立體照相機

立體相機是進行立體成像的關鍵組成部分。由於在日常生活中很難接觸到，一般人可能會對立體相機感覺比較陌生，但事實上這項技術已經誕生很久了。早在古希臘時代，歐幾里德就已經發現，人們左右眼所看到的景物是不同的，這也是人們能夠洞察立體空間的主要原因，用現代術語就是雙眼視差(binocular parallax)，這也是立體影像的基本原理。

基本介紹

• 中文名：立體照相機
• 外文名：stereo camera
• 意義：進行立體成像
• 基本原理：雙眼視差
• 起源時間：十九世紀的三十年代
• 學科：光學

歷史起源

1839年，Daguerre發明了銀鹽版照相法，不但奠定了照相的基礎，同時也帶動了立體照相的蓬勃發展。

1849年，David Brewster以凸透鏡取代立體鏡中的鏡子，發明了改良型的立體鏡。

立體照相的技術起源於十九世紀的三十年代，首先由英國的 wheatstone 著手研究人的視覺，並於 1838 年發明了立體鏡 (stereo scope)。立體鏡是由兩面彼此垂直的鏡子所組成 ，左右照片分別放置在照片的夾具上，轉動遊戲桿將照片調整至適當位置即可看到立體影像。1839 年，daguerre 發明銀鹽版照相法，不但奠定了照相的基礎，同時也帶動立體照相的蓬勃發展。 1849 年，david brewster 以凸透鏡取代立體鏡中的鏡子，發明了改良型的立體鏡，此改良型的立體鏡即成為今日的看片器。

CCD立體相機

2007年10月24日，嫦娥一號探月衛星在西昌衛星發射中心成功發射，奔向距離地球約38萬公里外的月球。本次探月，普通人也有望看到月球的真實面貌，這都歸功於——立體影像技術。中國首幅月圖由嫦娥一號衛星搭載的CCD立體相機採用線陣推掃的方式獲取，軌道高度約200公里，每一軌的月面幅寬60公里，像元解析度120米。一般相機拍攝到的都是平面圖像，月球表面有很大的起伏，平面圖像不能獲得視線深度方向上的影像數據。我國雖然是首次探月，但科學家們要求第一步就得到全月的立體圖像，這給相機的研製帶來很大的挑戰。“嫦娥一號”所用的CCD立體相機在研製中採用了許多創新技術，並在國內外首次提出採用一個大視場光學系統加一片大面陣CCD晶片，用一台相機取代三台相機的功能，實現了拍攝物的三維立體成像。立體相機在工作時，只採集三行CCD的輸出，分別獲取前視、正視、後視圖像，隨後進行處理形成立體圖像。由於立體相機固定在衛星上不能自由轉動，所以它只是隨衛星與月球間的相對運動，對月球表面進行掃描成像。假如沒有這台先進的立體相機，按照傳統的技術方案就需要在衛星上安裝3台相機從3個角度對月球表面同一點拍照。但是，這樣會造成有效載荷的重量的增加，由此對火箭的發射能力、衛星的體積和重量及其他配套設施的改造增加一系列技術難度，並使更多科學探測設備在衛星上搭載受到限制。同時這台CCD立體相機還以設備的小型化和輕量化提高了對空間環境的適應能力。全世界已拍攝的月球立體照片數量有限且不完整。這次探月如果順利進行，我們就能看到由中國人拍攝的系列全月地形地貌立體照片。當然，對於科學家來說，月球的立體影像資料的價值遠不僅僅是為了讓大家能看到月球的地貌圖片，科學家將根據這些立體畫面劃分月球表面的構造和地貌單位，製作月球斷裂和環形影像綱要圖，勾畫月球地質構造演化史，研究月球、宇宙的起源。同時這些圖像還將為我國後續的二期、三期探月工程服務，包括為下一步月球車以及太空人登月選擇著陸地點提供科學依據。

CCD（Charge-CoupledDevice，電荷耦合器件）是可用於立體相機的一種重要組成部分。它一種光敏半導體器件，其上的感光單元將接收到的光線轉換為電荷量，而且電荷量大小與入射光的強度成正比。這樣，矩陣排列的感光單元構成的面陣CCD便可感測圖像。CCD現在被廣泛套用於數位相機和數碼攝像機中，同時也在天文望遠鏡、掃瞄器和條形碼讀取器中有套用。

嫦娥一號所使用的CCD立體相機在研製中採用了許多創新技術，如首次提出採用一個大視場光學系統和一片大面陣CCD晶片。它用一台相機取代三台相機，能夠實現拍攝物的三維立體成像。立體相機在工作時，採集CCD的輸出，分別獲取前視、正視、後視圖像，隨後進行處理，形成立體圖像。CCD立體相機以自推掃模式工作，為了重構月表立體影像的需要，在設計上做了特殊處理。

衛星在飛行時，CCD立體相機沿飛行方向對月表目標進行推掃，可以得到月表目標三個不同角度的圖像。由於立體相機固定在衛星上不能自由轉動，所以它只是隨衛星與月球間的相對運動而移動，對月球表面進行掃描。這台CCD立體相機還以設備的小型化和輕量化提高了對空間環境的適應能力，它降低了有效載荷的重量，這使得火箭的發射能力、衛星的體積和重量及其他配套設施的改造等一系列技術問題的實現難度得以降低。

世界上現存的月球立體照片數量有限且不完整，如果這次探月能夠順利完成，那么我們就能夠得到栩栩如生的全月地形地貌的立體照片。

單鏡頭立體照相機的研製

單鏡頭立體照相機的實現方案

單鏡頭立體照相機的實現方案包括立體光圈、聚焦物鏡組件、相機機身及控制電路幾大部份構成。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於CCD 上，單眼相機連拍時輸出的快門信號，通過控制電路控制立體光圈工作於不同方式，分時復用相機拍攝出左、右眼視差圖像及紅青互補色立體圖像。

立體圖像的特點分析

使用該立體鏡頭的照相機，所攝立體圖像具有以下特點：

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體合成在一個畫面上的合成圖像， 不分離視差觀看， 其效果等同於直徑為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，景深為構成立體圖像對的任一單眼視差圖像的景深，其值遠大於合成圖像在不分離視差時的景深。

3）由於各視差圖像焦點畫面位置重合， 有效解決了由於立體顯示端視差分離不完全而造成的立體圖像的主觀質量明顯下降的問題，這是任何雙機立體照相所無法比擬的。 實際觀看時，無論分離是否完全，均能保證立體圖像畫面質量不下降。