基于單反相機(jī)實(shí)現(xiàn)立體照相技術(shù)的研究

鄭 堯，賈正松

（四川信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院 四川 廣元 628017）

隨著光學(xué)、微電子學(xué)以及計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，“雙目視差立體成像原理”已廣泛應(yīng)用于三維立體成像與立體顯示技術(shù)中[1]。目前，利用該技術(shù)研制出了形式多樣的立體照相裝置，其中應(yīng)用較普遍的是雙鏡頭立體照相機(jī)，該裝置可一次同時(shí)拍攝兩張具有視差的立體圖像，所攝立體圖像具有場(chǎng)景真實(shí)，立體感強(qiáng)等特點(diǎn)。但由于兩鏡頭光路相對(duì)獨(dú)立，使得雙鏡立體照相機(jī)所攝立體圖像對(duì)合成后圖像出現(xiàn)重影，圖像無法直接裸眼觀看，且設(shè)備價(jià)格較貴，不利于立體照相技術(shù)的推廣。

針對(duì)雙鏡立體照相技術(shù)的不足，提出了一種用單反數(shù)碼相機(jī)實(shí)現(xiàn)的雙目視差立體照相技術(shù)，利用該技術(shù)可實(shí)現(xiàn)在一個(gè)平面上獲得清晰的無重影的多種立體圖像。

1 立體照相實(shí)現(xiàn)方案

圖1 立體照相實(shí)現(xiàn)原理框圖Fig.1 Stereo photographic principle diagram

1.1 立體照相實(shí)現(xiàn)原理

立體照相的實(shí)現(xiàn)原理如圖1所示，它主要由聚集物鏡、互補(bǔ)色光圈、數(shù)碼相機(jī)及控制電路構(gòu)成。其中，互補(bǔ)色光圈用來取代相機(jī)原鏡頭內(nèi)的光圈，照相機(jī)工作時(shí)利用相機(jī)連拍功能輸出的快門信號(hào)CP，經(jīng)控制電路變換后輸出互補(bǔ)色光圈所需控制信號(hào)，以控制互補(bǔ)色光圈工作于不同組合方式，得到相應(yīng)的立體圖像。

1.2 互補(bǔ)色光圈設(shè)計(jì)

互補(bǔ)色光圈結(jié)構(gòu)如圖2所示，它主要由左、右子光圈，紅、藍(lán)濾色片、旋轉(zhuǎn)電磁鐵及支架構(gòu)成[2]。其中，支架直徑應(yīng)大于或等于照相機(jī)聚焦物鏡的直徑。當(dāng)左、右子光圈直徑d與物鏡直徑D的關(guān)系滿足d=D/3時(shí)，可得到主景深上無重影的立體圖像[3]。

互補(bǔ)色光圈工作時(shí)，旋轉(zhuǎn)電磁鐵在控制信號(hào)的驅(qū)動(dòng)下，可帶動(dòng)與之相連接的紅、藍(lán)濾色片轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)兩濾色片分別覆蓋兩個(gè)子光圈時(shí)，可攝取紅、藍(lán)互補(bǔ)色立體圖像，用紅藍(lán)互補(bǔ)色眼鏡觀看形成立體視覺；當(dāng)兩濾色片同時(shí)覆蓋左或右子光圈時(shí)，可攝取右、左立體視差圖像對(duì)，將立體圖像對(duì)通過計(jì)算機(jī)軟件合成后可得到無重影立體圖像。

圖2 互補(bǔ)色光圈結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Complementary color aperture structure diagram

2 控制電路設(shè)計(jì)

2.1 硬件電路設(shè)計(jì)

互補(bǔ)色光圈的控制電路如圖3所示，電路主要由微處器ATtiny13A和驅(qū)動(dòng)器L293DD組成 。圖3中VCC取至數(shù)碼相機(jī)內(nèi)的5 V電壓，輸入脈沖CP來自相機(jī)工作時(shí)輸出的快門信號(hào)，L3、L4是與紅、藍(lán)濾色片相連接的兩個(gè)旋轉(zhuǎn)電磁鐵。

電路工作時(shí)，快門信號(hào)CP送入單片機(jī)U1的3腳，在單片機(jī)驅(qū)動(dòng)程序的控制下從U1的5、6、7、2腳分別輸出時(shí)序脈沖PB0、PB1、PB2、PB3，其波形如圖4所示。PB0、PB1經(jīng)U2緩沖后從3、8腳輸出加到旋轉(zhuǎn)電磁鐵L3，PB2、PB3經(jīng)U2緩沖后從13、18腳輸出加到旋轉(zhuǎn)電磁鐵L4。

當(dāng)照相機(jī)工作于連拍方式時(shí)，在CP脈沖的作用下，PB3、PB2、PB1、PB0串行輸出 0010、1000、0101、1010 4種狀態(tài)，以后每4個(gè)CP重復(fù)這4種狀態(tài)。該4種狀態(tài)經(jīng)U2緩沖后，從U2的3、8腳輸出如圖4中L3的脈沖，該脈沖驅(qū)動(dòng)電磁鐵L3旋轉(zhuǎn)以帶動(dòng)紅濾色片左、右擺動(dòng)。從U2的13、18腳輸出如圖4中L4的脈沖，該脈沖驅(qū)動(dòng)電磁鐵L4旋轉(zhuǎn)以帶動(dòng)藍(lán)濾色片左、右擺動(dòng)。通過紅、藍(lán)濾色片的擺動(dòng)，可攝取左紅右藍(lán)、左藍(lán)右紅互補(bǔ)色立體圖像及左眼、右眼立體圖像對(duì)。

圖4 單片機(jī)端口波形圖Fig.4 A port of a single chip waveform

2.2 軟件設(shè)計(jì)

控制電路的單片機(jī)程序采用C語言和匯編語言混合編寫。其主要程序模塊包括初始化程序、按鍵掃描程序和中斷服務(wù)程序。單片機(jī)主程序流程圖如圖5所示。單片機(jī)系統(tǒng)上電后首先進(jìn)行初始化，然后進(jìn)入等待狀態(tài)。當(dāng)按下照相機(jī)快門鍵時(shí)，程序調(diào)用按鍵掃描程序和中斷服務(wù)程序，從單片機(jī)對(duì)應(yīng)的端口輸出控制信號(hào)。

3 立體圖像的攝取與效果分析

3.1 立體圖像的攝取

利用上述方案，將互補(bǔ)色光圈與控制電路集裝于單反相機(jī)的鏡頭內(nèi)，構(gòu)成一體化的立體圖像攝取鏡頭。將此鏡頭與數(shù)碼相機(jī)機(jī)身相連，利用相機(jī)的連拍功能（如連拍4張），此時(shí)照相機(jī)在CCD上連續(xù)存放左紅右藍(lán)、左藍(lán)右紅、左眼、右眼4種圖像，其效果如圖6所示。

3.2 立體圖像的效果分析

圖6（a）和（b）所示的左紅右藍(lán)與左藍(lán)右紅的圖像，可以直接用紅藍(lán)互補(bǔ)色眼鏡觀看到立體效果；圖6（c）和（d）所示的左、右眼視差圖像可以通過立體合成軟件將左、右視差圖像縱向分解成若干條狀圖像，再將每條圖像的寬度壓縮為原來的1/2，通過合成技術(shù)將各條狀圖像交叉間置重構(gòu)一張立體圖像，將重構(gòu)的立體沖印成照片，并在照片前放置相應(yīng)的柱狀光柵進(jìn)行視差分離[5]，則裸眼觀看就能觀看到質(zhì)量高、無重影的立體圖像。用該技術(shù)方案所攝立體圖像具有以下特點(diǎn)[6]。

圖6 立體圖像效果圖Fig.6 Stereo image renderings

1）所攝雙目立體圖像對(duì)在現(xiàn)有立體顯示器上顯示時(shí)，用立體開關(guān)眼鏡可觀看到立體效果，而裸眼觀看時(shí)圖像畫面無重影。

2）所攝紅、藍(lán)互補(bǔ)色立體圖像用紅、藍(lán)立體眼鏡可觀看立體圖像，而裸眼觀看時(shí)圖像仍為平面圖像，圖像主景深畫面無重影，無彩色奇變。

3）所攝立體圖像信號(hào)源可與立體顯示設(shè)備及平面顯示設(shè)備兼容[7]。利用本方案實(shí)現(xiàn)的立體照相技術(shù)可直接使用到現(xiàn)有的立體電視領(lǐng)域，可設(shè)計(jì)出與現(xiàn)有平面電視完全兼容的立體電視系統(tǒng)，具有一定的研究和實(shí)用價(jià)值。

4 結(jié)束語

綜上所述，本方案實(shí)現(xiàn)的立體照相技術(shù)，既能保證單反相機(jī)原有的功能，又能工作于立體照相模式，攝取所需的立體圖像。它不僅結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便，而且所攝立體圖像無重影，具有很好的民用和商用前景，有利于立體照相技術(shù)的推廣。

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