TWI477885B - 三維成像系統及方法 - Google Patents

Description

三維成像系統及方法

本發明係有關於一種三維顯示技術，特別是有關一種三維成像的系統及三維成像的拍攝方法。

近年來由於3D(3維/Three Dimensional)電影盛行，人們對於3D影片的需求日趨增多。相對的3D產品亦從電影轉至LCD產業。首先，人類為什麼能透過視覺看出深度、並感覺到立體感，最主要的一點就是，人眼的視覺是可以感覺出深度的，也就是「深度知覺(depth perception)」；而有了深度的資訊後，才能判斷出立體空間中的相對位置。由於人的兩個眼睛的位置不一樣，一般人兩眼間距約5到7公分，所以看到的東西會有兩眼視差(binocular parallax)，而人腦會再將這兩張影像做融合(convergence)，而產生出立體的感覺；而這就是所謂的「binocular cues」。另外，人類亦可從眼睛對遠近焦距的調適(accommodation)、動態視差(motion parallax)、透視(perspective)或光影等來判斷物體的遠近，亦即使人類只有單眼亦可判斷遠近。

因此，為了使在2D(2維/Two Dimensional)平面的影片變成3D立體感的影片，必須使人類左、右的眼睛分別看到不同的影像(即是一般視物的兩眼視差)，在經由大腦融合，2D影片即可變為栩栩如生的3D影片。

在現有技術中，運用許多如：分色眼鏡、偏光眼鏡...等相關技術來讓使用者感受3D影像。如：運用快門鏡(shutter glasses)，此種技術的基本原理就是，在螢幕上以兩倍的頻率交互地顯示左眼和右眼的影像，而眼鏡則會去動態地屏蔽使用者的左眼和右眼，在螢幕顯示左眼影像時遮住右眼、在螢幕顯示右眼影像時遮住左眼，以此達到讓兩眼看到各自不同的影像。雖 然在這種狀況下，沒有兩隻眼睛是同時看到影像的，但是由於人眼的視覺暫留等機制的效果，還是能感覺到兩眼都有看到各自不同的影像，進而產生立體感。

而為了拍攝3D影片或照片，一般皆需要兩個攝影機來進行左、右畫面的拍攝，即是將兩攝影機架在一攝影架上，並固定住其拍攝角度來進行拍攝。由於拍攝角度的固定，因此一般3D電影的拍攝上均為固定為「前景」或「後景」拍攝，也因為如此，其前/後景物的3D效果是固定的，且當需要拍攝3D物品跳出的效果時，因為拍攝角度的固定，往往只能拍攝出往前跳出的畫面，並不能拍攝出由左往右跳出的橫移3D畫面，因此，導致目前3D效果的電影其3D效果的表現差強人意。

因此，本發明提供一種可調整拍攝角度的3D成像系統及裝置，使兩攝影機在拍攝時，能任意調動拍攝角度與攝影鏡頭的中心軸線的交點，因此在拍攝影片時能任意調整為「前景」拍攝或「後景」拍攝，而在拍攝3D效果時，其3D表現方式能更加多元化，增加3D電影的效果。

為了解決上述問題，本發明之一主要目的在於提供一種三維成像系統，藉由此系統，能任意調整為「前景」拍攝或「後景」拍攝，可更容易拍攝出更多元化的3D效果的3D影片或畫面。

本發明之另一主要目的在於提供一種三維成像的拍攝方法，藉由此拍攝方法，可拍攝出3D效果的影像或畫面。

依據上述目的，本發明提供一種三維成像系統，包括：一對攝影機，係以一間距相鄰配置(以水平或任一角度搭配反光鏡)，並在每一攝影機配置一對焦模組；一測距儀，係安裝於其中之一攝影機上；一控制裝置，係與此對攝影機及測距儀電性連接；其中三維成像系統之特徵在於：此對攝影機之間的間距可調整，且其攝影角度亦可經由手動或自動調整，此對攝影機藉由測距儀判斷一拍攝物與此對攝影機的距離及拍攝角度，再藉由控制 裝置調整此對攝影機之拍攝角度使攝影鏡頭的中心軸線相交於一交點上，再以此對攝影機上之對焦模組對拍攝物對焦。

經由本發明所提供之系統與方法，可更容易拍攝出想要的3D效果，讓3D影像或畫面更多元化，表現方式更豐富。

由於本發明係揭露一種三維成像系統；其中所利用到的一些關於攝影機、測距儀及對焦模組，係利用現有技術來達成，故在下述說明中，並不作完整描述。此外，於下述內文中之圖式，亦並未依據實際之相關尺寸完整繪製，其作用僅在表達與本發明特徵有關之示意圖。

首先，請參閱圖1，係為本發明之三維成像系統示意圖。如圖1所示，三維成像系統，包括：一第一攝影機10及一第二攝影機12，係以一間距相鄰配置；在第一攝影機10及第二攝影機12上各自配置一第一對焦模組20及一第二對焦模組22；一測距儀30，安裝在第一攝影機10上；一控制裝置40，係與第一攝影機10、第二攝影機12及測距儀30電性連接；一成像輸出顯示器50，藉由控制裝置40將第一攝影機10及第二攝影機12攝影之第一影像及第二影像合成3D影像後，顯示於成像輸出顯示器50上。此外，第一攝影機10及第二攝影機12之間的水平間距可自由移動，例如：將第一攝影機10及第二攝影機12配置於一滑軌裝置上；而第一攝影機10及第二攝影機12之攝影角度X、Y亦可自由轉動，其攝影機之轉動角度為360°，本發明並不對此加以限定。

接著，再請參考圖1，在拍攝時，在第一攝影機10上的測距儀30會測量第一攝影機10與拍攝物3的拍攝距離a及夾角α，並將數據傳輸至控制裝置40，控制裝置40會根據拍攝距離a、兩攝影機之間的間距b及夾角α來做分析，藉由三角函數關係的演算，可計算出拍攝物3與第一攝影機10及第二攝影機12之間的相對位置，藉以調整第一攝影機10及第二攝影機12的夾角α、β，使第一攝影機10及第二攝影機12之拍攝角度X、Y使 攝影鏡頭的中心軸線相交於一交點1(例如：圖1中的交點1是位於拍攝物3的後方，而交點1之相交位置所產生之3D影像拍攝效果於後說明)；接著，再將第一攝影機10及第二攝影機12上的第一對焦模組20及第二對焦模組22對焦於拍攝物3之上，當拍攝物3在第一攝影機10及第二攝影機12上清楚成像後，此時即可進行拍攝，並藉由控制裝置40將第一攝影機10及第二攝影機12攝影之第一影像及第二影像合成3D影像後，顯示於成像輸出顯示器50上。為了使成像輸出顯示器50上的3D影像可讓觀看者直接看到3D效果，因此，成像輸出顯示器50上還配置有偏光膜(未顯示於圖中)，使得觀看者裸視就能看到成像輸出顯示器50上的3D畫面；此外，為了使成像輸出顯示器50可以裸視3D技術，本發明之裸視3D技術還包括：視差屏障式(Parallax Barriers)、柱狀透鏡式(Lenticular Lenses)或指向光源式(Directional Backlight)等技術。藉由三維裸視技術，使成像輸出顯示器50在裸視狀態下，即能看見3D影像。

另外要強調的是，控制裝置40可藉由測距儀30的位置及測距儀30傳輸的相對數據來做第一攝影機10及第二攝影機12與拍攝物3之間的相對位置的調整，所以本發明並不限定其測距儀30的位置，例如，將測距儀30安裝在第一攝影機10上；同時，亦本發明並不限定其測距儀30的數量或測距方法，例如，將測距儀30分別安裝在第一攝影機10及第二攝影機12上；只要可經由前述之三角函數關係的演算，即可算出第一攝影機10及第二攝影機12與拍攝物3之間的相對位置之裝置；或經由第一攝影機10及第二攝影機12上之影像比對進行計算，算出第一攝影機10及第二攝影機12與拍攝物3之間的相對位置，均可適用於本發明。

接著，請參閱圖2A及圖2B，係為本發明之前景拍攝及後景拍攝示意圖。如圖2A所示，當圖1所述之第一攝影機10及第二攝影機12之攝影角度X、Y使攝影鏡頭的中心軸線相交於一交點1相交於拍攝物3之後時，並於拍攝物3在第一攝影機10及第二攝影機12上清楚對焦並成像後，即 可拍攝出一個呈現為「前景」畫面之3D效果；而「前景」畫面是指畫面的3D物體會由顯示螢幕50畫面中產生跳出(POP UP)的3D視覺效果。接著，如圖2B所示，當圖1所述之第一攝影機10及第二攝影機12之攝影角度X、Y使攝影鏡頭的中心軸線相交於一交點1相交於拍攝物3之前時，並於拍攝物3在第一攝影機10及第二攝影機12上清楚對焦並成像後，即可拍攝出一個呈現為「後景」畫面之3D效果；而「後景」畫面是指畫面雖然呈現3D效果，但其3D效果是在成像輸出顯示器50中呈現拍攝物3在縱深處的立體形式，並非畫面中的拍攝物3體跳出螢幕之視覺效果。在此要強調，本發明藉此調整第一攝影機10及第二攝影機12之攝影角度X、Y，使得本發明可在相同定點選擇拍攝出「前景」及「後景」的3D影像，而不必再以拍攝者移動之方式來拍攝3D影像；特別是對於「前景」畫面的拍攝，可藉由調整兩攝影機之間的間距b，其可以近距離地拍攝，故可以依據拍攝者選擇跳出的3D視覺效果而拍攝出清晰及更多元化的3D影像。

再接著，請參閱圖3，係為本發明三維影像拍攝之一實施例之示意圖。如圖3所示，在影像攝影期間，當拍攝物3為移動狀態時，其移動狀態由位置A移動至位置B。在拍攝時，第一攝影機10及第二攝影機12之攝影角度X、Y使攝影鏡頭的中心軸線相交於一交點1，並固定不動；而兩攝影機之第一對焦模組20及第二對焦模組22則對焦於拍攝物3。當拍攝物3在位置A時，其拍攝出來的3D影像為「後景」畫面之3D效果；而當拍攝物3由位置A移動至位置B，其3D影像會由「後景」轉至「前景」畫面之3D效果，即其3D視覺效果會是由縱深處的立體形式轉變成跳出(POP UP)的3D視覺效果。例如：當拍攝一顆球由位置A移動至位置B，其3D視覺效果會看到球由螢幕深處中躍出螢幕。而反之，當拍攝物3由位置B移動至位置A，其3D影像會由「前景」轉至「後景」畫面之3D效果，即其3D視覺效果會由跳出(POP UP)的3D視覺效果轉變成縱深處的立體形式。例如：當拍攝一顆球由位置B移動至位置A，其3D視覺效果會看到球由螢 幕外躍入螢幕至深處。

由於，在本實施例中，拍攝物3可以是直線的移動，故當在第一攝影機10及第二攝影機12的拍攝角度X、Y使攝影鏡頭的中心軸線相交於一交點1，並再將第一攝影機10及第二攝影機12上的第一對焦模組20及第二對焦模組22對焦於拍攝物3之上，使拍攝物3在第一攝影機10及第二攝影機12上清楚成像後，此時即可進行拍攝；很明顯地，此時的第一攝影機10及第二攝影機12上的第一對焦模組20及第二對焦模組22必須同步地隨著拍攝物3移動，以使拍攝物3在整個移動過程中都能清楚成像。因此，在本實施例的三維影像拍攝系統中，控制裝置40配置有同步控制器，藉由同步控制器的連接端與配置在第一攝影機10及第二攝影機12上的伺服器連接，使得第一攝影機10及第二攝影機12可以由控制裝置40配置有同步控制器來達到同步對焦的目的。在此要強調，本實施例的同步控制器的控制方式是使用習知的伺服控制，故不詳述其操作原理及構造。

再接著，請參閱圖4A及圖4B，係為本發明三維影像拍攝之另一實施例之示意圖。由於，在本實施例中，拍攝物3可以是非直線的移動，故當在第一攝影機10及第二攝影機12的拍攝角度X、Y使攝影鏡頭的中心軸線相交於一交點1，並再將第一攝影機10及第二攝影機12上的第一對焦模組20及第二對焦模組22對焦於拍攝物3之上，使拍攝物3在第一攝影機10及第二攝影機12上清楚成像後，此時即可進行拍攝；很明顯地，此時的第一攝影機10及第二攝影機12必須同步地隨著拍攝物3移動。如圖4A所示，而交點在拍攝物之後方，因此，可以拍攝出一種「前景」3D效果。例如：在拍攝「前景」3D效果時，當拍攝物3在P1位置時，其第一攝影機10及第二攝影機12之拍攝角度X1、Y1使攝影鏡頭的中心軸線相交於一交點F1；而當拍攝物3在P2位置時，其第一攝影機10及第二攝影機12之拍攝角度X2、Y2使攝影鏡頭的中心軸線相交於一交點F2；以此類推，當拍攝物3在Pn位置時，其第一攝影機10及第二攝影機12之拍攝角度Xn、 Yn使攝影鏡頭的中心軸線相交於一交點Fn；很明顯地，其第一攝影機10及第二攝影機12之拍攝角度X、Y會隨著拍攝物3之移動，而跟其移動。

請再參閱圖4B，在拍攝「後景」3D效果時，交點在拍攝物之前方，因此，可以拍攝出一種「後景」3D效果。例如：當拍攝物3在P1位置時，其第一攝影機10及第二攝影機12之拍攝角度X1、Y1使攝影鏡頭的中心軸線相交於一交點F1；以此類推，當拍攝物3在Pn位置時，其第一攝影機10及第二攝影機12之拍攝角度Xn、Yn使攝影鏡頭的中心軸線相交於一交點Fn。而圖4A與圖4B之主要差別在於，圖4A為「前景」3D拍攝，因此其攝影鏡頭的中心軸線相交於1會交於拍攝物3之後，而圖4B為「後景」3D拍攝，因此其攝影鏡頭的中心軸線相交於1會交於拍攝物3之前。

由於，在本實施例中，拍攝物3可以是非直線的移動，故當在第一攝影機10及第二攝影機12的拍攝角度X、Y使攝影鏡頭的中心軸線相交於一交點1，並再將第一攝影機10及第二攝影機12上的第一對焦模組20及第二對焦模組22對焦於拍攝物3之上，使拍攝物3在第一攝影機10及第二攝影機12上清楚成像後，此時即可進行拍攝；很明顯地，此時的第一攝影機10及第二攝影機12必須同步地隨著拍攝物3移動。因此，在本實施例的三維影像拍攝系統中，控制裝置40配置有同步控制器，藉由同步控制器的連接端與配置在第一攝影機10及第二攝影機12上的伺服器連接，使得第一攝影機10及第二攝影機12可以由控制裝置40配置有同步控制器來達到同步拍攝的目的。在此要強調，本實施例的同步控制器的控制方式是使用習知的伺服控制，故不詳述其操作原理及構造。

很明顯地，當圖4A與圖4B使用在多目標的場景拍攝時，其可以同時使用本發明之多組的三維影像拍攝系統，例如：一組三維影像拍攝系統以圖4A方式拍攝出「前景」3D效果，以另一組三維影像拍攝系統以圖4B方式拍攝出「後景」3D效果，或是以另一組三維影像拍攝系統以圖3方式拍攝出「後景」轉至「前景」之3D效果或是由「前景」轉至「後景」之 3D效果，最後再依據製作影片者的需要進行剪輯，以形成一個三維影片。

再接著，請參閱圖5，係為本發明之三維成像的拍攝方法之流程示意圖。如圖5所示，本發明之三維成像的拍攝方法包括如下步驟：

步驟501：提供一對攝影機，係以一間距相鄰配置；此對攝影機之間的間距可自由調整，接著進入步驟502。

步驟502：調整兩攝影機的間距；先調整好第一攝影機10及第二攝影機12之間的間距b；例如：將第一攝影機10及第二攝影機12配置於一滑軌裝置上來做調整，接著進入步驟503。

步驟503：量測一拍攝物與兩攝影機的距離及拍攝角度；藉由配置於攝影機上的測距儀30測量拍攝物3的距離a及夾角α，以此來調整第一攝影機10及第二攝影機12之攝影角度X、Y，接著進入步驟504。

步驟504：調整第一攝影機10及第二攝影機12之攝影角度X、Y使攝影鏡頭的中心軸線相交於一交點上，而此交點可以選擇在拍攝物的前景或後景；例如：先經由測距儀30測量拍攝物3的距離a及夾角α，然後經由控制裝置40的演算，算出拍攝物3與第一攝影機10及第二攝影機12之間的相對位置，之後，再決定是要拍攝「前景」或「後景」。如是拍攝「前景」，便將交點1置於拍攝物3的後方；如是拍攝「後景」，便將交點1置於拍攝物3的前方，接著進入步驟505。

步驟505：對焦該拍攝物，以使拍攝物在兩攝影機上清楚成像；將第一攝影機10及第二攝影機12上的第一對焦模組20及第二對焦模組22對焦該拍攝物3使主要物體清晰呈現，最後進入步驟506。

步驟506：拍攝該拍攝物；拍攝該拍攝物後，再經由控制裝置40將第一攝影機10及第二攝影機12攝影之第一影像及第二影像合成3D影像。

雖然本發明以前述之較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習相像技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，因此本發明之專利保護範圍須視本說明書所附之申請專利 範圍所界定者為準。

X、Y‧‧‧攝影角度

X1-Xn‧‧‧攝影角度

P1-Pn‧‧‧拍攝物位置

F1-Fn‧‧‧交點

α、β‧‧‧夾角

a‧‧‧拍攝距離

b‧‧‧間距

1‧‧‧交點

3‧‧‧拍攝物

10‧‧‧第一攝影機

12‧‧‧第二攝影機

20‧‧‧第一對焦模組

22‧‧‧第二對焦模組

30‧‧‧測距儀

40‧‧‧控制裝置

50‧‧‧成像輸出顯示器

501-506‧‧‧步驟

圖1 係為本發明之三維成像系統示意圖；圖2A 係為本發明之前景拍攝示意圖；圖2B 係為本發明之後景拍攝示意圖；圖3 係為本發明之三維影像拍攝示意圖；圖4A 係為本發明三維影像拍攝之另一實施例之前景拍攝示意圖；圖4B 係為本發明三維影像拍攝之另一實施例之後景拍攝示意圖；圖5 係為本發明之三維成像方法步驟流程示意圖。

X、Y‧‧‧攝影角度

α、β‧‧‧夾角

a‧‧‧拍攝距離

b‧‧‧間距

1‧‧‧交點

3‧‧‧拍攝物

10‧‧‧第一攝影機

12‧‧‧第二攝影機

20‧‧‧第一對焦模組

22‧‧‧第二對焦模組

30‧‧‧測距儀

40‧‧‧控制裝置

50‧‧‧成像輸出顯示器

Claims (7)

1. 一種三維成像方法，其步驟如下：提供一對攝影機，係以一間距相鄰配置；調整該對攝影機的間距；量測一拍攝物與該對攝影機的距離及拍攝角度；分別量測一拍攝物與該對攝影機的距離及拍攝角度；調整該對攝影機之拍攝角度，使該對攝影機之攝影鏡頭的中心軸線相交於一交點上，而該交點位於該拍攝物之前或之後；對焦該拍攝物，以使該拍攝物在該對攝影機上清楚成像；拍攝該拍攝物。
2. 根據申請專利範圍第1項所述之三維成像方法，其中該對攝影機之拍攝角度使攝影鏡頭的中心軸線相交於一固定交點，而對焦則隨該拍攝物之移動來對焦。
3. 一種三維成像系統，包括：一對攝影機，係以一間距相鄰配置，並在每一該攝影機配置一對焦模組；一測距儀，係安裝於任一該攝影機上；及一控制裝置，係與該對攝影機及該測距儀電性連接；其中該三維成像系統之特徵在於：該對攝影機之間的間距可調整，且其攝影角度亦可調整，該對攝影機藉由該測距儀判斷一拍攝物與該對攝影機的距離及拍攝角度，再藉由該控制裝置調整該對攝影機之攝影角度使該對攝影機之攝影鏡頭的中心軸線相交於一交點上，該交點交會於該拍攝物之前或之後的一位置上，並以該對攝影機上之該對焦模組對該拍攝物對焦。
4. 根據申請專利範圍第3項所述之三維成像系統，其進一步包含一影 像輸出顯示器，藉由該控制裝置將該對攝影機攝影之畫面合成後，顯示於該影像輸出顯示器上。
5. 根據申請專利範圍第3項所述之三維成像系統，其中每一該攝影機之調整角度為360°。
6. 根據申請專利範圍第3項所述之三維成像系統，其控制裝置進一步包含一同步控制器。
7. 根據申請專利範圍第6項所述之三維成像系統，其同步控制器控制方式為伺服控制。