基于单镜头基色立体图像摄取技术的研究

作者/ 贾正松 四川信息职业技术学院(四川 广元 628040)

*基金项目：四川信息职业技术学院项目(编号：2013C18)

贾正松(1973-)，男，教授级高级工程师，研究方向：电子技术应用与开发。

摘要：通过分析“双目视差立体成像”中的双机立体成像和双镜立体成像技术的不足，提出了一种用于单反相机的单镜立体照相方案，该方案通过对镜头中的光圈进行设计，可以实现双基色、三基色和七基色立体成像。该镜头与单反相机配合使用，可一次性拍摄多组互补色立体图像和左、右眼视差图像。实验结果表明，利用该技术实现的立体照相设备具有结构简单、操作方便、成像立体感强、无重影等特点，有利于立体照相技术的推广，并可扩展用于立体电视信号的采集、传输与接收系统中。

引言

　　随着光学、微电子学及计算机技术的发展，“双目视差立体成像原理”已广泛应用于三维立体成像与立体显示技术中^[1]。目前，“双目视差立体成像原理”的主要实现技术，一种是双机组合立体照相技术，它是通过人的双眼直接仿真，采用两台相隔一定距离的照相机对同一对象拍摄获得一对视差图像，通过立体显示的方式让人的双眼观看到两幅图像的合成图像，从而获得立体视觉。另一种是基于单机双镜头(或三镜头)立体照相技术，其原理与双机组合立体照相技术相似，操作单反相机时可同时获得两张(或三张)视差图像。

　　上述立体照相技术具有还原立体图像场景真实、立体感强等特点，但由于设备本身的光路系统各自独立，重现时若视差分离不完全会产生大量的重影，不分离视差时图像无法直接裸眼观看，且设备价格较贵，不利于立体照相技术的推广。

　　针对以上立体照相技术的不足，提出了一种用于单反相机实现的单镜立体照相技术，通过对镜头光路的分割实现多种基色立体照相，利用该技术获得的图像立体感强、图像画面无重影。

1 单镜立体照相实现方案

　　单镜立体照相的实现方案如图1所示，它主要由聚集物镜、基色光圈、相机及控制电路组成^[2]。其中，基色光圈用来取代相机原镜头内的光圈，基色光圈可以是双基色(红、青基色)、三基色(红、绿、蓝三基色)和七基色(红、橙、黄、绿、青、蓝、紫七基色)。照相机工作时，利用照相机本身产生的控制信号经控制电路控制基色光圈工作，得到相应的立体图像。

2 基色光圈设计

2.1 双基色光圈设计

　　双基色光圈结构如图2所示，它是在单反相机物镜直径为D的光圈镜头内，通过基板设计两个子光圈，左、右子光圈上分别盖有经旋转电磁铁控制的红、青滤色片。其中，子光圈的直径d要满足d=D/3关系，这样拍摄的立体图像在主景深上无重影^[3]。

　　立体拍摄时将该光圈集成于单反相机镜头内，镜头与单反相机相联接，通过单反相机控制双基色光圈。工作时，旋转电磁铁在控制电路产生的信号驱动下，带动与之相连接的红、青滤色片分别向相反方向转动。当红、青滤色片覆盖在不同的子光圈上时，可得到红青(或青红)视差图像;当两滤色片同时覆盖同一子光圈时，可拍摄双目立体视差图像对。

　　红青(或青红)视差图像，双目立体视差图像用裸眼观看时其本身的图像效果等同于直径为D的大口径镜头聚焦形成的图像。红青(或青红)视差图像用红青(或青红)互补色立体眼镜观看可得到立体效果。双目立体视差图像对通过立体软件合成并加柱面光栅可得到无重影的立体图像^[4]。

2.2 三基色光圈设计

　　三基色光圈结构如图3所示，它是在单反相机物镜直径为D的光圈镜头内，通过基板设计三个相同的正六边形子光圈，子光圈排列可以是一字形、品字形(或倒品字形)。将红、绿、蓝三基色滤色片覆盖于各子光圈上，通过镜头前后镜片组与三基色光圈及相关配件组装成三基色立体镜头^[5]，镜头与相机配用形成三基色立体相机。为确保各视差图像景深一致，三个子光圈应具有相同的直径d。

　　立体拍摄时将该镜头与单反相机相联接，通过单反相机控制一次可拍摄三基色图像，如图4所示。三基色图像可按平面图像的方式处理、记录、传输、打印或显示。该图像用裸眼观看时，其图像效果色彩真实、无重影;若用不同的红绿、红蓝、绿蓝基色眼镜或红青、绿紫、黄蓝互补色眼镜在相应方位可观看立体图像，从而使设备一次性拍摄出可用基色或互补色眼镜成像所需的多视角图像。通过观看效果验证，以上六组立体眼镜可以在12个方位观看到图像的立体效果。

2.3 七基色光圈设计

　　七基色光圈结构如图5所示，它是在单反相机物镜直径为D的光圈镜头内，通过基板设计七个相同正六边形的子光圈，各子光圈紧密排列成蜂窝结构，各子光圈前分别覆盖红、橙、黄、绿、青、蓝、紫七基色滤光片^[6]。为了保证七个子光圈的大小可调，可采用PDLC(Polymer Dispersed Liquid Crystal)液晶电控调光膜液晶作为立体光圈的基板，工作时由控制电路控制各子光圈的大小，以调节各基色图像的景深。

　　立体拍摄时将该镜头与单反相机相联接，通过单反相机控制一次可拍摄七基色图像。七个子光圈同时打开时，拍摄一幅基色立体图像，该图像可直接在显示终端显示彩色图像，用红青互补色立体眼镜可观看到立体感极强的立体图像。

　　由于绿基色滤色片覆盖在中心部位子光圈，子光圈全部打开所拍摄的基色立体图像，其绿色图像信息没有视差，用红青互补色眼镜进行分像后，即使视差分离不完全，进入左、右眼的绿色信息不会因视差产生重影，而其它基色信息则存在一定的视差。红、橙、黄基色图像信息经红青互补色眼镜的红色滤色片进入人的一眼，青、蓝、紫基色图像信息经红青互补色眼镜的青色滤色片进入人的另一眼，经大脑融合形成色彩正常的立体图像，由此降低了因红青互补色眼镜光谱分离不完全而产生的绿色重影，从而提高立体图像质量。

3 基色立体镜头参数选择

　　根据以上实现原理，以双基色和三基色为例，设计出双基色立体镜头和三基色立体镜头，如图6(a)和图6(b)所示。它是在50mm单反相机镜头基础上来设计实现的，其镜头参数见表1。

4 基色立体图像摄取技术应用

　　基色立体图像摄取技术不仅可以用于立体照相技术中，还可用于立体图像摄像与传输系统中。以双基色立体镜头成像原理为例，立体图像对编解码方案如图7所示。在摄像端(发送端)获得的双目立体视差图像对通过左眼图像(L)编码和视差图像Q(Q=L-R)编码后，与电视系统中的伴音信号和其它辅助信号经复用器后生成立体电视信号，再经调制后通过传输通道传输出去。

　　接收端，立体电视机将接收到的立体电视信号解调后，由左眼图像L与视差图像Q解码，还原出右眼图像(R)，还原后的双目视差图像L和R经显示驱动后送到立体显示屏上显示^[7]。此时，人眼通过配戴立体开关眼镜便可观看到图像的立体效果。若通过裸眼观看，可以看到和普通平面电视相同的图像效果，且图像画面无重影，从而实现立体电视与平面电视的兼容^[8]。

5 结论

　　综上所述，单镜头基色立体图像摄取技术的实现方法具多，用于立体照相时只需更换相应的镜头，所摄的图像既能裸眼观看平面图像，又可借助立体眼镜观看立体图像。用该技术实现的立体照相设备具有结构简单、操作方便、图像质量高和立体感强等特点，具有很好的商用和民用前景。该技术的实现有利于立体照相技术的推广，同时，该技术还可以用于立体电视信号的摄取与重现系统中，能够实现立体电视与普通平面电视的兼容，为立体电视的发展提供理论依据。

　　参考文献：

　　[1]隋婧,金伟其.双目立体视觉技术的实现及其进展[J].电子技术应用,2004(10):4-6.

　　[2]贾正松,张德忠.单反相机立体摄取镜头的研制[J].电视技术,2011,35(22):29-31.

　　[3]张德忠,贾正松,王志强.无重影立体电视摄像技术的研究[J].电视技术,2008,32(2):75-77.

　　[4]董永贵,沈立,冯冠平,等.一种基于柱透镜光栅的计算机辅助彩色立体图像合成方法[J].光学技术,1999(03):67-69

　　[5]张德忠,贾正松.三基色立体图像摄取设备:中国,201020262583.2[P].2011-2-9.

　　[6]贾正松,张德忠.无重影基色立体图像摄取设备:中国,201020262548.0[P].2011-3-16.

　　[7]贾正松,张德忠.无重影立体图特点与应用[J].电视技术,2011,35(5):62-64.

　　[8]张德忠,贾正松.无重影立体电视显示技术的研究[J].电视技术,2009,33(9):35-37.

　　本文来源于《电子产品世界》2017年第10期第46页，欢迎您写论文时引用，并注明出处。