賈正松，張德忠

(四川信息職業(yè)技術(shù)學(xué)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(jī)經(jīng)過移動或旋轉(zhuǎn)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(qiáng)等特點，在許多領(lǐng)域均極具應(yīng)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(gòu)立體圖像時如果視差分離不完全會產(chǎn)生較嚴(yán)重的重影，長時間觀看會出現(xiàn)視覺疲勞、頭暈等現(xiàn)象，不分離視差時圖像無法裸眼觀看，不利于立體照相技術(shù)的推廣。

針對上述立體照相技術(shù)的不足，筆者提出了一種用于單反數(shù)碼相機(jī)的立體鏡頭。在相機(jī)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(xiàn)雙目視差立體圖像對的攝取［2］。

1 立體鏡頭的實現(xiàn)方案

立體鏡頭的實現(xiàn)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(gòu)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(jī)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(fù)用相機(jī)攝取左、右眼視差圖像及紅青互補(bǔ)色立體圖像。

圖1 立體鏡頭實現(xiàn)方案圖

2 立體光圈設(shè)計

立體光圈結(jié)構(gòu)如圖2所示，它主要由支架，左、右子光圈，紅、青濾色片及旋轉(zhuǎn)電磁鐵構(gòu)成［3］。為確保左、右眼視差圖像景深一致，左、右子光圈應(yīng)具有相同的直徑d。當(dāng)左、右子光圈外側(cè)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(dāng)d=D/3時，可得到立體光圈工作時，旋轉(zhuǎn)電磁鐵在控制信號的驅(qū)動下，最大立體景深的無重影畫面［4］。

圖2 立體光圈結(jié)構(gòu)示意圖

立體光圈工作時，旋轉(zhuǎn)電磁鐵在控制信號的驅(qū)動下，帶動與之相連接的紅、青濾色片轉(zhuǎn)動。由于紅、青濾色片具有完全互補(bǔ)的濾光特性，當(dāng)兩濾色片分別覆蓋兩個子光圈可攝取紅青互補(bǔ)色立體圖像;當(dāng)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(shè)計

3.1 主控制器

控制電路中的微處器采用ATtiny13A單片機(jī)，它是一款高性能、低功耗的8位AVR微處理器，片內(nèi)有64 byte的SRAM，一個獨立的8位定時器/計數(shù)器及兩條PWM通道，獨立片內(nèi)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(qiáng)型上電復(fù)位功能。該單片機(jī)可滿足相機(jī)的節(jié)能要求。

3.2 硬件電路設(shè)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(shù)碼相機(jī)內(nèi)5 V的VBAT電壓。當(dāng)圖像攝取設(shè)備工作時輸出的快門信號，經(jīng)電阻R1和R2分壓后送入單片機(jī)U1的3腳，在單片機(jī)內(nèi)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(jīng)U2內(nèi)部電路放大后分別從3，8，13，18腳輸出，驅(qū)動立體光圈中與左、右子光圈相連接的旋轉(zhuǎn)電磁鐵L3和L4轉(zhuǎn)動。

圖3 立體光圈驅(qū)動電路圖

圖4 單片機(jī)端口波形圖

當(dāng)相機(jī)工作于連拍狀態(tài)時，為確保相機(jī)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(zhuǎn)動到位。在連續(xù)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(tài)，以后每4個重復(fù)這4種狀態(tài)。該4種狀態(tài)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(bǔ)色立體圖像及左眼、右眼視差圖像。

3.3 軟件設(shè)計

單片機(jī)的編程采用基于裸機(jī)的軟件開發(fā)方式，程序采用C語言和匯編語言混合編寫。單片機(jī)主程序功能模塊如圖5所示，包括系統(tǒng)初始化程序、定時器中斷服務(wù)程序和按鍵掃描程序。主程序流程圖如圖6所示，單片機(jī)在系統(tǒng)上電后，單片機(jī)進(jìn)行初始化并進(jìn)入等待狀態(tài)，當(dāng)程序判斷有快門按鍵操作時，程序調(diào)用相應(yīng)的功能模塊，從單片機(jī)相應(yīng)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(shè)計制造出用于單反相機(jī)的立體鏡頭，實物如圖7所示。

將此鏡頭用于單反相機(jī)，利用相機(jī)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(xiàn)有彩色顯示器上顯示，用相應(yīng)的紅青互補(bǔ)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(jìn)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(tǒng)構(gòu)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(jīng)大腦融合形成的立體圖像質(zhì)量進(jìn)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(jī)，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(gòu)成立體圖像對的任一單眼視差圖像的景深，其值遠(yuǎn)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(zhì)量明顯下降的問題，這是任何雙機(jī)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(zhì)量不下降。

5 小結(jié)

綜上所述，利用本方案實現(xiàn)的立體鏡頭，可直接用于單反數(shù)碼相機(jī)，使用時只需更換鏡頭就能實現(xiàn)平面圖像與立體圖像的攝取。該鏡頭不僅結(jié)構(gòu)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(shù)的推廣。

［1］隋婧，金偉其.雙目立體視覺技術(shù)的實現(xiàn)及其進(jìn)展［J］.電子技術(shù)應(yīng)用，2004(10):4－6.

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

［3］張德忠.互補(bǔ)色雙目立體圖像攝取設(shè)備:中國，201020262567.3［P］.2011－1－19.

［4］張德忠，賈正松，王志強(qiáng).無重影立體電視攝像技術(shù)的研究［J］.電視技術(shù)，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(jī)輔助彩色立體圖像合成方法［J］.光學(xué)技術(shù)，1999(03):67－69.

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

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