用于产生全方位立体数码图像的系统和方法.pdf

本发明涉及用于产生全方位立体图像的系统和方法。根据本发明的系统包括：配备有大光圈镜头和内置的半球状透镜光栅的拍摄装置、光电转换装置、图像信号处理装置和显示装置，其中，所述图像信号处理装置对所述图像的处理是使得图像单位中的像素的X和Y方向的排列顺序反向，并且获得与所述拍摄的图像相同的合成的图像。本发明还包括相应的产生全方位立体图像的方法。

1.  一种用于产生全方位立体图像的系统，包括：
一个配备有一个大光圈镜头和一个内置的半球状透镜光栅的拍摄装置，用于对景物进行拍摄以获得具有在X和Y方向的不同视差的拍摄的图像，其中，X方向是图像中的水平方向，Y方向是图像中的垂直方向；
一个光电转换装置，用于将所述拍摄的图像转换成相应的图像信号，所述内置的半球状透镜光栅叠置在该光电转换装置的表面并且聚焦在所述光电转换装置的成象表面上；
一个图像信号处理装置，用于对所述图像信号进行处理，以根据处理后的图像信号得出合成的图像信号；和
一个显示装置，用于对所述合成的图像信号进行显示，其中所述显示装置包括设置在其前方的另一个半球状透镜光栅，所述另一个半球状透镜光栅聚焦在所述显示装置的显示平面上，用于使所显示的图像成为一个合成的立体图象，
其中，所述处理装置对所述图像的处理是使得与所述内置的半球状透镜光栅的每一个半球状透镜光栅相对应的图像单位中的像素的X和Y方向的排列顺序反向，并且获得与所述拍摄的图像相同的合成的图像。

2.  根据权利要求1所述的用于产生全方位立体图像的系统，其特征在于，所述光电转换装置是电荷耦合器件。

3.  根据权利要求1或2所述的用于产生全方位立体图像的系统，其特征在于，所述光电转换装置和所述内置的半球状透镜光栅形成在同一个组件上。

4.  根据权利要求1或2所述的用于产生全方位立体图像的系统，其特征在于，所述内置的半球状透镜光栅由两个半柱状直纹光栅组成。

5.  根据权利要求1或2所述的用于产生全方位立体图像的系统，其特征在于，所述拍摄装置是数码照相机或数码摄像机，或者是光学照相机。

6.  根据权利要求1或2所述的用于产生全方位立体图像的系统，其特征在于，所述显示装置是液晶显示装置或等离子体显示装置或电视机。

7.  根据权利要求1或2所述的用于产生全方位立体图像的系统，其特征在于，所述合成的立体图像的像素数量与所述另一个半球状透镜光栅的像素数量相等。

8.  根据权利要求1或2所述的用于产生全方位立体图像的系统，其特征在于，所述合成的立体图像的像素数量与所述另一个半球状透镜光栅的像素数量不相等。

9.  根据权利要求1或2所述的用于产生全方位立体图像的系统，其特征在于，所述合成的立体图像是静止图像。

10.  根据权利要求1或2所述的用于产生全方位立体图像的系统，其特征在于，所述合成的立体图像是活动图像。

11.  根据权利要求1或2所述的用于产生全方位立体图像的系统，其特征在于，还包括一个数码打印机，用于将所述合成的图像直接打印在一个半球状透镜光栅的背面。

12.  根据权利要求1或2所述的用于产生全方位立体图像的系统，其特征在于，还包括一个数码打印机，用于将所述合成的图像直接打印在一个平面材料上，然后在加上一个半球状透镜光栅。

13.  根据权利要求1或2所述的用于产生全方位立体图像的系统，其特征在于，还包括一个印刷机，用于将所述合成的图像直接印刷在一个半球状透镜光栅的背面。

14.  根据权利要求1或2所述的用于产生全方位立体图像的系统，其特征在于，还包括一个数码打印机，用于将所述合成的图像直接印刷在一个平面材料上，然后在加上一个半球状透镜光栅。

15.  根据权利要求1或2所述的用于产生全方位立体图像的系统，其特征在于，还包括一个存储装置，用于存储所述合成的图象。

16.  一种用于产生全方位立体图像的方法，包括以下步骤：
采用一个配备有一个大光圈镜头和一个内置的半球状透镜光栅的拍摄装置对景物进行拍摄，以获得具有在X和Y方向的不同视差的拍摄的图像，其中，X方向是图像中的水平方向，Y方向是图像中的垂直方向；
将所述拍摄的图像转换成相应的图像信号；
对所述图像信号进行处理，以根据处理后的图像信号得出合成的图像信号；和
将所述合成的图像信号显示为一个合成的立体图象，
其中，对所述图像的处理是使像素的X和Y方向的排列顺序反向，并且获得与所述拍摄的图像相同的合成的图像。

17.  根据权利要求16所述的方法，其特征在于，所述对图像信号进行处理的步骤包括：
将拍摄的图像经过所述内置的半球状透镜光栅而分割为等于每一个半球状透镜光栅面积大小的图象单位，其中，所述图象单位中的各像素的排列顺序与所述拍摄的图象中的相应图象单位中的相应像素的排列顺序在X和Y方向上均是反向的；
分别对所获得的图象单位中的各像素的排列顺序在X和Y方向上反向，从而获得与所述拍摄的图像相同的合成图象。

用于产生全方位立体数码图像的系统和方法
技术领域
本发明涉及一种能够同时产生显示景物的左右和上下两个方向上的立体效果的全方位立体数码图像的系统和方法。
背景技术
立体图像通常是指通过附加的光学透镜光栅或狭缝光栅的由一组具有左右视差的平面图像合成的图像。当处于由不同的观看角度时，左右眼能分别看到一对具有不同视差的左右景的平面图像，由此产生景物在左右方向上的立体效果。
在现有技术中，利用附加光栅产生立体图像的过程基本上是，首先将一组具有左右不同拍摄角度的平面图像经过光学分割或电脑分割产生垂直的线状像素，再根据光栅的类型顺序地将线状像素进行排列，然后再配以垂直的狭缝光栅或光学半柱状透镜光栅，从而产生所要求的立体图像。观看立体图像时，左右眼视线通过光栅分别看到一对左右景物的像素，由此达到模拟观看现场景物的立体效果。
在观看实际景物时，可随意地移动观看位置并且可获得左右和上下两个方向上的任何一个观看位置的全方位的立体感觉。但现有技术的利用垂直光栅所产生的立体图像的缺点是只能产生景物的左右位置的立体效果，即只能获得单一方向的立体效果。
并且，根据现有技术所产生的立体图像的最终产品是采用感光方式的立体照片及立体印刷图像。
并且，现有技术中的立体图像的拍摄方法是采用有多个镜头的照相机进行拍摄或者移动单镜头照相机进行多次拍摄。
并且，在现有技术中，采用大光圈单镜头照相机拍摄的立体图像与实际景物是左右方向反向的。
因此，在现有技术的立体图像的产生过程中，所采用的设备和方法均具有相当的局限性，尤其是所产生的立体图像只具有左右方向的立体效果而不具备上下方向的立体效果，即不是全方位的立体图像。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能够同时产生显示景物的左右和上下两个方向的立体效果的全方位立体数码图像的系统和方法，其中合成的立体图像由景物的左右和上下两个方向上的具有视差的平面图像组成。
根据本发明的一种用于产生平面全方位立体图像的系统，包括：一个配备有一个大光圈和一个内置的半球状透镜光栅的拍摄装置，用于对景物进行拍摄以获得具有在X和Y方向的不同视差的拍摄的图像，其中，X方向是图像中的水平方向，Y方向是图像中的垂直方向；一个光电转换装置，用于将所述拍摄的图像转换成相应的图像信号，所述内置的半球状透镜光栅叠置在该光电转换装置的表面并且聚焦在所述光电转换装置的成象表面上；一个图像信号处理装置，用于对所述图像信号进行处理，以根据处理后的图像信号得出合成的图像信号；和，一个显示装置，用于对所述合成的图像信号进行显示，其中所述显示装置包括设置在其前方的另一个半球状透镜光栅，所述另一个半球状透镜光栅聚焦在所述显示装置的显示平面上，用于使所显示的图像成为一个合成的立体图象，其中，所述处理装置对所述图像的处理是使得与所述内置的半球状透镜光栅地每一个半球状透镜光栅相对应的图像单位中的像素的X和Y方向的排列顺序反向，并且获得与所述拍摄的图像相同的合成的图像。
在根据本发明的系统中，所述光电转换装置是电荷耦合器件。
在根据本发明的系统中，所述光电转换装置和所述内置的半球状透镜光栅形成在同一个组件上。
在根据本发明的系统中，所述内置的半球状透镜光栅由两个半柱状直纹光栅组成。
在根据本发明的系统中，所述拍摄装置是数码照相机或数码摄像机，或者是光学照相机。
在根据本发明的系统中，所述显示装置是液晶显示装置或等离子体显示装置或电视机。
在根据本发明的系统中，所述合成的立体图像的像素数量所述另一个半球状透镜光栅的像素数量相等或者不相等。
在根据本发明的系统中，所述合成的立体图像是静止图像或者是活动图像。
在根据本发明的系统中，还包括一个数码打印机，用于将所述合成的图像直接打印在一个半球状透镜光栅的背面；或者用于将所述合成的图像直接打印在一个平面材料上，然后在加上一个半球状透镜光栅。
在根据本发明的系统中，还包括一个印刷机，用于将所述合成的图像直接印刷在一个半球状透镜光栅的背面；或者用于将所述合成的图像直接印刷在一个平面材料上，然后在加上一个半球状透镜光栅。
在根据本发明的系统中，还包括一个存储装置，用于存储所述合成的图象。
根据本发明的一种用于产生全方位立体图像的方法，包括以下步骤：采用一个配备有一个大光圈和一个内置的半球状透镜光栅的拍摄装置对景物进行拍摄，以获得具有在X和Y方向的不同视差的拍摄的图像，其中，X方向是图像中的水平方向，Y方向是图像中的垂直方向；将所述拍摄的图像转换成相应的图像信号；对所述图像信号进行处理，以根据处理后的图像信号得出合成的图像信号；和，将所述合成的图像信号显示为一个合成的立体图象，其中，对所述图像的处理是使像素的X和Y方向的排列顺序反向，并且获得与所述拍摄的图像相同的合成的图像。
在根据本发明的方法中，所述对图像信号进行处理的步骤包括：将拍摄的图像经过所述内置的半球状透镜光栅而分割为等于每一个半球状透镜光栅面积大小的图象单位，其中，所述图象单位中的各像素的排列顺序与所述拍摄的图象中的相应图象单位中的相应像素的排列顺序在X和Y方向上均是反向的；分别对所获得的图象单位中的各像素的排列顺序在X和Y方向上反向，从而获得与所述拍摄的图像相同的合成图象。
因此，当观看根据本发明所产生的立体图像时，将观看位置或图像相对地左右移动时，可改变景物的左右方向即X轴的立体效果，将观看位置和图像相对地上下移动时，可改变景物的上下方向即Y轴的立体效果，由此达到平面全方位的立体效果，仿佛观看现场的真实景物一样。
下面是本发明的附图说明。附图中：
图1是拍摄根据本发明的立体图像的大光圈镜头及配备有半球状透镜光栅的数码摄影机的光路示意图；
图2示出采用大光圈镜头拍摄不同距离的景物时产生的视差；
图3示出镜头直径与图像的视差关系；
图4示出显示景物经照相机镜头及半球状透镜光栅再聚焦后的反向的立体合成图像；
图5示出反向立体合成图像还原成正向立体合成图像的过程；
图6示意地示出将一个景物的X和Y轴视差的平面影像排列组成一个合成的图像；
图7示出全方位立体图像的显示装置。
以下结合附图描述根据本发明的一个优选实施例。
图1是根据本发明的利用大光圈镜头配合半球状透镜光栅的立体照相机拍摄全方位立体图像的光路示意图。图1中的各附图标记的含义如下：1是大光圈镜头；2是叠置在感光体上的半球状透镜光栅；3是感光体；4A、4B及4C表示由近至远不同距离的景物；4a、4b及4c分别是4A、4B及4C景物的聚焦图像，它们分别聚焦在不同的焦距5A、5B及5C。当镜头1对焦在景物4B时，焦点4b聚焦在聚焦平面5B。未对焦的景物4A及4C的光束未能聚焦在聚焦平面5B，其分散光束中的具有左右或上下方向的不同视差的图像光点，根据其投射角度，通过半球状透镜光轴分散并且顺序地感光在感光体3的不同区域。图1中的拍摄装置可以是数码照相机也可以是数码摄像机，或者是一般的光学照相机；感光体3也可以是照相底片，所拍摄的图像经电子扫描装置而被数码化，在将每一个半球状透镜下的图像单位分割为细部图像，然后再进行进一步的的图像处理，具体处理方式将结合图5进行详细的描述；并且所拍摄的图像可以是静止图像也可以是活动图像。
图2示出采用大光圈镜头拍摄不同距离的景物时产生的视差。参见图2，当镜头1对焦在景物4B时，相应的图像4b聚焦在聚焦平面5B上，而景物4C的图像4c聚焦在设置感光平面的焦距5B的前方，景物4A的图像4a聚焦在设置感光平面的焦距5B的后方。图像4a和4c的不聚焦光束在焦距5B的感光平面上形成未完全聚焦的模糊图像的光斑6A和6C，光斑6A及6C的直径大小基于镜头光圈的直径及景物的距离的比。光点6A是最近景物4A的最大视差，光点6C是最远景物4C的最大视差。
图3示出镜头直径与图像的视差关系。图3中，不聚焦的景物4C在焦距5B处的图像视差是由镜头1的大光圈造成的。这种图像视差由镜头的中心径向地向外展开。图3中，标记D1和D2表示是镜头的不同半径，标记P1和P2是景物4C在焦距5B处的图像光斑半径，同时也是景物4C的视差值。由于镜头是圆形的，所以其不同方向上的沿直径的剖面形状是相同且重合的。
图4示出景物通过半球状透镜光栅形成的图像被反向的情况。在图4中，标记8指示景物的形状，标记9指示景物中的小图案。经过镜头1拍摄成图像10，图像10中的大箭头指向和小图案图像11的箭头指向的相互关系与实际景物8中的大箭头指向和小图案9的箭头指向的相互关系是相同的。图像10再通过内置的半球状透镜光栅6，其中每个半球状透镜改变其范围内的小图像13的方向(但所获得的整体图像12的形状和图像10是相同的，没有改变)。内置的半球状透镜光栅6的作用是为了获得在X和Y方向(即左右方向和上下方向，下同)上具有不同视差的图象单位。将景物的具有X方向视差的图像单位再以相反方向排列成反向效果的图像单位13。所得到的合成图像需要再经过电脑处理，对各图像单位13的像素进行调整以还原为正向的合成图像14。在该正向合成图像14中，大箭头指向和小图案图像的箭头指向的相互关系与图像10中的大箭头指向和小图案的箭头指向的相互关系是相同的。对景物的具有Y方向视差的图像单位的调整和还原方式与X方向的处理是相同的。
图5进一步示出从反向图像还原成正向的合成图像的具体过程。图5中各附图标记的含义是，15是经过大光圈镜头摄成在内置的半球状透镜光栅表面的图像；16是图像15中的等于一个半球状透镜面积的图像单位的示意图；17指示该图像单位16中的图案；18是等于作为照相机的感光体的CCD器件的一个像素面积的细部图像，分别用字母A至P标识；6是叠置在CCD器件上的内置的半球状透镜光栅，其中19是一个半球状透镜；20是经过内置的半球状透镜光栅再聚焦的反向合成立体图像；21是图像20中的一个反向的图像单位，它相等于一个半球状透镜的面积；22是等于CCD器件的一个像素面积大小的细部图像；23表示由于半球状光栅而在X和Y方向均反向的图案，由此导致图像单位21中的各细部图像的标识A至P的排列与未通过半球状透镜的图像单位16中各细部图像的标识的排列顺序不相同；24指示经过X方向调整的图像单位；25指示经过X方向调整的合成立体图像；26指示再经过Y方向调整的图像单位，其结果与标记指示的图像单位一致，即经过调整的图像单位的合成图像27是还原的正立体效果图像。图5中的CCD器件和内置的半球状透镜光栅可以形成在同一个组件上；并且内置的半球状透镜光栅可以由两个半柱状直纹光栅组成。
图6示出将一个景物的X和Y轴视差的平面影像排列组成一个合成的图像。图6中，将一组含有X及Y轴视差的平面照片7A至7K用电脑合成为一幅平面图像8’，图中各附图标记的含义分别是：26’是合成图像中一个图像单位，如图6所示，图像单位的数量与光栅中的透镜数量相同；18’是一个图像单位中的单个像素。每一幅平面照片7A至7K经过电脑扫描并且被分割成大量的像素18’，每一幅平面照片被分割的像素数量与整幅图像的光栅中的半球状透镜6的数量相同。每一个图像单位26’由所有平面照片7A至7K中的每一幅平面照片中的具有同样位置的像素组成，并且图像单位26’中的各像素的排列格式与对应的照相机6A’至6K’的排列次序相反。在合成的平面图像8’中，各图像单位在合成的平面图像中的排列格式与各图像单位包括的像素所对应的照相机的排列次序相同
从图5和图6示出的过程可以看出，在根据本发明的产生立体图象的系统中，所采用的图像处理的具体步骤包括：将拍摄的图像经过内置的半球状透镜光栅而分割为等于每一个半球状透镜光栅面积大小的图象单位，所获得的图象单位中的各像素的排列顺序与拍摄的图象中的相应图象单位中的相应像素的排列顺序在X和Y方向上均是反向的；分别对所获得的图象单位中的各像素的排列顺序在X和Y方向上反向，从而获得与拍摄的图像相同的合成图象。
此外，根据光学原理，当观看立体图像时，半球状透镜将单个像素18’在X和Y方向均成为反向从而构成图像单位26R，所以当合成一个图像单位26’时，应根据该透镜的光学效果而预先将像素18’的方向调整，即使得一个图像单位中的各像素的排列在X和Y方向上反向。但在一般情况下，由于单个像素18’的面积很小并且只不过是整个合成图像8’的一个像素，所以即使不调整其方向也不会对立体图像的效果造成很大的影响。
图7示意地示出配备有半球状透镜光栅的全方位立体图像的显示装置。图7中各附图标记的含义是，28指示显示装置的一个小部分；29是一个半球状透镜；30是液晶显示屏或其他形式的图像显示屏幕装置；27是合成图像；26是一个图像单位；22是一个像素；31指示将图像单位显示在屏幕30上；32是显示屏的像素。图像单位26中的像素22的数量和显示屏上的图像单位31中的像素32的数量可以相等或不等。眼睛33在不同的位置可以看到由具有不同的X和Y位置的视差的立体图像，由此获得的模拟的景物现场的立体感觉。图6中的显示装置可以是液晶显示装置，也可以是等离子体显示装置或者电视机
根据本发明的系统还可以包括一个数码打印机，用于将合成的图像直接打印在一个半球状透镜光栅的背面；或者将合成的图像直接打印在一个平面材料上，然后在加上一个半球状透镜光栅。
或者，根据本发明的系统还可以包括一个印刷机，用于将合成的图像直接印刷在一个半球状透镜光栅的背面；或者将合成的图像直接印刷在一个平面材料上，然后在加上一个半球状透镜光栅。
另外，根据本发明的系统还可以包括一个存储装置，用于存储合成的图象。
以上采用优选实施例的形式举例说明本发明的具体实施方式。本领域的技术人员应该清楚地了解知道，在不脱离本发明的本质和范围的情况下，可以对本发明的系统和方法进行各种修改、修正或替换。
附图标记
1是照相机的大光圈镜头
2是内置的半球状透镜光栅
3是照相机的CCD器件
4A、4B和4C是景物
4a、4b和4c分别是景物4A、4B和4C的聚焦景像
5A、5B和5C分别是4a、4b及4c的聚焦平面
6A及6C是感光在CCD器件的4a及4c的光束
6是半球状透镜光栅中的一个半球状透镜
6A’至6K’是按一定次序排列的照相机
7A至7K是与照相机6A’至6K’对应的平面照片
D1及D2是镜头半径
P1及P2是视差值的半径
8是景物的形状
8’合成的图像
9是景物中的小图案
10是经过镜头聚焦的景物图像
11是景物图像中的小图案
12是通过半球状透镜光栅的图像
13是图像12中的反方向的小图案
14是调整小图案方向之后的合成图像
15是经过镜头聚焦的景物图像
16是图像15中的图像单元
17是图像单元16中的小图案
18，18’是图像单元中等于一个像素面积的细部图像
19是一个半球状透镜
20是经过半球状透镜光栅的图像
21是X和Y反方向排列的细部图像
22是一个像素
23是X和Y反方向排列的图像单元
24是经过X方向调整的图像单元
25是经过X方向调整的合成图像
26是再经过Y方向调整的图像单元
26R是Y方向调整之前的图像单元
26’是经过Y方向调整之后的合成图像8’中的图像单位
27是还原的合成图像