專利名稱：用于三維測量和具有聚焦相關(guān)會聚補(bǔ)償?shù)脑O(shè)備及其使用方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明的領(lǐng)域本發(fā)明涉及立體或“三維”攝影術(shù)。
更具體地說，本發(fā)明涉及一種設(shè)備，該設(shè)備能夠同時(shí)獲得左眼和右眼景物，通過調(diào)整成象裝置的會聚角相對于景物之間的距離以及成象透鏡的焦距，該設(shè)備可使景物達(dá)到最大的重疊。本發(fā)明還涉及設(shè)備用于攝影測量術(shù)(從多個圖象導(dǎo)出三維測量數(shù)據(jù))的方法。
本發(fā)明的背景立體攝影術(shù)是通過記錄左眼和右眼的單獨(dú)圖象來獲得三維圖象的方法。取景器通過同時(shí)觀看兩個單獨(dú)的三維圖象來再現(xiàn)三維圖象。立體攝影術(shù)至少從19世紀(jì)后期就已經(jīng)有了，當(dāng)時(shí)立體取景器是一種普遍用于接待室的附屬設(shè)備。
這種立體景物在歷史上是在單個攝象機(jī)上裝的兩個透鏡來實(shí)的，兩個透鏡之間的距離約為人頭的兩眼間的距離。在50年代流行的Stereo Realist系列35mm靜止攝象機(jī)是這種成象的一個例子。左眼和右眼景物通過兩個透鏡/快門裝置被同時(shí)記錄在35mm膠卷的交替的幀上。后來的Nimslo系統(tǒng)采用了四個透鏡來實(shí)現(xiàn)基本相同的目的。
立體電影出現(xiàn)在50年代。圖象通常是用兩個同步的攝象機(jī)或單個攝象機(jī)中裝兩個透鏡來實(shí)現(xiàn)的。同樣，各種立體電視系統(tǒng)通常也是采用兩個攝象機(jī)(見Lipton等人的美國專利第4,583,117號)或裝有兩個透鏡的單個攝象機(jī)(Lipton等的美國專利第4,523,226號)。
所有的由多個攝象機(jī)組成的系統(tǒng)都有嚴(yán)重的缺點(diǎn)，由兩個攝象機(jī)組成一個完整的系統(tǒng)以及兩個單獨(dú)的圖象的同步(這對于膠卷(非視頻)的應(yīng)用來說特別是個問題)都會增加復(fù)雜性和成本。另外，采用兩個單獨(dú)的透鏡(不論是在一個還是兩個攝象機(jī)中)會帶來焦距和景物同步的問題。
這后一個問題確實(shí)需要解決，但是現(xiàn)有技術(shù)的裝置沒有對此有所涉及。簡單地并排設(shè)置兩個攝象機(jī)將使得能夠拍攝到左眼和右眼象，且攝象機(jī)能夠聚焦在任何物象上(雖然運(yùn)動物體的跟隨聚焦是成問題的)。然而，立體景象要比兩個眼睛復(fù)雜得多。一個簡單的實(shí)驗(yàn)將顯示出該問題。如果一個人把手指置于一臂的距離，并將其逐漸向面部移近，該人的眼睛所做的顯然不僅是聚焦在接近的手指上。他的各個眼睛還獨(dú)立地看著目標(biāo)，隨著手指接近面部而變得越來越“對眼”。由于沒有考慮這種適應(yīng)性，大多數(shù)三維電影在圖象的視距離改變時(shí)都會使人感覺不舒服，因?yàn)閿z象機(jī)的景象不象人的本能所期望的那樣移動。
另外，固定的會聚或部分或手動可調(diào)節(jié)的會聚系統(tǒng)沒有涉及到這樣的問題一即景象的重疊必須隨著透鏡的焦距和/或焦距的改變而改變。兩個圖象的重疊應(yīng)該被最大化，特別是在使兩個圖象數(shù)字化并采用該信息來形成周圍的三維圖象的系統(tǒng)中。這種借助攝影術(shù)來進(jìn)行準(zhǔn)確測量的方法被稱為“攝影測量術(shù)”。
已經(jīng)有了若干種裝置，采用單個的攝象機(jī)拍攝兩個圖象來簡化立體處理。其中多數(shù)采用了若干個鏡或棱鏡，或設(shè)在攝象機(jī)透鏡之前或者在次級透鏡與一對初級透鏡之間。
一種只對運(yùn)動圖象有用的方法，是依次把兩個圖象記錄在膠卷或視頻信號的交替的幀上。用膠卷時(shí)，采用一個同步旋轉(zhuǎn)鏡來選擇與膠卷快門或視頻掃描同步記錄的景物。這種裝置見Latulippe的美國專利第3,254,933號。如果是用視頻信號，系統(tǒng)對來自兩個源的交替的幀進(jìn)行電子選擇。這種方法具有若干個缺點(diǎn)，即要求復(fù)雜的同步眼鏡以進(jìn)行觀看，且只能夠應(yīng)用于電影或視頻應(yīng)用。
另一種方法是把兩個圖象同時(shí)并排或一個在另一個之上地記錄在各個幀上。該方法可應(yīng)用于任何形式的攝影術(shù)，靜止或運(yùn)動的、膠卷的圖象或視頻圖象。觀看得到了簡化，因?yàn)榭傆袃蓚€圖象，且采用單個透鏡的適配器不需要與膠卷傳送或視頻掃描相同步。
單純以棱鏡或鏡為基礎(chǔ)的立體攝象適配器已被靜止攝象機(jī)使用了一段時(shí)間。它們以與輔助廣角或望遠(yuǎn)適配器相同的方式被裝在攝象機(jī)透鏡之前。它們沒有在景物與透鏡間的距離改變時(shí)為了會聚或聚焦而的對適配器進(jìn)行調(diào)節(jié)的裝置。
Marks等的美國專利第4,1787090號，利用在單個透鏡之前的一種附加裝置，在單個的幀上產(chǎn)生了縱向位移的左和右圖象。一個圖象是直接的，而第二個是通過一對棱鏡拍攝的。在透鏡之前的一個可調(diào)節(jié)塊的頂部是固體玻璃而在底部是反射的。當(dāng)透鏡通過機(jī)械耦合該可調(diào)節(jié)塊的轉(zhuǎn)動控制器和一個轉(zhuǎn)動透鏡聚焦控制器的齒輪而聚焦時(shí)會聚即得到調(diào)節(jié)。這種調(diào)節(jié)對焦距的自動會聚控制是不夠的，因?yàn)閮蓚€景物中只有一個隨著塊的轉(zhuǎn)動而改變角度。
美國專利第4,436,369號顯示了一種以鏡為基的適配器，它利用了兩個帶有聯(lián)動的聚焦裝置初級透鏡。兩對固定的鏡將左和右圖象導(dǎo)向膠卷幀的頂部和底部。這些透鏡的光軸是平行且固定的，這意味著兩個透鏡的會聚或目標(biāo)點(diǎn)在透鏡聚焦時(shí)不會改變。
美國專利第4,525,045號也具有兩個初級透鏡和兩對固定的鏡/棱鏡。提供了一種“水平調(diào)節(jié)”，使得攝象者可以移動一個透鏡以補(bǔ)償兩個透鏡的縱向位移，但透鏡的光軸是固定且平行的。
美國專利第4,568,970號采用了一種適配器，它裝在電視攝象機(jī)的透鏡之前。采用了成對的鏡(

圖1)或棱鏡(圖2)在視頻幀上產(chǎn)生圖象對，取景器視孔前的一個類似裝置把兩個圖象再現(xiàn)為三維的單個圖象。一個旋鈕使操作者能夠手動調(diào)節(jié)鏡/棱鏡的光軸的會聚，以產(chǎn)生兩個并排的圖象。
本發(fā)明人發(fā)表的博士論文描述了在攝影測量術(shù)中對來自多個攝象機(jī)的多個圖象的使用″A Comparative Study of the Role of Vision andOlfaction During In-flight Maneuvers in Wind by Four Species ofInsects to Semichemicals″，Pieter Olivier Zanen，University ofMassachusetts，May 1993(UMIDissertation Services Order No.93-29,684)。采用一個以上的攝象機(jī)來導(dǎo)出用于攝影測量術(shù)中的圖象，把人限制在了靜止的設(shè)定，而當(dāng)采用電子分析運(yùn)動景物時(shí)，要求攝象機(jī)精確地同步，以便使兩個圖象能夠被準(zhǔn)確地同時(shí)拍攝。
本發(fā)明的概述在本發(fā)明的最佳實(shí)施例中，包括了一種適配器，它具有分成兩對的四個鏡，它們位于一個攝象機(jī)的透鏡之前。四個鏡的各自中心都對準(zhǔn)在一條公共的中心線上，外面的兩個鏡沿著透鏡的光軸大體向外，而里面的兩個鏡大體向著透鏡的內(nèi)部。外面兩個鏡的中心彼此相距相當(dāng)于兩眼間的距離。里面的兩個鏡一起大得足以覆蓋透鏡的整個視野區(qū)，每一個透鏡覆蓋透鏡視野區(qū)的一半。外面的兩個鏡比里面的一對大，且大得足以覆蓋里面一對的視野區(qū)，以避免視野區(qū)的減小。
外面的兩個鏡的會聚可通過一個聯(lián)動裝置使它們繞著自身的中心線同時(shí)和相等地旋轉(zhuǎn)而得到調(diào)節(jié)。中心的兩個鏡可以是固定的，或者可以通過旋轉(zhuǎn)而得到調(diào)節(jié)，從而使每一個鏡的一側(cè)保持與另一個鏡沿著攝象機(jī)透鏡的光軸緊密接觸的狀態(tài)，且每一個都與光軸成45°或更小的角。
外鏡的致動裝置最好與一個環(huán)相連，該環(huán)緊密地裝在透鏡的聚焦環(huán)周圍，從而使焦距的改變自動引起圖象的會聚度的重新調(diào)節(jié)。或者，使外面的鏡的致動裝置受到一個與取景透鏡獨(dú)立的聚焦裝置的控制，從而使鏡的會聚度自動跟蹤景物的距離。整個組件被裝在一個防塵和防光的外殼中，該外殼被裝在透鏡上。
本發(fā)明的設(shè)備對于攝影測量術(shù)是特別有用的，因?yàn)槭褂迷撛O(shè)備可獲得最大的圖象重疊，且該設(shè)備是袖珍的。本發(fā)明還包括把這種設(shè)備或包括該設(shè)備的母體設(shè)備用于攝影測量術(shù)以確定象素在圖象中的三維位置的方法。
附圖的簡要描述圖1顯示了帶有自動聚焦/會聚調(diào)節(jié)的本發(fā)明的裝置的最佳實(shí)施例。
圖2顯示了帶有用于內(nèi)鏡的角度調(diào)節(jié)的一種替代實(shí)施例和一種把外面的兩個鏡連接在一起的替代方法。
圖3顯示了另一替代實(shí)施例，它采用桿來代替齒輪和齒條來移動外面的鏡，使外鏡繞著位于它們的內(nèi)端處的而不是其中心的一個縱向軸作樞軸轉(zhuǎn)動。
圖4是另一替代實(shí)施例的示意圖，它采用桿來移動外鏡。
圖5是另一替代實(shí)施例的示意圖，它采用桿來移動外鏡，與圖4的實(shí)施例類似。
圖6是另一替代實(shí)施例的示意圖，它采用桿來移動外鏡，與圖4的實(shí)施例類似，但內(nèi)鏡也得到調(diào)節(jié)。
圖7是另一替代實(shí)施例的示意圖，它采用桿來移動外鏡，與圖6的實(shí)施例類似，但內(nèi)鏡在不同點(diǎn)得到調(diào)節(jié)，更適合于借助變焦距的會聚調(diào)節(jié)。
圖8顯示了另一實(shí)施例，其中用伺服裝置代替了圖1和2中的銷和槽的裝置。
圖9顯示了采用光學(xué)聚焦傳感器來自動聚焦/會聚調(diào)節(jié)本發(fā)明裝置的最佳實(shí)施例。
圖10顯示了一替代實(shí)施例，可對內(nèi)鏡的角度作調(diào)節(jié)，并顯示了把外面的兩個鏡連接在一起的另一方法，以及用超聲傳感器來測物象距離。
圖11顯示了采用CCD成象傳感器代替外鏡的另一替代實(shí)施例，其中成象傳感器的會聚受到視頻攝象機(jī)的聚焦以母體設(shè)備應(yīng)用的方式進(jìn)行控制。
圖12是用CCD傳感器代替內(nèi)鏡以產(chǎn)生兩個圖象的另一替代實(shí)施例，并用一個超聲傳感器來確定景物的距離。
圖13是裝有本發(fā)明設(shè)備的視頻攝象機(jī)的示意圖，被用于本發(fā)明的方法來確定景物的三維位置。
圖14為裝有本發(fā)明的設(shè)備的視頻攝象機(jī)的示意圖，該攝象機(jī)被用于本發(fā)明的方來確定景物的三維位置，并用來校準(zhǔn)三維測量系統(tǒng)。
圖15是從圖13的裝置得到的一個圖象。
圖16是從圖14的裝置得到的一個校準(zhǔn)圖象。
對最佳實(shí)施例的描述本發(fā)明提供了一種用于產(chǎn)生景物的一對圖象的設(shè)備，即左和右圖象，根據(jù)景物的距離調(diào)整圖象采集裝置的會聚可使圖象達(dá)到最大的重疊。本發(fā)明的設(shè)備特別適用于攝影測量，尤其是近距離的攝影測量，因?yàn)槿绻粋€人有兩個圖象，并知道這些圖象是如何獲得的(即圖象發(fā)生器的會聚)，則該人能夠通過適當(dāng)選擇一個校準(zhǔn)圖來導(dǎo)出物體在三維圖象中的位置。
圖1為本發(fā)明的示意圖，它是從攝象機(jī)(1)的底部顯示的。本發(fā)明的適配器被很好地放在一個防水和防塵的外殼(19)中，該外殼是傳統(tǒng)的，勿需作具體描述。該適配器借助任何適當(dāng)?shù)难b置如桿(3)和梯形螺釘(2)沿著透鏡(4)的光軸(10)被安裝在攝象機(jī)(1)上。沒有顯示攝象機(jī)(1)的細(xì)節(jié)，因?yàn)楸景l(fā)明的適配器不限于任何具體的攝象機(jī)種類，靜止、電影或視頻攝象機(jī)。本發(fā)明的適配器的各種分，借助傳統(tǒng)的裝置(為了清晰地顯示和描述本發(fā)明的新穎之處而未顯示)，被裝在外殼(19)中并被外殼(19)所支撐。
本發(fā)明采用了四個鏡來產(chǎn)生所要求的兩個圖象兩個內(nèi)鏡(16)和兩個外鏡(12)。兩外鏡(12)相距適當(dāng)?shù)木嚯x，最好大體是人的平均目間距離。對特殊的應(yīng)用，諸如偵察等，該間隔可按本發(fā)明指導(dǎo)材料增大。來自外鏡(12)的兩個圖象被反射到內(nèi)鏡(16)并以單個的分開的并排圖象進(jìn)入透鏡(4)。
在圖1顯示的本發(fā)明的最佳實(shí)施例中，內(nèi)鏡(16)被固定，而外鏡(12)繞處于它們中心的樞軸(13)旋轉(zhuǎn)。虛線(11)顯示，四個鏡的中心沿著線(11)同軸，而線(11)表示透鏡光軸線(10)相垂直。
兩個外鏡(12)被聯(lián)動在一起，從而使它們一起轉(zhuǎn)動，但沿著相反的方向(即一個逆時(shí)針轉(zhuǎn)動時(shí)另一個順時(shí)針轉(zhuǎn)動)，從而同時(shí)且相等地改變兩個鏡的會聚度。在圖1的設(shè)置中，中心齒輪(17)的轉(zhuǎn)動被轉(zhuǎn)變成第一(15)和第二(18)齒條的直線運(yùn)動，這些齒條位于齒輪相對的側(cè)面。齒條(15)和(18)隨后將它們的直線運(yùn)動轉(zhuǎn)回來帶動鏡(12)上的齒輪(14)轉(zhuǎn)動，使得鏡(12)在它們的樞軸(13)上轉(zhuǎn)動。
由圖1可見，第一齒條(15)與鏡中心線(11)相交，并與下齒條(18)位于齒輪(14)的同一側(cè)上。這是保證兩個鏡(12)沿著相反的方向轉(zhuǎn)動所必需的。圖2顯示了對鏡(12)聯(lián)動以進(jìn)行相反轉(zhuǎn)動的另一種方法，其中只有一個齒條(18)直接地移動一個鏡(12)，而另一個鏡則由連接各個鏡的相反端部的交叉桿(25)移動。另一種可能的設(shè)置是采用交叉帶或鏈(圖8)來連接兩個鏡上的齒輪。
中心齒輪(17)由齒條(8)的直線進(jìn)出運(yùn)動來轉(zhuǎn)動。與齒條(8)的端部相連的是一個銷(9)，它沿著安裝托架(3)中的一個槽(7)滑動。因此，銷向著攝象機(jī)(1)進(jìn)、退運(yùn)動，使齒條(8)轉(zhuǎn)動中心齒輪(17)，后者又通過齒條(15)和(18)使鏡(12)以相反的方向進(jìn)行相等的樞軸轉(zhuǎn)動。
攝象機(jī)透鏡(4)具有一個圍繞著其聚焦環(huán)安裝的套筒(6)，套筒(6)的轉(zhuǎn)動造成透鏡(4)的聚焦。該套筒(6)可被滑動安裝在透鏡上，或最好具有一個或多個設(shè)定螺釘將其牢固地固定在聚焦上。
套筒(6)上有一個機(jī)加工形成的槽(5)，齒條(8)上的(9)裝入該槽中。借助這種設(shè)置，透鏡的聚焦裝置的轉(zhuǎn)動使套筒(6)轉(zhuǎn)動，槽(5)使銷(9)里外地移動齒條(8)，這樣便使外鏡(12)按如上所述方式進(jìn)行轉(zhuǎn)動。
在其最簡單的形式中，如果所有事情都是完美的，槽(5)只需要是沿著套筒(6)的簡單的螺旋槽。不幸的是，多數(shù)透鏡的聚焦不是完全線性的。即，聚焦環(huán)的一個給定的轉(zhuǎn)動，不總是得到透鏡至景物距離的相同改變反應(yīng)。鏡的會聚度調(diào)節(jié)可能，也可能不跟隨透鏡聚焦的非線性而成線性形式。由此，可見槽(5)也需要被制成非線性的。在圖1和2中，顯示了兩種不同的非線性形式。槽(5)的實(shí)際形式需要針對透鏡與鏡的各種組合來確定。
因此，本發(fā)明的設(shè)置允許利用傳統(tǒng)的單個透鏡攝象機(jī)產(chǎn)生分割屏幕的左/右圖象，其中左和右圖象的會聚由攝象機(jī)透鏡的聚焦進(jìn)行自動控制?？傊?，由于透鏡(4)通過轉(zhuǎn)動聚焦環(huán)而得到聚焦，繞著該環(huán)的套筒(6)也轉(zhuǎn)動。銷(9)處于套筒(6)中具有適當(dāng)形狀的槽(5)中，并里外地移動齒條(8)。齒條(8)的運(yùn)動轉(zhuǎn)動一個中心齒輪(17)，該中心齒輪(17)至少通過一個齒條(15)調(diào)節(jié)外鏡(12)的會聚。外鏡(12)借助一個聯(lián)動裝置而沿著相反的方向同時(shí)且相等地運(yùn)動。這種聯(lián)動裝置可以是第二齒條(18)，或者是鏡之間的一個簡單連接桿(25，圖2)。
圖2顯示了內(nèi)鏡(16)在需要時(shí)如何被調(diào)節(jié)，以校正視場等。兩個鏡(16)交會在中心樞軸(23)處并鉸接在一起，軸(23)與沿著透鏡(4)的光軸(10)延伸的一個螺線桿(21)的端部相連。該桿的另一端有一個旋鈕(20)，它從外殼(19)伸出，使用者可對其調(diào)節(jié)。螺線桿(21)被螺旋地?cái)Q過塊(24)，滑動裝置(26)垂直于桿(21)沿鏡(11)的中心線通過塊(24)。兩個內(nèi)鏡(16)的中心被裝在樞軸(22)上，而樞軸(22)能夠沿著滑動裝置(26)自由滑動，因此，當(dāng)旋鈕(20)被轉(zhuǎn)動時(shí)，螺線桿(21)在塊(24)中轉(zhuǎn)動，使得中心樞軸(23)的端部被拉向或離開塊(24)。在中心樞軸(23)移向塊時(shí)，樞軸(22)沿著滑動裝置(26)滑動，使得兩個內(nèi)鏡(16)之間的角變得平坦。同樣，如果中心樞軸(23)離開塊(24)，樞軸(22)向內(nèi)滑動，把兩個內(nèi)鏡(16)拉成更為小的銳角。
圖3顯示了本發(fā)明的另一種更簡單的替代實(shí)施例。在透鏡上的致動裝置與在前述實(shí)施例中的相同，通過齒條(8)和中心盤(35)。兩個致動桿(32)和(33)連接在中心盤(35)直徑的兩端相對應(yīng)的點(diǎn)上，并以偏移連桿(30)接在外鏡(12)的縱向樞軸(13)上，該樞軸(13)則位于外鏡的內(nèi)端。樞軸連接件(31)保證了桿在裝置移動時(shí)的自由運(yùn)動，當(dāng)透鏡環(huán)(4)向著距透鏡較近的景物聚焦時(shí)，銷(9)被槽(5)向外移動，從而推開齒條(8)。這樣便轉(zhuǎn)動了中心齒輪(17)，齒輪(17)又逆時(shí)針轉(zhuǎn)動了中心盤(35)。當(dāng)中心盤(35)逆時(shí)針轉(zhuǎn)動時(shí)，致動桿(32)和(33)向外移動，推動偏移桿(30)并使外鏡(12)向內(nèi)樞軸轉(zhuǎn)動。這使得外鏡(12)的視場會聚。
圖4至7顯示了本發(fā)明的其他實(shí)施例。在每種實(shí)施例中，當(dāng)透鏡聚焦或變焦距時(shí)，不論通過前面圖中顯示的槽和銷的設(shè)置并借助圖8顯示的伺服裝置，還是借助其他的裝置，推拉桿(43)都向著或離開透鏡(未顯示)移動。在這些圖的每一個中，外鏡(12)的內(nèi)端借助縱向樞軸(45)而安裝在一個框(44)上。內(nèi)鏡(16)也可以被固定在同一框(44)上，如圖4和5所示，或者用樞軸(62)裝在框上，如圖6和圖7所示。
在圖4中，只要簡單地將推拉桿(43)穿過框(44)向外延伸到兩個外鏡(12)之間的一個點(diǎn)處的一個樞軸連接件(41)即可致動。致動桿(42)通過附加樞軸連接件(41)向外把該樞軸連接件接到鏡(12)上。當(dāng)推拉桿(43)被拉回向透鏡(如虛線箭頭所示)時(shí)，外鏡(12)的視場會聚。
圖5是類似的，利用了相同的致動桿(42)和樞軸連接件(41)設(shè)置，但位于框(44)和鏡(12)和(16)之后。外鏡(12)被偏移桿(50)所致動，與圖3中采用的類似。在此情況下，把推拉桿(43)推離透鏡即可使外鏡(12)的視場會聚。
圖6采用了與圖5相同的設(shè)置，來移動外鏡(12)。在此設(shè)置中，內(nèi)鏡(16)，通過使內(nèi)鏡桿(60)從內(nèi)鏡(16)的外端移向接近外鏡(12)縱向軸(45)的一個點(diǎn)，而致動。
如圖7所示，移動該連接點(diǎn)，設(shè)計(jì)者能夠調(diào)節(jié)內(nèi)鏡(16)與外鏡(12)的相對運(yùn)動。在圖7中，內(nèi)鏡桿(60)的連接點(diǎn)大體移向外鏡(12)的中心，這使得內(nèi)鏡(16)相對于外鏡的移動比圖6的設(shè)置中的移動更大。內(nèi)鏡(16)的樞軸點(diǎn)(62)移向與外鏡(12)的樞軸(45)在同一線上的一個點(diǎn)。圖6的設(shè)置的這些改變所帶來的結(jié)果是，內(nèi)鏡(16)和外鏡(12)在這些鏡與透鏡的光軸之間的角度改變時(shí)保持平行，且移動相同的量。圖7的設(shè)置對于推拉桿響應(yīng)焦距(變焦距)而不是聚焦的改變而移動的應(yīng)用中是有用的。
某些自動聚焦或電聚焦透鏡不具有當(dāng)透鏡聚焦時(shí)轉(zhuǎn)動的聚焦環(huán)，或者也許該聚焦環(huán)位于透鏡筒之內(nèi)或機(jī)械裝置不容易到達(dá)的地方；該機(jī)械裝置，諸如圖1至3的槽和銷裝置。本發(fā)明的適配器在這種攝象機(jī)系統(tǒng)中仍然能夠采用。如圖8所示，諸如步進(jìn)馬達(dá)、伺服裝置、或螺線管的電致動器(85)可用來驅(qū)動致動桿(83)，通過偏移桿(30)轉(zhuǎn)動外鏡(12)。當(dāng)然，這種具體的桿設(shè)置只是示例性的，也可以采用圖1至7中顯示的其他設(shè)置或其他的變形。如果需要，可以加上另一個電致動器(84)，以借助諸如內(nèi)致動桿(82)和內(nèi)偏移桿(81)的裝置，來單獨(dú)地調(diào)節(jié)內(nèi)鏡(16)。這兩種電致動器能夠借助現(xiàn)有技術(shù)中的任何電路來操作，諸如微處理器或分立驅(qū)動電路，它們被用以聚焦并改變透鏡(4)的焦距的同一電路所驅(qū)動?；蛘撸梢詮膶?shí)際安裝在透鏡上的一個電位置傳感器導(dǎo)出一個致動信號。
本發(fā)明還能夠以這樣的方式構(gòu)成，即由至景物的焦距來控制會聚，但此控制與攝象機(jī)獨(dú)立。這對某些情況是有利的，因?yàn)樗恍枰拚龜z象機(jī)或提供適配器環(huán)以響應(yīng)攝象機(jī)透鏡的調(diào)節(jié)。如果攝象機(jī)具有內(nèi)部聚焦透鏡，就不需要裝可接觸的聚焦環(huán)，而且不可能或不希望在攝象機(jī)內(nèi)安裝電子設(shè)備來獲得聚焦信號。相反地，可以用一個獨(dú)立的聚焦傳感器來確定從設(shè)備至景物的距離。
在圖9-11中，與上述實(shí)施例中采用的相同的部件將不再單獨(dú)討論，除非對附圖的具體實(shí)施例的理解需要。
圖9顯示了本發(fā)明，它是從攝象機(jī)(1)的底部顯示的，與圖1的設(shè)置相應(yīng)。中心齒輪(17)被齒條(8)的線性進(jìn)出運(yùn)動所轉(zhuǎn)動，而齒條(8)與伺服馬達(dá)(103)的致動臂(104)相連。這種伺服裝置可以是通過商業(yè)獲得的很多種伺服裝置或步進(jìn)馬達(dá)中的任何一種。因此致動臂(104)的運(yùn)動使齒條(8)轉(zhuǎn)動中心齒輪(17)，而中心齒輪(17)又通過齒條(15)和(18)使兩個外鏡(12)在樞軸上互向相反方向作相等的轉(zhuǎn)動。
一種光學(xué)聚焦傳感器(101)，如果需要它還帶有一個相應(yīng)的透鏡(100)，借助現(xiàn)有技術(shù)中在視頻攝象機(jī)或自動聚焦″對準(zhǔn)—拍照″靜止攝象機(jī)中通常采用的裝置，確定從本發(fā)明的設(shè)備至景物的距離，并向伺服馬達(dá)(103)提供控制信號。該光學(xué)傳感器可是通常用的聚焦傳感器中的任何一種，也可利用諸如紅外或最大對比度檢測等于此用途中任何光學(xué)方法。
因此，本發(fā)明的設(shè)置允許利用傳統(tǒng)的單透鏡攝象機(jī)產(chǎn)生分開屏幕左/右圖象，左和右圖象的會聚由聚焦傳感器自動控制。
圖10顯示本發(fā)明的另一實(shí)施例，其中采用一個超聲傳感器(102)來確定景物距離。該超聲傳感器可以是在Polaroid快照攝象機(jī)中已經(jīng)使用多年的那種，它從景物反射一系列的超聲“脈沖束”，并提供與信號的返回延遲(即距離)成比例的聚焦信號。
該聚焦信號驅(qū)動一種電致動器(85)，諸如步進(jìn)馬達(dá)、伺服裝置或螺線管等，該致動器能夠用來驅(qū)動致動桿(83)以通過偏移(30)來轉(zhuǎn)動外鏡(12)，這與圖8的實(shí)施例相應(yīng)。當(dāng)然，這種具體的桿設(shè)置是示例性的，也可以采用所示的其他設(shè)置或其他的變形。如果需要，可以加上另一個電致動器(84)，以借助諸如內(nèi)致動桿(82)和內(nèi)偏移桿(81)裝置，來單獨(dú)地調(diào)節(jié)內(nèi)鏡(16)。這兩種電致動器能夠借助現(xiàn)有技術(shù)中的任何電路來操作，諸如微處理器或分立驅(qū)動電路—它們被裝在本發(fā)明設(shè)備中的距離傳感器所驅(qū)動。
本發(fā)明的進(jìn)一步的變形是用CCD成象傳感器來代替單個的攝象機(jī)透鏡，以產(chǎn)生用于本發(fā)明的方法的兩個圖象?？缮虡I(yè)獲得的小的CCD傳感器/透鏡模塊適于這種應(yīng)用。使用這類傳感器有兩種基本方式可用它們代替外鏡—如圖11所示，或者用來代替內(nèi)鏡如圖12所示。
圖11顯示了本發(fā)明的一個實(shí)施例，其中外鏡被一對CCD成象傳感器模塊(112)所取代。最初用于CIP的方法中，該設(shè)備的裝置—它控制成象傳感器模塊(112)的會聚—被視頻攝象機(jī)(1)的自動聚焦裝置所驅(qū)動。視頻攝象機(jī)(1)既被用作對準(zhǔn)也被用作聚焦裝置。如在最初的應(yīng)用中所做的，兩個致動桿(32)和(33)連接在中心盤(35)直徑的兩端相對應(yīng)的點(diǎn)上并用偏移桿(30)與傳感器(112)的縱向樞軸(13)相連，而縱向樞軸(13)位于傳感器的內(nèi)端。樞軸連接件(31)保證了桿在裝置移動時(shí)的自由運(yùn)動。當(dāng)透鏡環(huán)(4)向著距透鏡較近的景物聚焦時(shí)，銷(9)被槽(5)向外移動，從而把齒條(8)推開。這樣便轉(zhuǎn)動了中心齒輪(17)，齒輪(17)又逆時(shí)針轉(zhuǎn)動中心盤(35)。當(dāng)中心盤(35)逆時(shí)針轉(zhuǎn)動時(shí)，致動桿(32)和(33)向外移動，推動偏移桿(30)并使CCD傳感器(112)向內(nèi)樞軸轉(zhuǎn)動。這使得CCD(12)的視場會聚。
圖12中完全除去攝象機(jī)，使系統(tǒng)進(jìn)入下一步。代之以其他實(shí)施例中，由背對背地安裝在內(nèi)鏡的位置上的一對CCD傳感器(116)和(117)來產(chǎn)生雙圖象。外鏡(12)借助偏移推桿(30)、樞軸連接件(31)和致動桿(32)而繞外鏡的內(nèi)端(34)轉(zhuǎn)動。致動桿(32)和(33)連在中心盤(35)的相對的兩側(cè)上，該中心盤在超聲聚焦傳感器(118)的控制下由伺服裝置或步進(jìn)馬達(dá)(115)轉(zhuǎn)動。
在圖11或12的兩個設(shè)置的任何一個中，兩個CCD傳感器將需要被仔細(xì)地同步，以使圖象精確地在同一瞬間被拍攝。
應(yīng)該理解的是，聚焦傳感器的機(jī)械設(shè)置(推桿、齒條、伺服等)和聚焦傳感器的類型(光學(xué)、超聲或攝象機(jī))，在本發(fā)明所述的范圍內(nèi)，可以進(jìn)行″混合和匹配的″，給出的實(shí)例顯示了具體的各種類型的組合，但并不排除其他的類型。
本發(fā)明的設(shè)備可以容易地被用來確定景物的三維空間(x，y和x軸)的位置，且一旦校準(zhǔn)，將能夠方便地借助甚至袖珍設(shè)備進(jìn)行這種測量。圖13和14顯示了用在本發(fā)明的方法中的本發(fā)明的設(shè)備。在圖13中，試圖確定蒼蠅(135)的位置，而蒼蠅正在飛過該裝置的視場。本發(fā)明的適配器(133)—它與視頻攝象機(jī)(130)相連—對著觀察方向。根據(jù)本發(fā)明的指導(dǎo)材料，透鏡(131)得到聚焦，且外鏡(132)和(136)進(jìn)行樞軸轉(zhuǎn)動，以會聚它們的視場。鏡(132)和(136)的視場分別用虛線(134)和(149)顯示。來自兩個鏡的圖象的景深分別用一對弧(148)和(147)表示，它們的重疊部分覆蓋了蒼蠅(135)的距離，表示透鏡(131)的景深包括了景物及其周圍的區(qū)域。
鏡相對于透鏡(131)的角度(137)是直接利用樞軸上的量化器或適合于該設(shè)備的機(jī)械設(shè)計(jì)的其他裝置測量的，或者根據(jù)鏡(131)的聚焦距離或者用聚焦傳感器(如果設(shè)備的實(shí)施例包括一個的話)推出。
本發(fā)明的測量方法如下首先，借助以下步驟對設(shè)備進(jìn)行校準(zhǔn)(見圖14和16)1.把設(shè)備對準(zhǔn)具有已知的三維空間位置的多個校準(zhǔn)目標(biāo)(139)中的一個，這些目標(biāo)經(jīng)選擇充滿圖象幀并包括目標(biāo)距離上的透鏡景深。最好是采用十六或更多的目標(biāo)，且處于距攝象機(jī)的不同距離上。這意味著目標(biāo)的大小將隨著它們距設(shè)備的距離而改變，并在各個距離上充滿了視場。對于每一個目標(biāo)，將測量已知位置的多個點(diǎn)。在該例子中只顯示了十二個測量點(diǎn)(141)，它們被排列成三行(142)、(143)和(144)并具有不同的高度。實(shí)際的校準(zhǔn)目標(biāo)測量點(diǎn)的設(shè)置不是重要的。
2.攝象機(jī)(130)上的聚焦圖象，其目標(biāo)上的所有的測量點(diǎn)都在透鏡的景深內(nèi)。同時(shí)，根據(jù)本發(fā)明的指導(dǎo)調(diào)節(jié)鏡(132)和(136)的會聚角度(140)，從而使左和右圖象的視場在景深區(qū)域上完全重疊。這產(chǎn)生了兩個視頻圖象(圖16)—左(152)和右(153)，以及鏡角度(140)。
3.對于每一個測量點(diǎn)，在兩個圖象的每一個上a)測量點(diǎn)(160)的圖象的兩維位置。例如，在左圖象上，測量點(diǎn)(160)的象出現(xiàn)在x(155)和y(157)，而在右圖象上則是出現(xiàn)在x(156)和y(158)。x和y坐標(biāo)可以是相對于各個軸的中間的(0，0)，如圖所示，或者相對于所希望的任何坐標(biāo)系。若需要，可采用距圖象中心的一個“角度和距離”量度(ρ和θ)，而對計(jì)算也進(jìn)行適當(dāng)?shù)男拚?br> b)代入三維測量點(diǎn)的實(shí)際坐標(biāo)(相對于設(shè)備的位置)。
c)對其余目標(biāo)測量點(diǎn)進(jìn)行重復(fù)。
4.從存儲在目標(biāo)上的各個測量點(diǎn)的x和y坐標(biāo)，以及測量點(diǎn)的實(shí)際已知坐標(biāo)，計(jì)算校準(zhǔn)圖的三維空間的位置，以求得鏡的該角度(即景物距離)。
5.對其余的校準(zhǔn)目標(biāo)在多個距離(即鏡角度)重復(fù)步驟3和4。
隨后，用該設(shè)備和方法(圖5)1.把設(shè)備對準(zhǔn)并聚焦于景物(135)；2.記錄每一個圖象上的景物的位置(左圖象(150)上的XL和YL，右圖象(151)上的XR和YR)。
3.測量或?qū)С鲧R(136)的角度(137)。
4.根據(jù)角度(137)選擇校準(zhǔn)圖。
5.通過從各個圖象x和y位置的插值法并利用步驟4中的角度選定的校準(zhǔn)圖，再現(xiàn)景物(135)的三維位置。
從兩維圖象計(jì)算物體的位置的方法的例子，見已發(fā)表的論文″RationalDesign for Close-Range Photogrammetry″，Genaro T.Marzan，University of Illinois at Urbana-Champaign，Ph.D.1976；UniversityMicrofilms International Dissertation Information Service number76-16，161(220頁)。
權(quán)利要求
1.一種用單個透鏡產(chǎn)生三維圖象的透鏡裝置，它用于具有圍繞光軸相對稱的視場的透鏡，以及使透鏡對選定距離進(jìn)行聚焦的聚焦裝置，a)右和左內(nèi)鏡，兩個內(nèi)鏡位于透鏡的前方并沿著透鏡的光軸對內(nèi)朝向透鏡，基本覆蓋了透鏡的整個視場，兩內(nèi)鏡在透鏡的光軸的一端彼此相連，從而使兩個內(nèi)鏡形成了相對于透鏡的光軸對稱的銳角；b)右和左外鏡，兩個外鏡都比內(nèi)鏡大并位于內(nèi)鏡之外，向外對著景物，從而使內(nèi)鏡的幾乎整個視場都被外鏡所覆蓋，該外鏡能夠繞一個縱軸作樞軸轉(zhuǎn)動；c)聯(lián)動裝置，用于使外鏡同時(shí)繞它們的縱軸沿著相反的方向作樞軸轉(zhuǎn)動，它具有用于致動該聯(lián)動裝置的控制輸入部分，從而使控制輸入部分的運(yùn)動造成右和左外鏡作相等、相反且同時(shí)的樞軸轉(zhuǎn)動，從而使控制輸入部分沿著一個方向的運(yùn)動造成外鏡的視場的會聚，而控制輸入部分沿著相反方向的運(yùn)動造成外鏡視場的發(fā)散；以及d)適配器裝置，用于響應(yīng)于透鏡的聚焦裝置的致動而移動聯(lián)動裝置的控制輸入部分，它與聯(lián)動裝置的控制輸入部分和透鏡的聚焦裝置相連，從而當(dāng)透鏡聚焦在選定的距離時(shí)，外鏡的視場會聚在選定的距離。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的透鏡裝置，其中每個內(nèi)鏡的安裝與透鏡的光軸成45°角。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的透鏡裝置，還包括調(diào)節(jié)內(nèi)鏡與透鏡的光軸的角度的級聯(lián)裝置，從而使兩個內(nèi)鏡在該角度被調(diào)節(jié)時(shí)與透鏡的光軸保持相同的角度。
4.根據(jù)權(quán)利要求3的透鏡裝置，其中用于調(diào)節(jié)內(nèi)鏡的角度的級聯(lián)裝置包括a)位于透鏡的光軸與外鏡的中心線的交點(diǎn)處的一個中心塊，它具有沿著透鏡的光軸方向的第一孔和沿著鏡的中心線方向的第二孔；b)在兩個內(nèi)鏡的邊彼此相接的接點(diǎn)處的一個中心樞軸，兩個鏡的連接部是可移動的；c)位于鏡的中心線上的一個滑動裝置，它通過中心塊的第二孔并位于透鏡的光軸的中心，具有兩個端部而其長度足以使該滑動裝置的端部至少伸過內(nèi)鏡而到達(dá)鏡的中心線上；d)兩個滑動樞軸，每一個都具有一個孔滑動裝置被滑動地插入該孔，并具有一個樞軸，內(nèi)鏡之一以可樞軸轉(zhuǎn)動的方式裝在其中心線上；從而當(dāng)中心樞軸沿著光軸向著中心塊移動時(shí)，與內(nèi)鏡連接到的滑動樞軸在滑動裝置上向外滑動且內(nèi)鏡在其上作樞軸轉(zhuǎn)動，從而使內(nèi)鏡與光軸之間的角度變得平坦并使每個內(nèi)鏡保持在與透鏡的光軸處于相同角度的狀態(tài)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4的透鏡裝置，其中中心塊的第一孔是帶螺線的且該透鏡裝置還包括具有匹配螺線的一個帶螺線調(diào)節(jié)桿，該桿通過中心塊的第一孔并與中心樞軸相連，從而使中心樞軸在帶螺線調(diào)節(jié)桿在帶螺線的第一孔中擰動時(shí)沿著透鏡的光軸移動。
6.根據(jù)權(quán)利要求3的透鏡裝置，其中用于調(diào)節(jié)內(nèi)鏡的角度的級聯(lián)裝置包括a)在兩個內(nèi)鏡的邊緣連接在一起的接點(diǎn)是一個中心樞軸，兩個鏡之間的連接是可移動的；b)第一聯(lián)動桿，它具有在內(nèi)鏡離中心樞軸最遠(yuǎn)的邊緣附近活動地與該內(nèi)鏡相連的第一端和與位于透鏡的光軸的相同側(cè)上的外鏡活動地相接的第二端；c)第二聯(lián)動桿，其第一端在另一內(nèi)鏡離中心樞軸最遠(yuǎn)一該中心樞軸處于與第一聯(lián)動桿的第一端與其內(nèi)鏡相連的連接點(diǎn)相同的點(diǎn)一的邊緣附近與該鏡活動地相連，其第二端在外鏡的一點(diǎn)一該點(diǎn)與第一聯(lián)動桿的第二端與其外鏡相連的點(diǎn)是同一點(diǎn)一與位于透鏡的光軸的同一側(cè)上的外鏡活動地相連；因而當(dāng)外鏡在它們的樞軸上運(yùn)動時(shí)，第一和第二聯(lián)動桿使得內(nèi)鏡同時(shí)作相等、相反的運(yùn)動。
7.根據(jù)權(quán)利要求6的透鏡裝置，其中第一和第二聯(lián)動桿的第二端與外鏡的連接點(diǎn)在外鏡的中心附近。
8.根據(jù)權(quán)利要求6的透鏡裝置，其中第一和第二聯(lián)動桿的第二端與外鏡的連接點(diǎn)在外鏡的樞軸點(diǎn)附近。
9.根據(jù)權(quán)利要求1的透鏡裝置，其中聯(lián)動裝置包括a)位于鏡的中心線上的一個中心齒桿齒輪；b)位于外鏡之一的縱軸處的一個鏡齒桿齒輪，從而使鏡齒桿齒輪的轉(zhuǎn)動使外鏡沿著其縱軸作樞軸轉(zhuǎn)動；c)一個齒條，它把中心齒桿齒輪與鏡齒桿齒輪連接起來，從而使得中心齒桿齒輪的轉(zhuǎn)動造成齒條的直線運(yùn)動，使鏡齒桿齒輪轉(zhuǎn)動并造成外鏡的樞軸轉(zhuǎn)動；以及d)連接裝置，用于使另一外鏡進(jìn)行與具有鏡齒桿齒輪的那個外鏡作相等且相反的運(yùn)動。
10.根據(jù)權(quán)利要求9的透鏡裝置，其中用于使外鏡作樞軸轉(zhuǎn)動的連接裝置包括一個與右外鏡的一端和左外鏡的相對端相連的聯(lián)動桿。
11.根據(jù)權(quán)利要求9的透鏡裝置，其中用于使外鏡樞軸轉(zhuǎn)動的連接裝置包括一個第二鏡齒桿齒輪和把中心齒桿齒輪連接到第二鏡齒桿齒輪的一個第二齒條，從而使中心齒桿齒輪的轉(zhuǎn)動造成第二齒條的線性運(yùn)動，進(jìn)而使第二鏡齒桿齒輪轉(zhuǎn)動并使外鏡進(jìn)行與另一外鏡的樞軸轉(zhuǎn)動相等且相反的樞軸轉(zhuǎn)動。
12.根據(jù)權(quán)利要求9的透鏡裝置，其中聯(lián)動裝置的控制輸入部分包括與中心齒桿齒輪相連的控制齒條，從而使控制齒條的線性運(yùn)動帶動中心齒桿齒輪的轉(zhuǎn)動。
13.根據(jù)權(quán)利要求1的透鏡裝置，其中用于響應(yīng)透鏡的聚焦環(huán)的致動而移動聯(lián)動裝置的控制輸入部分的適配器裝置包括a)一個適配器套筒，該筒至少包圍透鏡的聚焦環(huán)的一部分，并與該環(huán)相連以便一起轉(zhuǎn)動。且其上有一個螺旋槽；b)位于控制輸入部分上的一個銷；c)該銷被保持在適配器套筒的螺旋槽中，從而使適配器套筒的轉(zhuǎn)動造成銷的線性且與適配器套筒的轉(zhuǎn)動成比例的運(yùn)動。
14.根據(jù)權(quán)利要求13的透鏡裝置，其中螺旋槽是這樣配置的，即銷的線性運(yùn)動造成了聯(lián)動裝置使外鏡作樞軸轉(zhuǎn)動，從而使外鏡的視場隨著透鏡焦距的改變而重疊在透鏡的選定焦距處。
15.根據(jù)權(quán)利要求1的透鏡裝置，其中用于使外鏡樞軸轉(zhuǎn)動作的聯(lián)動裝置包括一對桿，這些桿的外端與外鏡相連并與外鏡樞軸轉(zhuǎn)動所圍繞的縱軸相距一定的距離，而桿的內(nèi)端彼此相連并同與透鏡的光軸相平行的致動桿相連。
16.根據(jù)權(quán)利要求1的透鏡裝置，其中外鏡繞其作樞軸轉(zhuǎn)動的縱軸位于外鏡的內(nèi)端，外鏡還包括一個偏移桿，該桿具有與外鏡在其縱軸處相連并從該樞軸向后延伸的第一端，并具有一個第二端，用于使外鏡作樞軸轉(zhuǎn)動的聯(lián)動裝置包括一對桿，這些桿的外端與偏移桿的第二端相連，而內(nèi)端彼此相連并同與透鏡的光軸相平行的致動桿相連。
17.根據(jù)權(quán)利要求1的透鏡裝置，其中適配器裝置包括一個電致動器，該致動器具有用于表示透鏡的聚焦的電信號的電輸入端和與聯(lián)動裝置的控制輸入部分相連的機(jī)械輸出部分，具有響應(yīng)于電輸入端上的電信號的運(yùn)動，從而使表示透鏡聚焦的電信號將鏡的會聚適當(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié)到透鏡的焦點(diǎn)。
18.根據(jù)權(quán)利要求17的透鏡裝置，其中電致動器是一個螺線管。
19.根據(jù)權(quán)利要求17的透鏡裝置，其中電致動器是一個步進(jìn)開關(guān)。
20.根據(jù)權(quán)利要求17的透鏡裝置，其中電致動器是一個伺服裝置。
21.根據(jù)權(quán)利要求1的透鏡裝置，其中透鏡是可變焦距透鏡且適配器裝置隨透鏡的焦距的改變而移動。
22.用于利用單個透鏡產(chǎn)生三維圖象的透鏡裝置，用于與具有繞光軸對稱的視場的透鏡和用于把該透鏡聚焦于選定的距離的聚焦裝置一起使用，包括a)右和左內(nèi)鏡，兩個內(nèi)鏡位于透鏡的前方并沿著透鏡的光軸向內(nèi)對著透鏡，基本覆蓋了透鏡的整個視場，該內(nèi)鏡在透鏡的光軸的一端彼此相連，從而使兩個內(nèi)鏡形成了對于透鏡的光軸對稱的銳角；b)右和左外鏡，兩個外鏡都比內(nèi)鏡大并位于內(nèi)鏡之外，向外對著景物，從而使內(nèi)鏡的幾乎整個視場都被外鏡所覆蓋，該外鏡能夠繞一個縱軸作樞軸轉(zhuǎn)動；c)聯(lián)動裝置，用于使外鏡同時(shí)繞它們的縱軸沿著相反的方向作樞軸轉(zhuǎn)動，它具有用于致動該聯(lián)動裝置的控制輸入部分，從而使控制輸入部分的運(yùn)動造成右和左外鏡同時(shí)作相等、相反的樞軸轉(zhuǎn)動，從而使控制輸入部分沿著一個方向的運(yùn)動造成外鏡的視場的會聚，且控制輸入部分沿著相反方向的運(yùn)動造成外鏡的視場的發(fā)散；以及d)距離測量裝置，用于測量設(shè)備與景物之間的距離，它具有對設(shè)備與景物之間的距離成比例的控制輸出，以及e)驅(qū)動裝置，用于響應(yīng)于距離測量裝置的控制輸出而移動聯(lián)動裝置的控制輸入部分，從而使外鏡的視場在距離測量裝置所測量的距離處重疊。
23.根據(jù)權(quán)利要求22的透鏡裝置，其中各個內(nèi)鏡相對于透鏡的光軸成45°角安裝。
24.根據(jù)權(quán)利要求22的透鏡裝置，進(jìn)一步包括用于調(diào)節(jié)內(nèi)鏡與透鏡的光軸的角度的級聯(lián)裝置，從而使兩個內(nèi)鏡在該角度得到調(diào)節(jié)時(shí)與透鏡的光軸保持相同的角度。
25.根據(jù)權(quán)利要求24的透鏡裝置，其中用于調(diào)節(jié)內(nèi)鏡的角度的級聯(lián)裝置包括a)位于透鏡的光軸與外鏡的中心線的交點(diǎn)處的一個中心塊，它具有沿著透鏡的光軸方向的第一孔和沿著鏡的中心線的第二孔；b)位于兩個內(nèi)鏡的邊彼此相連的點(diǎn)處的一個中心樞軸，兩個鏡之間的連接部是可移動的；c)位于鏡的中心線上的一個滑動裝置，它通過中心塊的第二孔且其中心位于透鏡的光軸，具有兩個端部和足以使該滑動裝置的端部至少通過在鏡的中心線上延伸的長度；d)兩個滑動樞軸，每一個都具有一個孔一通過該孔滑動件被可以滑動地插入，并且具有一個樞軸，內(nèi)鏡之一以可樞軸轉(zhuǎn)動的方式被安裝在其中心線上；因而當(dāng)中心樞軸沿著光軸向著中心塊移動時(shí)，與內(nèi)鏡相連接的滑動樞軸在滑動裝置上向外滑動且內(nèi)鏡在其上作樞軸轉(zhuǎn)動，從而使內(nèi)鏡與光軸之間的角度變得平坦并把各個內(nèi)鏡保持在處于與透鏡的光軸成相同角度的狀態(tài)。
26.根據(jù)權(quán)利要求25的透鏡裝置，其中中心塊的第一孔是帶螺線的；且該透鏡裝置進(jìn)一步包括具有匹配螺線的一個帶螺線的調(diào)節(jié)桿，該桿通過中心塊的第一孔并與中心樞軸相連，從而使中心樞軸當(dāng)帶螺線的調(diào)節(jié)桿在帶螺線的第一孔中擰動時(shí)沿著透鏡的光軸移動。
27.根據(jù)權(quán)利要求24的透鏡裝置，其中用于調(diào)節(jié)內(nèi)鏡的角度的級聯(lián)裝置包括a)在兩個內(nèi)鏡的邊緣連接在一起的點(diǎn)處的一個中心樞軸，兩個鏡之間的連接部是可移動的；b)第一聯(lián)動桿，它具有在內(nèi)鏡離中心樞軸最遠(yuǎn)的邊緣附近與該鏡活動相連的第一端和與位于透鏡的光軸的同一側(cè)上的外鏡活動相連的第二端；c)第二聯(lián)動桿，它具有一個第一端，該第一端與另一內(nèi)鏡在該鏡最遠(yuǎn)離中心樞軸，該中心樞軸處于與第一聯(lián)動桿的第一端與其內(nèi)鏡相連的連接點(diǎn)相同的點(diǎn)一的邊緣附近與該鏡活動地相連，且該第二聯(lián)動桿還具有一個第二端，該第二端在外鏡的一點(diǎn)，該點(diǎn)與第一聯(lián)動桿的第二端與其外鏡相連的點(diǎn)是同一點(diǎn)一與位于透鏡的光軸的同一側(cè)上的外鏡活動地相連；因而當(dāng)外鏡在它們的樞軸上運(yùn)動時(shí)，第一和第二聯(lián)動桿使得內(nèi)鏡同時(shí)作相等、相反的運(yùn)動。
28.根據(jù)權(quán)利要求27的透鏡裝置，其中第一和第二聯(lián)動桿的第二端與外鏡的連接點(diǎn)在外鏡的中心附近。
29.根據(jù)權(quán)利要求27的透鏡裝置，其中其中第一和第二聯(lián)動桿的第二端與外鏡的連接點(diǎn)在外鏡的樞軸點(diǎn)附近。
30.根據(jù)權(quán)利要求22的透鏡裝置，其中聯(lián)動裝置包括a)位于鏡的中心線上的一個中心齒桿齒輪；b)位于外鏡之一的縱軸處的一個鏡齒桿齒輪，從而使鏡齒桿齒輪的轉(zhuǎn)動帶動外鏡沿著其縱軸作樞軸轉(zhuǎn)動；c)一個齒條，它把中心齒桿齒輪與鏡齒桿齒輪連接起來，從而使得中心齒桿齒輪的轉(zhuǎn)動造成齒條的直線運(yùn)動，促使鏡齒桿齒輪轉(zhuǎn)動并造成外鏡的樞軸轉(zhuǎn)動；以及d)連接裝置，用于使另一外鏡進(jìn)行與具有鏡齒桿齒輪的外鏡作相等方向相反的運(yùn)動。
31.根據(jù)權(quán)利要求30的透鏡裝置，其中用于使外鏡作樞軸轉(zhuǎn)動的連接裝置包括與右外鏡的一端和左外鏡的相反的一端相連的一個聯(lián)動桿。
32.根據(jù)權(quán)利要求30的透鏡裝置，其中用于使外鏡作樞軸轉(zhuǎn)動的連接裝置包括一個第二鏡齒桿齒輪和把中心齒桿齒輪連接到第二鏡齒桿齒輪的一個第二齒條，從而使中心齒桿齒輪的轉(zhuǎn)動造成第二齒條的線性運(yùn)動，進(jìn)而使第二鏡齒桿齒輪轉(zhuǎn)動并使外鏡進(jìn)行與另一外鏡作相等方向相反的樞軸轉(zhuǎn)動。
33.根據(jù)權(quán)利要求30的透鏡裝置，其中聯(lián)動裝置的控制輸入部分包括與中心齒桿齒輪相連的一個控制齒條，從而使控制齒條的線性運(yùn)動造成中心齒桿齒輪的轉(zhuǎn)動。
34.根據(jù)權(quán)利要求33的透鏡裝置，其中距離測量裝置是一種光學(xué)聚焦傳感器。
35.根據(jù)權(quán)利要求33的透鏡裝置，其中距離測量裝置是一種超聲傳感器。
36.根據(jù)權(quán)利要求33的透鏡裝置，其中用于使外鏡作樞軸轉(zhuǎn)動的聯(lián)動裝置包括一對桿，這些桿的外端與外鏡相連并與外鏡樞軸轉(zhuǎn)動所圍繞的縱軸相距一定的距離，而桿的內(nèi)端彼此相連并同與透鏡的光軸相平行的致動桿相連。
37.根據(jù)權(quán)利要求33的透鏡裝置，其中外鏡繞其作樞軸轉(zhuǎn)動的縱軸位于外鏡的內(nèi)端，外鏡還包括一個偏移桿，該桿具有與外鏡在其縱軸相連并從該樞軸向后延伸的第一端，并具有一個第二端，用于使外鏡作樞軸轉(zhuǎn)動的聯(lián)動裝置包括一對桿，這些桿的外端與偏移桿的第二端相連，而內(nèi)端彼此相連并同與透鏡的光軸相平行的致動桿相連。
38.根據(jù)權(quán)利要求33的透鏡裝置，其中驅(qū)動裝置包括一個電致動器，該致動器具有用于表示透鏡的聚焦的電信號的電輸入端和與聯(lián)動裝置的控制輸入部分相連的機(jī)械輸出部分，具有響應(yīng)于電輸入端上的電信號的運(yùn)動，從而使表示透鏡的聚焦的電信號將鏡的會聚適當(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié)到透鏡的焦點(diǎn)。
39.根據(jù)權(quán)利要求38的透鏡裝置，其中電致動器是一個螺線管。
40.根據(jù)權(quán)利要求38的透鏡裝置，其中電致動器是一個步進(jìn)開關(guān)。
41.根據(jù)權(quán)利要求38的透鏡裝置，其中電致動器是一個伺服裝置。
42.一種用于產(chǎn)生三維圖象的設(shè)備，包括a)右和左光學(xué)成象傳感器，它們向外對著景物，該光學(xué)成象傳感器能夠繞縱軸作樞軸轉(zhuǎn)動；b)聯(lián)動裝置，用于使光學(xué)成象傳感器繞它們的縱軸沿著相反的方向作樞軸轉(zhuǎn)動，并具有用于致動聯(lián)動裝置的控制輸入部分，從而使控制輸入部分的運(yùn)動造成右和左光學(xué)成象傳感器同時(shí)作相等、相反地軸轉(zhuǎn)動，從而使控制輸入部分沿著一個方向的運(yùn)動造成光學(xué)成象傳感器的視場會聚，而控制輸入部分沿著相反方向的運(yùn)動造成光學(xué)成象傳感器的視場發(fā)散；以及c)距離測量裝置，用于測量設(shè)備與景物之間的距離，它具有對設(shè)備與景物之間的距離成比例的控制輸出，且d)驅(qū)動裝置，用于響應(yīng)于距離測量裝置的控制輸出來移動聯(lián)動裝置的控制輸入部分，從而使光學(xué)成象傳感器的視場在距離測量裝置測定的距離處重疊。
43.根據(jù)權(quán)利要求42的設(shè)備，其中光學(xué)成象傳感器是CCD成象檢測器。
44.根據(jù)權(quán)利要求42的設(shè)備，其中距離測量裝置是視頻攝象機(jī)的自動聚焦裝置。
45.用于產(chǎn)生三維圖象的設(shè)備，包括a)右和左光學(xué)成象傳感器，兩個光學(xué)成象傳感器的中心線都與從設(shè)備至一個景物的直線相垂直，并從該直線面向外面。b)右和左外鏡，兩個外鏡都比光學(xué)成象傳感器大并位于光學(xué)成象傳感器的外側(cè)，并向外對著景物，從而使光學(xué)成象傳感器的幾乎整個視場都被外鏡所覆蓋，該外鏡能夠繞一個縱軸作樞軸轉(zhuǎn)動；c)聯(lián)動裝置，用于使外鏡同時(shí)繞它們的縱軸互作相反方向的樞軸轉(zhuǎn)動，它具有用于致動聯(lián)動裝置的控制輸入部分，從而使控制輸入部分的運(yùn)動造成右和左外鏡同時(shí)作相等、方向相反的樞軸轉(zhuǎn)動，從而使控制輸入部分沿著一個方向的運(yùn)動造成外鏡的視場的會聚，而控制輸入部分沿著相反的方向的運(yùn)動造成外鏡的視場的發(fā)散；以及d)距離測量裝置，用于測量設(shè)備與景物之間的距離，它具有與對設(shè)備景物之間的距離成比例的控制輸出，以及e)驅(qū)動裝置，用于響應(yīng)于距離測量裝置的控制輸出來移動聯(lián)動裝置的控制輸入部分，從而使外鏡的視場在距離測量裝置測得的距離處重疊。
46.根據(jù)權(quán)利要求45的設(shè)備，其中光學(xué)成象傳感器是CCD成象傳感器。
47.單個透鏡產(chǎn)生三維圖象的設(shè)備所產(chǎn)生的左和右圖象來測量三維空間中的景物的位置的方法，該設(shè)備具有把透鏡聚焦到選定距離的聚焦裝置，以及向外對著對象的右和左外鏡，外鏡能夠繞一個縱軸同時(shí)且方向相反地作樞軸轉(zhuǎn)動，從而使外鏡與透鏡的焦距一起得到調(diào)節(jié)，與透鏡的焦距會聚成一個會聚角，該方法包括以下步驟a)借助位于三維空間中的已知位置的具有多個測量點(diǎn)的多個目標(biāo)來校準(zhǔn)設(shè)備，從而產(chǎn)生多個校準(zhǔn)圖，各個圖都以會聚角為索引且每一個都包括表示每個左和右圖象中的目標(biāo)上的測量點(diǎn)的位置的多個兩維坐標(biāo)，以及表示三維空間中目標(biāo)的測量點(diǎn)的實(shí)際位置的多個坐標(biāo)；b)把設(shè)備對準(zhǔn)景物，同時(shí)會聚外鏡從而使圖象的重疊達(dá)到最大；c)測量外鏡的會聚角；d)選擇與測得的會聚角最匹配的校準(zhǔn)圖；e)測量景物在每個左和右圖象的中的兩維位置；以及f)利用測量到的左和右圖象中景物的兩維位置，從選定的校準(zhǔn)圖確定景物在三維空間中的實(shí)際位置。
48.根據(jù)權(quán)利要求47的方法，其中校準(zhǔn)步驟(a)包含以下步驟a)選擇多個目標(biāo)，每一個都具有已知位置的多個測量點(diǎn)；b)把設(shè)備對準(zhǔn)多個目標(biāo)中的一個；c)把設(shè)備聚焦在該目標(biāo)上，從而使目標(biāo)基本上完全處于透鏡的景深中，使得鏡的會聚度得到相應(yīng)調(diào)節(jié)；d)測量會聚角；e)測量左和右圖象中的目標(biāo)的各個測量點(diǎn)的兩維圖象坐標(biāo)；f)把該目標(biāo)的各個測量點(diǎn)的左和右兩維圖象坐標(biāo)存儲在一個以會聚角為索引的校準(zhǔn)圖中；g)把該目標(biāo)的各個測量點(diǎn)的實(shí)際位置存儲在以會聚角為索引的校準(zhǔn)圖中；以及h)對其余的目標(biāo)重復(fù)步驟(b)至(g)。
49.權(quán)利要求48的方法，其中每一個目標(biāo)的尺寸都是經(jīng)過選擇的， 以便在選擇的距離上基本上完全地充滿了透鏡的視場和景深區(qū)。
50.根據(jù)權(quán)利要求47的方法，其中兩維圖象坐標(biāo)是以x和y為直角坐標(biāo)測量的。
51.根據(jù)權(quán)利要求47的方法，其中兩維圖象坐標(biāo)是以ρ和θ為極坐標(biāo)而測量的。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種立體或“三維”攝影術(shù)。更具體地說,本發(fā)明涉及一種設(shè)備,該設(shè)備能夠同時(shí)獲得左眼和右眼景物,且該設(shè)備通過調(diào)整成象裝置的會聚角相對于景物之間的距離以及成象透鏡的焦距,而使景物達(dá)到最大的重疊。本發(fā)明還涉及用于攝影測量術(shù)(從多個圖象導(dǎo)出三維測量數(shù)據(jù))的方法。
文檔編號G01C11/06GK1187251SQ96194497
公開日1998年7月8日 申請日期1996年6月5日 優(yōu)先權(quán)日1995年6月6日
發(fā)明者彼得·贊恩 申請人:彼得·贊恩