[发明专利]3D照相系统及方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种照相系统以及生成3D图像的方法。

背景技术

人们通过基于一些提示（诸如细节、遮挡、透视和尺寸）将各个物体之间的空间关系相关联从而感知深度。细节是指越近的物体显出更多的细节，而远的物体显示出较少的细节。遮挡是指假定挡住另一个物体的物体为前景。透视是指物体相对于彼此具有不同的大小。尺寸是指物体看起来越小，则其越远。

在2D图像中，主体将显出平面状，因为其仅表示了高度和宽度；3D图像增加了深度这一维度。由于人类视觉为双目并用的，因此感知深度的一种方法为神经地组合左右眼接收的独立图像。为模拟这种立体效果，现有技术通过组合来自不同视点的独立图像以产生立体感效应，从而产生3D图像。例如，Glenn的第3,518,929号美国专利披露了一种3D照相系统，该系统包括用于拍摄一批图像的多个照相机单元。

由于从不同的视角拍摄主体，以不同视角拍摄的图像将显出略有不同。从不同视角拍摄图像引起的物体位置的明显变化称作视差。视差现象通常与目间距成比例。目间距是两个从两个不同视角拍摄图像的照相机之间的距离。若目间距太大，则视差幅度过大以致无法合适地将视角融合在一起，导致低质量的3D图像。若目间距太小，则视差幅度太小以致深度感知不足，也会导致低质量的3D图像。因此，通常希望的是，选择一种既不太大也不太小的优化目间距，以便具有足够的视差以产生3D效果，但不至于无法合适地将视角融合在一起。

通常，这通过使用具有多个光学元件的照相系统来实现，以便同时捕获来自不同视角阵列的多个图像。如上所述，Glenn的第3,518,929号美国专利披露了一种七个以直线阵列布置的照相机的系统。相似地，Smith等人的第4,475,798号美国专利披露了七个以曲线阵列布置的透镜的单一照相机。在这种照相系统中，光学元件总是以线性或曲线阵列布置。但是，这些传统配置对于最大化光学元件数量并不是最佳的，并且这些传统配置也并不利于优化视差幅度。此外，在这些传统配置中，照相机仅被定向为在一点上会聚，并且照相机仅绕其三个独立控制轴中的一个或两个旋转。

发明内容

本发明的一个目的是创建一种能够优化视差并提高分辨率的多照相机系统，从而产生更高质量的3D效果。

本发明的第二个目的是创建一种最大化光学元件数量而不增加目间距的多照相机系统。

本发明的第三个目的是创建一种允许多会聚点的多照相机系统，从而允许深焦。深焦为电影术语，是指在同一次拍摄中同时对焦前景和背景。

根据本发明目的的3D照相系统及方法包括多个配置在平行平面内的光学元件。应理解的是，光学元件指互连照相机系统中的分立照相单元，或可替换地，单一相机中的透镜。

根据本发明的目的，希望的是将照相机尽可能近的布置在一起，以便优化视差和提高分辨率。因此，在平行平面上以锥体布置方式来配置照相机。锥体布置是指，一个或多个照相机布置在锥体的顶点，照相机的其他水平面布置在平行平面（或基本平行的面）内，以便形成几何锥体或大体像锥体的几何形状。相比于以线性阵列进行布置，通过将照相机布置在平行平面上可以使照相机更紧密地聚集在一起。这种布置基于锥体堆积的几何原理。由于照相机可优化地以锥体构造进行堆叠，因此可将更多数量的照相机聚集在一起而不必增加目间距。以这种方式，能够以优化视差且提高分辨率的方式从更多的照相机拍摄更多的图像，从而提高了3D图像的质量。

此外，按照锥体构造的照相机布置通过模拟人眼解剖学而提高3D感知。人眼为弯曲的（像碗一样），感知深度。通过如本发明以锥体构造来布置照相机，照相机的组合充当一个大的3D眼。

此外，照相机连接至一个使各照相机完全可调的组件。每个照相机可移动：1）左-右（纬度），2）前-后（经度），以及3）上-下（高度）。此外，每个照相机可绕其三个独立控制轴的每个轴旋转。每个照相机可绕其纵轴旋转，称为偏航。每个照相机可绕其水平纬度轴旋转，称为俯仰。每个照相机可绕其水平经度轴旋转，称为横滚。大多数传统的3D照相系统仅允许独立调整纬度和偏航。在本发明中，每个照相机允许独立调整经度、纬度、高度、俯仰、横滚和偏航。

由于照相机在平行平面上堆叠且完全可调，因此能够定向照相机，以使其光轴在零点会聚或会聚到多于一点。在线性排列照相机的常规照相系统中，照相机会聚在一点上。在本发明中，可定向照相机，以使系统作为整体具有零会聚点或多个会聚点。由于照相机可同时会聚在不同的点，因此前景和背景可同时对焦进而可实现深度对焦。