行拍照，感光记录一个二维的图像五，这个二维图像五上有间接来自物点的像点二的像高与光学子午面夹角坐标。
10.如权利要求7至9 任一所述的三维空间相机的拍照方法，其特征在于：用来形成图像一与图像二或图像三或图像四或图像五的光或波为可见光，红外光，紫外光，X-光电磁波，超声波中的一种。
11.如权利要求7至9任一所述的三维空间相机的拍照测量方法，其特征在于：所述物点的发光，是物点本身的光或光源照射物点产生的光。
12.如权利要求7至9任一所述的所述的三维空间相机的拍照测量方法，其特征在于：所述的步骤3）中：三维坐标计算单元利用存储与记录单元记录的数据以及图像一摄影单元和图像二摄影单元的光学***参数对图像一与图像二上像点的二维坐标进行计算，得到空间三维物点的物距，物高与光学子午面夹角的三维坐标，具体计算过程如下：
光学***的全部光学***参数集合，Oi(i=1,…,N)；
Oi为描述整个光学***特性的最少的或独立的，N个光学***参数的集合；
像点一与像点二的光学子午面夹角，a1, a2；
像点一与像点二的像高，H1,H2；
也即：
物点的光学子午面夹角，a0；
a0= F(Oi,a1,a2,H1,H2)
i=1,2,…N （公式11）
物点的物距，U0；
U0=W(Oi,a1,a2,H1,H2)
i=1,2,…N （公式12）
物点的物高，H0；
H0=Y( Oi,a1,a2,H1,H2)
i=1,2,…N （公式13）。
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