專利名稱：立體全像技術的制作方法
立體全像技術另利用復眼型凸透鏡陣列聚成完全的立體圖象技術及其應用本發明涉及計算機圖象處理技術和光學透鏡成像裝置，尤其是空間立體成像技術。
在真實世界中，我們在觀察物體時兩只眼睛分別獲得不同的信息----兩眼觀察到的物象之間有些細微的差別，再經大腦處理從而感知被觀察物遠近程度。我們的大腦“知道”當一個物體在兩眼看來相同時，也就是視野差別很小時，被觀察物位于較遠的位置；當兩個視野差別很大時被觀察物位于較近的位置，由此而感覺立體空間的存在。
立體圖象從廣義上分為兩眼式立體圖象和狹義的立體圖象。兩眼式立體圖象是利用兩眼分別獲得不同的圖象信息再由大腦綜合產生立體感覺。現在為眾人所知的立體顯示器和立體電影大多利用這種兩眼的視覺差的方式制作而成。但是這種兩眼式立體圖象并不能完全反映被表示物的所有信息，而且不能精確地反映原物體的空間位置，將來立體圖象技術主流，應該是能夠在空間中完全再現被表示物的三維實像，也就是我們定義的狹義的立體圖象。一個簡單的例子，觀察者在觀察這種圖象時，往左邊轉就可看到被表示物左側的面，往右邊轉就可看到被表示物右側的面，也就是具有空間縱向的視覺感。
狹義的立體圖象包括全息照相技術(holography)和立體全像技術(integral photography)以及由這兩者派生而成的其他成像技術。
全息照相技術與普通照相的區別是，普通照相用的底片的感光材料只能記錄物光波的振幅(光強)，而不能記錄相位，所以只能在底片上顯示物體的平面圖象。而全息照相技術是利用光的干涉把物光波的振幅和相位同時記錄下來，再利用光的衍射使之在一定條件下再現，從而獲得三維圖象。全息照相技術所獲得的立體圖象雖然滿足兩眼的視差和輻度與立體感的關系，但受激光及高分辨率的記錄膠片等技術及價格的限制，制作大尺寸、廣視野，且反映原物體色彩的全息照片相當困難；另外由于受激光不能照射人眼以及人體易動性(全息照片拍攝時要求被拍攝物靜止)等的影響，人體不可能直接被制作全息照片；并且位相形全息照相的再生效率為普通的20％以下，振幅形全息圖為10％以下，不可能取得高效率。
1908年法國的M.G.Lippmann提出利用昆蟲復眼形狀的凸透鏡板在一張膠片上拍攝完全的三維照片，這是立體全像最初的概念。由于需要高精度的技術及高分辨率的照片技術，當時并不被人注意。此技術在世界上開始試作是在60年代末，具體方法是利用光學成像的原理，將記錄膠片與復眼形凸透鏡板的焦點面保持一致，利用激光照射被記錄物，在記錄膠片上結成對應于每個透鏡的微小的圖象。它的制作成本較全息照片低，而且可以記錄完全的三維信息，實現或超過全息照片所能達到的效果。但是由于記錄媒體使用的是膠片，因此同樣有不能制成動畫，而且暴光后的膠片不能重復利用等有待解決的問題。
全息照相技術雖然可取得逼真的立體圖象，但受激光及高分辨率的記錄膠片等的限制，制作大尺寸、廣視野，反映原物體色彩的全息照片卻相當困難。而原有的立體全像技術雖制作成本較全息照片低，且可以記錄完全的三維信息，但也帶有膠片不能重復利用更不能制成動畫等不足之處。由此可見，降低技術難度和生產成本，實現簡單制作和再生立體圖象，達到可重復利用，特別是能在顯示器上顯示制成的圖象以達到制作動態立體圖象的效果，是當前立體圖象急需解決的問題。
本發明的目的是降低制作立體影像的技術難度和生產成本，開發具有彩色、動畫、無偏差等特性的完全的立體圖象，實現在任何地點、無需其他輔助裝置即可用肉眼直接觀察到被表示對象物的立體像的效果。另外一個目的是制作廣視野，不受尺寸限制且能夠準確反映物體結構和空間位置的立體圖象，并且利用現有的簡單動畫顯示裝置(如顯示器、投影儀)，只需傳入處理后的三維圖象信息即可看到動態的立體圖象。
本發明仿照昆蟲復眼型凸透鏡(微型六邊形凸透鏡)陣列的成像方式，利用特殊的計算機圖象處理技術取代原來的光學成像方式，產生立體圖象面中各象素點的位置和顏色(或灰度)，然后再利用復眼型凸透鏡陣列將經處理后的圖象面在三維空間中重新聚成被表示對象物的立體像。
本發明對超精密微型凸透鏡陣列的設計以及透鏡尺寸(半徑、焦距)對圖象的影響的作了定量的分析，提出生成最佳立體圖象的透鏡陣列加工方案。
本發明可將任何立體圖象數據作成立體全像。原立體圖象數據可采用CT或MRI等斷面掃描圖、以及任何可由CG技術產生的立體圖形數據。在本發明中，利用計算機圖形學方法分析立體物的空間結構，建立與之相應的算法，制成能鮮明反映原立體物的內部結構的空間立體圖象。另外利用數字彩色照片在空間中疊加作為原始立體圖象數據，制成了能與原照片畫質相媲美的具有遠近層次感的立體彩色照片。
本發明同時還對生成高清晰度的動態立體影像作了進一步的研究，利用現有簡單的動畫顯示裝置(如顯示器、投影儀)，只需傳入經計算機處理后的立體圖象信息即可制成生動的立體影像，經鑒定此成果具有廣泛的應有價值。
本發明可開發具有全真色彩、動畫、無偏差等特性的完全的立體圖象，實現在任何地點，無需其他裝置(例如特殊的眼鏡)即可用肉眼(單眼即可)觀察到原表示對象物的立體像的效果，并且對肉眼不會產生任何視覺疲勞。本發明的特征是利用計算機圖象技術處理得到被觀察的圖象，只需更換被觀察的圖象即可達到重復利用的效果。此效果的一個最大特點是，只需往現有的簡單動畫顯示裝置(如顯示器、投影儀)中輸入經計算機處理后連續的三維圖象信息，即可看到動態的立體圖象。
本發明因從空間立體幾何學的角度出發，利用計算機作成、表示三維圖像，不存在由透鏡裝置而產生的圖像偏移問題。另外無論是在記錄還是再生的都不受光波的限制，因此再生圖象可準確地重現被表示對象物的真實色彩。
本發明是迄今唯一能夠用于簡單制作并且再生立體圖象，而不需其他輔助裝置的立體影像技術。本發明可廣泛用于以下領域1、醫療領域中支援手術用的立體圖像提示；2、立體影像相關領域(例如立體照片、立體電視、立體投影儀等)；3、立體教學；4、三維藝術品等。
下面結合附圖和實施例對本發明作進一步說明
圖1為本發明的立體圖象生成原理圖。圖2為立體圖象在空間中再生表示圖。圖中，(1)復眼型凸透鏡陣列，(2)計算生成的圖象面，(3)立體圖象原始數據，(4)空間中聚成的再生立體圖象，(5)觀察者。
(一)凸透鏡陣列的設計和立體圖象數據的選擇由于復眼型凸透鏡陣列的設計及透鏡材料的選擇將直接影響立體影像的質量，首先我們對圖1和圖2中出現的復眼型凸透鏡陣列(1)的最佳設計方案在圖3中作技術說明。
透鏡原材料可選用光線透過率高且容易加工制成光學透鏡的材料，有機材料或光學玻璃都可作為其選擇的對象。本發明選用甲基丙烯樹脂，是由于甲基丙烯樹脂具有優越的透明性、良好的自由加工性及優良的耐久性等特征(折射率為1.49，光線透過率平行光為92％、全光線為93％，熱變形溫度為100℃)，另外它還具有輕巧、強韌、耐腐蝕及電絕緣等特性。
由于立體圖象的觀察視野及效果受單個微型凸透鏡(7)的曲率中心(8)到圖象面(2)之間的距離(9)和透鏡直徑(10)的相互關系的影響。對于同樣解析度的立體圖形，透鏡到圖象面之間的距離(9)越長，觀察視野范圍越小，畫像越清晰；透鏡半徑越大，觀察視野范圍越大，畫像清晰度降低。
本發明中的凸透鏡陣列采用昆蟲復眼型排列(6)，這種排列的目的是在同樣的面積內容納最大數目的微型凸透鏡(7)。以一直徑2.32mm的微型凸透鏡為例，在一張近似A4紙大小的透鏡排列面上(203*254mm)可排列一萬個左右的微型透鏡(每平方英寸134個)。圖3b是用顯微鏡拍攝到的放大后透鏡形狀。透鏡的加工關鍵在于復眼型透鏡陣列(1)中的單個微型凸透鏡(7)的焦距(11)與計算生成的圖象面(2)保持一致。
其次，在圖4中對圖1中的立體圖象數據(3)作更為詳細的說明。圖4中(12)為MRI等斷面掃描圖象，(13)為數張照片疊加成的立體數據。
立體圖象數據來源有若干種途徑。原數據可采用CT或MRI等斷面掃描圖象(12)，以及任何可由CG技術產生的立體圖形數據，這些數據既可以是位圖也可以是矢量圖。利用CT或MRI等斷面掃描圖象，可獲得人體及其他實物體的內部看不到的物像，采用這種途徑可將立體全像技術充分地用于醫療領域及其他影像診斷的相關領域。如果只想制作不同遠近層次的立體圖象，則可由不同遠近的照片(13)疊加成立體數據。我們利用數字彩色照片在空間中疊加作為原始立體圖象數據，制成了能與原照片畫質相媲美的具有遠近層次感的立體彩色照片。
(二)計算機生成立體全像的算法及立體圖象再生方法以上是立體全像成像的前處理準備，下面結合圖1立體圖象生成原理和圖2立體圖象在空間中再生表示圖，對本發明的具體方法和基本原理作進一步說明。
通常在作成立體全像的時候，由于觀察者的視點和顯示面位于被顯示的對象物的同側，也就是我們看到的被表示對象物是出現在顯示面的后面，因此在成像時從離顯示面最近的被表示對象物的開始進行陰面處理。但是，立體全像所顯示的被表示物是浮現在顯示器的前方，也就是從觀察者的視點來看和顯示面位于被顯示的對象物的同側，如果利用同樣的陰面處理方法，那么被觀察到的立體圖象變成凹凸反轉的像(偽像)。本發明中的算法則根據立體全像的特殊成像方式，從觀察者的視點方向開始的最近點，也就是從顯示器開始最遠的點進行陰面處理。具體方法在結合圖5作解釋，在每個象素點中心(14)發出通過其所對應的透鏡曲率中心(8)的延長光線(15)上，用從觀察側看到的最初與所表示對象物(16)的交差點(17)的圖象信息來投影該象素點上，同時利用探測光線矢量方向與表示對象物的表面法向方向的內積來計算所求象素點灰度或顏色。本發明利用這種陰面處理算法，既完成了對立體物結構的描畫又解決了原來的IP成像方法在記錄生成時凹凸反轉的技術問題。
圖6為計算所得立體圖象作成圖，將圖6.a立體圖象生成圖的整體結構圖放大到圖6.b單個象素點后圖象后，可以看出在每個六邊形(20)內都包含了原立體形狀的投影，也就是說每個微型凸透鏡對應的六邊形范圍內記錄著被表示對象物的整體信息。這整體信息體現在由計算生成的圖象灰度、形狀及空間位置信息的每個象素點(21)上。我們可發現記錄被表示對象物的圖象面的解析度越高，也就是在同一六邊形(20)范圍容納越多的象素點，那么就越能精密地記錄被表示對象物的信息。
圖2為立體圖象再生原理圖在計算面上顯示IP圖像，則從各象素點(18)開始發射通過透鏡曲率中心(8)的光線與其它像素點發出的光線相交叉，從觀察者側正好可在那兒看到光點(19)。像這樣聚成的光點(19)在顯示器前的空間中構成表示的對象物，觀察者因而可看到被聚成再生的立體圖象(4)。
(三)復眼型凸透鏡光學成像的理論分析圖7表示了光點位置與其他參數的關系。首先將基準面(22)設定在通過復眼型凸透鏡陣列(1)的各透鏡的曲率中心(8)的面上。微型凸透鏡的直徑為D(10)，基準面(22)到圖象面(2)的距離為h(23)，單個象素點的大小為r(24)，i為從中心開始到第i個象素點(25)中心的距離。在從兩個相鄰的透鏡發出的光線的交差點上，記從基準面(22)開始第i個交點(26)到基準面的距離為Hi(27)，通過相似三角形的關系可求出發明權利說明書立體全像技術(制作立體照片·動畫及立體影像)Hi=D×hi×r=H1i----(A)]]>在單個透鏡對應的六邊形范圍內的象素點中，透鏡中心位置開始算起第i個象素點(25)發出的光線，與相鄰的透鏡中通過透鏡中心及對應的中心象素點的光線相于第i個光點(26)。這里i的最大值為imax=D/2r。同樣與透鏡相隔距離為透鏡直徑j倍的第j個透鏡(28)發出的光線(29)中，從基準面(22)開始到第i個交差點的距離記為Hi/j(30)，其表達式Hi/j=D×h×ji×r=H1×ji----(B)]]>可以看出在(A)式中照射不到的位置，根據(B)式可能由其他透鏡發射的光線照射到。另外由(B)式可得，所能被看到的最近的光點到基準面的距離為H1/imax。
下面對空間投影圖象的解析度作分析。
如圖8(a)所示在縱向投影圖象的光點是一個由二個長圓錐結合而成的雙圓錐形狀。H(31)為光點到基準面的距離。在圖8(b)中可到通過中心點的斷面圖為一四邊形(32)。記從觀察者角度來看近點與遠點的內角為2α(33),2β(34)，則到基準面(22)距離為H處的光電點縱向長度Rz(35)，幅度Rx(36)為Rx=r×Hh----(C)]]>Rz=Rx2tanα+Rx2tanβ-----(D)]]>在通常情況下，由于透鏡直徑D(10)與光點距離H(31)相比較小，可以近似地看著α≈θ,β≈θ,tanθ≈D2h----(E)]]>則Rz(35)與Rx(36)的關系可表示為Rz=Rx×2hD----(F)]]>由式(C)和式(F)可知Rz(35)與Rx(36)都與到基準面的距離成正比。由于光點的亮度與距離的平方成反比，被投影的光點隨著到基準面距離增大而變暗變模糊。
(四)立體圖象再生裝置及清晰化處理圖9為高清晰度靜止立體圖象再生裝置。圖中從左到右的排列依次為計算生成的圖象面(2)、復眼型凸透鏡陣列(1)、散射板(37)。事實上我們只要將復眼型凸透鏡陣列(1)放在計算生成的圖象面(2)上就可以看到立體圖象，但是由于這些立體圖象是由圖象面上的各象素點發出的光線會合成的光點(38)組合而形成，這些光點在聚合后又重新發散，因此在人眼里形成的圖象變的模糊不清，這種情況隨著微型凸透鏡直徑的增加而加重。為了增加圖象的清晰度，我們在聚成的立體圖象空間中放置一散射板(37)。圖10是有無散射板的比較。(39)為無散射板時觀察到的結果，(40)為有散射板時觀察到的結果。以前立體全像研究曾提倡生成圖象的象素點解析度與透鏡直徑大小一致，使用散射板后，由于光線擴散使進入觀察者眼中的光線數增加，這樣解析度低于透鏡直徑的象素點的圖象也可清晰地被看見。
散射板可選擇毛玻璃或薄膜。當微型凸透鏡直徑小于1mm時，不使用散射板也可觀察到清晰的圖象。
(五)實施例根據以上的方法，本發明者用Virtual C++編寫程序，針對高清晰度的靜止立體全像和動態的立體影像的不同特性，作成不同的執行文件來生成復合的立體圖象面。
實施例1高清晰度靜止立體圖象本發明者利用PentiumⅢ 500MHz內存256M的計算機，生成一張A4紙大小·圖象解析度600dpi·象素值為4320×5760(pixel)的Raw格式(24Bits/pixel)圖象文件，計算時間需10～15分鐘，產生的文件大小為72M。同時用分辨率為600dpi的彩色激光打印機打印立體全像的圖象面(2)。本發明之所以使用Raw格式來儲存數據是為了保存經計算機處理后的全部圖象信息，應該強調的是不宜使用壓縮格式(如JPG格式)來存儲數據。
圖11為同一靜止的立體全像從不同角度觀察到的效果。本發明者利用圖9的方法制成立體全像樣本。拍攝時固定樣本，一邊改變觀察位置一邊拍攝，可發現對于任何一個觀察角度都有與之對應的運動視覺差的體現。圖11中的五幅圖分別是可以從上方(41)下方(42)左方(43)右方(44)及正面(45)不同角度拍攝到的同一靜止的立體全像的不同側面圖，由此我們可看到立體全像具有強烈的整體連續性。
實施例2動態立體全像圖12為利用液晶顯示器制成的動態立體圖象再生裝置。液晶顯示器解析度約為100-200dpi，在液晶顯示器(46)的屏幕上放置復眼型凸透鏡陣列(1)，調節散射板到適當位置，只需輸入經計算機處理后的三維圖象信息即可看到動態的立體圖象。此動態立體圖象將來可指望用于制作立體全像電視。
圖13為利用投影儀(47)制成的高分辨率動態立體圖象再生裝置。由于液晶顯示器解析度受當前技術水平的制約，分辨率高于200dpi的彩色液晶顯示器制作價格相當昂貴。為了解決這個問題，考慮利用投影儀作為顯示裝置，通過對投影儀(47)焦距的調節，將聚成的高分辨率圖象(理論上可達到1000dpi以上)投影到屏幕(48)上形成投影圖(49)，同時改善散射板的光透過率，則可制成高清晰度的立體全像。此動態立體圖象將來可指望用于制作立體全像電影。
圖號的名稱及出現位置圖1立體圖象生成原理圖 圖8空間中聚成的光點的形狀圖2立體圖象在空間中再生表示圖 圖9高清晰度靜止立體全像再生裝置圖3復眼型凸透鏡陣列的設計圖 圖10有無散射板的比較圖4立體圖象原始數據 圖11從不同角度看同一立體全像圖5立體圖象生成算法圖 圖12動態立體全像顯示裝置圖6計算所得立體圖象生成圖 圖13高清晰度動態立體全像顯示裝置圖7光點位置與其他參數的關系
權利要求
1．一種空間立體成像技術，其特征是仿照昆蟲復眼型凸透鏡陣列的成像方式，利用計算機圖象處理技術產生立體圖象面中各象素點的位置及所反映的立體物的空間信息，再利用復眼型凸透鏡陣列將經處理后的圖象面在空間中重新聚成被表示對象物的實像。
2．根據權利要求1所述的昆蟲復眼型凸透鏡陣列的設計和加工方案。其特征是凸透鏡陣列的整體設計以及單個凸透鏡的尺寸(半徑、焦距)的加工方法能生成最佳的立體圖象。
3．根據權利要求1所述的立體圖象面生成方法，其特征是利用計算機圖象處理技術取代原有的光學透鏡成像方式，對立體物的空間結構作處理，從幾何學的角度產生能準確反映該立體物空間信息的立體圖象面。
4．根據權利要求1所述的在空間中聚成的被表示對象物的實像，可在任何地點，無需其他裝置即可簡單地用肉眼看到在空間中聚成的立體影像。其特征是從任意的視點可自由地觀測到被表示對象物的實像，而不受其他條件的制約。
5．根據權利要求3所述的計算方法，將生成的靜止畫面組合成連續的圖象，或直接由計算機生成動態的立體圖象面。其特征是可用此方法做成動態的立體圖象。
6．根據權利要求4所述的立體圖象再生方式，原立體圖象數據采用CT或MRI等斷面掃描圖、以及任何可由計算機圖象處理技術產生的立體圖形數據，利用計算機圖形學方法分析立體物的空間結構，建立與之相應的算法來生成立體圖象面。其特征是能制成鮮明反映原立體物的內部結構的空間立體圖象。
7．根據權利要求4所述的立體圖象再生方式，利用數字彩色照片在空間中的疊加作為原始立體圖象數據，利用高分辨率印刷機印刷計算生成立體圖象面，制成能與原照片畫質相媲美的具有遠近層次感的立體彩色照片。其特征是能制作準確的再現被表示對象物的真實色彩的立體圖象。
8．根據權利要求5所述的動態的立體圖象，利用高分辨率的平面液晶顯示器或投影儀顯示被生成的動態立體圖象面，可以用于開發立體電視和立體電影。其特征是不需要改變原影像的傳輸或投影方式，只需輸入經處理后的立體圖象信息，即可達到產生逼真的立體影像的效果。
全文摘要
一種空間立體成像技術。仿照昆蟲復眼型凸透鏡陣列的成像方式，利用計算機圖象處理技術產生立體圖象面中各象素點的位置及所反映的立體物的空間信息，再利用復眼型凸透鏡陣列將經處理后的圖象面在空間中重新聚成被表示對象物的實像。本發明能大幅度地降低制作立體影像的技術難度和生產成本，開發具有全真色彩、動畫、無偏差等特性的完全的立體圖象，實現在任何地點、無需其他輔助裝置即可用肉眼直接觀察到立體圖象的效果。
文檔編號G03B35/18GK1317718SQ00105740
公開日2001年10月17日 申請日期2000年4月10日 優先權日2000年4月10日
發明者廖洪恩 申請人:廖洪恩