专利名称：双屏影像立体视觉方法及其装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种立体视觉方法及其装置，尤其是一种用眼睛直接观看或通过几何光学系统观看有视差的双屏影像的方法及其装置。
目前的立体视片方法主要有偏振光法，如1992年出版的《影片与放影设备》(书号ISBN7-106-00545-2/TB·0065中第24页和第354页)中所述，它是利用起偏装置产生两幅相互垂直偏振光的影像，再通过偏振镜片，使人的两眼观看到各自不同的有视差的影像，从而在视觉上产生立体效果。这种方法需要较复杂的起偏设备和检偏装置，同时要配备高亮度的放影器材。1997年1月8日公告的95221415.6的中国实用新型专利说明书又公开了一种用透镜组观看双幅有视差照片的装置，该装置是两眼各自通过透镜组观看不同的照片，通过调整目镜焦距达到观看立体效果的目的。这种装置没有说明产生立体效果的必要技术特征，在实际操作中往往看不到立体效果。另外还有光栅法和遮光法等各种方法，都因技术上的复杂性和操作上过于繁琐而未能推广。上述方法都须采用特殊的放影设备或复杂的视片装置，而且在观看电影、电视和图片时的方法不能互相通用。
本发明的目的在于通过本方法可以提供多种简单的，操作方便的，适用范围广的立体视觉装置，每种装置都可以在电影、电视、照片和图片上观看到立体影像的目的。
为了实现上述目的，本发明使用了两幅有视差的影像和几何光学系统，两幅影像的幅面可以同时为平面或曲面，可以是正影像(在本发明中如果没有特别说明都为正影像)或负影像，可以是大小相同或不同、在空间上是相互分立的，而且两幅影像的位置不能完全遮挡两眼观看各自影像的视线；根据两幅影像在空间上的位置关系，将人的两只眼睛各自直接的或通过几何光学系统观看两幅影像中的一幅影像，使两幅影像各自能够成像在人的两眼中(影像与眼睛距离应大于明视距离)，并通过调整两幅影像的位置关系和几何光学系统，使各自成像在两眼中影像的视像区域范围相互重合。当两眼的视像区域范围固定不变时(两眼视轴不变)，各自成像在两眼中的影像，可以在各自的视像区域范围内按相似比例变化。
本发明由于用眼睛直接观看，或通过几何光学系统观看影像，不需要对被视影像进行特殊处理，能适用于电影、电视和图片等各种影像的观看，操作简单，经济实用。
下面结合附图和具体实施方式
对本发明作进一步的详细说明。
图1为两幅有视差的影像在视像坐标系中的位置关系。
图2为一只眼睛观看一幅影像(或几何光学系统成像)时的视像区域范围示意图。
图3为两眼直接观看两幅有视差影像的俯视图。
图4为图3的侧视图。
图5为用一个三棱镜观看两幅有视差影像的俯视图。
图6为用一个三棱镜将影像在Y轴方向移动的侧示图。
图7为用两个三棱镜组观看两幅有视差影像的俯视图。
图8为在一只眼睛前面加入两个平面镜观看两个有视差影像的俯视图。
图9为一只眼睛通过两个平面镜将影像在Y轴方向移动的侧示图。
图10为用两个平面镜系统观看两幅有视差影像的俯视图。
图11为用一个平面镜观看一个正影像和一个负影像的俯视图。
图12为用两个平面镜观看两幅有视差的负影像的俯视图。
图13为用透镜系统观看两幅有视差影像的俯视图。
图14为图13的侧视图。
图15为用几何光学系统将两眼视像区域范围重合的俯视图。
图16为角度θ可调的三棱镜。
为了叙述方便本发明对下列术语进行说明影像坐标以影像中心为原点o，以在拍摄两幅有视差的影像时，两组镜头的中心连线为水平线；反映在制作出的影像画幅中并穿过画幅中心点的连线(从左到右)为x轴；以在影像画幅中与影像X轴线垂直并穿过影像画幅中心点的连线(从下到上)为y轴；以穿过影像画幅中心并与像面垂直的线(从像面向里)为z轴。见图1中的两幅影像。
视像坐标系参照图1，以人的两眼连线的中心为原点O，两眼连线的延长线(从左向右)为X轴方向，以两眼的直视方向为Z轴方向，以XOZ平面垂直向上为Y轴方向。
视像区域范围一只眼睛观看一幅完整影像的视线范围及其穿过影像的延长线所包围的区域范围；或影像通过几何光学系统成像，其成像位置与一只眼睛的视线范围及其穿过该影像的延长线所包围的区域范围。见图2。
图1表示影像坐标在视像坐标系中的位置关系，其中X轴上的E1、E2点表示人的两只眼睛，两幅影像的影像坐标原点分别用o1、o2表示，它们在视像坐标系中的位置分别为点o1(X1、Y1、Z1)和点o2(X2、Y2、Z2)；两幅影像的坐标轴分别用x1轴、y1轴、z1轴和x2轴、y2轴、z2轴表示。
图2为一只眼睛观看影像时的视像区域范围示意图。图中ABCD为一幅影像(或几何光学系统形成的影像)，E为人的一只眼睛，眼睛E到影像周边的视线(即EA、EB、EC、ED)及其延长线形成的范围为视像区域范围，在这个范围内为视像区域。
实施例一，图3为两眼直接观看两幅有视差影像的俯视图。两幅影像中心在视像坐标系中的位置分别可调整为o1(X1，0，Z1)和o2(X2，0，Y2)，并使两幅影像的影像坐标轴与视像坐标轴之间相对应的坐标轴相互平行，即X轴//x1轴//x2轴，Y轴//y1轴//y2轴，Z轴//z1轴//z2轴，E1、E2为人的两只眼睛，E1观看影像1，E2观看影像2，调整两幅影像的中心o1、o2在视像坐标系中的XOZ平面上的位置关系，两幅影像间的位置不能遮挡每一只眼睛观看各自影像的视线。当两幅影像的位置关系使两眼的视像区域范围在X轴方向上相互重合时，其在Y轴方向上也是重合的(见图4)，此时两只眼睛E1、E2的视像区域范围完全重合，在视觉上可产生立体视觉效果。在图3中Q为影像2遮挡眼睛E1视线的交汇处，PQR为平行于视像坐标系的XOY面的平面；可以看出当两只眼睛E1和E2相互重合的视像区域范围固定不变时，影像1和影像2的位置和大小可在各自固定的视像区域范围内按相似比例变化。当两幅影像的影像坐标轴与视像坐标轴不能相互平行时(以眼睛能够看到影像为准)，只要两幅影像在视像坐标系中的X轴和Y轴上的投影按相同的比例变化(即在XOY平面上的投影相似)，并使两个影像的x1轴、x2轴和y1轴、y2轴在视像坐标系中XOY平面上的投影相互平行，同样可以按照图3和图4的方式使两眼的视像区域范围相互重合。
实施例二，当两幅有视差的影像不能满足图3的位置关系时，可以通过增加三棱镜组改变影像的位置关系，达到两眼的视像区域相重合的目的。图5为使用一个三棱镜3将影像位置改变的示意图，在图3中将两幅有视差的影像1、2的影像坐标原点在视像坐标系中的位置分别调整为o1(X1，0，Z1)和o2(X2，0，Z2)，并使两幅影像1、2间的位置不能遮挡眼睛E1观看影像1和眼睛E2观看影像2的视线；两幅影像1、2的影像坐标轴与视像坐标轴的对应坐标轴相互平行，X轴//x1轴//x2轴，Y轴//y1轴//y2轴，Z轴//z1轴//z2轴，把三棱镜3按图中所示置于眼睛E2的前面，调整三棱镜的夹角θ2，fg为影像2经过三棱镜3折射后在X轴方向的影像位置，在Y轴方向上的影像位置等效于图4，并将两眼的视像区域在X轴和Y轴的方向上重合。从图5中可以看出，当经过三棱镜3折射后形成的两眼相互重合的视像区域范围固定不变时，影像1和影像2在三棱镜中的成像可以在各自的全部视像区域范围内按相似比例变化。当两幅影像1、2的影像坐标轴不能与视像坐标轴相互平行时，其处理方式与实施例一相同。当两幅影像的影像坐标原点不能同时调整到视像坐标系中的XOZ面上时，即o1(X1，0，Z1)，o2(X2，Y2，Z2)，可以将三棱镜3沿XOY平面旋转一个角度，或在任一只眼睛前增加一个可将影像沿Y轴移动的三棱镜4(见图6)，将影像坐标原点o2成像在视像坐标系的XOZ面上，使两眼的视像区域在Y轴方向上相互重合。按照上述方式，如图7所示，在两只眼睛的前面各放置一个三棱镜组5、6(可将影像在视像坐标系的X轴和Y轴方向上移动)，调整棱镜组5、6中各三棱镜的角度θ，可使两只眼睛的视像区域范围相互重合。
实施例三，利用两个平面镜改变影像的位置关系。在图8中，两幅影像1、2的坐标原点在视像坐标系中分别可调整为o1(X1，0，Z1)和o2(X2，0，Z2)，两幅影像1、2间的位置不能遮挡眼睛E1观看影像1和眼睛E2观看影像2的视线，影像1、2的影像坐标轴与视坐标系中的对应轴线相互平行，两个平面镜7、8镜面相对并垂直于XOZ平面，其中平面镜7的镜面与眼睛E2相对，眼睛E2通过镜面7、8观看经过两次反射的影像2，调整两个平面镜7、8间的位置和角度可改变影像2的成像位置，fg为影像2经过平面7、8反射后的影像位置，并使两眼的视像区域范围相互重合，此时两眼在Y轴方向上的视像区域范围也相互重合(其重合方式等效于图4)。影像1和影像2的镜像在各自视像区域内的变化与实施例二相似。当两幅影像的影像坐标轴与视像坐标轴之间的对应轴线不能相互平行时，其处理方式与实施例一相同。当两幅影像的影像坐标原点不能同时调整在XOZ平面上时，可将平面镜组沿平行XOZ面的方向旋转一个角度，或增加一组可将影像沿Y轴方向移动的平面镜组(如图9所示)，调整平面镜9、10间的位置和角度，gn为影像2经过平面镜9、10反射后的影像位置，将影像坐标的原点成像在视觉像坐标系的XOZ平面上，可将两只眼睛E1和E2在Y轴方向上的视像区域范围相互重合。按照同样方式，在两只眼睛的前面各加上一个平面镜系统11、12(可将影像在视像坐标系的X轴和Y轴方向上移动)，如图10所示，调整平面镜系统11、12可使两眼的视像区域相互重合。
实施例四，利用一个平面镜改变一个负影像的位置关系，并将其影像翻转为正影。在图11中，影像1为正影像、影像2为负影像，将两幅影像的影像坐标原点在视像坐标系中调整为o1(X1，Y1，Z1)和o2(X2，Y2，Z2)，其中Y1＝Y2，影像坐标的坐标轴与视像坐标系的对应轴线相互平行，即X轴//x1轴//x2轴，Y轴//y1轴//y2轴，Z轴//z1轴//z2轴，平面镜13置于眼睛E2前并与XOZ面垂直，眼睛E1直接观看影像1，眼睛E2通过平面镜13观看经过一次反射的影像2，调整平面镜13(将平面镜沿XOY方向转动)，fg为影像2经过平面镜13反射后的影像位置，并将两眼的视像区域范围在X轴方向上相互重合，此时其在Y轴上的视像区域也是相互重合的(见图4)。影像1和影像2的镜像可在各自的视像区域范围内的变化与实施例二相同。当影像1、2的影像坐标的各轴与视像坐标系之间的对应轴线不能相互平行时，只要两幅影像在X轴和Y轴方向上的投影按相同比例变化，并在XOY平面上的投影以某一平行于Y轴的直线镜像对称相似，就可以按照上述方式将两眼的视像区域范围相互重合。按照同样的方法，在两只眼睛前面各加入一个平面镜14和15，参照图12，其中影像1和影像2都为反影像，用眼睛E1通过平面镜15观看影像1，用眼睛E2通过平面镜14观看影像2，按上述方式调整两个平面镜，可将两眼的视像区域范围相互重合。在实施例一至四中，当两幅影像1、2大小相等，且眼睛与被视影像间的距离相等时，在视像范围重合处，两幅影像的位置是重合在一起的。
实施例五，利用透镜系统改变影像的大小。在图13、14中，将两幅影像1、2的影像原点坐标在视像坐标系中调整为o1(X1，0，Z1)和o2(X2，0，Z2)，两幅影像1、2间的位置不能遮挡眼睛E1观看影像1和眼睛E2观看影像2，影像1、2各轴与视像坐标系的对应轴相互平行；眼睛E1通过透镜系统16观看影像1，眼睛E2直接观看影像2，调整透镜系统16的放大率和影像间的位置关系，ab、bc为经过透镜系统成像的影像位置，并使两眼的视像区域范围相互重合。可以看出，当两眼的视像区域固定不变时，影像1经过透镜系统的成像和影像2都可在各自的视像区域范围内按相似比例变化。当两幅影像1、2的影像坐标轴与视像坐标系的对应不能相互平行时，可按照实施例一的方式处理。按照同样方式，在眼睛E1、E2前各放置一个透镜系统，调整各透镜系统的放大率，可使两眼的视像区域范围相互重合。
实施例六，利用平行平面玻璃将影像平移。在一只或两只眼睛前面各加入一个平行平面玻璃，调整玻璃与眼睛间的角度和两幅影像间的位置关系，可将两眼的视像区域范围相互重合。
实施例七，根据影像的位置关系和实际需要，可将上述六个实施例的不同方式相互组合使用，见图15，在每一只眼睛前面使用三棱镜、平面镜、透镜系统和平行平面玻璃组合的光学系统17、18，每个系统可以是实施例一至六中的任何一种或几种的组合(其中一个系统可以没有任何光学元件)，并按照实施例一至五的方法调整系统中的光学元件，这样可随意改变两眼观看影像的视像区域范围的大小和方向，使两眼的视像区域范围更方便相互重合。当两眼的视像区域范围固定不变时，两幅影像1、2各自经过光学系统的成像，都可在各自的视像区域范围内按相似比例变化。在实施例一至七中，当两幅影像1、2为相似曲面时同样可按上述方式使两眼的视像区域范围相互重合。在实施例一至七中，在每一只眼睛前面或几何光学系统中加入视场光栏，使人的每一只眼睛只能看到需要观看的影像，而不被其它影像干扰。
为了方便调整三棱镜的夹角θ，参见图16，本发明设计了一种夹角θ可调的三棱镜。即三棱镜的两个视面HIJK和STUV用平板硬质光滑透明材料制成，其余各面使用可伸缩密封材料，内部充满透明液体，操作时只要改变HS、IT、JU和KV任何一边或几个边的长短，都可改变两个视面的夹角θ。
权利要求
1.本发明涉及一种观看立体影像的方法和装置，尤其是一种观看两幅有视差影像的装置，它包括几何光学系统和两幅有视差的影像，其特征是将人的两只眼睛各自直接的或通过几何光学系统观看两幅影像中的一幅影像，通过调整两幅影像的位置关系和几何光学系统，使两眼的视像区域范围相互重合；同时当两只眼睛相互重合的视像区域范围固定不变时，各自成像在两眼中的影像的位置和大小可以在各自的视像区域范围内按相似比例变化。
2.根据权利要求1所述的观看立体影像的方法和装置，其特征是所述的几何光学系统是由三棱镜、平面镜、透镜系统和平行平面玻璃等光学元件组，或是由其中的一个光学元件或几个光学元件组成；所述的两幅有视差的影像可以同时为平面或曲面，可以是正影像或负影像，可以是大小相同或不同，在空间上两幅影像是相互分立的，而且两幅影像的位置关系不能完全遮挡每一只眼睛观看各自影像的视线；在一只眼睛前面或同时在两只眼睛前面各加入一个几何光学系统，使眼睛E1能够看到影像(1)，眼睛E2能够看到影像(2)，调整光学系统和两幅影像(1、2)间的位置关系，使两眼的视像区域范围相互重合。
3.根据权利要求1所述的观看立体影像的方法和装置，其特征是用两眼直接观看两幅有视差的影像，每一只眼睛观看一幅影像，眼睛E1观看影像(1)，眼睛E2观看影像(2)，调整两幅影像(1、2)的位置关系，使两眼E1、E2的视像区域范围相互重合。
4.根据权利要求2所述的观看立体影像的方法和装置，其特征是在一只眼睛前面或同时在两只眼睛前面各自加入一个三棱镜组，每个三棱镜组可由一个或多个三棱镜组成，将两只眼睛各自直接的或通过三棱镜组观看一幅影像，眼睛E1观看影像(1)，眼睛E2观看影像(2)，调整三棱镜组中每个三棱镜的夹角和两幅影像的位置关系，使两眼的视像区域范围相互重合。
5.根据权利要求2所述的观看立体影像的方法和装置，其特征是在一只眼睛前面或同时在两只眼睛前面各加上两个平面镜，两个平面镜的镜面相对，其中一个镜面与眼睛相对，眼睛通过两个平面镜观看经过两次反射的影像，调整平面镜间的位置和角度以及两幅影像的位置关系，使眼睛E1能够看到影像1，眼睛2能够看到影像2，并使两眼的视像区域范围相互重合。
6.根据权利要求2所述的观看立体影像的方法和装置，其特征是所使用的两幅影像中，其中一幅或两幅同时为负影像；在一只眼睛前面或同时在两只眼睛前面各加入一个平面镜，眼睛通过平面镜观看负影像，调整平面镜与眼睛间的位置和角度，以及两幅影像的位置，使眼睛E1能够看到影像(1)，眼睛E2能够看到影像(2)，并使两眼的视像区域范围相互重合。
7.根据权利要求2所述的观看立体影像的方法和装置，其特征是在一只眼睛前面或同时在两只眼睛前面各加入一个透镜系统，每个透镜系统都是由一个或多个透镜组成，使眼睛E1能够看到影像1，眼睛E2能够看到影像2，调整透镜系统的放大率和两幅影像的位置，使两眼的视像区域范围相互重合。
8.根据权利要求2所述的观看立体影像的方法和装置，其特征是在一只眼睛前面或同时在两只眼睛前面各加入一个平行平面玻璃，将眼睛E1观看影像(1)，眼睛E2观看影像(2)，调整平行平面玻璃与眼睛的角度，使两眼的视像区域范围相互重合。
9.根据权利要求1、2、3、4、5、6、7或8所述的观看立体影像的方法和装置，其特征是在每只眼睛前面或每一个光学系统上加上一个视场光栏，使每只眼睛只能看到需要观看的一幅影像。
10.一种可调的三棱镜，它包括平板硬质光滑透明材料，透明液体和可伸缩密封材料，其特征是两个视面由平板硬质光滑透明材料组成，其余各面由可伸缩密封材料相互连接，内部充满透明液体，HS、IT、JU和KV各边的长短可随意调整。
全文摘要
本发明公开了一种观看双屏影像的立体视觉方法和装置，它包括两幅有视差的影像和几何光学系统。两幅影像可以同时为平面或曲面，可以是正影像或负影像，可以是大小不同或相同；在空间上是相互分立的，而且两幅影像的位置不能完全遮挡每一只眼睛观看各自影像的视线；根据两幅影像在空间上的位置关系，将人的两只眼睛各自直接的或通过几何光学系统观看两幅影像中的一幅影像，通过调整两幅影像的位置关系和几何光学系统，使两眼的视像区域范围相互重合，产生立体视觉效果。采用这种方法和装置可以方便的观看具有立体视觉的电影、电视、照片和图片等影像。
文档编号G02B27/02GK1407367SQ01130830
公开日2003年4月2日 申请日期2001年8月27日 优先权日2001年8月27日
发明者席光, 林虹, 席崟 申请人:席光