基于單鏡頭基色立體圖像攝取技術(shù)的研究

作者/ 賈正松 四川信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院(四川 廣元 628040)

*基金項(xiàng)目：四川信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院項(xiàng)目(編號(hào)：2013C18)

賈正松(1973-)，男，教授級(jí)高級(jí)工程師，研究方向：電子技術(shù)應(yīng)用與開發(fā)。

摘要：通過分析“雙目視差立體成像”中的雙機(jī)立體成像和雙鏡立體成像技術(shù)的不足，提出了一種用于單反相機(jī)的單鏡立體照相方案，該方案通過對(duì)鏡頭中的光圈進(jìn)行設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)雙基色、三基色和七基色立體成像。該鏡頭與單反相機(jī)配合使用，可一次性拍攝多組互補(bǔ)色立體圖像和左、右眼視差圖像。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，利用該技術(shù)實(shí)現(xiàn)的立體照相設(shè)備具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便、成像立體感強(qiáng)、無重影等特點(diǎn)，有利于立體照相技術(shù)的推廣，并可擴(kuò)展用于立體電視信號(hào)的采集、傳輸與接收系統(tǒng)中。

引言

　　隨著光學(xué)、微電子學(xué)及計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，“雙目視差立體成像原理”已廣泛應(yīng)用于三維立體成像與立體顯示技術(shù)中^[1]。目前，“雙目視差立體成像原理”的主要實(shí)現(xiàn)技術(shù)，一種是雙機(jī)組合立體照相技術(shù)，它是通過人的雙眼直接仿真，采用兩臺(tái)相隔一定距離的照相機(jī)對(duì)同一對(duì)象拍攝獲得一對(duì)視差圖像，通過立體顯示的方式讓人的雙眼觀看到兩幅圖像的合成圖像，從而獲得立體視覺。另一種是基于單機(jī)雙鏡頭(或三鏡頭)立體照相技術(shù)，其原理與雙機(jī)組合立體照相技術(shù)相似，操作單反相機(jī)時(shí)可同時(shí)獲得兩張(或三張)視差圖像。

　　上述立體照相技術(shù)具有還原立體圖像場(chǎng)景真實(shí)、立體感強(qiáng)等特點(diǎn)，但由于設(shè)備本身的光路系統(tǒng)各自獨(dú)立，重現(xiàn)時(shí)若視差分離不完全會(huì)產(chǎn)生大量的重影，不分離視差時(shí)圖像無法直接裸眼觀看，且設(shè)備價(jià)格較貴，不利于立體照相技術(shù)的推廣。

　　針對(duì)以上立體照相技術(shù)的不足，提出了一種用于單反相機(jī)實(shí)現(xiàn)的單鏡立體照相技術(shù)，通過對(duì)鏡頭光路的分割實(shí)現(xiàn)多種基色立體照相，利用該技術(shù)獲得的圖像立體感強(qiáng)、圖像畫面無重影。

1 單鏡立體照相實(shí)現(xiàn)方案

　　單鏡立體照相的實(shí)現(xiàn)方案如圖1所示，它主要由聚集物鏡、基色光圈、相機(jī)及控制電路組成^[2]。其中，基色光圈用來取代相機(jī)原鏡頭內(nèi)的光圈，基色光圈可以是雙基色(紅、青基色)、三基色(紅、綠、藍(lán)三基色)和七基色(紅、橙、黃、綠、青、藍(lán)、紫七基色)。照相機(jī)工作時(shí)，利用照相機(jī)本身產(chǎn)生的控制信號(hào)經(jīng)控制電路控制基色光圈工作，得到相應(yīng)的立體圖像。

2 基色光圈設(shè)計(jì)

2.1 雙基色光圈設(shè)計(jì)

　　雙基色光圈結(jié)構(gòu)如圖2所示，它是在單反相機(jī)物鏡直徑為D的光圈鏡頭內(nèi)，通過基板設(shè)計(jì)兩個(gè)子光圈，左、右子光圈上分別蓋有經(jīng)旋轉(zhuǎn)電磁鐵控制的紅、青濾色片。其中，子光圈的直徑d要滿足d=D/3關(guān)系，這樣拍攝的立體圖像在主景深上無重影^[3]。

　　立體拍攝時(shí)將該光圈集成于單反相機(jī)鏡頭內(nèi)，鏡頭與單反相機(jī)相聯(lián)接，通過單反相機(jī)控制雙基色光圈。工作時(shí)，旋轉(zhuǎn)電磁鐵在控制電路產(chǎn)生的信號(hào)驅(qū)動(dòng)下，帶動(dòng)與之相連接的紅、青濾色片分別向相反方向轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)紅、青濾色片覆蓋在不同的子光圈上時(shí)，可得到紅青(或青紅)視差圖像;當(dāng)兩濾色片同時(shí)覆蓋同一子光圈時(shí)，可拍攝雙目立體視差圖像對(duì)。

　　紅青(或青紅)視差圖像，雙目立體視差圖像用裸眼觀看時(shí)其本身的圖像效果等同于直徑為D的大口徑鏡頭聚焦形成的圖像。紅青(或青紅)視差圖像用紅青(或青紅)互補(bǔ)色立體眼鏡觀看可得到立體效果。雙目立體視差圖像對(duì)通過立體軟件合成并加柱面光柵可得到無重影的立體圖像^[4]。

2.2 三基色光圈設(shè)計(jì)

　　三基色光圈結(jié)構(gòu)如圖3所示，它是在單反相機(jī)物鏡直徑為D的光圈鏡頭內(nèi)，通過基板設(shè)計(jì)三個(gè)相同的正六邊形子光圈，子光圈排列可以是一字形、品字形(或倒品字形)。將紅、綠、藍(lán)三基色濾色片覆蓋于各子光圈上，通過鏡頭前后鏡片組與三基色光圈及相關(guān)配件組裝成三基色立體鏡頭^[5]，鏡頭與相機(jī)配用形成三基色立體相機(jī)。為確保各視差圖像景深一致，三個(gè)子光圈應(yīng)具有相同的直徑d。

　　立體拍攝時(shí)將該鏡頭與單反相機(jī)相聯(lián)接，通過單反相機(jī)控制一次可拍攝三基色圖像，如圖4所示。三基色圖像可按平面圖像的方式處理、記錄、傳輸、打印或顯示。該圖像用裸眼觀看時(shí)，其圖像效果色彩真實(shí)、無重影;若用不同的紅綠、紅藍(lán)、綠藍(lán)基色眼鏡或紅青、綠紫、黃藍(lán)互補(bǔ)色眼鏡在相應(yīng)方位可觀看立體圖像，從而使設(shè)備一次性拍攝出可用基色或互補(bǔ)色眼鏡成像所需的多視角圖像。通過觀看效果驗(yàn)證，以上六組立體眼鏡可以在12個(gè)方位觀看到圖像的立體效果。

2.3 七基色光圈設(shè)計(jì)

　　七基色光圈結(jié)構(gòu)如圖5所示，它是在單反相機(jī)物鏡直徑為D的光圈鏡頭內(nèi)，通過基板設(shè)計(jì)七個(gè)相同正六邊形的子光圈，各子光圈緊密排列成蜂窩結(jié)構(gòu)，各子光圈前分別覆蓋紅、橙、黃、綠、青、藍(lán)、紫七基色濾光片^[6]。為了保證七個(gè)子光圈的大小可調(diào)，可采用PDLC(Polymer Dispersed Liquid Crystal)液晶電控調(diào)光膜液晶作為立體光圈的基板，工作時(shí)由控制電路控制各子光圈的大小，以調(diào)節(jié)各基色圖像的景深。

　　立體拍攝時(shí)將該鏡頭與單反相機(jī)相聯(lián)接，通過單反相機(jī)控制一次可拍攝七基色圖像。七個(gè)子光圈同時(shí)打開時(shí)，拍攝一幅基色立體圖像，該圖像可直接在顯示終端顯示彩色圖像，用紅青互補(bǔ)色立體眼鏡可觀看到立體感極強(qiáng)的立體圖像。

　　由于綠基色濾色片覆蓋在中心部位子光圈，子光圈全部打開所拍攝的基色立體圖像，其綠色圖像信息沒有視差，用紅青互補(bǔ)色眼鏡進(jìn)行分像后，即使視差分離不完全，進(jìn)入左、右眼的綠色信息不會(huì)因視差產(chǎn)生重影，而其它基色信息則存在一定的視差。紅、橙、黃基色圖像信息經(jīng)紅青互補(bǔ)色眼鏡的紅色濾色片進(jìn)入人的一眼，青、藍(lán)、紫基色圖像信息經(jīng)紅青互補(bǔ)色眼鏡的青色濾色片進(jìn)入人的另一眼，經(jīng)大腦融合形成色彩正常的立體圖像，由此降低了因紅青互補(bǔ)色眼鏡光譜分離不完全而產(chǎn)生的綠色重影，從而提高立體圖像質(zhì)量。

3 基色立體鏡頭參數(shù)選擇

　　根據(jù)以上實(shí)現(xiàn)原理，以雙基色和三基色為例，設(shè)計(jì)出雙基色立體鏡頭和三基色立體鏡頭，如圖6(a)和圖6(b)所示。它是在50mm單反相機(jī)鏡頭基礎(chǔ)上來設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的，其鏡頭參數(shù)見表1。

4 基色立體圖像攝取技術(shù)應(yīng)用

　　基色立體圖像攝取技術(shù)不僅可以用于立體照相技術(shù)中，還可用于立體圖像攝像與傳輸系統(tǒng)中。以雙基色立體鏡頭成像原理為例，立體圖像對(duì)編解碼方案如圖7所示。在攝像端(發(fā)送端)獲得的雙目立體視差圖像對(duì)通過左眼圖像(L)編碼和視差圖像Q(Q=L-R)編碼后，與電視系統(tǒng)中的伴音信號(hào)和其它輔助信號(hào)經(jīng)復(fù)用器后生成立體電視信號(hào)，再經(jīng)調(diào)制后通過傳輸通道傳輸出去。

　　接收端，立體電視機(jī)將接收到的立體電視信號(hào)解調(diào)后，由左眼圖像L與視差圖像Q解碼，還原出右眼圖像(R)，還原后的雙目視差圖像L和R經(jīng)顯示驅(qū)動(dòng)后送到立體顯示屏上顯示^[7]。此時(shí)，人眼通過配戴立體開關(guān)眼鏡便可觀看到圖像的立體效果。若通過裸眼觀看，可以看到和普通平面電視相同的圖像效果，且圖像畫面無重影，從而實(shí)現(xiàn)立體電視與平面電視的兼容^[8]。

5 結(jié)論

　　綜上所述，單鏡頭基色立體圖像攝取技術(shù)的實(shí)現(xiàn)方法具多，用于立體照相時(shí)只需更換相應(yīng)的鏡頭，所攝的圖像既能裸眼觀看平面圖像，又可借助立體眼鏡觀看立體圖像。用該技術(shù)實(shí)現(xiàn)的立體照相設(shè)備具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便、圖像質(zhì)量高和立體感強(qiáng)等特點(diǎn)，具有很好的商用和民用前景。該技術(shù)的實(shí)現(xiàn)有利于立體照相技術(shù)的推廣，同時(shí)，該技術(shù)還可以用于立體電視信號(hào)的攝取與重現(xiàn)系統(tǒng)中，能夠?qū)崿F(xiàn)立體電視與普通平面電視的兼容，為立體電視的發(fā)展提供理論依據(jù)。

　　參考文獻(xiàn)：

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　　[8]張德忠,賈正松.無重影立體電視顯示技術(shù)的研究[J].電視技術(shù),2009,33(9):35-37.

　　本文來源于《電子產(chǎn)品世界》2017年第10期第46頁，歡迎您寫論文時(shí)引用，并注明出處。