專利名稱：分屏式立體攝影、投影儀的制作方法
技術領域：
本發明屬于光學顯示技術領域，涉及一種立體攝影、立體投影儀的結構組成。
寬視角、高清晰度的立體視頻影像，具有極高的臨場感，是繼高清晰數字視頻之后顯示技術的發展方向，而不需佩戴眼鏡自由觀看的大幅面立體影像更是人們追求的目標。從現有的技術方案看，能接近這一目標的顯示設備均是為了特定的目的，如仿真、軍事、大型娛樂而設計的特殊設備，低價格的通用型高臨場感立體顯示系統可以說還沒有出現。
目前實用化的立體攝影設備有多鏡頭立體相機、多鏡頭立體數碼相機等專業設備，成本比較高，而高性能的專業平面相機在立體攝影，特別是人物攝影中還沒有得到有效的應用。實用化的立體顯示設備，包括采用偏振技術的立體電影機、多媒體立體投影儀，具有較高的臨場感，需要兩臺播放機，佩戴偏振眼鏡觀看；采用分時立體技術的液晶光閥眼鏡式CRT顯示器或電視機、液晶開關偏振眼鏡式CRT顯示器，均存在需要很高刷新率的局限，否則出現明顯的屏幕閃爍，而且隨著LCD、PDP顯示器的興起，CRT的市場份額逐漸減小，分時式立體技術的應用范圍越來越小；采用樣條式光柵立體技術的LCD、PDP顯示器，觀看自由度極小，即使配備頭部跟蹤設備，一般也僅供一個人觀看，如果要實現多人自由觀看，要求有極高的橫向分辨率，而目前百萬像素級的顯示器顯然遠遠達不到使用要求；采用多鏡頭光柵投影技術實現的立體顯示，可以自由觀看，但需要多套投影儀。
總體來說，雖然平面數字顯示技術日新月異，發展速度之快出乎人們的意料，但立體顯示技術的實用化進展依然不大，盡管全息立體顯示器被寄予厚望，其關鍵技術的突破依然遙遙無期。立足于平面顯示技術，實現寬視角、高清晰度的立體視頻顯示的首選設備應該是多媒體投影儀。
本發明的目的在于設計一種分屏式立體技術方案，利用分屏適配器和平面攝影、投影儀，實現立體影像的記錄和顯示。由于分屏式立體攝影儀和立體投影儀采用了相同的技術方案，是一個互逆的光學過程，系統結構基本相同，因此在本發明中同時進行描述。
分屏式立體攝影儀的結構包括攝影儀(1)、分屏適配器(3)、圖像校正單元、分屏格式圖像。
分屏式立體投影儀的結構包括投影儀(2)、分屏適配器(3)、投影屏幕(4)、圖像校正單元、分屏格式圖像。
攝影儀(1)是指通過鏡頭成像來記錄圖像的設備，典型的攝影儀包括膠片相機、數碼相機、攝像機、攝影機等。
投影儀(2)是指通過鏡頭成像來顯示圖像的設備，典型的投影儀包括膠片幻燈機、電影放映機、數字多媒體投影儀等，目前實用化的多媒體投影儀包括CRT投影儀、LCD投影儀、DLP投影儀，其彩色顯示單元大多由紅綠藍三個單色顯示部件構成。本發明中，投影儀(2)與分屏適配器(3)組合后，投射視場有所減小，應盡可能采用短焦距投影鏡頭。
分屏適配器(3)主要由分光反射鏡(5)和位差反射鏡(6)構成，其作用在于，將分屏格式圖像的各個圖像塊從具有一定水平位差的投射點投射到屏幕(4)上，顯示立體圖像；或者將具有水平位差的視點圖像成像后以塊的方式排列到記錄介質上，記錄分屏格式圖像。分屏適配器(3)可以有多種方式構成，還可增加柱面鏡、球面鏡等光學放大元件來改善適用范圍，在二分屏投影方式中，可以采用一種結構非常簡單的偏振剪切鏡來實現立體顯示。分屏適配器(3)的分光反射鏡(5)位于投影鏡頭的焦點附近時，光能利用率為50～65％，適當加大分光反射鏡(5)與投影鏡頭的距離，有助于提高屏幕亮度。另外，適配器產生的色散現象也需要采取有效的控制辦法，用軟件修正紅綠藍三色通道像素點的位置，在一定程度上可以抑制色散。
投影屏幕(4)包括普通投影屏、金屬投影屏、方向性分光投影屏等。金屬投影屏的保偏性好，主要應用在二分屏方式的立體投影儀中，觀看時佩戴偏振眼鏡；方向性分光投影屏幕可采用光柵屏及三垂面反射屏等具有自準直特性的材料構成，應用在多分屏方式的立體投影儀中，可以自由觀看立體圖像，不需佩戴立體眼鏡。最常用的方向性分光屏幕是光柵屏，其中單光柵屏應用在正投影系統中，雙光柵屏應用在背投影系統中。由于適配器的位差反射鏡(6)的間距往往大于人的眼距，導致投射點間距過大，可以采用柵距相同、厚度不同的兩塊光柵(7)組成的雙面屏幕進行調配。
圖像校正單元利用標準圖像和校正軟件來修正圖像在記錄或顯示過程中出現的偏差。這些偏差主要來自于成像鏡頭的幾何像差、分屏適配器的反射元件位置偏差、各光路通道的光程差等。與立體相機相比，成像鏡頭與分屏適配器的組合相當于立體相機多個獨立的成像單元，因此可以用專利申請02104319.1公開的方法進行校正。投影是攝影的光學逆過程，可以將標準分屏圖像投射到屏幕上，與屏幕上自帶的標準網格相比較，建立投影圖像與標準圖像之間的映射關系，并利用映射關系修正分屏格式立體圖像。
分屏格式圖像是本發明的技術核心。分屏格式圖像是指將兩幅視差圖或多幅視差序列圖以完整的圖像塊方式排列成一幅平面圖像，保存在圖像記錄介質上，或者在圖像顯示單元上顯示出來。在立體攝影儀中，圖像記錄介質是指各種攝影儀(1)；在立體投影儀中，圖像顯示單元是指各種投影儀(2)。分屏式立體技術的最大優勢在于，可以利用單個平面圖像設備實現立體記錄和顯示，并伴隨著平面圖像設備的更新換代而在寬視角、高清晰度方面得到升級發展。分屏方式包括對稱性分屏和非對稱性分屏。
對稱性分屏的原則視差序列圖像塊的大小相同，均分圖像記錄(或顯示)介質。典型的分屏方式有二分屏、四分屏、六分屏，以目前主流顯示設備的圖像清晰度(1024×768)為例，可以實現清晰度為1024×384×2、512×768×2、512×384×4、512×256×6的立體顯示。顯然，過高的分屏數目會帶來清晰度降低的問題，特別是僅僅在高度或寬度一個方向上實現的多分屏將導致清晰度嚴重下降，因而沒有實用價值。
在立體顯示中，當一幅視差圖像至少在一個短的期間內以視覺所要求的足夠的分辨率顯示時，可以相當大的降低另一幅視差圖像的分辨率，直到一半，而不會引起清晰度主觀印象的下降，以及深度感覺能力的下降。利用這一非對稱空間分辨率要求的特性，在設備清晰度、圖像信號傳輸帶寬不變的情況下，可以采用非對稱性分屏方式來提高立體圖像的清晰度。非對稱性分屏的原則視差序列圖像塊的大小不同，小圖像塊的解析度不低于大圖像塊的一半。典型的分屏方式有二分屏、三分屏，依然是1024×768的設備清晰度，可以實現(682×768+342×768)、(1024×512+1024×256)、(682×768+342×384×2)、(1024×512+512×256×2)四種分屏方式，清晰度以大塊圖像為準。在非對稱性分屏適配器的部分光路通道中需要加入透鏡(或柱鏡)及反射鏡來增加圖像放大率并補償光程，使小圖像放大后與大圖像立體匹配，并清晰地成像在屏幕(4)上。
立體節目片源一直是立體顯示市場推廣的難點，除了采用立體拍攝與三維設計外，有兩種技術可以增加立體節目的來源。其一是2D/3D變換技術，人不但能從兩眼視差和輻輳獲得縱深信息，也能用一只眼睛根據運動、陰影、對比度、眼球調節功能、圖像散焦、大小、重疊等情形獲得縱深信息，我們對普通2D輸入圖像的運動量、對比度、鮮銳度等各參量的縱深信息進行估值處理，然后根據所得到的縱深信息計算圖像各部分的遠近關系，并按照其縱深信息制作成具有視差的立體圖像；其二是利用圖像內插處理技術，根據左右眼視差圖像生成它的中間圖像，形成多分屏立體圖像。
下面結合圖示說明分屏式立體投影、攝影儀的結構和組成方法。
圖1是對稱性分屏格式圖像的示意圖，包括二分屏、四分屏、六分屏。圖1a為上下二分屏格式，適合偏振式寬屏幕顯示或記錄；圖1b為左右二分屏格式，可以用柱面鏡在投影時橫向展開成寬屏幕，也可用90°偏置鏡直接形成寬屏顯示或記錄；圖1c為四分屏格式，適合四鏡頭立體圖像的顯示或記錄；圖1d為六分屏格式，適合六鏡頭立體圖像的顯示或記錄。A、B、C、D、E、F為視差圖像的序號。
圖2是非對稱性分屏格式圖像的示意圖，包括二分屏、三分屏。圖2a為左右二分屏，適合偏振式立體顯示，需用光學元件將B圖在寬度方向上展開；圖2b為左右三分屏，適合光柵屏立體顯示，需用光學元件將A圖和C圖放大；圖2c為上下二分屏，適合偏振式寬屏幕立體顯示，需用光學元件將B圖在高度方向上展開；圖2d為上下三分屏，適合光柵屏立體顯示，需用光學元件將A圖和C圖放大。
圖3是分屏適配器(3)的結構示意圖，分屏適配器主要由分光反射鏡(5)和位差反射鏡(6)構成。下面以投影過程來說明適配器的結構和作用。
分光反射鏡(5)由多塊反射角度有一定差異的方形反射鏡拼接而成，一組等間距的位差反射鏡(6)在水平方向排列，反射角與分光反射鏡(5)的各反射塊一一對應。分屏格式圖像經過投影鏡頭成像，在像方空間被分光反射鏡(5)攔截，分光反射鏡(5)的每個反射塊將分屏格式圖像中相應圖像塊的主要頻譜能量反射到對應的位差反射鏡(6)，然后投射到屏幕(4)上，各圖像塊之間具有視差關系，疊合在屏幕(4)上能形成立體圖像。顯然，位差反射鏡(6)除反射對應的圖像塊之外，還含有其它圖像塊的頻譜分量，可在適當的位置用遮光罩濾除。不同的分屏格式圖像需要不同類型的分屏適配器(3)，并且能完成這種分屏功能的適配器還可以采用其它類型的設計方式。攝影儀(1)的分屏適配器(3)與投影儀(2)相同，成像過程是投影的逆過程。
圖4是偏振分屏適配器(3)的結構示意圖。偏振式二分屏適配器可以采用更簡單的結構，圖4a所示的反射式適配器是用分光反射鏡(5)直接將投影光束反射到屏幕(4)上，在反射鏡后方放置兩塊相互正交的偏振片(8)。圖4b所示透射式適配器的一束光線通過偏振片(8)后直接投射到屏幕(4)，另一束光線通過一塊偏轉棱鏡(9)，再經一偏振片(8)，然后到達屏幕(4)。
圖5是分屏式立體攝影儀的結構示意圖，由攝影儀(1)和分屏適配器(3)組成。通過分屏適配器(3)，普通攝影儀(1)可以記錄分屏格式的立體圖像。
圖6是分屏式立體投影儀的結構示意圖，由投影儀(2)、分屏適配器(3)和屏幕(4)組成。通過分屏適配器(3)，普通投影儀(2)可以將分屏格式圖像以相當于多鏡頭的方式投射到屏幕(4)上，形成立體圖像。立體投影儀主要有兩種組合方式其一，投影儀將二分屏格式圖像通過偏振式分屏適配器投射到金屬屏幕上，觀眾佩戴偏振眼鏡觀看立體圖像；其二，投影儀將多分屏格式圖像通過多分屏適配器投射到光柵屏幕上，觀眾可以自由觀看立體圖像。
圖7是單光柵正投屏的水平剖面示意圖，由柱鏡光柵板(7)和一漫射面(10)組成，漫射面(10)位于光柵板(7)的聚焦面上。光柵板(7)在水平方向上具有自準直特性，在垂直方向上具有漫射特性，當一組圖像從不同的水平視差點投射到光柵屏幕(4)時，雙眼因為自準直特性可以在一定區域內看到立體圖像。由于以下三個因素的共同作用，雙眼可以看到立體圖像的有效區域實際上是非常大的，其一，視差圖像數量較多時；其二，垂直方向上具有漫射特性；其三，漫射面(10)在水平方向的漫射作用使鄰近的柱面鏡產生“邊瓣”效應。如果視差圖像的投射點間距過大，人眼將無法在單光柵屏幕(4)上看到完整的立體圖像，這時需要用到雙光柵背投屏。
圖8是雙光柵背投屏的水平剖面示意圖，由兩塊柵距相同、厚度不同的柱鏡光柵板(7)及中間的透射性散射面(11)組成。兩塊光柵板(7)具有不同的設計焦距，使散射面(11)處于雙方共同的聚焦面上，薄光柵板(7)處于投影儀(2)一方，厚光柵板(7)處于觀看者一方，這樣的布置能夠將以大視差角投射到屏幕(4)上的立體圖像以較小的視差角在觀察方再現出來，適合人眼觀看。
利用分屏適配器將平面投影設備變成高清晰、大幅面的立體投影儀，可以不佩戴眼鏡觀看，信號帶寬低、無閃爍，具有極高的臨場感，利用分屏技術實現的背投式立體電視，適合家庭觀賞及廣告展示。利用分屏適配器還可以將數碼相機、攝像機變成多鏡頭立體相機、立體攝像機，有力地推動了立體攝影的發展和普及。
下面結合圖示給出三個實施例。
實施案例一如圖5所示，一臺數碼相機(1)與一個四分屏適配器(3)組成四鏡頭立體相機。首先用分屏式立體相機拍攝標準圖像，根據標準圖像與拍攝的分屏格式圖像建立校正映射關系，用來修正該相機拍攝分屏格式圖像時產生的誤差，并從分屏格式圖像中分離出視差序列圖像。要求數碼相機(1)具有400萬像素以上的解析度，設相機清晰度為2560×2048，記錄的整幅分屏格式圖像，相當于四幅1280×1024大小的視差圖像，如果采用40線/英寸的立體光柵將視差圖像制作成立體照片，最大幅面可達32×24英寸。
如果要獲得幅面更大、更清晰的立體照片，可以采用千萬像素級別的數碼相機或120膠片相機，而要拍攝到高清晰的視頻圖像，還需用到電影攝影機。
實施案例二如圖6所示，一臺多媒體投影儀(2)、四分屏適配器(3)及一個光柵屏幕(4)，可組成一臺多媒體光柵立體投影儀。本例中采用清晰度為1024×768的LCD投影儀(2)及雙光柵屏幕(4)，校正后的四幅視差序列圖像按對稱方式排列成四分屏格式圖像，單幅視差圖像的清晰度為512×384。經過分屏適配器(3)，視差圖像從對應的位差反射鏡投射到光柵屏幕(4)的背面，觀眾在光柵屏(4)的前方不戴立體眼鏡即可看到立體影像。
要實現高清晰度的立體顯示，需要用到膠片放影機。分屏圖像可以采用正負膠片輸出儀記錄到35mm或70mm的電影膠片上，解析度高達8192×5462，單幅視差圖像的解析度達到4096×2731。兩臺四分屏立體投影儀可以組成八鏡頭立體投影儀，提供大視角、高清晰度、觀看自由度高的立體影像。
實施案例三如圖6所示，一臺多媒體投影儀(2)、偏振分屏適配器(3)、金屬投影屏(4)及偏振眼鏡可組成多媒體偏振立體投影儀。本例中采用清晰度為1024×768的LCD投影儀，將校正過的視差圖像先順時針偏轉90°，然后按對稱方式排列成左右分屏圖像，投射光束經過偏振分屏適配器(3)后，再用一塊面積較大的偏置反射鏡將圖像逆時針偏轉90°，投射到屏幕(4)上，立體圖像的清晰度可達768×512，觀眾佩戴偏振眼鏡即可看到立體圖像。
本發明的實質在于，通過分屏適配器，單臺攝影儀變成多臺設備，將從各個水平視差點記錄的立體圖像以分屏格式存儲，或者通過分屏適配器，單臺投影儀將分屏格式的立體圖像從各個水平視差點投射到屏幕上，形成立體圖像。本發明只選取了三個實施案例來參照說明，專業人士根據本說明書敘述的解決方案可以很容易寫出很多相關實施案例，例如，適配器還可以采用分振幅的分光方法，利用透射率不同的平面鏡來實現，方向性分光屏幕也可以采用完全不同的結構來實現，分屏格式圖像的圖像塊的排列順序可以有不同的組合等等。本發明的意旨將包括與所附權利要求符合的所有實施例。
權利要求
1.一種立體攝影或立體投影儀，其特征在于，1)，立體攝影儀由攝影儀(1)和分屏適配器(3)組成，通過分屏適配器(3)，平面攝影儀(1)可以記錄分屏格式的立體圖像，對于攝影過程中出現的圖像偏差用圖像校正單元來修正，或者2)，立體投影儀由投影儀(2)、分屏適配器(3)和投影屏幕(4)組成，通過分屏適配器(3)，平面投影儀(2)可以播放分屏格式的立體圖像，對于投影過程中出現的圖像偏差用圖像校正單元來修正。
2.如權利要求1所述的儀器，其特征還在于，平面攝影儀(1)是數碼相機或120膠片相機，與四分屏適配器(3)組成四鏡頭立體相機。
3.如權利要求1所述的儀器，其特征還在于，多媒體投影儀(2)、四分屏適配器(3)及光柵屏幕(4)組成多媒體光柵立體投影儀，播放四分屏格式圖像，觀眾不戴立體眼鏡即可看到立體影像。
4.如權利要求3所述的儀器，其特征還在于，立體屏幕(4)是采用兩塊柵距相同、厚度不同的柱鏡光柵板(7)及透射性散射面(11)構成的雙光柵屏幕，視差圖像從背面投射到屏幕(4)上，觀眾在屏幕(4)的前方觀看立體影像。
5.如權利要求1所述的儀器，其特征還在于，多媒體投影儀(2)、偏振分屏適配器(3)、金屬投影屏(4)及偏振眼鏡組成多媒體偏振立體投影儀，觀眾佩戴偏振眼鏡觀看立體圖像。
6.如權利要求5所述的儀器，其特征還在于，視差圖像先偏轉90°，然后按對稱方式排列成左右分屏圖像，投射光束經過偏振分屏適配器(3)后，再用一塊面積較大的偏置反射鏡將圖像反向偏轉90°，投射到屏幕(4)。7.如權利要求1所述的儀器，其特征還在于，分屏適配器(3)由分光反射鏡(5)和位差反射鏡(6)構成，分光反射鏡(5)由多塊反射角度有一定差異的方形反射鏡拼接而成，位差反射鏡(6)是一組等間距在水平方向排列，反射角與分光反射鏡(5)的各反射塊一一對應的反射鏡，能夠將分屏格式圖像的對應圖像塊反射到屏幕(4)上。
8.一種分屏格式圖像，用來記錄或顯示立體圖像，其特征在于，該分屏格式圖像是由兩幅視差圖或多幅視差序列圖以完整的圖像塊方式排列成的一幅平面圖像。
9.如權利要求8所述的圖像，其特征還在于，采用對稱性分屏原則，視差序列圖像塊的大小相同，均分圖像記錄或顯示介質。
10.如權利要求9所述的圖像，其特征還在于，采用左右二分屏格式，然后用90°偏置鏡偏轉成寬屏顯示立體圖像，或者采用四分屏格式，顯示或記錄立體圖像。
11.如權利要求8所述的圖像，其特征還在于，采用非對稱性分屏原則，視差序列圖像塊的大小不同，小圖像塊的解析度不低于大圖像塊的一半。
12.如權利要求11所述的圖像，其特征還在于，采用上下二分屏格式，用光學元件將小圖像塊在高度方向上展開，或者采用上下三分屏格式，用光學元件將兩個小圖像塊放大。
全文摘要
本發明提供了一種分屏式立體影像技術方案，利用分屏適配器(3)可以將平面攝影儀(1)和投影儀(2)，轉變成立體攝影儀和立體投影儀，用分屏格式圖像實現立體影像的記錄和顯示。分屏式立體投影儀能夠在立體屏幕(4)上播放高清晰、大幅面的立體影像，可以不佩戴眼鏡觀看，信號帶寬低、無閃爍，具有極高的臨場感，利用分屏技術實現的背投式立體電視，適合家庭觀賞及廣告展示；分屏式數碼立體相機、立體攝像機，具有高質量、成本低的優勢，有利于立體攝影的普及和發展。
文檔編號H04N13/00GK1598690SQ0315738
公開日2005年3月23日 申請日期2003年9月19日 優先權日2003年9月19日
發明者鄧興峰, 張正輝, 游建軍 申請人:鄧興峰, 張正輝, 游建軍