【文章內容簡介】 組成的相機陣列，這些相機的結構參數將極大的影響拍攝時的視差圖的視差值以及后期立體顯示的效果。立體相機的結構參數包括了立體相機的擺放結構、立體相機間距，立體相機的焦距等結構參數。 立體相機簡介立體相機是由兩個或者多個相同規(guī)則的相機組成的相機陣列，其中各個相機的參數設置相同，且各個相機可實現同步的拍攝。相機陣列的調焦、變焦、感光等參數由一套控制電路實施控制，快門連線并接起來。拍下的兩幅照片通過電腦軟件組對，在電腦屏幕上以超過人眼視覺暫留的頻率交替顯示，再通過與電腦同步的立體電子液晶眼鏡控制視線，使左右兩眼分別觀看對應的左右兩幅照片，其效果就像兩只眼睛直接觀看被攝場景一樣，在大腦的合成下，能夠分辨出前后距離的差別，感受到身臨其境的立體效果。通過對立體相機的簡單介紹得出立體相機是由兩個或多個相同規(guī)格的相機組成的相機陣列。立體相機的結構參數概括為相機結構、焦距及間距以及顯示屏圖像相對相機圖像的放大率等參數。相機立體相機在拍攝空間的物體獲得視平板顯示器 柱面光柵圖 24 柱面光柵立體顯示結構RL. . . . .學習參考差圖像時，需要將這些相同規(guī)格的相機按照一定的結構來擺放即立體相機的結構參數。立體相機的擺放方式主要有平行式擺放、會聚式擺放兩種。 立體相機的兩種擺放結構 平行式立體相機結構平行式立體相機 [4]結構如圖 31所示，各相機光心位于同一水平線上，且立體相機間距，即立體相機中相鄰的單個相機光心間的距離相等，各相機光軸互相平行，這種結構也可以通過單個相機在導軌上平行移動來等效實現，但這種移動方式只能用于拍攝靜止的場景。根據透視原理可知，各視差圖像只有水平視差而沒有垂直視差，這正是視差圖像所追求的。然而，這種結構使得整個三維場景都為負視差，若不對視差圖像作任何處理就直接用于立體顯示，則只有凸出顯示屏而沒有凹進顯示屏的效果，且視差往往過大而導致大腦不能將其融合為立體圖像。為使場景中一部分物體凸出顯示屏且視差大小合適，則需要將視差圖像進行平移剪切處理，使得部分物體的視差變?yōu)檎暡?。此外，未處理的相鄰兩幅視差圖像間的公共場景區(qū)域較小，在立體圖像左、右兩邊會產生非立體區(qū)，圖像平移剪切處理過程減小了非立體區(qū)，但同時也造成圖像一部分信息的丟失。 會聚式立體相機結構會聚式立體相機結構示意圖如圖 32所示，各相機光心位于同一水平線上，且立體相機間距相等，各相機光軸各自繞其光心向內旋轉一定角度并相交于一點，稱之為會聚點。采用奇數個相機，則會聚點位于中間相機的光軸上，偶數個相機，會聚點位于中間兩個相機光心連線的中垂線上。采用這種結構所獲得的視差圖像公共場景景區(qū)域較大，且同時存在正視差、零視差及負視差，視差圖像用于立體圖像顯示時，部分物體會躍出顯示屏外而部分物體凹進顯示屏內。圖 31 平行式結構立體相機. . . . .學習參考若采用偶數個相機，則會聚點位于中間兩個相機光心連線的中垂線上；若由于各相機光軸存在一定夾角，拍攝的圖像會出現梯形失真，尤其當光軸間夾角較大且拍攝距離較近時，梯形失真會更加明顯。梯形失真對立體顯示存在兩方面的影響：在水平方向使得同一深度的物體具有不同的水平視差，從而產生深度失真；在垂直方向引入垂直視差從而造成視覺干擾，易產生立體感官視覺疲勞。4 拍攝物空間與顯示像空間的關系立體拍攝所獲得的視差圖像最終用于立體顯示，因此立體拍攝系統(tǒng)與立體顯示系統(tǒng)共同構成了一個立體視覺系統(tǒng)。立體拍攝于拍攝物空間相聯(lián)系，而立體顯示則與顯示像空間相聯(lián)系，因此通過兩者間的聯(lián)系可建立實際物體空間中任一物點與該物點在立體顯示時對應像點的位置映射關系。 拍攝物空間與顯示像空間的坐標系變換根據光學成像原理和計算機雙目視差原理，從拍攝物空間到立體顯示像空間的映射關系包含了四步坐標系轉換，整個系統(tǒng)的坐標轉換如圖 41所示。左視差圖像根據一般性，以兩視點立體顯示建立數學模型來說明個空間坐標系及坐標系間的轉換過程。拍攝模型示意圖如圖 42所示。相機坐標系以相機光心為原點 軸和 軸分別與相機 CCD成像面的行cXO,cY拍攝物空間 坐標系 相機坐標 系 CCD圖像坐標 系 顯示屏坐標系 顯示像空間坐標系右視差圖像圖 32 會聚式結構立體相機圖 41 立體視覺系統(tǒng)數學模型坐標轉換框圖. . . . .學習參考與列方向平行， 軸平行于相機光軸方向。（ ）表示相機坐標系中任cZczyx,意物點的坐標。CCD圖像坐標系以 CCD圖像中心為原點， 軸和 軸分別與圖像的行與DXY列方向平行。從相機坐標系向 CCD圖像坐標系轉換的過程就是光學成像的過程。（ ）表示 CCD成像面上所成像點的坐標，其表達式為Dyx, (41)cDzfx? (42)cfy式中， f為相機焦距， f由實際拍攝時決定。由于立體相機可安放在自然環(huán)境中的任意位置，在環(huán)境中選擇一個基準的坐標系 來描述各相機的位置，并用它描述環(huán)境中所有物體的位置，該坐oZYX標系稱為拍攝物空間坐標系。用（ ）表示拍攝物空間坐標系中任意物ozyx,點的坐標，根據所選擇的相機擺放結構來合理選取拍攝物空間坐標系。立體顯示模型如圖 43所示，由于物體在相機 CCD成像面上所成的像尺寸往往比較小，在立體顯示屏上顯示的時候，需要將小尺寸的像放大顯示在立體顯示屏上。我們假設圖像在水平和垂直上的放大率都為 k。建立顯示屏坐標系，以顯示屏的中心為原點 ， 軸平行于顯示屏水平方向， 軸平行sYOX1OsXsYoYoXozoOcYcXcODYDXcZDOQ圖 42 立體相機拍攝模型示意圖. . . . .學習參考于顯示屏豎直方向，顯示屏平面垂直于水平面。在立體顯示時，建立顯示像空間坐標系 ，同樣以顯示屏中心為原點1zyx軸和 分別與 和 軸重合， 軸垂直于顯示屏平面。1,XOYsXY1Z假設空間中的一物點 Q經立體相機拍攝后顯示在立體顯示屏上時，在左右相機 CCD成像面上像點坐標分別為（ ）和（ ）。由立體顯示原理1,syxSryx,可知，垂直視差是不期望存在的，即理想的左右視差圖像中，同一物點對應的左右像點坐標的縱軸坐標應相等，即 。若觀看者的右左眼分別位于（1sr?）和（ ）， E為人眼瞳孔間距。根據雙目視差原,2ExIe?IeyL,2IeIeyx?L理，再現物點坐標為（ ），而 分別滿足如下關系z, IIzx, (43)LxEISrIeSIIeII ??????????????22 (44)zyyISrIeSIIe?? (45)??ExLzSIrI?若 (46)SrISy?則可推導出以下的公式( )SXI( )SYI( )SOIIZLrq1qR圖 43 立體顯示模型39。Q. . . . .學習參考 (47)??????SIrIreSIrI xEx???2 (48)??xyySIrIeI (49)ELzSIrI??再現物點坐標為（ ），式(47)—(49)得出了再現物點的坐標，IIyx,由于觀看者的左右眼相對于再現物點的距離是一定且相等的所以左右眼到再現物點距離為 L，圖 43中 點為再現物點，觀看者的瞳孔的距離 E對再現物點39。Q的坐標也有影響，從而可以得出不同的觀看者在觀看同一個物點時的再現物點的坐標是不同的。 平行式立體相機結構的拍攝物空間與顯示像空間的關系如圖 44所示為兩個相機組成的平行式立體相機結構示意圖。采用右手坐標系法則建立拍攝物空間坐標系，其中原點 位于左右相機光心連線的中點，oO軸平行于光心連線方向， 軸平行于相機光軸方向。兩個立體相機之間的oXoX間距用 B表示。根據立體成像幾何關系公式及雙目視覺原理，可得到空間任意點 Q在立體顯示時對應的像點 的坐標為39。Q (410)kfBEzxfxOIeI?? (411)fyyIeI (412)kfBEzLOI??. . . . .學習參考10通過上面的結構示意圖和兩個相機之間的結構關系，建立平行式立體相機結構拍攝物空間與顯示像空間的關系。式(410)—(412)中 B為兩個相機的間距， f為相機的焦距， k為放大率， E為觀看者的瞳孔間距。相機的焦距、放大率、觀看者的瞳孔間距都對再現物點坐標起決定性的作用。 會聚式立體相機的拍攝物空間與顯示像空間的關系如圖 45所示為兩個相機組成的會聚式立體相機結構示意圖。采用右手坐標法則建立拍攝物空間坐標系，其中，原點 位于左右相機光心連線的中點，oO軸平行于光心連心線方向, 軸平行于原點 與光軸會聚點 C 的連線方向。oXoZ兩個立體相機的之間的間距同樣用 B表示，會聚角度為 2θ。對于會聚式立體相機，空間物點 Q 在左右 CCD 圖像中的縱向坐標并不一定相同，即存在垂直視差。當垂直視差過大時，觀看者將會感到視覺疲勞，甚Q C ?oYX左相機光心 右相機光心左相機光軸 右相機光軸ZooY右視差圖左視差圖QBB圖 44 平行式立體相機結構示意圖圖 45 會聚式立體相機結構示意圖. .