Устройство для получения стереоскопических изображений одной камерой
Полезная модель относится к оптике и может быть использована для получения стереоскопических (объемных) фотографий и видеофильмов, а также для измерения расстояний по полученным изображениям. Более конкретное применение-использование в качестве стереоскопической насадки на объектив камеры. Техническим результатом заявленной полезной модели является компактное устройство, которое позволяет с помощью одной камеры получать за один снимок готовые стереоскопические (3D) фотографии на всю площадь светочувствительного элемента (материала) без потребности дальнейшей обработки изображений, а также видеофильмы по методу анаглиф. Последнее позволяет значительно улучшить качество трехмерного медийного контента (особенно при съемке движущихся объектов, так как нет необходимости синхронизировать две камеры) и уменьшить стоимость и вес оборудования. Также изображения, полученные на основе устройства по данной полезной модели, не требуют дополнительной обработки на компьютере для подготовки к просмотру и позволяют измерять линейные размеры по анаглифическим фотографиям. Заявленный технический результат достигается за счет того, что устройство для получения стереоскопических изображений, выполненное с возможностью размещения на объективе камеры так, что выходной оптический поток устройства направлен на вход объектива камеры, и состоящее из корпуса, внутри которого стереоскопически размещены четырех плоских зеркала, отличающееся тем, что на выходе оптических потоков от зеркал стереопары или перед самими зеркалами стереопары установлены светофильтры разного оптического диапазона спектра, с функцией формирования для каждого выходного изображения стереопары своего оптического спектра, причем расстояние от вершины угла, образуемого центральными зеркалами изделия до передней главной плоскости объектива не превышает его переднего фокусного расстояния.
Полезная модель относится к оптике и может быть использована для получения стереоскопических (объемных) фотографий и видеофильмов, а также для измерения расстояний по полученным изображениям. Более конкретное применение - использование в качестве стереоскопической насадки на объектив камеры.
С давних времен человек стремился изобразить мир таким, каким он есть на самом деле. Сначала человек добивался реалистичности от рисунка, потом была изобретена фотография. Однако эти методы отображения реальности имеют существенный недостаток - мир на таких картинках плоский, тогда как в действительности он имеет объем. Именно это послужило толчком к развитию технологий, позволяющих изобразить мир таким, каким он есть на самом деле.
Трехмерные изображения появились раньше фотографии. В 1833 году, за 6 лет до изобретения техники фотографии, Чарльз Уитстон продемонстрировал свой зеркальный стереоскоп [1]. На нем показывалась стереопара нарисованных от руки картинок. Но уже через 11 лет Людвиг Мозер сконструировал первый стереоскопический фотоаппарат. Двадцатый век был очень богат на стереотехнологии. Широкое распространение получили любительские стереофотокамеры. Среди них особенно популярен послевоенный американский фотоаппарат Stereo-Realist.
Однако все они, по сути, объединяли два и более фотоаппарата в одном корпусе. Например, отечественный «Спутник» (1955-1973 гг.) состоял из двух фотоаппаратов «Любитель-2» в едином корпусе. С тех пор технология получения 3D-фотоснимков ушла недалеко: современный цифровой фотоаппарат FujiFilm FinePix REAL 3D W1 (2009 г.) работает по тому же принципу. Недостатком подобного решения является большой вес устройства и проблемы, связанные с синхронизацией срабатывания камер.
Ранее предпринимались также попытки снимать стереофотографии и стереокино на один обычный фотоаппарат или видеокамеру. Для этого предлагалось два варианта конструкции специальной насадки. Например, СКФ-1 (Стереокомплект фотографический) делил пленку на два кадра: левый и правый. Аналогичный эффект достигается с помощью специального объектива, состоящего из двух обычных объективов. Главный минус таких конструкций в том, что они уменьшают полезную площадь пленки или матрицы фотоаппарата. Это отрицательно сказывается на качестве фотографии.
Современные стереоскопические 3D-дисплеи формируют отдельные изображения для каждого глаза. Итогом любого стереоскопического изображения являются расположенные рядом два изображения на одном кадре, полученные с помощью не менее двух камер.
Примером такого решения является [2].
Между тем, остро стоит задача получения объемных изображений за один снимок одной камеры.
Также из уровня техники известен анаглифический метод [3], - метод получения стереоэффекта для стереопары обычных изображений при помощи цветового кодирования изображений, предназначенных для левого и правого глаза. Для получения эффекта необходимо использовать специальные (анаглифические) очки, в которых вместо диоптрийных стекол вставлены специальные светофильтры, как правило, для левого глаза - красный, для правого - голубой или синий. Стереоизображение представляет собой комбинацию изображений стереопары, в которой в красном канале изображена картина для левого глаза (правый ее не видит из-за светофильтра), а в синем (или синем и зеленом - для голубого светофильтра) - для правого. То есть каждый глаз воспринимает изображение, окрашенное в цвет, соответствующий цвету светофильтра в очках. Пример анаглифического изображения (красный - левый, голубой - правый фильтр). Основным недостатком метода анаглифов является полное наложение двух снимков и как следствие, возможность формирования объемного изображения на основе неполной цветопередаче. Благодаря эффекту бинокулярного смешения цветов изображение воспринимается однотонным или (при определенном соотношении яркостей) ахроматическим. Адаптация наблюдателя к специфическим условиям восприятия происходит достаточно быстро. Однако после не столь долгого (около 15 мин.) пребывания в анаглифических очках у наблюдателя на продолжительное (порядка получаса) время снижается цветовая чувствительность и возникает ощущение дискомфорта от восприятия обычного (не красно-голубого) мира.
Целью заявленной полезной модели является устройство для получения 3D-анаглифического изображения за один снимок одной камерой, которое можно было бы использовать с целью измерения расстояний и размеров предмета.
Из уровня техники известно решение [4] стерео контурного проектора, который проецирует на экран тень. Используются зеркала и цветные/поляризационные фильтры для получения стереоизображения. При этом ход оптических лучей и схема зеркал отлична от заявленного по данной полезной модели решения. В [4] не используется эффект "виньетирования".
Также известно решение [5]. Решение описывает стереоскопическую схему расположения зеркал. При этом какие-либо цветные или поляризационные, или иные светофильтры не используются. Полученные изображения не перекрываются, а просто меняются местами (что необходимо, например, для просмотра объемных изображений зеркальными очками или перекрестным методом без очков), отсутствует узел, позволяющий менять расстояние от насадки до объектива, оба изображения занимают весь кадр.
Решение не позволяет достичь тех результатов, что заявленная полезная модель.
Наиболее близким из уровня техники являются известные решения стереонасадок [6] на камеры. Решение описывает стереоскопическую схему расположения зеркал, которая размещается на одной камере, объектив которой искусственно затеняется шторками и делится на две половины для получения двух изображений на одном снимке.
Недостатком прототипа является уменьшение полезной площади светочувствительного элемента или материала минимум в два раза, многократная потеря светочувствительности объектива за счет его затенения, а также необходимость либо громоздких приспособлений для просмотра, либо дальнейшей обработки (компьютерной или иной) перед просмотром.
Техническим результатом заявленной полезной модели является компактное устройство, которое позволяет с помощью одной камеры получать за один снимок готовые стереоскопические (3D) фотографии на всю площадь светочувствительного элемента (материала) без потребности дальнейшей обработки изображений, а также видеофильмы по методу анаглиф. Последнее позволяет значительно улучшить качество трехмерного медийного контента (особенно при съемке движущихся объектов, так как нет необходимости синхронизировать две камеры) и уменьшить стоимость и вес оборудования. Также изображения, полученные на основе устройства по данной полезной модели, не требуют дополнительной обработки на компьютере для подготовки к просмотру и позволяют измерять линейные размеры по анаглифическим фотографиям.
Заявленный технический результат достигается за счет того, что устройство для получения стереоскопических изображений, выполненное с возможностью размещения на объективе камеры так, что выходной оптический поток устройства направлен на вход объектива камеры, и состоящее из корпуса, внутри которого стереоскопически размещены четырех плоских зеркала, отличающееся тем, что на выходе оптических потоков от зеркал стереопары или перед самими зеркалами стереопары установлены светофильтры разного оптического диапазона спектра, с функцией формирования для каждого выходного изображения стереопары своего оптического спектра, причем расстояние от вершины угла, образуемого центральными зеркалами изделия до передней главной плоскости объектива не превышает его переднего фокусного расстояния.
Полезная модель может быть осуществлена следующим образом. Вся конструкция состоит из корпуса (4), четырех плоских зеркал (1) и двух светофильтров (2).
Светофильтры (2) могут располагаться как на выходе оптических лучей из стереопары (Фиг.1), так и перед самими зеркалами (Фиг.2).
Выходной поток является входящим потоком объектива фото- или видеокамеры (3). Метод, реализованный в полезной модели, работает, если расстояние (R) от вершины угла, образуемого центральными зеркалами изделия до передней главной плоскости объектива не превышает его переднего фокусного расстояния (f). На практике при использовании системы можно использовать загрубленную оценку: расстояние от вершины угла, образуемого центральными зеркалами изделия до светочувствительного элемента (материала) не превышает удвоенного фокусного расстояния объектива. Для того чтобы получать сразу готовое анаглифическое изображение, которое не надо обрабатывать на компьютере перед просмотром, центральные зеркала должны быть расположены очень близко к объективу в зоне его фокусного расстояния. Тогда, благодаря эффекту виньетирования [7], правое и левое изображение уменьшенной яркости занимают весь кадр. Установив цветные светофильтры на соответствующие половинки объектива, можно получить полноценное анаглифическое изображение.
Виньетирование [7] - затемнение изображения. Применяется в художественной фотографии. Для достижения этого эффекта часть объектива закрывается непрозрачной шторкой. Если пучки лучей ограничиваются только апертурной диафрагмой, то они полностью заполняют зрачок, если внеосевые пучки дополнительно ограничиваются помимо апертурной другими диафрагмами, то зрачок заполняется не полностью. Это дополнительное ограничение или срезание пучков называется виньетированием. Следует отметить, что при виньетировании получается изображение даже со стороны непрозрачной шторки. То есть, сохраняется возможность получить изображение, находящиеся за непрозрачной шторкой.
Принцип работы стереоскопической насадки показан на следующем примере. Левое окно стереоскопической насадки было закрыто красным светофильтром, а правое - бирюзовым. Таким образом, полученные справа и слева изображения отличаются не только точкой съемки, но и цветом. Далее система зеркал и штатный объектив сводят правое и левое изображения в единый кадр. Получаемое изображение сразу имеет необходимое по технологии анаглиф цветовое кодирование ракурсов для правого и левого глаза.
Для того чтобы проводить измерения по стереофотографии необходимо осуществить калибровку системы. Для этого нужно сфотографировать эталонный предмет в зоне стереоскопического зрения. Эталон располагается на известном расстоянии от плоскости оптической системы (снимка) на оптической оси и имеет известные размеры. Необходимо измерить его размеры в пикселях по любому из компонентов стереографического изображения (левому или правому), а также смещение правого компонента относительно левого. Таким образом, можно установить зависимость линейных размеров. Зная этот калибровочный коэффициент, можно вычислить расстояние от объектива до плоскости любого предмета. Имея эти данные, легко установить линейные размеры любого предмета.
Предлагаемая полезная модель имеет достаточно широкий диапазон применимости. Она подходит для любых фотоаппаратов и видеокамер с объективом, которые удовлетворяют следующему условию: расстояние от матрицы до внешнего края объектива (именно сюда крепится стереонасадка) не должно превышать удвоенного фокусного расстояния объектива. Это условие не выполняется лишь на некоторых простых цифровых фотоаппаратах, фотоаппаратах мобильных телефонов и Web-камерах. Большинство любительских зеркальных фотоаппаратов с объективом фиксированного фокусного расстояния подходят для использования с предложенной стереоскопической насадкой.
Таким образом, сфера применения описываемой технологии очень широка: ею могут пользоваться любители для стереоскопической фото- и видеосъемки, а также профессионалы для студийного получения трехмерного медийного материала (в том числе стереокино). Возможно применение данной полезной модели для решения таких практических задач, как:
- измерения недоступных объектов;
- топографической съемки местности;
- построения трехмерных моделей реальных объектов;
- создание систем машинного стереозрения для ориентации и построения рельефной карты местности автономными роботами (в том числе планетоходами).
Заметим, что в перспективе, при появлении доступных светочувствительных материалов или устройств, способных регистрировать поляризации падающего света, предложенная конструкция может использоваться для получения 3D-изображения, в которых кодирование ракурсов для каждого глаза осуществляется различной поляризацией. Такой способ пока применяется только для воспроизведения трехмерных изображений, снятого по традиционной технологии на две камеры (применяется в кинотеатрах сети IMAX-3D).
Таким образом, предложенная полезная модель позволяете помощью одной камеры получать за один снимок готовые стереоскопические (3D) фотографии, а также видеофильмы по методу анаглиф. Также изображения, полученные по предлагаемой схеме, не требуют дополнительной обработки на компьютере для подготовки к просмотру.
На Фиг.4 показаны: xi - видимое смещение, yi - расстояние до предмета, f - фокусное расстояние объектива, a i - половина стереобазы.
По формулам геометрической оптики можно получить, что для каждого значения i расстояние до предмета: 
и видимое смещение: 
Калибровочный коэффициент K вычисляется следующим образом:
; z - смещение в пикселях на калибровочном кадре, y э - расстояние до эталонного предмета.
Таким образом, по смещению можно вычислить расстояние от объектива до любого предмета. Зная это расстояние, легко вычислить размеры произвольно расположенного предмета по стереофотографии.
Полезная модель была апробирована. Результат использования полученных на ее основе изображения показан на следующем примере.
Пример 1.
С помощью полезной модели был получен снимок, показанный на Фиг.3.
По калибровочному кадру был определен калибровочный коэффициент для данной системы с объективом 100 мм. Он составляет 1,80*10-7. Предметная область кадра на расстоянии 1 метр ограничена прямоугольником со сторонами 42,84×64,52 см. Кадр имеет разрешение 4288×2848 пикселей.
Подставим полученные данные в формулы (1) и (2) для вычисления расстояния до предмета (см. Фиг.4).
Получим расстояние до звезды 83,6 метра.
Теперь вычислим размах горизонтальных лучей звезды на снимке. Определим размер предметной области: 0,4284*83,6=35,81 м. Тогда звезда имеет размах 370*35,81/2848=4,65 м.
В справочной литературе указано, что размах лучей составляет 4,6 метра.
Таким образом, ошибка составила всего 5 см, то есть менее 2%.
Источники информации:
1. http://traditio.ru/wiki/Стереоскоп
2. Патент GB 736611.
3. Патент CN 87205674U.
4. http://ru.wikipedia.org/wiki/Анаглиф
5. Патент GB 779471.
6. Стереонасадки http://www.ixbt.com/digimage/stereocam.shtml
Пример использования стереонасадок: http://www.rwpbb.ru/test/panasonicgh2.html
7. http://ru.wikipedia.org/wiki/Виньетирование
Устройство для получения стереоскопических изображений, выполненное с возможностью размещения на объективе камеры так, что выходной оптический поток устройства направлен на вход объектива камеры, и состоящее из корпуса, внутри которого стереоскопически размещены четырех плоских зеркала, отличающееся тем, что на выходе оптических потоков от зеркал стереопары или перед самими зеркалами стереопары установлены светофильтры разного оптического диапазона спектра с функцией формирования для каждого выходного изображения стереопары своего оптического спектра, причем расстояние от вершины угла, образуемого центральными зеркалами изделия до передней главной плоскости объектива не превышает его переднего фокусного расстояния.
