單反相機立體攝取鏡頭的研制

賈正松，張德忠

(四川信息職業技術學院，四川 廣元 628017)

0 引言

目前，雙目體視的立體圖像獲取是由不同位置的2臺或者1臺相機經過移動或旋轉拍攝同一幅場景，獲取立體圖像對。它是直接模擬人類雙眼來記錄三維景物的一種方式，具有可靠簡便、場景真實、立體感強等特點，在許多領域均極具應用價值［1］。但由于鏡頭光路不對稱及兩視差圖像的攝取位置誤差，在重構立體圖像時如果視差分離不完全會產生較嚴重的重影，長時間觀看會出現視覺疲勞、頭暈等現象，不分離視差時圖像無法裸眼觀看，不利于立體照相技術的推廣。

針對上述立體照相技術的不足，筆者提出了一種用于單反數碼相機的立體鏡頭。在相機快門信號的控制下，對鏡頭光路對稱分割，利用鏡頭光瞳局部成像實現雙目視差立體圖像對的攝取［2］。

1 立體鏡頭的實現方案

立體鏡頭的實現方案如圖1所示，它主要由立體光圈、聚焦物鏡組件、控制電路三大部份構成。立體光圈的左、右子光圈將鏡頭光路對稱分割，鏡頭工作時，物鏡組件通過子光圈將場景聚焦成像于CCD上，利用單反相機連拍時輸出的快門信號，通過控制電路控制立體光圈工作于不同方式，分時復用相機攝取左、右眼視差圖像及紅青互補色立體圖像。

圖1 立體鏡頭實現方案圖

2 立體光圈設計

立體光圈結構如圖2所示，它主要由支架，左、右子光圈，紅、青濾色片及旋轉電磁鐵構成［3］。為確保左、右眼視差圖像景深一致，左、右子光圈應具有相同的直徑d。當左、右子光圈外側間距D確定時，左、右眼視差圖像的景深(即立體圖像景深)隨d/D的增大而減小，合成圖像的無重影景深隨d/D的增大而增大，當d=D/3時，可得到立體光圈工作時，旋轉電磁鐵在控制信號的驅動下，最大立體景深的無重影畫面［4］。

圖2 立體光圈結構示意圖

立體光圈工作時，旋轉電磁鐵在控制信號的驅動下，帶動與之相連接的紅、青濾色片轉動。由于紅、青濾色片具有完全互補的濾光特性，當兩濾色片分別覆蓋兩個子光圈可攝取紅青互補色立體圖像;當兩濾色片同時覆蓋左、右光圈，可獲得右、左立體視差圖像。

3 控制電路設計

3.1 主控制器

控制電路中的微處器采用ATtiny13A單片機，它是一款高性能、低功耗的8位AVR微處理器，片內有64 byte的SRAM，一個獨立的8位定時器/計數器及兩條PWM通道，獨立片內振蕩器的可編程看門狗定時器，具有低功耗空閑模式、噪聲抑制模式、省電模式和增強型上電復位功能。該單片機可滿足相機的節能要求。

3.2 硬件電路設計

立體光圈的控制電路如圖3所示，圖中電源電壓VCC取自數碼相機內5 V的VBAT電壓。當圖像攝取設備工作時輸出的快門信號，經電阻R1和R2分壓后送入單片機U1的3腳，在單片機內部程序的控制下從U1的5，6，7，2腳分別輸出如圖4所示的 PB0，PB1，PB2和PB3脈沖序列，這些脈沖序列經U2內部電路放大后分別從3，8，13，18腳輸出，驅動立體光圈中與左、右子光圈相連接的旋轉電磁鐵L3和L4轉動。

圖3 立體光圈驅動電路圖

圖4 單片機端口波形圖

當相機工作于連拍狀態時，為確保相機CCD正確記錄視差圖像，要求濾色片在快門信號到來前(高電平期間)轉動到位。在連續脈沖的作用下，從第1個上升沿到第4個上升沿，PB3，PB2，PB1和 PB0并行輸出0101，1010，1001和0110這4種狀態，以后每4個重復這4種狀態。該4種狀態可控制紅、青濾色片以不同組合覆蓋立體光圈的兩個子光圈，得到左紅右青、左青右紅互補色立體圖像及左眼、右眼視差圖像。

3.3 軟件設計

單片機的編程采用基于裸機的軟件開發方式，程序采用C語言和匯編語言混合編寫。單片機主程序功能模塊如圖5所示，包括系統初始化程序、定時器中斷服務程序和按鍵掃描程序。主程序流程圖如圖6所示，單片機在系統上電后，單片機進行初始化并進入等待狀態，當程序判斷有快門按鍵操作時，程序調用相應的功能模塊，從單片機相應端口輸出4路控制信號。主程序如下:

4 立體圖像的攝取與特點

圖7 立體鏡頭實物圖

4.1 立體圖像的攝取

利用上述方案，設計制造出用于單反相機的立體鏡頭，實物如圖7所示。

將此鏡頭用于單反相機，利用相機的連拍功能攝取4張圖像，得到左紅右青、左青右紅、左眼、右眼4種圖像，如圖8所示。

圖8 立體圖像效果圖

4.2 立體視覺的形成

圖8a和8b所示的左紅右青與左青右紅的圖像，可以直接沖印成彩色圖像或在現有彩色顯示器上顯示，用相應的紅青互補色眼鏡觀看立體效果。

圖8c和8d所示的左、右眼視差圖像可通過柱面光柵分像形成裸眼直接觀看的立體圖像［5］，原理如圖9所示。為了提高視差圖像水平分辯力，每個柱面透鏡下的條狀圖像是寬度壓縮為1/2的圖像，裸眼觀看時，用柱面光柵進行視差分離形成立體視覺，由于柱面透鏡的放大作用，將寬度壓縮后的圖像條展寬，不存在傳統構圖方式中將左、右視差圖像直接裁剪拼接而造成的圖像水平分辨力下降一半的情況。因此，左、右眼看到的是水平分辨力無損失的視差圖像，經大腦融合形成的立體圖像質量進一步提高。

圖9 柱面光柵成像示意圖

4.3 立體圖像的特點分析

使用該立體鏡頭的照相機，所攝立體圖像具有以下特點［6－7］:

1)左、右眼視差圖像同時在一個顯示平面上顯示或用立體軟件合成在一個畫面上的合成圖像，不分離視差觀看，其效果等同于直徑為D的鏡頭聚焦形成的圖像，所得畫面無重影。

2)合成圖像在分離視差情況下所形成的立體圖像，景深為構成立體圖像對的任一單眼視差圖像的景深，其值遠大于合成圖像在不分離視差時的景深。

3)由于各視差圖像焦點畫面位置重合，有效解決了由于立體顯示端視差分離不完全而造成的立體圖像的主觀質量明顯下降的問題，這是任何雙機立體照相所無法比擬的。實際觀看時，無論視差分離是否完全，均能保證立體圖像畫面質量不下降。

5 小結

綜上所述，利用本方案實現的立體鏡頭，可直接用于單反數碼相機，使用時只需更換鏡頭就能實現平面圖像與立體圖像的攝取。該鏡頭不僅結構簡單、使用方便，而且所攝立體圖像能確保在主景深上無重影，具有很好的民用和商用前景，有利用立體照相技術的推廣。

［1］隋婧，金偉其.雙目立體視覺技術的實現及其進展［J］.電子技術應用，2004(10):4－6.

［2］王清英.景深公式的推導［J］.南陽師范學院學報:自然科學版，2003(3):23－24.

［3］張德忠.互補色雙目立體圖像攝取設備:中國，201020262567.3［P］.2011－1－19.

［4］張德忠，賈正松，王志強.無重影立體電視攝像技術的研究［J］.電視技術，2008，32(2):75－77.

［5］董永貴，沈立，馮冠平，等.一種基于柱透鏡光柵的計算機輔助彩色立體圖像合成方法［J］.光學技術，1999(03):67－69.

［6］賈正松，張德忠.無重影立體圖特點與應用［J］.電視技術，2011，35(5):62－64.

［7］張德忠，賈正松.無重影立體電視顯示技術的研究［J］.電視技術，2009，33(9):35－37.