基于单反相机实现立体照相技术的研究

郑 尧，贾正松

（四川信息职业技术学院 四川 广元 628017）

随着光学、微电子学以及计算机技术的发展，“双目视差立体成像原理”已广泛应用于三维立体成像与立体显示技术中[1]。目前，利用该技术研制出了形式多样的立体照相装置，其中应用较普遍的是双镜头立体照相机，该装置可一次同时拍摄两张具有视差的立体图像，所摄立体图像具有场景真实，立体感强等特点。但由于两镜头光路相对独立，使得双镜立体照相机所摄立体图像对合成后图像出现重影，图像无法直接裸眼观看，且设备价格较贵，不利于立体照相技术的推广。

针对双镜立体照相技术的不足，提出了一种用单反数码相机实现的双目视差立体照相技术，利用该技术可实现在一个平面上获得清晰的无重影的多种立体图像。

1 立体照相实现方案

图1 立体照相实现原理框图Fig.1 Stereo photographic principle diagram

1.1 立体照相实现原理

立体照相的实现原理如图1所示，它主要由聚集物镜、互补色光圈、数码相机及控制电路构成。其中，互补色光圈用来取代相机原镜头内的光圈，照相机工作时利用相机连拍功能输出的快门信号CP，经控制电路变换后输出互补色光圈所需控制信号，以控制互补色光圈工作于不同组合方式，得到相应的立体图像。

1.2 互补色光圈设计

互补色光圈结构如图2所示，它主要由左、右子光圈，红、蓝滤色片、旋转电磁铁及支架构成[2]。其中，支架直径应大于或等于照相机聚焦物镜的直径。当左、右子光圈直径d与物镜直径D的关系满足d=D/3时，可得到主景深上无重影的立体图像[3]。

互补色光圈工作时，旋转电磁铁在控制信号的驱动下，可带动与之相连接的红、蓝滤色片转动。当两滤色片分别覆盖两个子光圈时，可摄取红、蓝互补色立体图像，用红蓝互补色眼镜观看形成立体视觉；当两滤色片同时覆盖左或右子光圈时，可摄取右、左立体视差图像对，将立体图像对通过计算机软件合成后可得到无重影立体图像。

图2 互补色光圈结构图Fig.2 Complementary color aperture structure diagram

2 控制电路设计

2.1 硬件电路设计

互补色光圈的控制电路如图3所示，电路主要由微处器ATtiny13A和驱动器L293DD组成 。图3中VCC取至数码相机内的5 V电压，输入脉冲CP来自相机工作时输出的快门信号，L3、L4是与红、蓝滤色片相连接的两个旋转电磁铁。

电路工作时，快门信号CP送入单片机U1的3脚，在单片机驱动程序的控制下从U1的5、6、7、2脚分别输出时序脉冲PB0、PB1、PB2、PB3，其波形如图4所示。PB0、PB1经U2缓冲后从3、8脚输出加到旋转电磁铁L3，PB2、PB3经U2缓冲后从13、18脚输出加到旋转电磁铁L4。

当照相机工作于连拍方式时，在CP脉冲的作用下，PB3、PB2、PB1、PB0串行输出 0010、1000、0101、1010 4种状态，以后每4个CP重复这4种状态。该4种状态经U2缓冲后，从U2的3、8脚输出如图4中L3的脉冲，该脉冲驱动电磁铁L3旋转以带动红滤色片左、右摆动。从U2的13、18脚输出如图4中L4的脉冲，该脉冲驱动电磁铁L4旋转以带动蓝滤色片左、右摆动。通过红、蓝滤色片的摆动，可摄取左红右蓝、左蓝右红互补色立体图像及左眼、右眼立体图像对。

图4 单片机端口波形图Fig.4 A port of a single chip waveform

2.2 软件设计

控制电路的单片机程序采用C语言和汇编语言混合编写。其主要程序模块包括初始化程序、按键扫描程序和中断服务程序。单片机主程序流程图如图5所示。单片机系统上电后首先进行初始化，然后进入等待状态。当按下照相机快门键时，程序调用按键扫描程序和中断服务程序，从单片机对应的端口输出控制信号。

3 立体图像的摄取与效果分析

3.1 立体图像的摄取

利用上述方案，将互补色光圈与控制电路集装于单反相机的镜头内，构成一体化的立体图像摄取镜头。将此镜头与数码相机机身相连，利用相机的连拍功能（如连拍4张），此时照相机在CCD上连续存放左红右蓝、左蓝右红、左眼、右眼4种图像，其效果如图6所示。

3.2 立体图像的效果分析

图6（a）和（b）所示的左红右蓝与左蓝右红的图像，可以直接用红蓝互补色眼镜观看到立体效果；图6（c）和（d）所示的左、右眼视差图像可以通过立体合成软件将左、右视差图像纵向分解成若干条状图像，再将每条图像的宽度压缩为原来的1/2，通过合成技术将各条状图像交叉间置重构一张立体图像，将重构的立体冲印成照片，并在照片前放置相应的柱状光栅进行视差分离[5]，则裸眼观看就能观看到质量高、无重影的立体图像。用该技术方案所摄立体图像具有以下特点[6]。

图6 立体图像效果图Fig.6 Stereo image renderings

1）所摄双目立体图像对在现有立体显示器上显示时，用立体开关眼镜可观看到立体效果，而裸眼观看时图像画面无重影。

2）所摄红、蓝互补色立体图像用红、蓝立体眼镜可观看立体图像，而裸眼观看时图像仍为平面图像，图像主景深画面无重影，无彩色奇变。

3）所摄立体图像信号源可与立体显示设备及平面显示设备兼容[7]。利用本方案实现的立体照相技术可直接使用到现有的立体电视领域，可设计出与现有平面电视完全兼容的立体电视系统，具有一定的研究和实用价值。

4 结束语

综上所述，本方案实现的立体照相技术，既能保证单反相机原有的功能，又能工作于立体照相模式，摄取所需的立体图像。它不仅结构简单、操作方便，而且所摄立体图像无重影，具有很好的民用和商用前景，有利于立体照相技术的推广。

[1]隋婧,金伟其.双目立体视觉技术的实现及其进展[J].电子技术应用, 2004(10): 4-6.

SUI Jing, JIN Wei-qi. Implementation and development of binocular stereo vision technology[J].Application of Electronic Technique, 2004(10): 4-6.

[2]张德忠.互补色双目立体图像摄取设备:中国,201020262567.3[P].2011-1-19.

[3]张德忠,贾正松,王志强.无重影立体电视摄像技术的研究[J].电视技术, 2008, 32(2):75-77.

ZHANG De-zhong,JIA Zheng-song,WANG Zhi-qiang. Study of 3DTV Photography Technology without Ghost Image[J].Video Engineering, 2008, 32(2):75-77.

[4]贾正松.互补色立体光圈控制器:中国,201120140772.7[P].2011-12-7.

[5]董永贵,沈立,冯冠平,等.一种基于柱透镜光栅的计算机辅助彩色立体图像合成方法[J].光学技术,1999(3):67-69.

DON G Yong-gui, SHEN Li, FENG Guan-ping,etc.A complementary color stereo image synthesis method of cylindrical lens grating based computer[J].Optical Technology, 1999(03):67-69.

[6]贾正松,张德忠.无重影立体图特点与应用 [J].电视技术,2011,35(5):62-64.

JIA Zheng-song, ZHANG. De-zhong. Features and Applications of Three-dimensional Images without Ghosting[J].Videoengineering,2011, 35(5):62-64.

[7]张德忠,贾正松.无重影立体电视显示技术的研究[J].电视技术, 2009, 33(9):35-37.

ZHANG.De-zhong,JIA Zheng-song. Study on 3DTV display technology without ghost image[J].Video Engineering, 2009,33(9):35-37.