ccd立體相機

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：ccd立體相機
• 性質：進行立體成像的關鍵組成部分
• 依據原理：雙眼視差
• 拍攝分類：靜態景物拍攝和動態景物拍攝

嫦娥一號的立體眼鏡

所謂立體測繪，就是對物體表面進行全範圍的測繪。世界上主流測繪方式包括：立體觀測、雷達干涉測量和雷射掃描測繪。其中，立體觀測技術最為成熟，已經有了100多年的研究歷史,毫無疑問也是當今各國用於月球立體測繪的首選通用型技術。立體觀測使用人眼左右視差的視覺原理來獲取三維信息。嫦娥一號為此就搭載了1台CCD立體相機和1個雷射高度計，組成1套“立體眼鏡”。

立體相機簡介

概述

由於月球表面坎坷不平，普通相機所拍攝到的平面圖像不能獲得視線深度方向上的影像數據，因此需要使用立體相機。

靜態景物拍攝和動態景物拍攝兩大類

立體成像的拍攝可分為靜態景物拍攝和動態景物拍攝兩大類。靜態景物的拍攝，只需要使用一部照相機，在某一個位置角度先拍一張照片，然後平行移動照相機一段距離再拍一張，這樣就得到了一組具有視差的立體照片。動態景物的拍攝，則需要利用特殊的立體相機（如雙鏡頭相機），或者兩部照相機一次同時拍攝兩張照片。

早期技術

早期的立體成像技術主要依靠傳統照相機來拍取一組立體照片，並且透過立體鏡來重現立體影像。由於傳統立體照相製作繁瑣、不易流通等因素，僅限於專業攝影及少數特殊的領域，無法像傳統的平面照相一樣深入各層面。隨著科學技術的突飛猛進和CCD數位相機的出現，立體影像的技術與套用有了突破性發展。

ccd立體相機

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-Coupled Device，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。

ccd立體相機所拍

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。

獲取完整的月球立體影像資料不僅是為了讓大家能看到月球的地貌圖片，它具有深遠的研究價值。科學家可以根據這些立體畫面劃分月球表面的構造和地貌單位，並為下一步月球車以及太空人登月選擇著落地點提供科學依據。我們期待早日看清月球的廬山真面目！

相關背景知識介紹

嫦娥一號CCD立體相機工作原理簡介

CCD立體相機是嫦娥一號獲取月球表面三維影像的主要光學遙感器(除此之外還有"雷射高度計"等).嫦娥一號攜帶的是採用三線陣工作原理的相機.所謂三線陣就是說,ccd相機對同一月球表面目標以不同的視角拍攝前視,正視及後視三幅二維平面圖.圖像通過信號傳輸系統傳回地面後,相關技術人員再對這些圖片進行處理(即"三維重建"),就可以繪製出月表的三維立體影像.與其它採用三線陣原理的立體相機不同的是,嫦娥一號所攜的這台CCD立體相機並沒有採用"3台相機分別指向3個方向"的做法,而是只採用一組鏡片和一片面陣CCD,採集前中後三條線的數據,這樣做大大地簡化了立體相機整體的結構,為"嫦娥一號"節省了更多的寶貴空間和質量.

"CCD"介紹

CCD(Charge-Coupled Device,電荷耦合器件)是數位相機里的一個重要部件

它是一種光電轉換器件,用積體電路工藝製成.它以電荷包的形式儲存和傳送信息,主要由光敏單元,輸入結構和輸出結構等部分組成.CCD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.用一個形象的比喻來說明,CCD的結構就像一排排輸送帶上並排放滿小桶,光線就像雨滴撒入各個小桶,每個小桶就是一個像素.按快門拍照的過程,就是按一定的順序測量一下某一短暫的時間中,小桶中落進了多少"光滴",並記在檔案中.

"三維圖形"與"二維圖形"

所謂三維理解是指對被觀察物體的形狀,尺寸,距離,質地和運動特徵(方向和速度)等的理解.這樣就會形成立體感.在計算機里顯示3d圖形,就是說在平面里顯示三維圖形.不像現實世界裡,真實的三維空間,有真實的距離空間.計算機里只是看起來很像真實世界,因此在計算機顯示的3d圖形,就是讓人眼看上去就像真的一樣.人眼有一個特性就是近大遠小,按如今的理解,人類視覺系統的感受部分視網膜,就是一個二維採樣系統.三維物體的可見部分成像到視網膜上,人們按照視網膜上的像來對物體進行三維理解.計算機螢幕是平面二維的,我們之所以能欣賞到真如實物般的三維圖像,是因為顯示在計算機螢幕上時色彩灰度的不同而使人眼產生視覺上的錯覺,而將二維的計算機螢幕感知為三維圖像.基於色彩學的有關知識,三維物體邊緣的凸出部分一般顯高亮度色,而凹下去的部分由於受光線的遮擋而顯暗色.我們一般用視覺感測器來獲得圖像信息.它可以分為兩類,第一類是攝像機等獲得的數字灰度圖像,這樣的圖像一般與物體的反光強度有關.但這樣的圖像不給出直接的三維信息,對計算機來說,難以從這種圖像上理解和推斷圖像上各個部分之間的空間關係.第二類是三維視覺感測獲得的距離圖像.這種圖像與攝像機獲得的數字灰度圖像的主要區別在於:圖像上每一點的像素值不是亮度而是距離.這樣的圖像與距離無關,不但能明確地標示圖像中的位置關係,而且物體的三維外形與物體表面形狀相同,因此,利用計算機從這種具有的三維信息的圖像上識別物體形狀比灰度圖想要容易.

ccd立體相機

"三維重建"

一般我們得到的圖像信息都是攝像機等獲得的數字灰度圖像.這樣我們就要進行三維圖像重建.我們可以利用不同視點上的也許是不同時間拍攝的兩幅或更多幅圖像提供的信息重構三維圖像.簡單的說,就是利用兩個攝像機同時拍下兩幅圖像或用一個攝像機沿任一軌道順序拍下圖像.這樣我們就可以通過對獲得圖像建立點點對應的關係,求出二者之間的差值而獲得圖像的深度信息,再經過進一步的處理就可以獲得三維空間的景物.

立體照相的歷史

立體照相技術起源於19世紀30年代，Wheatstone於1838年發明了立體鏡。立體鏡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。