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一种基于柱透镜光栅的计算机辅助彩色立体图片合成方法

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有关立体成像技术的释疑——答立体爱好者问

 

 

全三维成像方法介绍 


      目前人们所熟悉的立体显示装置大多采用双镜头分别摄下其左右画面,再采用偏振式或分时式方法,让左右眼分别观看到左右图像,然后在大脑内形成立体图像,但需要佩戴眼镜,同时所观看到的立体图像是单一的,不随视点的变化而相应变化;虽然采用双凸柱透镜屏方式,人们可以利用双眼直接地在多个方位观看到多个通道的立体图像,但立体图像也是孤立的,也不随视点的连续移动而相应变化;再者是采用全息方法,其三维效果相当理想,但其装置成本较高,一时还难以广泛使用。
        本文的目的是提供一种三维图像显示装置的设想,通过双眼直接观看该装置,可以在大脑内形成立体图像,在一定的空间范围内,其立体图像随着人的双眼的三维移动而相应变化,相当于双眼直接观看三维实景,从而达到三维图像显示的目的。同时,该装置如果予以简化,也可以用于二维图像显示。
    本装置由两大部分构成:1.三维摄像   2.三维成像  本文介绍以后者文主。
  一.三维摄像
关键词:省略 
        如图1所示,ABCD所包含的区域为目标图像的景物,在ABCD外A'B'C'D'内的区域为裙带景物,现把ABCD分成N行M列,即M*N个小区域Q(m,n)。再根据摄像的要求,选好相应的距离,在这距离的基础上,选好M*N个摄像点R(m,n),要求每两个相邻的点的距离大约为6.5厘米,所摄的图像在大脑里可合成立体像,如图二所示。

其中Q(m,n)与 R(m,n) 一一对应。在行列排布的众多摄像点R(m,n)上,分别摄下其目标景物Q'(m,n), (其中Q'(mn,)以 Q(m,n)为中心,图1中的虚线框), 各摄像点所摄的图像与其相邻摄像点所摄的图像可以在大脑内合成立体像。
二. 三维成像
    关键词:视场光阑
         然后把一个大的显示面分成行列排布的众多显示单元,各显示单元依照各摄像点的行列排列次序显示其所摄的相应图像,再在大显示面前放一光学放大器,其光学放大器与大显示面一样也相应分成行列排布的众多放大单元, 各放大单元与显示单元一一对应,各放大单元相互独立,相邻单元相互紧密连接,要求各放大单元在一定观看距离以上时,其最前面的透镜的边缘就是该放大单元的视场光阑;然后在光学放大器前选一观看点,在观看点上可以观看到各个放大单元中以其最前面的透镜的边缘为视场光阑的图像,由于各放大单元的最前面的透镜紧密连接,所以在观看点上所观看到各放大单元中的图像也紧密连接,然后调整光学放大器与大显示面的距离或调节各放大单元的放大倍数与焦距, ,调整各显示单元中的图像的相对位置,使在观看点上所观看到的各放大单元中的图像的内容互相连续,一起组成一幅大的图像(如图4所示)。当观看点作三维任意移动时,由于观看点与各放大单元的观看距离和视角也同时作连续变化,在各放大单元中所观看到的图像也作相应变化,但所组成的大图像其内容仍是连续完整的(这部分的内容可以被证明,为了篇幅,在此不详细论证)。当观看者采用双眼观看时,在一定的三维空间范围内,双眼在同一放大单元中所观看到的图像内容不重复(如图三所示,在同一单元中AB 与 CD不重叠),每一点景物的图像,左右眼都通过不同的放大单元中观看到, 也就是说,双眼通过不同显示单元所成的象之中观看到某一点景物的图像。

          而各显示单元的图像都是依照立体摄像原理摄制的,其相邻或相近的显示单元图像可以在大脑内合成而形成立体像,所以,左右眼所观看到的由各单元组合成的大图像,两者虽然有所不同,但在大脑内可以合成而形成立体像。当观看者在一定的三维空间范围内作任意连续移动时,其左右眼观看到的组合大图像也在连续变化,在大脑内所形成的立体像也相应地作连续变化,仿佛回到双眼直接观看实景的三维境界,这就实现了三维图像显示的目的。当光学放大器和大显示面被简化成由单排的单元组成时,视点只有在两个方向或其合成的方向移动时,观看到的图像才会变化,立体图像也只有在二维空间范围内移动时才会相应变化,既三维图像显示简化为二维图像显示。(如图5所示)

     本装置主要由放大部分和显示部分组成,所以结构特别简单;同时,采用双眼直接观看,实现了立体图像随视点变化而变化的三维效果;另外,根据不同的需求,其成本可高可低,既可以制作三维画,也可以制作三维电视和三维电影,还可以简化为二维图像显示。
    以下实施例详细说明其应用:
实施例1:
         图 4是根据本思路提出的二维图像显示装置的示意图,其中 F 是光学放大器,由 m(一般m应大于10)个光学放大单元组成,每个光学放大单元 K(J) ( 其中 1 〈 j 〈 m ) 是一片柱状凸透镜,焦距为 f ,相邻的柱状透镜之间紧密连接;图中 P是大显示面,由 m 幅长条状的图片P(j)组成,各图片依照立体摄影原理摄制,P(j) 与 相邻的 P(j-1),P(j-2),P(j+1),P(j+2)等等,经左右眼在大脑内都可以合成而形成立体像。光学放大器与大显示面平行放置,为了更好地体现立体效果,两者的距离比较接近焦距 f 。根据透镜的光学放大原理,透镜只对图片的水平方向放大,垂直方向不放大,由于放大单元是单片透镜,每个放大透镜 K(j)的视场光阑就是其透镜的边缘,是一个长方形,各个长方形依次连接,视点在各个透镜中所观看到的图像也依次紧密连接,一起组成一幅大图像。当在放大装置前一定距离观看时,在透镜 K(j)中所看到的图像W(j)是图片 P(j)所成的象 P`(j)中的一部分,如图2所示,单影线部分W1(j)和双影线部分W2(j)分别是两个不同的视点所看到的图像W(j),然后调整P(j)的相对位置,使各个W(j)一起能组成一幅内容连续的大图像。当视点向左或向右移动时,随着视点与透镜K(j)所成的视角的变化,图像 W(j) 在P`(j)中的位置相应地向右或向左移动,当视点向前或向后移动时,随着视点与透镜K(j)的距离的变化,图像 W(j)在P`(j)中相应地变大或缩小,但所组成的大图像的内容还是连续完整的。当采用左右眼在离光学放大器一定距离的地方同时观看时,左右眼在K(j)中所看到的图像分别是W1(j)和 W2(j),如图2中的单影线部和双影线部分,W1(j)和W2(j)在P`(j)中没有重复部分,某一点景物的图像,双眼都通过不同的图片P(j)所成的象P`(j)中看到,根据双眼立体成像原理,由m个W1(j)和m个W2(j)组成的两幅大图像,可以在大脑内合成立体像。当双眼在左右方向和前后方向或两个方向的合成的方向移动时,既在左右和前后的二维空间内移动时,各个W1(j)与W2(j)也相应变化,两幅大图像也相应变化,形成的立体像也相应变化,达到了二维图像显示的目的。
实施例 2 :
        图4 是根据本思路提出的三维图像显示装置的示意图,其中F是光学放大器,由n排m列既mXn个放大单元组成,每个放大单元K(j,k) (其中 1〈j〈m,1〈 k〈n ) 是一片正方形状的凸透镜,焦距是 f,相邻的凸透镜之间紧密连接。图中P是大显示面,由n排m列的图片P(j,k)组成,各图片依照立体摄像原理摄制,P(j,k)与相邻的P(j,k+1),P(j+1,k)等经左右眼在大脑内可以合成而形成立体像。光学放大器与大显示面平行放置,距离接近焦距f。根据光学放大原理,每个透镜的视场光阑就是其正方形的边缘,在一定三维空间范围内观看光学放大器时,所看到的是由n排m列图像W(j,k)组成的大图像,调整各图片P(j,k)的相对位置,使图像W(j,k)的内容相互连续,一起组成一幅内容完整连续的大图像,当视点在一定的三维空间范围内任意移动时,随着观看点与放大单元所成的视角和距离的变化,W(j,k)也作相应的变化,大图像也作相应变化。当在一定的三维空间范围内采用双眼观看时,在同一放大单元中的图像W1(j,k)与图像W2(j,k)之间没有重复部分,两个大图像可以在大脑内合成而形成立体像,随着双眼作三维的移动,立体像也相应地作变化,相当于双眼观看三维实景,从而达到了三维图像显示的目的。