静态立体图像获取的历史与进展

谢俊国， 顾金昌， 赵 慧

(1. 广东轻工职业技术学院 信息技术学院， 广东 广州 510300;2. 上海艺影数码科技有限公司， 上海 201107)

1 前言

立体影像的显示有辅助立体和裸眼立体两大显示技术[1]，辅助立体需要观察者佩戴立体眼镜、立体镜或立体头盔方可观察到立体图像；裸眼立体显示技术则不需要带眼镜等辅助装置即可观察到立体图像。两种技术都源于早期的立体摄影技术。

19世纪上半叶在视觉生理学、光学和银盐感光技术取得进步基础上发展出立体影像技术：1838年Wheatstone发明立体镜揭示视差机理[2]，1839年法国的达盖尔(J.M.Daguerre)发明银盐照相技术，1841年英国物理学家塔尔伯特(F.Talbot)利用两台单镜头相机合并设计的立体相机问世，出现了静态立体图像获取的最早记录。

历史上，立体摄影技术曾经经历了几次发展的高峰阶段：首先，19世纪中后期伴随立体镜的出现和普及产生了规模空前的立体照片热，形成了世界立体摄影史上第一次立体相机的大繁荣；第二次世界大战后至上世纪50年代，依托先进的机械、光学和银盐技术进步，大批采用135和120胶卷的高精度新型立体相机陆续问世，掀起第二次立体摄影热潮[3]；此时期立体影像大多通过各种立体镜等辅助装置观赏；至20世纪80～90年代，伴随彩色胶片和冲扩技术的普及，基于柱镜光栅技术的覆膜相纸和多镜头立体相机出现，国际上又掀起一阵立体摄影热潮。光栅法立体照片技术奠定了现代裸眼立体显示的基础，也是立体相机实拍获取静态立体图像的最早应用[4]。

2 胶片时代相机实拍获取静态立体图像的历程

2.1 双镜头立体相机的静态立体图像获取

风靡于19世纪中后期的立体镜催生了双镜头立体相机的盛起。利用相机实拍获取静态立体图像的最早记录，源自1841年英国物理学家塔尔伯特(F.Talbot)用两台单镜头相机合并设计的立体相机。之后，为立体观片器或立体镜提供立体摄影素材的各种双镜头立体相机层出不穷。较具代表性的立体相机为1856年法国出品的Stereo-Daguerreotype牌立体相机，使用5×8英寸页片，如图1所示。

图1 Stereo-daguerreotype双镜头立体相机Stereo-daguerreotype dual-lens stereo camera

20世纪中叶，伴随机械机械加工技术进步，大批采用135和120胶卷的高精度、紧凑型立体相机陆续问世，较典型的有1950年柯达公司生产的Stereo Realist立体相机和1951年德国制造的ILOCA model II立体照相机。

国内批量生产双镜头立体相机的厂家不多，2007年杭州立体世界摄影器材有限公司研发的LT120-1立体照相机问世，采用120胶卷。该机虽具有3个镜头，但顶部镜头用于取景，所以仍归类于双镜头立体相机。双镜头立体相机以立体图对为基础，也即现在所称的双视点拍摄，其静态图像的立体显示或观赏大多需要借助辅助装置如立体镜、立体眼镜等。

2.2 多镜头立体相机的静态立体图像获取

在20世纪50年代印刷领域出现了一种柱镜光栅产品，用于塑料文具用品，呈现不同角度画面切变俗称变画的玩具用品。这种柱镜光栅产品也可实现裸眼的立体图像呈现，摆脱了早期立体图像观赏需要借助辅助工具观看的不便。若应用于高质量立体照片，则立体相机需要3个以上镜头才能达到较好的立体观赏效果，这就催生了多镜头立体相机的出现。

最先问世的是NIMSLO牌四镜头立体相机，于上世纪80年代在美国出现。该立体相机最初由苏格兰的Timex公司生产，后有日本东京Sunpak公司生产，美国NIMSLO公司总经销。1982年NIMSLO四镜头立体相机被美国《Modern Photography》杂志评选为年度名牌相机(图2)。该相机采用135胶卷，每次拍摄曝光4幅18 mm×24 mm半格底片，标准135胶卷一卷可拍18张四格底片，拍摄成本较低。但该机拍摄完的胶卷须送回NIMSLO公司特约冲印店进行冲洗扩印，可输出3.5、4.5英寸和最大8×10英寸的柱镜光栅立体照片。

图2 NIMSLO四镜头立体相机NIMSLO Four Lens Stereo Camera

1988年，中国香港3D Image Technology公司推出了NISHIKA N8000型的四镜头立体相机，并于1990年德国科隆相机博览会上又推出了三镜头立体相机。

自1992年始，广东江门雄霸立体光学器材有限公司推出长润牌3D-1、3D-5、3D-8等系列四镜头立体相机与立体彩扩机，形成从立体拍摄、冲洗扩印到大幅面立体广告灯箱制作的较具规模的产业。《照相机》杂志也于1994年用一年多连续刊载浙江大学光学工程专家董太和教授撰写的有关立体照相理论及实践系列讲座，为立体摄影在国内的普及做出巨大贡献[5]。

光栅立体照片属裸眼立体显示，较多的镜头视点使观赏范围内立体图像连贯和自然，有更好的显示效果。因此，更多镜头数目的立体相机是实拍立体图像获取的进一步追求。

1999年上海照相机厂出品了海鸥3D120-Ⅲ五镜头立体照相机，该机采用120或220胶卷，每次拍摄获得每幅5格6 cm×4.5 cm底片，该机外形尺寸为 390 mm×141 mm×170 mm，重达3.7 kg，在一些影楼用于高端立体婚纱摄影。

鉴于相机成本原因，目前还未见有厂家规模生产更多镜头的立体相机，所见的六、八甚至十二镜头立体相机多为数台普通相机或多镜头立体相机拼接而成。

图3为作者于2003年利用两台长润3D-8四镜头立体相机改装成功的八镜头立体相机，该改装相机采用135胶卷，每次拍摄曝光8幅18 mm×24 mm半格底片，标准135胶卷一卷可拍9张八格底片，其拍摄素材最大可制作16寸立体相片。该改装的立体相机拍摄的底片经数字化后相当于八视点采集，可应用于现在8视点裸眼立体显示器的3D内容制作。

图3 改装的八镜头立体相机Eight-lens stereo camera

3 数字时代静态立体图像的获取

3.1 多镜头数码立体相机与相机阵列

21世纪是一个飞速发展的数码信息时代，在立体图像的获取领域，数码相机替代胶片相机是不争的实事，立体影像全面进入数码时代。

与胶片时代立体相机的发展历程类似，最先面市的数码立体相机为双镜头立体相机。日本富士公司于2009年推出了其首台双镜头3D立体相机W1，之后又推出新型号W3。国内的凤凰光学股份有限公司于2011年推出PH-C1双镜头数码立体相机。

双镜头立体相机拍摄的双视点内容除了可用于辅助立体显示外，也可用于裸眼立体显示，特别是带有人眼追踪识别系统的立体显示器[6]，但这种裸眼立体显示只适合单人观赏，多人观赏仍需多视点裸眼立体显示。采集立体图像需要更多的镜头。

目前，立体图像数码采集大多采用低成本的单相机加导轨拍静物，多台数码相机组合成相机阵列适合动态拍摄。图4为上海艺影数码科技有限公司开发的三数码相机组合相机阵列拍摄系统；图5为广东轻工职业技术学院研制的可快速调节间距的数码相机阵列拍摄系统，该相机阵列拍摄系统由8～12台高质量微型单反相机、滑动轨道及X型铰接组件等构成，相机通过L型安装板与X型铰接组件相连，可以根据实际需要调整相机自身的方位，能快速等间隔调整各个相机镜头之间的间距。

图4 三数码相机组合拍摄系统Combination of three digital cameras

图5 可变间距的数码相机阵列拍摄系统An autostereoscopic 3D shooting system with adjustable spacing between camera arrays

电子控制系统具有同步快门，同步无线传输，同步闪光等功能，可实时采集动态或静态裸眼立体影像，为立体影像业提供快速方便的内容获取手段。

3.2 平面转立体与虚拟视点的插帧技术

实拍立体图像获取的难点在于视点数越多所需相机镜头数或相机阵列越庞大，精度要求严，制作成本高。因此，将单幅平面图象转换为多视点立体图像[7]，或者利用两台相机同步获得的两个视点的图像通过图形变形或者深度图插帧生成中间各视点的虚拟视点插帧技术应运而生。

单幅平面图象转换为立体图像是利用图像深度信息或将图片中的区域赋予深度信息，根据深度信息的投影原理，在不同观察点利用几何关系平移变形得到具有视差的多幅视差图。可利用Matlab建立曲面模型运算，通过建立的像素映射模型将有限视差图像进行虚拟视点插帧。有文献提出稀疏摄像机阵列法和计算机生成法可大幅度地减小拍摄的相机的数量，对集成成像与立体影像获取有一定指导意义[8]。

上述平面转立体与虚拟视点的插帧技术存在一定的问题，主要是转换效率与计算精度的矛盾，高质量、高匹配精度虚拟视点需取样点多，生成过程中需处理的数据量很大，实时操作困难。目前较为快速的方法还是以平移变形为主，视点图像会出现扭曲变形的失真。

3.3 静态3D图像获取的新进展

集成成像技术源于100多年前法国物理学家Lippmann提出的集成摄影术[9]，它使用微透镜阵列(lens array)来记录和再现3D空间场景，具有水平和垂直方向的连续视差。早期由于微透镜阵列制造困难和精度误差，以及光学银盐记录处理的不便，存在种种缺陷使其面世近百年而一直未能商业应用推广。

近年来，随着精密加工技术和计算机处理技术的巨大进步，集成成像3D显示技术迎来了新的发展热潮。在集成成像图像获取记录方面，利用计算机仿真建模和虚拟采集记录具有很高的记录精度，在相机实拍参数设置及提高显示分辨率方面也取得较大进展[10]。集成成像显示模式分为实模式、虚模式和聚焦模式3种，实模式、虚模式可重现清晰的高分辨率图像[11]。此外，光场记录3D图像是另一种3D图像获取手段，有研究通过相机光学成像系统内插微透镜阵列，可同时抓取光场中的光强与视角，从而可重构出场景中的3D图像[12]。随着3D成像理论研究的不断深入以及对立体成像效果的不断追求，集成成像、光场成像及全息成像技术逐步成为立体成像与显示领域的重要研究热点。

4 结论

伴随着照相与银盐技术的出现，立体摄影与立体相机同步发展并奠定了现代立体显示技术的基础。摄影技术已完成了从黑白到彩色、从胶片到数码的飞跃。经过一个多世纪的历程，立体影像技术现已渗透到电影、电视、通信、医疗、航天、网络、游戏等广泛领域。

与基于双目视差原理的辅助立体影像技术比较，不需要借助任何辅助设备和立体眼镜就可感受到逼真立体效果的裸眼立体影像技术，将成为当前立体影像领域的热点。由于裸眼立体影像内容获取需要多视点采集，采集设备匮乏，大多显示应用多依赖于3DMAX、玛雅等3D软件建模制作，制作难度大、周期长、速度慢。也有用单幅图像的平面转多视点立体图像与利用两视点立体图像生成中间虚拟视点的插帧技术，但存在逼真度、转换效率与计算精度的矛盾。对多镜头立体相机而言，视点多所需镜头多，相应设备成本就越高。利用相机阵列组建采集系统是各个研究机构的普遍做法，也是实拍3D图像采集的重要手段，具有研究与推广挖掘的价值。