靜態(tài)立體圖像獲取的歷史與進(jìn)展

謝俊國， 顧金昌， 趙 慧

(1. 廣東輕工職業(yè)技術(shù)學(xué)院 信息技術(shù)學(xué)院， 廣東 廣州 510300;2. 上海藝影數(shù)碼科技有限公司， 上海 201107)

1 前言

立體影像的顯示有輔助立體和裸眼立體兩大顯示技術(shù)[1]，輔助立體需要觀察者佩戴立體眼鏡、立體鏡或立體頭盔方可觀察到立體圖像；裸眼立體顯示技術(shù)則不需要帶眼鏡等輔助裝置即可觀察到立體圖像。兩種技術(shù)都源于早期的立體攝影技術(shù)。

19世紀(jì)上半葉在視覺生理學(xué)、光學(xué)和銀鹽感光技術(shù)取得進(jìn)步基礎(chǔ)上發(fā)展出立體影像技術(shù)：1838年Wheatstone發(fā)明立體鏡揭示視差機(jī)理[2]，1839年法國的達(dá)蓋爾(J.M.Daguerre)發(fā)明銀鹽照相技術(shù)，1841年英國物理學(xué)家塔爾伯特(F.Talbot)利用兩臺單鏡頭相機(jī)合并設(shè)計的立體相機(jī)問世，出現(xiàn)了靜態(tài)立體圖像獲取的最早記錄。

歷史上，立體攝影技術(shù)曾經(jīng)經(jīng)歷了幾次發(fā)展的高峰階段：首先，19世紀(jì)中后期伴隨立體鏡的出現(xiàn)和普及產(chǎn)生了規(guī)?？涨暗牧Ⅲw照片熱，形成了世界立體攝影史上第一次立體相機(jī)的大繁榮；第二次世界大戰(zhàn)后至上世紀(jì)50年代，依托先進(jìn)的機(jī)械、光學(xué)和銀鹽技術(shù)進(jìn)步，大批采用135和120膠卷的高精度新型立體相機(jī)陸續(xù)問世，掀起第二次立體攝影熱潮[3]；此時期立體影像大多通過各種立體鏡等輔助裝置觀賞；至20世紀(jì)80～90年代，伴隨彩色膠片和沖擴(kuò)技術(shù)的普及，基于柱鏡光柵技術(shù)的覆膜相紙和多鏡頭立體相機(jī)出現(xiàn)，國際上又掀起一陣立體攝影熱潮。光柵法立體照片技術(shù)奠定了現(xiàn)代裸眼立體顯示的基礎(chǔ)，也是立體相機(jī)實拍獲取靜態(tài)立體圖像的最早應(yīng)用[4]。

2 膠片時代相機(jī)實拍獲取靜態(tài)立體圖像的歷程

2.1 雙鏡頭立體相機(jī)的靜態(tài)立體圖像獲取

風(fēng)靡于19世紀(jì)中后期的立體鏡催生了雙鏡頭立體相機(jī)的盛起。利用相機(jī)實拍獲取靜態(tài)立體圖像的最早記錄，源自1841年英國物理學(xué)家塔爾伯特(F.Talbot)用兩臺單鏡頭相機(jī)合并設(shè)計的立體相機(jī)。之后，為立體觀片器或立體鏡提供立體攝影素材的各種雙鏡頭立體相機(jī)層出不窮。較具代表性的立體相機(jī)為1856年法國出品的Stereo-Daguerreotype牌立體相機(jī)，使用5×8英寸頁片，如圖1所示。

圖1 Stereo-daguerreotype雙鏡頭立體相機(jī)Stereo-daguerreotype dual-lens stereo camera

20世紀(jì)中葉，伴隨機(jī)械機(jī)械加工技術(shù)進(jìn)步，大批采用135和120膠卷的高精度、緊湊型立體相機(jī)陸續(xù)問世，較典型的有1950年柯達(dá)公司生產(chǎn)的Stereo Realist立體相機(jī)和1951年德國制造的ILOCA model II立體照相機(jī)。

國內(nèi)批量生產(chǎn)雙鏡頭立體相機(jī)的廠家不多，2007年杭州立體世界攝影器材有限公司研發(fā)的LT120-1立體照相機(jī)問世，采用120膠卷。該機(jī)雖具有3個鏡頭，但頂部鏡頭用于取景，所以仍歸類于雙鏡頭立體相機(jī)。雙鏡頭立體相機(jī)以立體圖對為基礎(chǔ)，也即現(xiàn)在所稱的雙視點拍攝，其靜態(tài)圖像的立體顯示或觀賞大多需要借助輔助裝置如立體鏡、立體眼鏡等。

2.2 多鏡頭立體相機(jī)的靜態(tài)立體圖像獲取

在20世紀(jì)50年代印刷領(lǐng)域出現(xiàn)了一種柱鏡光柵產(chǎn)品，用于塑料文具用品，呈現(xiàn)不同角度畫面切變俗稱變畫的玩具用品。這種柱鏡光柵產(chǎn)品也可實現(xiàn)裸眼的立體圖像呈現(xiàn)，擺脫了早期立體圖像觀賞需要借助輔助工具觀看的不便。若應(yīng)用于高質(zhì)量立體照片，則立體相機(jī)需要3個以上鏡頭才能達(dá)到較好的立體觀賞效果，這就催生了多鏡頭立體相機(jī)的出現(xiàn)。

最先問世的是NIMSLO牌四鏡頭立體相機(jī)，于上世紀(jì)80年代在美國出現(xiàn)。該立體相機(jī)最初由蘇格蘭的Timex公司生產(chǎn)，后有日本東京Sunpak公司生產(chǎn)，美國NIMSLO公司總經(jīng)銷。1982年NIMSLO四鏡頭立體相機(jī)被美國《Modern Photography》雜志評選為年度名牌相機(jī)(圖2)。該相機(jī)采用135膠卷，每次拍攝曝光4幅18 mm×24 mm半格底片，標(biāo)準(zhǔn)135膠卷一卷可拍18張四格底片，拍攝成本較低。但該機(jī)拍攝完的膠卷須送回NIMSLO公司特約沖印店進(jìn)行沖洗擴(kuò)印，可輸出3.5、4.5英寸和最大8×10英寸的柱鏡光柵立體照片。

圖2 NIMSLO四鏡頭立體相機(jī)NIMSLO Four Lens Stereo Camera

1988年，中國香港3D Image Technology公司推出了NISHIKA N8000型的四鏡頭立體相機(jī)，并于1990年德國科隆相機(jī)博覽會上又推出了三鏡頭立體相機(jī)。

自1992年始，廣東江門雄霸立體光學(xué)器材有限公司推出長潤牌3D-1、3D-5、3D-8等系列四鏡頭立體相機(jī)與立體彩擴(kuò)機(jī)，形成從立體拍攝、沖洗擴(kuò)印到大幅面立體廣告燈箱制作的較具規(guī)模的產(chǎn)業(yè)。《照相機(jī)》雜志也于1994年用一年多連續(xù)刊載浙江大學(xué)光學(xué)工程專家董太和教授撰寫的有關(guān)立體照相理論及實踐系列講座，為立體攝影在國內(nèi)的普及做出巨大貢獻(xiàn)[5]。

光柵立體照片屬裸眼立體顯示，較多的鏡頭視點使觀賞范圍內(nèi)立體圖像連貫和自然，有更好的顯示效果。因此，更多鏡頭數(shù)目的立體相機(jī)是實拍立體圖像獲取的進(jìn)一步追求。

1999年上海照相機(jī)廠出品了海鷗3D120-Ⅲ五鏡頭立體照相機(jī)，該機(jī)采用120或220膠卷，每次拍攝獲得每幅5格6 cm×4.5 cm底片，該機(jī)外形尺寸為 390 mm×141 mm×170 mm，重達(dá)3.7 kg，在一些影樓用于高端立體婚紗攝影。

鑒于相機(jī)成本原因，目前還未見有廠家規(guī)模生產(chǎn)更多鏡頭的立體相機(jī)，所見的六、八甚至十二鏡頭立體相機(jī)多為數(shù)臺普通相機(jī)或多鏡頭立體相機(jī)拼接而成。

圖3為作者于2003年利用兩臺長潤3D-8四鏡頭立體相機(jī)改裝成功的八鏡頭立體相機(jī)，該改裝相機(jī)采用135膠卷，每次拍攝曝光8幅18 mm×24 mm半格底片，標(biāo)準(zhǔn)135膠卷一卷可拍9張八格底片，其拍攝素材最大可制作16寸立體相片。該改裝的立體相機(jī)拍攝的底片經(jīng)數(shù)字化后相當(dāng)于八視點采集，可應(yīng)用于現(xiàn)在8視點裸眼立體顯示器的3D內(nèi)容制作。

圖3 改裝的八鏡頭立體相機(jī)Eight-lens stereo camera

3 數(shù)字時代靜態(tài)立體圖像的獲取

3.1 多鏡頭數(shù)碼立體相機(jī)與相機(jī)陣列

21世紀(jì)是一個飛速發(fā)展的數(shù)碼信息時代，在立體圖像的獲取領(lǐng)域，數(shù)碼相機(jī)替代膠片相機(jī)是不爭的實事，立體影像全面進(jìn)入數(shù)碼時代。

與膠片時代立體相機(jī)的發(fā)展歷程類似，最先面市的數(shù)碼立體相機(jī)為雙鏡頭立體相機(jī)。日本富士公司于2009年推出了其首臺雙鏡頭3D立體相機(jī)W1，之后又推出新型號W3。國內(nèi)的鳳凰光學(xué)股份有限公司于2011年推出PH-C1雙鏡頭數(shù)碼立體相機(jī)。

雙鏡頭立體相機(jī)拍攝的雙視點內(nèi)容除了可用于輔助立體顯示外，也可用于裸眼立體顯示，特別是帶有人眼追蹤識別系統(tǒng)的立體顯示器[6]，但這種裸眼立體顯示只適合單人觀賞，多人觀賞仍需多視點裸眼立體顯示。采集立體圖像需要更多的鏡頭。

目前，立體圖像數(shù)碼采集大多采用低成本的單相機(jī)加導(dǎo)軌拍靜物，多臺數(shù)碼相機(jī)組合成相機(jī)陣列適合動態(tài)拍攝。圖4為上海藝影數(shù)碼科技有限公司開發(fā)的三數(shù)碼相機(jī)組合相機(jī)陣列拍攝系統(tǒng)；圖5為廣東輕工職業(yè)技術(shù)學(xué)院研制的可快速調(diào)節(jié)間距的數(shù)碼相機(jī)陣列拍攝系統(tǒng)，該相機(jī)陣列拍攝系統(tǒng)由8～12臺高質(zhì)量微型單反相機(jī)、滑動軌道及X型鉸接組件等構(gòu)成，相機(jī)通過L型安裝板與X型鉸接組件相連，可以根據(jù)實際需要調(diào)整相機(jī)自身的方位，能快速等間隔調(diào)整各個相機(jī)鏡頭之間的間距。

圖4 三數(shù)碼相機(jī)組合拍攝系統(tǒng)Combination of three digital cameras

圖5 可變間距的數(shù)碼相機(jī)陣列拍攝系統(tǒng)An autostereoscopic 3D shooting system with adjustable spacing between camera arrays

電子控制系統(tǒng)具有同步快門，同步無線傳輸，同步閃光等功能，可實時采集動態(tài)或靜態(tài)裸眼立體影像，為立體影像業(yè)提供快速方便的內(nèi)容獲取手段。

3.2 平面轉(zhuǎn)立體與虛擬視點的插幀技術(shù)

實拍立體圖像獲取的難點在于視點數(shù)越多所需相機(jī)鏡頭數(shù)或相機(jī)陣列越龐大，精度要求嚴(yán)，制作成本高。因此，將單幅平面圖象轉(zhuǎn)換為多視點立體圖像[7]，或者利用兩臺相機(jī)同步獲得的兩個視點的圖像通過圖形變形或者深度圖插幀生成中間各視點的虛擬視點插幀技術(shù)應(yīng)運而生。

單幅平面圖象轉(zhuǎn)換為立體圖像是利用圖像深度信息或?qū)D片中的區(qū)域賦予深度信息，根據(jù)深度信息的投影原理，在不同觀察點利用幾何關(guān)系平移變形得到具有視差的多幅視差圖。可利用Matlab建立曲面模型運算，通過建立的像素映射模型將有限視差圖像進(jìn)行虛擬視點插幀。有文獻(xiàn)提出稀疏攝像機(jī)陣列法和計算機(jī)生成法可大幅度地減小拍攝的相機(jī)的數(shù)量，對集成成像與立體影像獲取有一定指導(dǎo)意義[8]。

上述平面轉(zhuǎn)立體與虛擬視點的插幀技術(shù)存在一定的問題，主要是轉(zhuǎn)換效率與計算精度的矛盾，高質(zhì)量、高匹配精度虛擬視點需取樣點多，生成過程中需處理的數(shù)據(jù)量很大，實時操作困難。目前較為快速的方法還是以平移變形為主，視點圖像會出現(xiàn)扭曲變形的失真。

3.3 靜態(tài)3D圖像獲取的新進(jìn)展

集成成像技術(shù)源于100多年前法國物理學(xué)家Lippmann提出的集成攝影術(shù)[9]，它使用微透鏡陣列(lens array)來記錄和再現(xiàn)3D空間場景，具有水平和垂直方向的連續(xù)視差。早期由于微透鏡陣列制造困難和精度誤差，以及光學(xué)銀鹽記錄處理的不便，存在種種缺陷使其面世近百年而一直未能商業(yè)應(yīng)用推廣。

近年來，隨著精密加工技術(shù)和計算機(jī)處理技術(shù)的巨大進(jìn)步，集成成像3D顯示技術(shù)迎來了新的發(fā)展熱潮。在集成成像圖像獲取記錄方面，利用計算機(jī)仿真建模和虛擬采集記錄具有很高的記錄精度，在相機(jī)實拍參數(shù)設(shè)置及提高顯示分辨率方面也取得較大進(jìn)展[10]。集成成像顯示模式分為實模式、虛模式和聚焦模式3種，實模式、虛模式可重現(xiàn)清晰的高分辨率圖像[11]。此外，光場記錄3D圖像是另一種3D圖像獲取手段，有研究通過相機(jī)光學(xué)成像系統(tǒng)內(nèi)插微透鏡陣列，可同時抓取光場中的光強(qiáng)與視角，從而可重構(gòu)出場景中的3D圖像[12]。隨著3D成像理論研究的不斷深入以及對立體成像效果的不斷追求，集成成像、光場成像及全息成像技術(shù)逐步成為立體成像與顯示領(lǐng)域的重要研究熱點。

4 結(jié)論

伴隨著照相與銀鹽技術(shù)的出現(xiàn)，立體攝影與立體相機(jī)同步發(fā)展并奠定了現(xiàn)代立體顯示技術(shù)的基礎(chǔ)。攝影技術(shù)已完成了從黑白到彩色、從膠片到數(shù)碼的飛躍。經(jīng)過一個多世紀(jì)的歷程，立體影像技術(shù)現(xiàn)已滲透到電影、電視、通信、醫(yī)療、航天、網(wǎng)絡(luò)、游戲等廣泛領(lǐng)域。

與基于雙目視差原理的輔助立體影像技術(shù)比較，不需要借助任何輔助設(shè)備和立體眼鏡就可感受到逼真立體效果的裸眼立體影像技術(shù)，將成為當(dāng)前立體影像領(lǐng)域的熱點。由于裸眼立體影像內(nèi)容獲取需要多視點采集，采集設(shè)備匱乏，大多顯示應(yīng)用多依賴于3DMAX、瑪雅等3D軟件建模制作，制作難度大、周期長、速度慢。也有用單幅圖像的平面轉(zhuǎn)多視點立體圖像與利用兩視點立體圖像生成中間虛擬視點的插幀技術(shù)，但存在逼真度、轉(zhuǎn)換效率與計算精度的矛盾。對多鏡頭立體相機(jī)而言，視點多所需鏡頭多，相應(yīng)設(shè)備成本就越高。利用相機(jī)陣列組建采集系統(tǒng)是各個研究機(jī)構(gòu)的普遍做法，也是實拍3D圖像采集的重要手段，具有研究與推廣挖掘的價值。