专利名称：一种立体动画装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种能直接观看活动立体画面的装置，属于光学显示技术领域。
中国专利CN2054928U和CN2094781U公开了几种演示平面动态图象的装置，用来展示动态风景画面。这种画由画面和紧贴其后的动感展示灯箱组成，随着动感展示灯箱窗口莫尔条纹的移动，静止画面显示出较逼真的动态效果，这种装置适合一些简单的动态画演示。中国专利CN87106723提供了一种立体影象显示装置，该装置由多个离散的并可独立控制的光源，和一个或多个光调整元件以及控制电路按照固定的关系配置而成，可显示活动立体图象。这种装置实际上是一种立体显示器，复杂程度很高。
从相隔一段短距离的观察点摄取的一对体视图象，通过适当的安排，使每个图象只被观众的一只眼睛看到，则可产生具有深度感的立体幻觉。由柱镜光栅板、狭缝光栅板等分光元件和视差图象抽样图粘合构成的立体画片，可以用眼睛直接观看。这种视差抽样图的纵向象素的精细度只需是横向象素精细度的几分之一，图象输出设备和记录介质的纵向分辨力没有得到充分的利用，因此，将更多的帧动画图象依次抽样，纵向排列组成新的抽样图，再由横向光栅通过上下移动按顺序将图象检出，从而在立体画的基础上可以实现立体动画。
本实用新型将动态帧显示技术和立体显示技术结合起来，目的是提供一种容易制作，真实感强，且能直接观看立体动画的装置。
立体动画装置由分光元件(1)、抽样图(2)、帧图象检出光栅(3)、背射光源(4)和光栅旋转机构组成，在光源(4)的照射下，分光元件(1)和透射型抽样图(2)匹配成立体图象，经运动的帧图象检出光栅(3)作用，形成活动的立体图象。
分光元件(1)可以是柱镜光栅板、狭缝光栅板或梯形狭缝光栅等。设立体视差图象拍摄点的数目是N，如果分光元件(1)采用狭缝光栅板或梯形狭缝光栅，狭缝光栅的缝宽节距比为1∶N，其作用是将抽样图(2)中的视差图象分开，分别进入人的左右眼，形成立体图象，梯形狭缝光栅可以用来制作灯罩型立体画。
帧图象检出光栅(3)是可上下运动的水平狭缝光栅，M为活动图象的帧数，缝宽节距比为1∶M，帧图象检出光栅弯折成环状，在光栅旋转机构的作用下，水平线条缓慢上移或下移，运动的光栅将抽样图(2)中的动画帧序列图象依次检出。
背射光源(4)由日光灯管或其它光源构成，用来照亮立体动画。
光栅旋转机构的目的是驱动帧图象检出光栅(3)的栅线向上或向下连续移动，因此可以有多种结构。
抽样图(2)由从N个视差点拍摄的N×M幅大小相同的帧序列图象经抽样排列而成，其中完整地溶入了场景的立体信息和动画帧图象，抽样图(2)的制作是整个装置的技术关键和难点。首先，需要拍摄具有视差的帧序列图象，N个能同步拍摄的摄像机或具有同步联动快门、能连续拍摄的照相机按一定视差排列，对准一活动场景拍摄，每个像机拍摄M帧图象。用3D动画软件制作视差帧序列图象比实景拍摄要容易一些，在预先设计的3D动画场景中，按视差要求安排多路摄像机的位置，进行动画帧渲染，即可完成N×M幅帧序列图象的制作。其次，编制软件完成抽样图(2)的数码合成，设图象Tn，m是第n个摄像机拍摄的第m帧图象，帧图象大小为W象素×H象素，其中，n＝1，2，…，N，是摄像机的标号，m＝1，2，…，M，是图象帧序列号，Tn，m(i，j)是图象Tn，m第i行第j列的象素值，i＝1，2，…，W，j＝1，2，…，H，设抽样图(2)由W×H个象素块I(i，j)组成，I(i，j)由N×M幅图象对应象素值按下列方式排列而成
严格来说，柱镜光栅立体画抽样图的象素在水平方向的分布并不是均匀的，但象素均匀排列的数码合成方法完全能够满足立体画的制作要求。第三步，合成好的抽样图文件由三色激光写片机输出到背射光胶片上，或由其它高精度图象设备输出，制成透射型抽样图(2)。利用专业立体放大设备，再配备帧图象检出光栅(3)作掩模，可在暗房完成抽样图(2)的制作。具体操作步骤第一，将N×M幅帧序列图象底片分组，帧序列号相同的图象为同一立体组，T1，1、T2，1、T3，1、…、TN，1为第一组，…，T1，mT2，m、T3，m…、TN，m为第m组，…，T1，M、T2，M、T3，M、…、TN，M第M组；第二，将帧图象检出光栅(3)紧贴在放大相纸前作遮挡，按照立体放大程序进行第一组底片曝光，然后将帧图象检出光栅(3)沿垂直于光栅的方向移动一个缝宽的距离，进行第二组底片曝光，……，这一过程直至M组底片曝光完成为止；第三，相纸经显影、定影、水洗干燥处理后，得到抽样图(2)，制作抽样图(2)的相纸采用背射光胶片。N、M的值一般不超过20，运动感实际上是重复播放1～M帧图象产生的，第M帧到第1帧的画面切换不可有大的跳跃，因此在帧动画设计时，让M帧图象组成一个完整平滑的运动周期。普通立体画的抽样图相当于M＝1。
本装置克服了各种动态画面不具有立体感、立体画不具动态感的不足，提供的立体动画兼有立体图片和动态画真实生动的优点，再配以由扬声器发出的现场模拟声，可营造出虚拟现实环境。大幅面的立体动画挂在居室、宾馆或展厅内，既可模拟自然环境，又有增大空间的感觉，这对于改善现代家庭的居住环境有现实意义，此外，立体动画在室内广告上也有很好的应用前景。
在立体动画装置的具体结构中，分光元件(1)、抽样图(2)、帧图象检出光栅(3)均是面型构件，三者相互平行，分光元件(1)的光栅与帧图象检出光栅(3)具有正交的关系，抽样图(2)置于分光元件(1)之后，如果分光元件采用柱镜光栅板，则抽样图(2)应置于其焦平面上。帧图象检出光栅(3)可以置于抽样图(2)背后，置于分光元件(1)与抽样图(2)之间，或置于分光元件(1)之前的三个位置。分光元件(1)的光栅方向平行于抽样图(2)象素的纵向排列方向，光栅节距与抽样图(2)象素块I(i，j)的横向尺寸相同，帧图象检出光栅(3)的光栅方向平行于抽样图(2)象素的横向排列方向，光栅节距与抽样图(2)象素块I(i，j)的纵向尺寸相同。由柱镜光栅板(1)、帧图象检出光栅(3)、抽样图(2)和平面光源(4)按前后顺序构成的立体动画装置的画面亮度和清晰度较好，在这种结构中，柱镜光栅板的厚度小于一般柱镜光栅立体画的厚度，其后表面与柱镜的焦平面之间有一小间隙，帧图象检出光栅(3)在其中移动，抽样图(2)置于焦平面位置。
除前面所述平行光栅组成的立体动画装置之外，由梯形狭缝光栅分光元件(1)、梯形抽样图(2)、可旋转的螺旋线狭缝(3)弯折成灯罩形状，按内外关系嵌套成灯罩，与灯泡(4)一起构成装饰灯具。一简单机构驱动螺旋线罩旋转时，狭缝(3)开始上下移动，形成立体活动画面。有关灯罩型立体画的结构组成详见专利申请号98120603.4。
图1是立体动画装置的结构示意图，包括分光元件(1)、抽样图(2)、帧图象检出光栅(3)、平面光源(4)、发声单元(13)、箱体(14)，以及电机(15)、转轴(16)、支座(17)、齿轮(18)等构成的光栅旋转机构。
图2是立体动画装置的A-A断面图。
帧图象检出光栅(3)上移或下移的速度要求控制在每秒0.5毫米～30毫米，
图1、图2所示的光栅旋转机构直接带动光栅平面上下移动，需经多次减速才能达到这一速度。只要把由电机(15)、转轴(16)、支座(17)、齿轮(18)等构成的光栅旋转机构在箱体(14)内旋转90°安装，将帧图象检出光栅(3)沿栅线方向弯折成环带，其栅线在环带的接缝处有整数个节距的错位，形成螺旋线狭缝，光栅旋转机构带动螺旋线左右旋转，狭缝上移或下移，其速度可以大大降低。
图3a、3b、3c是立体动画装置主要构件的位置关系示意图，狭缝光栅型分光元件(1)、抽样图(2)若是软胶片制成的，需预先固定在一透明平板玻璃上以便安装，帧图象检出光栅(3)制作在透光性能良好的软胶片上，边沿刻有定位孔以保证旋转时光栅方向不变。
图4a、4b分别是柱镜光栅立体动画装置的横向剖面和纵向剖面示意图，分光元件(1)、抽样图(2)、帧图象检出光栅(3)和平面光源(4)均向纸平面内、外延伸，分光元件(1)是由多个平行柱面透镜排列成的柱镜光栅板，抽样图(2)处于由柱面透镜的焦点构成的平面上，抽样图(2)的一组纵向样条与一个柱面透镜相对应，同组样条的透射光经柱面透镜折射后方向不同，分别进入观察者左右眼(7a、7b)中，抽样图(2)的一组横向样条与帧图象检出光栅(3)的一个光栅条对应，当帧图象检出光栅(3)移动时，依次检出帧图象(5)。
图5是抽样示意图，由W×H个象素块I(i，j)(10)组成，可分为横向样条(8)和纵向样条(9)。
图6是立体动画帧序列图象的拍摄示意图，N个相机(11)的焦距相同，均具有连续拍摄的功能，由同步快门控制器(12)控制拍摄活动场景(6)。或由3D动画软件生成3D动画场景(6)由一组相机(11)同步渲染出动画帧图象。
为进一步陈述本文的内容，下面参考附图以实例方式进行叙述。
实施案例一首先选择拍摄对象，要求被拍摄主体的运动具有重复性，例如拍摄一个奔跑者(6)，采用10个同型号摄像机(11)按合适的视差位置排列开，给摄像机编上号码1～10，调整镜头焦距使之全部相同，由同步快门控制器(12)控制连续拍摄，拍摄实物对摄像器材要求高，如果采用3D动画软件生成3D动画场景，由一组相机(11)同步渲染出动画帧图象，实施起来就比较简单；其次，挑选动画帧，从1号摄像机拍摄的连续图象中挑选出10帧图象并编上号码1～10，这10帧图象按顺序能构成一个完整的运动周期，记录这10帧图象在原连续图象中的帧号，按记录的帧号从其余9组连续图象中挑选出90帧图象；第三，采用数码合成或暗房放大的方式制作抽样图(2)，敷贴在一硬基透明材料上，与分光元件(1)、帧图象检出光栅(3)和平面光源(4)一起，按图3所示的任一顺序组合；第四，将各部件按
图1、图2装配固定在箱体(14)上，帧图象检出光栅(3)闭合成环状，由转轴(16)张紧支承，转轴(16)由固定在箱体(14)上的支座(17)支承，转轴(16)设置有齿轮(18)，与固定在箱体(14)上的电机(15)的齿轮啮合，本例中，光源(4)选用日光灯，灯管数目视画面大小而定，发声单元(13)由语音芯片和扬声器组成；最后，电机(15)、光源(4)、扬声器(13)的电源由电源线插头接入照明电路，通电后能看到活动、有声的立体画面。
莫尔条纹的移动也能模拟一些简单的运动，如瀑布流水、波浪等，因此，对案例一所述装置的部件进行简化，可以提出又一个实施案例。
实施案例二首先，用立体相机拍摄一场景，如瀑布，曝光时间稍长，获得一组视差图片，合成一张普通的立体抽样图(2)，抽样图(2)中不含动画帧图象，没有横向样条(8)结构；其次，勾画出抽样图(2)中的活动区域，在活动区域贴上一片透射光栅，栅线方向大致水平；第三，帧图象检出光栅(3)平行靠近并覆盖抽样图(2)的的栅线区，帧图象检出光栅(3)的缝宽节距比可以大于1∶2，因此具有较高的亮度，帧图象检出光栅(3)沿竖直方向移动时，立体图片的活动区域由莫尔条纹产生动态效果，改变帧图象检出光栅(3)节距的大小或栅线的方向，可获得上行、下行、左行、右行、旋转、不规则运动等多种动态效果。除以上这些简化外，本实施例的其它结构和组成与案例一相同。
在立体动画结构中，光栅旋转机构并不是必须的，只要上下移动人的眼睛，或前后偏转立体动画装置，都能看到立体动画。本实用新型的宗旨在于，在立体画抽样图的纵向结构中，通过抽样溶入动画帧图象，再由光栅线分离出每帧图象，实现立体动画。本实用新型只选取了两个实施案例来参照说明，对此行熟悉的人根据本说明书叙述的解决方案可以很容易写出很多相关实施案例，仍不脱离本文的意旨，因此本实用新型的意旨将包括与所附权利要求符合的所有实施例。
权利要求1.一种立体动画装置，其特征在于，由分光元件(1)和透射型抽样图(2)匹配成立体图象，在光源(4)的照射下，经运动的帧图象检出光栅(3)作用，形成活动的立体图象。
2.如权利要求1所述的装置，其特征还在于，抽样图(2)由从N个视差点同步拍摄或渲染的N×M幅含有立体视差信息的动画帧图象经横向、纵向抽样排列组成，其中溶入了场景的立体动画信息。
3.如权利要求1所述的装置，其特征还在于，在抽样图(2)的画面活动区域含有水平栅线结构，与运动的帧图象检出光栅(3)一起形成运动的莫尔条纹。
4.如权利要求2或3所述的装置，其特征还在于，分光元件(1)是柱面透镜排列而成的柱镜光栅板。
5.如权利要求4所述的装置，其特征还在于，帧图象检出光栅(3)处于分光元件(1)和透射型抽样图(2)之间的位置。
6.如权利要求1所述的装置，其特征还在于，箱体(14)内装有发声单元(13)，发声单元(13)由扬声器和语音芯片或磁带机或其它声音载体组成。
7.如权利要求1所述的装置，其特征还在于，由梯形狭缝光栅分光元件(1)、梯形抽样图(2)、可旋转的螺旋线狭缝(3)弯折成灯罩形状，按从外到内的位置嵌套成灯罩，与灯泡(4)一起构成装饰灯具，一简单机构驱动螺旋线罩旋转时，罩上的狭缝(3)可以上下移动。
8.如权利要求2所述的装置，其特征还在于，帧图象检出光栅(3)弯折成环带，其栅线接缝处有整数个节距的错位，形成螺旋线狭缝，旋转机构带动螺旋线水平旋转，狭缝上移或下移。
9.一种立体画抽样图(2)，其特征在于，由从N个视差点同步拍摄或渲染的N×M幅含有立体视差信息的动画帧图象，经横向、纵向抽样后，重新排列组成抽样图(2)，其中溶入了场景的立体动画信息。
专利摘要本实用新型将动态帧显示技术和立体显示技术结合起来,对含有立体视差信息的动画帧图象组经抽样重新排列成抽样图(2),在光源(4)的照射下,抽样图(2)和分光元件(1)一起形成立体画面,由帧图象检出光栅(3)分离出帧动画,从而形成立体活动画面,配以由扬声器发出的现场模拟声,营造出虚拟现实环境。大幅面的立体动画挂在居室、宾馆或展厅内,既可模拟自然环境,又有增大空间的感觉,这对于改善现代家庭的居住环境有现实意义,此外,立体动画在室内广告上也有很好的应用前景。
文档编号G02B27/22GK2373867SQ99211778
公开日2000年4月12日 申请日期1999年5月21日 优先权日1999年5月21日
发明者邓兴峰, 李燕勇 申请人:邓兴峰, 李燕勇