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CN102725688B - 使用单成像路径生成三维图像信息的方法和装置 - Google Patents

使用单成像路径生成三维图像信息的方法和装置 Download PDF

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CN102725688B CN200980161394.6A CN200980161394A CN102725688B CN 102725688 B CN102725688 B CN 102725688B CN 200980161394 A CN200980161394 A CN 200980161394A CN 102725688 B CN102725688 B CN 102725688B
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Abstract

公开了一种使用具有相关视场的单成像路径生成三维图像的方法和装置。该方法包括分别通过单成像路径的第一和第二部分选择性地接收第一和第二图像，第一部分具有视场内的第一视角视点，而第二部分具有视场内的第二视角视点。第一和第二图像一起可操作地用于表征视场内物体的三维空间属性。该方法还包括改变成像路径的第一和第二部分的范围，以在接收第一和第二图像时使得第一和第二视角视点的位置变化，该视角视点位置的变化导致三维空间属性的表征的相应变化。该方法进一步包括补偿通过成像路径的第一和第二部分的传输中的变化，从而当改变第一和第二部分的范围时，与第一和第二图像中的每一个相关的图像强度保持在大体均匀的图像强度水平上。

Description

使用单成像路径生成三维图像信息的方法和装置
技术领域
本发明一般涉及生成三维图像信息，并更特别地涉及使用单成像路径生成三维图像信息。
背景技术
成像一般包括在合适的图像传感器处通过接收场景内物体放射或反射的辐射从而生成该场景的表征。可能进行成像的辐射的一些例子包括可见光、红外光或热、射频波、声波以及超声波。
三维(3D)场景包括深度信息，所述深度信息在很多成像系统中由于被映射在二维(2D)像平面上而未被保存。常规的摄像机是一种光学成像系统的例子，其中，深度信息未被保存并生成表征场景的2D图像。立体光学系统能够通过在不同的视角视点上生成独立的图像，以生成表征深度信息的图像。例如，该深度信息可被用于生成场景中点与点之间的3D尺寸。可选择的是，该独立的图像可被分别呈现给用户的左眼和右眼，使得用户能够感知具有在该图像中表征的至少某一深度的图像视觉。立体系统由此生成具有空间上分离的视角视点的图像，所述视角视点模仿人眼在观察真实场景时的行为。可通过使用某种形式的主动型眼镜或者通过操作显示器以将空间上分离的图像分别投影至用户的左眼和右眼而观察图像。
立体成像的使用可应用在外科手术中，其中，3D内窥镜可被用于为外科医生提供3D视觉。立体成像对于远程操作例如海底勘探同样也是具有使用价值的，其中，通过为远离机器致动器的操作员提供3D图像信息，使得机器致动器的操控更加便利。立体成像的其他应用可在物理测量系统和娱乐业中被发现。
发明内容
依照本发明的一个方案，提供一种使用具有相关视场的单成像路径生成三维图像信息的方法。该方法包括分别通过单成像路径的第一部分和第二部分选择性地接收第一图像和第二图像，该第一部分具有视场内的第一视角视点，而该第二部分具有视场内的第二视角视点。该第一图像和第二图像一起可操作地用于表征视场内物体的三维空间属性。该方法还包括改变成像路径的第一部分和第二部分的范围，以在接收第一图像和第二图像时使得该第一视角视点和第二视角视点的位置变化，该视角视点位置的变化导致三维空间属性的表征的相应变化。该方法进一步包括补偿通过该成像路径的第一部分和第二部分的传输中的变化，从而当改变该第一部分和第二部分的范围时，与该第一图像和第二图像中的每一个相关的图像强度被保持在大体均匀的图像强度水平上。
选择性地接收该第一图像和第二图像可包括在图像传感器处接收该第一图像和第二图像，并且补偿传输中的变化可包括以下其中之一：响应于该成像路径的第一部分和第二部分范围的减小，增大与该图像传感器相关的曝光；响应于该成像路径的第一部分和第二部分范围的增大，减小与该图像传感器相关的增益；响应于该成像路径的第一部分和第二部分范围的减小，增大通过该成像路径的整体透射率；以及响应于该成像路径的第一部分和第二部分范围的增大，减小通过该成像路径的整体透射率。
选择性地接收该第一图像和第二图像可包括交替地：在接收第二图像时阻挡成像路径的第一部分，而在接收第一图像时阻挡成像路径的第二部分。
交替地阻挡该成像路径的第一部分或第二部分可包括：使得位于该成像路径的孔径平面附近的阻挡元件在成像路径的第一位置和第二位置之间移动，以限定该成像路径的第一部分和第二部分的变化范围。
使得该阻挡元件移动可包括：产生可操作的力以使该阻挡元件交替地朝向第一位置和第二位置的其中之一移动，接收表征该阻挡元件地位置的位置信号，以及响应于该位置信号而控制该力的大小，以使得该阻挡元件停止在该第一位置和第二位置的其中之一处。
交替地阻挡该成像路径的第一部分和第二部分可包括：选择性地激励位于该成像路径的孔径平面附近的光学元件的第一区域和第二区域，以选择性地阻挡该成像路径的第一部分和第二部分。
该光学元件可包括多个元件，并且选择性地激励该第一区域和第二区域可包括选择性地激励以下其中之一：多个元件中的第一组元件以及多个元件中的第二组元件。
可响应于接收激励信号而可操作地激励所述多个元件中的每个元件，并且改变该成像路径的第一部分和第二部分的范围可包括：生成激励信号，使得该第一组元件和第二组元件中的多个元件选择性地改变，以改变该成像路径的第一部分和第二部分的范围。
选择性地激励该光学元件的第一区域和第二区域可包括：选择性地激励透射性光学元件的第一区域和第二区域，该透射性光学元件被设置用于使光分别通过该单成像路径的第一部分和第二部分透射。
选择性地激励该透射性光学元件的第一区域和第二区域可包括：选择性地激励液晶元件与光阀的其中之一的第一区域和第二区域。
选择性地激励该光学元件的第一区域和第二区域可包括：选择性地激励反射性光学元件的第一区域和第二区域，该反射性光学元件被设置用于使光分别通过该单成像路径的第一部分和第二部分反射。
选择性地激励该反射性光学元件的第一区域和第二区域可包括：选择性地激励具有多个可移动镜面元件的光阀的第一区域和第二区域。
选择性地接收该第一图像和第二图像可包括：同时接收具有第一图像属性的第一图像和具有第二图像属性的第二图像，以及依照第一图像属性和第二图像属性分离该第一图像和第二图像，以分别生成第一图像和第二图像的表征。
接收该第一图像的可包括接收具有第一偏振状态的第一图像，接收该第二图像可包括接收具有第二偏振状态的第二图像，并且分离该第一和第二图像可包括在传感器阵列处接收该第一图像和第二图像，该传感器阵列具有响应于该第一偏振状态辐射的第一组元件以及响应于该第二偏振状态辐射的第二组元件。
该方法可包括生成具有第一偏振状态的第一图像以及生成具有第二偏振状态的第二图像。
改变范围可包括：响应于控制信号来改变该成像路径的第一部分和第二部分的范围。
该方法可包括生成该控制信号。
第一视角视点的位置可由第一形心的位置所限定，第二视角视点的位置可由第二形心的位置所限定，并且生成该控制信号可包括：生成可操作的控制信号来使得该第一形心和第二形心以大体恒定的速率相互移动，从而提供该三维空间属性的表征的平缓变化。
第一视角视点的位置可由第一形心的位置所限定，第二视角视点的位置可由第二形心的位置所限定，并且改变该范围可包括：使该成像路径的第一部分和第二部分的范围在以下第一范围和第二范围之间变化：其中第一范围为在其中该第一形心和第二形心的位置被紧邻定位，使得该第一图像和第二图像主要包括视场内的二维空间属性；以及第二范围为在其中该第一形心和第二形心的位置被隔开，使得该第一图像和第二图像包括程度增加的三维空间属性信息。
改变该成像路径的第一部分和第二部分的范围可包括：改变该范围以提供以下其中之一的平滑转变：第一范围到第二范围的平滑转变，以生成二维到三维的转变效果；第二范围到第一范围的平滑转变，以生成三维到二维的转变效果。
接收该第一图像和第二图像可包括：连续地接收表征视场内目标物体的时间变化的多个第一图像和第二图像。
依据本发明的另一方案，提供一种使用具有相关视场的单成像路径生成三维图像信息的装置。该装置包括：分别通过单成像路径的第一部分和第二部分选择性地接收第一图像和第二图像的部件，该第一部分具有视场内的第一视角视点，而该第二部分具有视场内的第二视角视点，该第一图像和第二图像一起可操作地用于表征视场内物体的三维空间属性。该装置还包括改变成像路径的第一部分和第二部分的范围的部件，以在接收该第一图像和第二图像时使得第一视角视点和第二视角视点的位置变化，该视角视点位置的变化导致三维空间属性的表征的相应变化。该装置进一步包括补偿通过该成像路径的第一部分和第二部分的传输中的变化的部件，从而当改变该第一部分和第二部分的范围时，与该第一图像和第二图像中的每一个相关的图像强度被保持在大体均匀的图像强度水平上。
依据本发明的另一方案，提供一种生成三维图像信息的装置。该装置包括具有相关视场的单成像路径。该装置还包括：图像调制器，其被可操作地配置，使得分别通过该单成像路径的第一部分和第二部分选择性地接收该第一图像和第二图像，该第一部分具有视场内的第一视角视点，而该第二部分具有视场内的第二视角视点，该第一图像和第二图像一起可操作地用于表征视场内物体的三维空间属性。该装置还包括与该调制器通讯的控制器，该控制器被可操作地配置为生成可操作的信号，使得调制器改变成像路径的第一部分和第二部分的范围，以在接收该第一图像和第二图像时使得第一视角视点和第二视角视点的位置变化，该视角视点位置的变化导致三维空间属性的表征的相应变化。该装置进一步包括补偿器，该补偿器被可操作地配置为：补偿通过该成像路径的第一部分和第二部分的传输中的变化，从而当改变该第一部分和第二部分的范围时，与该第一图像和第二图像中的每一个相关的图像强度被保持在大体均匀的图像强度水平上。
该单成像路径可被操作地配置为在图像传感器处生成第一图像和第二图像，并且该补偿器可被操作地配置为依照以下其中之一补偿传输中的变化：响应于该成像路径的第一部分和第二部分范围的减小，增大与该图像传感器相关的曝光；响应于该成像路径的第一部分和第二部分范围的增大，减小与该图像传感器相关的曝光；响应于该成像路径的第一部分和第二部分范围的减小，增大通过该成像路径的整体透射率；以及响应于该成像路径的第一部分和第二部分范围的增大，减小通过该成像路径的整体透射率。
该调制器可被操作地配置为交替地在接收第二图像时阻挡成像路径的第一部分，以及在接收第一图像时阻挡成像路径的第二部分。
该调制器可被操作地配置，使得位于该成像路径的孔径平面附近的阻挡元件在成像路径的第一位置和第二位置之间移动，以限定该成像路径的第一部分和第二部分的变化范围。
该调制器可包括：致动器，其用于产生可操作的力以使该阻挡元件交替地朝向第一位置和第二位置的其中之一移动；位置传感器，其被可操作地配置为生成表征该阻挡元件的位置的位置信号，并且该控制器可被操作地配置为：响应于该位置信号而控制该力的大小，以使得该阻挡元件停止在第一位置和第二位置的其中之一处。
该调制器可包括具有第一区域和第二区域的光学元件，该第一区域和第二区域被可操作地配置为选择性地被激励以选择性地阻挡成像路径的第一部分和第二部分。
该光学元件可包括多个元件，并且该第一区域可包括第一组元件，该第二区域可包括第二组元件，选择该第一组和第二组，以改变成像路径的第一部分和第二部分的范围。
可响应于接收激励信号而可操作地激励多个元件中的每个元件，并进一步包括调制器驱动装置，该调制器驱动装置被可操作地配置为生成该激励信号，使得该第一组元件和第二组元件中的多个元件选择性地改变，以改变该成像路径的第一部分和第二部分的范围。
该调制器可被操作地配置为：选择性地激励透射性光学元件的第一区域和第二区域，该透射性光学元件被设置用于分别使光通过该单成像路径的第一部分和第二部分透射。
该调制器可包括液晶元件和光阀的其中之一。
该调制器可被操作地配置为选择性地激励反射性光学元件的第一区域和第二区域，该反射性光学元件被设置用于使光分别通过该单成像路径的第一部分和第二部分反射。
该调制器可包括具有多个可移动镜面元件的光阀。
该调制器可被操作地配置为，同时接收具有第一图像属性的第一图像以及具有第二图像属性的第二图像，以及依照第一图像属性和第二图像属性分离该第一图像和第二图像，以分别生成第一图像和第二图像的表征。
该调制器可包括具有第一偏振区域和第二偏振区域的偏振器，该偏振器被可操作地配置为生成具有第一偏振状态的第一图像和具有第二偏振状态的第二图像，并可进一步包括传感器阵列，该传感器阵列具有响应于该第一偏振状态辐射的第一组元件以及响应于该第二偏振状态辐射的第二组元件，该传感器阵列被可操作地用于分离该第一图像和第二图像。
该调制器可被操作地配置为，响应于控制信号来改变该成像路径的第一部分和第二部分的范围。
该控制器可被操作地配置以生成该控制信号。
第一视角视点的位置可由第一形心的位置所限定，第二视角视点的位置可由第二形心的位置所限定，并且该控制器被可操作地配置为以如下的方式生成该控制信号：通过生成可操作的该控制信号来使得该第一形心和第二形心以大体恒定的速率相互移动，从而提供该三维空间属性的表征的平缓变化。
第一视角视点的位置可由第一形心的位置所限定，第二视角视点的位置可由第二形心位置所限定，并且该调制器被可操作地配置为，使该成像路径的第一部分和第二部分的范围在以下第一范围和第二范围之间变化：所述第一范围为在其中该第一形心和第二形心的位置被紧邻定位，使得该第一图像和第二图像主要包括视场内的二维空间属性；以及第二范围为在其中该第一形心和第二形心的位置被隔开，使得该第一图像和第二图像包括程度增加的三维空间属性信息。
该调制器可被操作地配置为，以如下的方式改变该成像路径的第一部分和第二部分的范围：通过改变该范围以提供以下其中之一的平滑转变：第一范围到第二范围的平滑转变，以生成二维到三维的转变效果；以及第二范围到第一范围的平滑转变，以生成三维到二维的转变效果。
该成像路径可被操作地配置为：通过连续地接收表征视场内目标物体的时间变化的多个第一图像和第二图像，来接收该第一图像和第二图像。
通过下述结合附图对本发明的具体实施例的描述，本发明的其他方案和特征对本领域普通技术人员来说将变得显而易见。
附图说明
下述附图图示了本发明的实施例，在附图中，
图1为依据本发明第一实施例的生成三维图像信息的装置的示意性俯视图；
图2为图1所示的装置的成像路径的示意性正视图；
图3为依据本发明另一实施例的生成三维图像信息的光学成像装置的立体图；
图4为图3所示的光学成像装置沿线4-4所截取的横截面视图；
图5为描述图3所示的光学成像装置所生成的第一和第二图像的图；
图6为控制图3所示的光学成像装置运行的控制器的框图；
图7为描述图6所示的控制器执行的控制流程的流程图；
图8A至图8D为一系列描述图3所示的光学成像装置所生成的第一和第二图像的图；
图9为图3所示的光学成像装置使用的液晶调制器的立体图；
图10为依据本发明一可选实施例的空间调制器的示意图；
图11为描述控制图10所示的空间调制器的控制信号的图；
图12为图10所示的空间调制器中所使用的致动器的一可选实施例的立体图；
图13为生成三维图像信息的光学成像装置的一可选实施例的立体图。
具体实施方式
参考图1，一般地示出了根据本发明第一实施例的用于生成三维图像信息的装置100的示意性俯视图。装置100包括单成像路径102，该单成像路径102具有相关的视场104，在本实施例中，视场104中包括物体106。装置100还包括图像调制器108，该图像调制器108被可操作地配置为使得第一和第二图像(图1中示意性地表示为“A”和“B”)选择性地分别通过单成像路径102的第一部分112和第二部分114被接收。
参考图2，在本实施例中成像路径是圆形的，且第一部分112和第二部分114中的每个均大致上包括圆弓形。第一部分112限定了在视场104内的第一视角视点，第一视角视点由第一形心(centroid)116所表征。第二部分114限定了在视场104内的第二视角视点，该第二视角视点由第二形心118所表征。在其他实施例中该成像路径可以是非圆形的。
装置100还包括与调制器108进行通讯的控制器120。控制器120包括生成控制信号的输出端122，所述控制信号可操作地使得调制器108改变成像路径的第一部分112和第二部分114的范围，由此导致第一视角视点116和第二视角视点118在接收第一图像和第二图像时改变位置。视角视点116和118位置的改变提供了视场104内物体106的三维空间属性的表征的相应变化。
该装置100还包括补偿器124。补偿器124被可操作地配置为：补偿在经过成像路径102的第一部分112和第二部分114的传输中的变化，从而在改变所述第一部分和第二部分的范围时，将与第一图像A和第二图像B中的每一个相关的图像强度保持在大体均匀的图像强度水平上。
第一图像A和第二图像B在图像平面126上形成，并且第一图像和第二图像一起可操作地用于表征视场104内的物体106和其他物体的三维空间属性。在本实施例中，控制器120还包括输入端128，该输入端128用于接收用户输入的对视角期待的变化；该控制器被可操作地配置为在输出端122处生成响应于用户输入的控制信号。
在一个实施例中，成像路径102可为光学成像路径，其可操作地接收生成图像的光辐射。该光辐射的波长范围可在红外光、可见光和/或紫外光的波长范围内。在其他的实施例中，成像路径102可被操作，用于响应于接收声信号、超声波信号或射频信号而生成图像。位于图像平面126上的图像可被任何合适的图像捕捉装置使用多种记录方法中的任一种和/或媒介所捕捉。例如，图像捕捉装置可为用于记录图像的具有光敏性膜或电荷耦合器件(CCD)阵列的静物摄像机或电影摄像机。可选择的是，例如，压电晶体阵列可被用于声学或超声波成像，天线或天线阵列可被用于射频成像。
有利的是，不同于在组装成像路径时通常需要进行特别的校准，单成像路径102生成能够感知和/或提取3D信息的图像A和图像B而无需任何特别的校准。相反地，当使用分离的成像路径，或一个成像路径被光学分为两个空间上隔开的成像路径时，存在很大的校准难度，任何细小的偏差都会导致用户眼睛疲劳或其他不舒适的感受。
光学成像实施例
参考图3，一般地示出了用于生成三维图像信息的光学成像装置150的一个实施例。光学成像装置150包括单成像路径152，单成像路径152具有第一透镜154和第二透镜156，第一和第二透镜被布置为在第一和第二透镜的视场内从物体158处接收光线。
光学成像装置150还包括液晶设备(LCD)调制器160，调制器160具有多个元件162。每个元件162在调制器160的前表面区域164限定一柱形部分，可用于选择性地被控制以交替地在接收第一图像时阻挡成像路径152的第一部分165，以及在接收第二图像时阻挡成像路径的第二部分167。调制器160还包括多个控制输入端166，每个元件162具有相关的控制输入端用于接收激励信号以选择性地激励该元件。
光学成像装置150进一步包括摄像机170，该摄像机170具有第三透镜172以及位于摄像机170的图像平面上的CCD图像传感器174。摄像机170可为静物摄像机或视频摄像机，并可对可见光或非可见光敏感。第三透镜172聚集自调制器160传输的光并在图像传感器174上形成图像。图像传感器174包括光敏区域176，以及一个或者多个用于接收不同的控制信号的控制输入端178，这些不同的控制信号可操作地控制与捕捉图像相关的传感器的运行。一般来说，图像传感器174具有光敏元件的空间阵列，所述阵列收集与元件上入射光成比例的电荷。通过连续地经过邻近的耦合元件转移电荷至电荷放大器，所收集到的电荷可以自图像传感器174读出，该电荷放大器将电荷转化为表征入射到相关元件上的光的电压信号。在另一实施例中，图像传感器174可为互补金属氧化物半导体(CMOS)主动像素传感器，或其他电子图像传感器。可选择的是，图像传感器174可为感光胶片乳剂，如35mm胶片。
图像传感器174、第三透镜172、液晶调制器160、第一透镜154、第二透镜156以及摄像机170均沿着光轴180排列。
图4示出了装置150的横截面，其中成像路径152由自物体158上的离轴点所散发的光束或光锥190所照亮。一般来说，对于如图3和图4所示的光学系统，光学元件的其中一个的直径将限制光束190中的哪些光线能通过该光学系统，而该直径限定了系统的孔径。通过位于孔径与物体158之间的光学面的系统孔径的图像限定了该系统入射光瞳的位置和大小。该入射光瞳进而限制能够通过成像路径的光束。在这种情况下，可以认为第一透镜154既是系统的孔径也是入射光瞳，射到第一透镜的光线将通过成像路径152传输。在其他的实施例中，入射光瞳可位于第一透镜154的前方或后方，这取决于这些透镜的具体配置。
因此，进入到第一透镜154的光束190中的光线由第二透镜156会聚并射到调制器160的前表面区域164上。当局部阻断(occlusion)被置于成像路径152中系统孔径之后时，产生图像渐晕(vignetting)，其中该局部阻断例如为已被激励的调制器160的第一部分165。在这种情况下，光束190中的光线192被调制器160的前表面区域164的第一部分165所阻挡，无法到达传感器174的光敏区域176。光束190中的光线194通过调制器160，并由透镜172聚焦在光敏区域176上。渐晕降低了在传感器174的光敏区域176上形成的图像的整体亮度。尽管如此，由于光线194在传感器174的光敏区域176处相交，所以传感器上形成了真实的图像。此外，这种由调制器引起的渐晕没有改变入射光瞳处的视角。
物体158上的其他点将被类似地成像，并在传感器174的光敏区域176上生成物体158的第一图像。图5示出了在图4所示的渐晕情况下由光学成像装置150所生成的第一图像200。该图像200与形心182(图1所示)所表征的右视角视点相应。类似地，通过向调制器160提供控制信号以使得第一部分165传输光，同时控制调制器160相反一侧的多个元件162以阻挡光。装置150生成第二图像202(图5所示)。第二图像202与形心184(图1所示)所表征的左视角视点相应。
第一图像200和第二图像202合在一起包含了表征视场内物体的三维空间属性的信息。例如，用户分别用右眼观察图像200，同时用左眼观察图像202，此时将能够感知到与用户直接观察物体所能感知到的类似的深度效果。在一个实施例中，图像可分别被单独地引导至用户的左眼和右眼，例如，使用一副立体观察眼镜。
控制器
图6示出了控制器220，其用于控制光学成像装置150(图3所示)的运行。控制器220包括输出端222以生成同步信号(SYNC)，该同步信号典型地包括脉冲序列。输出端222与图像传感器的输入端178进行通讯，以同步图像传感器174处的图像捕捉。控制器220还包括输出端224以生成用于控制图像强度补偿的补偿信号(COMP)。在所示的实施例中，输出端224与图像传感器输入端178进行通讯，图像传感器充当如图1所示的补偿器124。在其他的实施例中，在输出端224处生成的COMP信号可用于控制光学系统中的孔径光阑补偿器(例如为可调光圈)，来增加或减少被成像路径所接收的光束。电子控制自动可变光圈通常在摄像机中应用，能够自动地选择孔径尺寸和曝光时间来保证正确的图像曝光。
控制器220进一步包括调制器驱动装置226，该调制器驱动装置226具有输出端228，用于驱动调制器160的控制输入端166。在所示的实施例中，输出端228具有“n”个输出通道，与调制器160上的元件162的数目相对应。控制器220还包括输入端230，用于接收改变视角(CP)的用户输入。例如，可根据偏置的单刀双掷开关设置CP输入端230，所述开关被配置为在输入端提供变化的电势。
在一个实施例中，控制器220可使用例如微处理器的处理器电路来实现。
控制器操作
参考图3、图6和图7以进一步阐述控制器220控制光学成像装置150运行的操作。参考图7，示出了由控制器220执行的控制流程250的一个实施例。
如步骤252所示，该流程首先是控制器220检测与输入端230处的CP信号相关的信号状态。如步骤254所示，如果CP信号的状态改变，则表明用户期望改变图像视角，然后该流程继续执行步骤256。
如步骤256所示，补偿器随后响应于CP信号生成预测的光损失或增益。在使用微控制器来实现控制器220的实施例中，可对于输入端230处检测到的CP信号状态来计算预测的光损失或增益。可选择的是，该预测的光损失或增益可为预先确定的并作为搜寻列表存储在处理器电路的存储器中。该预测的光损失或增益随后被用于在控制器输出端224处生成补偿信号(COMP)，所述补偿信号为适于驱动特定的图像处理器174的格式。例如，在图像传感器174包括全帧CCD架构的实施例中，由CCD阵列所捕捉的光的量可受控于接近焦平面的机械式快门(未图示)，COMP信号则被配置成使得该机械式快门以适当的快门速度来运行以生成期望的图像强度。可选择的是，对于帧传递CCD设备或行间传递CCD设备，COMP信号可为选通信号，其用于选通图像捕捉的光聚集相，从而CCD元件被配置为仅在连续的图像捕捉之间的时间段接收光。某些CCD传感器还允许与模拟电荷放大和/或电荷信号的模数转换有关的增益的调整，并且该增益还可被COMP信号所控制，以补偿第一图像和第二图像的强度。然后该流程继续执行步骤258。
如果在步骤254中，CP信号没有改变状态，于是不存在需要补偿的光损耗或增益，因而该流程直接继续执行步骤258。
如步骤258所示，调制器160被配置用于依照CP信号状态进行第一图像捕捉，这涉及配置该调制器以驱动n个通道228的第一组，以使得调制器160的第一组元件162被控制以阻挡光。在步骤260中，当控制器在输出端222生成SYNC脉冲时，开始第一图像的捕捉。被捕捉的第一图像可以以模拟或数字形式记录在图像存储介质(未图示)中，所述图像存储介质例如为，磁带、存储器、硬盘或光敏乳剂等。
如步骤262所示，调制器160于是被配置用于进行第二图像捕捉，配置该调制器以驱动输出端228的n个通道的第二组，以使得调制器160的第二组元件162被控制以阻挡光。在步骤264中，当控制器在输出端222生成第二SYNC脉冲时，开始第二图像的捕捉。
对于静止图像的捕捉，自第一视角视点182和第二视角视点184处仅各自需要单个图像，在这种情况下，SYNC信号生成第一和第二时间间断的同步脉冲。选择脉冲之间的时间间隔，从而为图像传感器174提供充分的时间来聚集足够的光子从而生成图像。对于以连续视频图像为形式的变化场景的捕捉，选定的视频制式对应帧速率(例如，29.97帧每秒对应NTSC视频)，在这种情况下，对于非交错图像的捕捉，SYNCH信号可包含多个具有大约33.3毫秒时间间隔的脉冲。当特定摄像机的图像获取速率足够快时，第一和第二图像可以以16.7毫秒的时间间隔被捕捉，由此用户的每个眼睛以满NTSC帧速率接收各自的图像。当捕捉连续的视频帧时，在步骤264之后，该流程继续执行步骤252，由此流程250被重复执行。
图8示出了一系列表征描述视角变化的成像路径152的图。参考图8A，描述了成像路径152的端视图，形心182和184位于成像路径的中心轴线上。在这种情况下，调制器160的第一部分和第二部分都未被控制以阻挡光，并且第一图像(A)和第二图像(B)是完全相同的。当用户使用左眼和右眼分别观察各自的图像A和B时，将会仅仅感知到标准的二维(2D)图像，而不会感知到三维(3D)深度。
参考图8B，形心182和184已经向外移动，在这种情况下，调制器160的第一部分165和第二部分167交替地被控制以阻挡光，导致成像路径152的部分300和302交替地透光。由此得到的图像A和B的视角视点之间具有细微的差别，当用户分别观察图像A和B时，由于图像的不同视角展现给用户的每个眼睛，因而用户将能够感知到至少一些3D深度。
参考图8C，形心182和184已经进一步向外移动，导致成像路径152的部分300和302交替地透光。由此得到的图像A和B的视角视点之间的差别较之图8B中的差别更加显著，所以当用户分别观察图像A和B时将能够感知到更显著的3D深度。
参考图8D，形心182和184之间隔开到一定范围，使得成像路径152的区域304要么被调制器160的第一部分165所阻挡，要么被调制器的第二部分167所阻挡。成像路径152的部分300和302交替地透光。由此得到的图像A和B的视角视点之间的差别较之图8C更加显著，并提供了甚至更加显著的3D深度感知。
可以清楚地看到，在图8A和图8D之间，透过调制器160传输的光的量连续地减少。尽管如此，这种光的减少伴随着响应于COMP信号的曝光的相应增加，因而产生了大体均匀的图像强度水平的感知。有利的是，装置150从得到的图像中获得从2D到3D的图像表征中的视角的平缓变化。可使用特定适配的3D显示系统来观察被捕捉的图像A和B，所述3D显示系统使用特殊的眼镜或者帽盔来将不同的图像A和B展示给用户的左眼和右眼。可选择的是，该图像可使用能够显示3D图像信息的自动立体显示装置来进行显示，所述3D图像信息是可在不使用特殊眼镜或帽盔的情况下观察到的。
一般来说，在调制器160具有矩形横截面的情况下，形心182和184的位置变化速率与第一部分165和第二部分167的面积的变化速率将无法进行线性变化。相应地，为了在图8A至图8D所示的图像之间提供平滑的转变，可将控制器配置为使得第一形心182和第二形心184以一大体恒定的速率相对彼此移动，以提供三维空间属性的表征的平缓变化。形心182和184的位置与第一部分165和第二部分167之间的非线性关系可被存储在控制器中，例如作为搜寻列表存储。
LCD调制器
图9示出了LCD调制器160的更多细节。参考图9，调制器160包括液晶材料层350，该材料层置于第一玻璃板352和第二玻璃板354之间。第一玻璃板352包括多个成行排列的透明电极356。电极356限定图3所示的多个元件162中每个的范围。每个电极356具有相关的连接装置358，例如，该连接装置358可为线焊或柔性电路接线。连接装置358连接到集配器(header)360上，而集配器则便于与图6所示的控制器220的输出端228的连接。第二玻璃板354包括透明区域电极(未图示)，其作为所有元件162的公共电极。调制器160还包括第一偏振器362，具有第一线偏振性质(在该情况下为垂直偏振)。第一偏振器362覆盖第一电极356。调制器160进一步包括第二偏振器364，第二偏振器364覆盖第二电极并具有第二线偏振性质(在该情况下为水平偏振)。图9中的各层并非按比例显示。
调制器驱动装置226通过集配器360和连接装置358为每个电极356提供驱动电压，此时公共电极用作接地线。在一个实施例中，驱动电压可为在电压为V+到V-之间占空比为50％的方波，其中在安全操作电压的范围内选择电压，以在入射到LCD调制器160上的光的透过和阻挡之间提供足够的对比度。
第一偏振器362传输具有垂直偏振的光。在该实施例中，选择液晶材料350，使得在液晶材料的松弛相(未激励)下，通过液晶的光的偏振不受影响，第二偏振器364进而阻挡光。当被施加到任一电极356的驱动电压激活时，位于电极下的液晶材料部分致使光的偏振进行90°改变，由此光透过调制器160。通过交替地为第一组和第二组电极356生成驱动信号，调制器160可交替地分别在第一部分165和第二部分167处阻挡光。进而通过改变接收激励信号的电极356的数量，成像路径152的第一部分和第二部分的范围可以产生变化，使得图3所示的形心182和184所表征的第一和第二视角视点的位置改变。有利的是，提供足够数量的电极356可助于获得大体平缓变化的视角，从而防止从2D到3D成像过渡中的视觉干扰的发生。
在一个可选实施例中，偏振器362和364可均为垂直偏振的，使得LCD调制器在没有施加激励电压时是透光的。当通过驱动电压激励时，液晶材料使得光的偏振角度进行90°改变，从而导致元件356阻挡光的传输。
空间调制器的实施例
参考图10，在可选实施例中，一般地示出了可以使用空间调制器380来实现图3所示的调制器160。空间调制器380包括安装在臂384上的不透明快门叶片382。臂384安装在枢轴386上以提供侧向运动。臂384还包括磁体390，磁体390沿着臂安装在臂的某一位置上。磁体390设置在第一电磁体392和第二电磁体394之间。快门叶片382、臂384、枢轴386、电磁体392和394一起组成机械致动器，所述机械致动器可操作地产生一个力，用于使得快门叶片382在显示为382的第一位置和以虚线显示为383的第二位置之间沿着箭头388的方向作侧向移动。第一位置382和第二位置383限定图3所示的单成像路径152的第一部分和第二部分的变化范围。
空间调制器进一步包括位置传感器396，位置传感器396位于臂384的后方。位置传感器396包括输出端398，以生成位置信号，该位置信号表征臂384相对于位置传感器的位置。在一个实施例中，位置传感器396可使用线性光电二极管阵列来实现，无论是背景杂散光还是由诸如发光二极管(未图示)的光源照亮，都会在阵列上投射阴影。阴影的阵列元件的位置可从光电二极管阵列的输出端398处读出，并且可使用各种插值法来确定臂384的中心位置。
为了驱动空间调制器380，可用图10示出的调制器驱动装置400来代替图6示出的调制器驱动装置226。调制器驱动装置400包括第一对输出端402以驱动第一电磁体392的线圈404，以及第二对输出端406以驱动第二电磁体394的线圈408。调制器驱动装置400还包括输入端410，以接收来自位置传感器396的位置信号。调制器驱动装置400进一步包括输入端412，以接收表征臂384期望的交替位置的参考信号。该参考信号限定臂384和快门叶片382的目标交替位置，并可由控制器220响应于CP信号而生成。
空间调制器380和调制器驱动装置400一起执行反馈控制循环以产生臂384和快门叶片382的交替运动，从而改变成像路径的阻挡范围(以虚线152示出)。在操作中，在调制器驱动装置400的输入端412处接收到的参考信号提供臂384的目标位置，而在输入端410处接收到的位置信号表征臂的实际位置，并可被用于生成误差信号以驱动调制器驱动装置400。反馈控制循环由此在输出端402和406处生成驱动信号，使得电磁体392和394施加驱动力于臂384上使其朝向期望的位置移动。有利的是，这种驱动可通过推挽式驱动装置来实现，此时，电磁体392和394的其中一个提供对磁体390的吸引力，而电磁体中的另一个提供排斥力。
图11示出了提供给线圈404和408以使得臂384朝向第一电磁体392移动的电流驱动的示例性波形图。通过线圈404的电流波形被示为440，通过线圈408的电流波形被示为442。在输入端412处由参考信号REF提供的目标交替位置分别为s1和s2。
在第一时间段444期间，源自目标位置与当前位置之间的差异所产生的误差信号大，这使得位置电流440迅速增加以产生对臂384的吸引力。这种吸引力克服臂384的惯性并导致臂加速远离第二电磁体394。在图11中以446图示出了由位置传感器输出端398所生成的臂384的瞬时位置s，在图中s＝0表示电磁体392和394之间的中间位置，且目标位置是s2。在时间段444期间，电流442初始为0，一旦臂384开始加速，电流442迅速增大以随着接近臂的期望位置s2而提供减速力。臂384在位置s2处停止并通过线圈404和408的每一个中的保持电流而保持在该位置，并持续地通过反馈控制循环调节线圈404和408的保持电流而使臂384在第二时间段448期间内保持在s2处。该第二时间段448提供充分的时间以完成第一图像的捕捉。
之后输入端412处的参考信号改变，限定目标位置s1作为新的目标位置。在第三时间段450期间，电流442改变极性并迅速增大以产生吸引力来使得臂384克服其惯性而加速远离第一电磁体392。在第三时间段450期间，最初允许电流440降为0，一旦臂384开始加速，电流440迅速增加以随着接近目标位置s1而提供减速力。臂384在位置s1处停止并通过线圈404和408的每一个中的保持电流而保持在该位置，并持续地通过反馈控制循环调节线圈404和408中的保持电流而使臂384在第四时间段452期间内保持在s1处。第四时间段452提供充分的时间以完成第二图像的捕捉。
参考图12，其一般地示出了空间调制器380(图11所示)的致动器部分500的可选实施例。致动器500包括电机部分502以及旋转位置传感器部分504。公共转轴506穿过电机502和位置传感器部分504而延伸。臂384安装在轴上以侧向移动。一般来说，电机部分502提供驱动力以移动臂384，同时位置传感器部分504提供位置信号。
在一个实施例中，使用一对磁体508和510来实现电机部分502，使用一对磁体512和514来实现传感器部分504。轴506在磁体508和510之间支撑致动器线圈516。致动器线圈516联结至调制器输出端402以接收驱动电流，这使得在线圈上产生扭矩并因此施加至轴506。传感器部分504还包括位于磁体512和514之间的拾波线圈(未示出)。该拾波线圈生成与旋转位移成比例的电流信号，该电流信号可被用作输入端410处的位置信号。一般来说，致动器500以类似于模拟式仪表移动的方式运行。
在其他实施例中，电机部分502可被配置为轴506是磁化的，且线圈缠绕在磁极片(即508和510)上。类似地，传感器部分504的拾波线圈可缠绕在磁极片(如512和514)上。
光阀实施例
参考图13，其一般地以550示出了光学成像装置(图3所示)的可选实施例。装置550包括单成像路径552，其具有第一透镜554和第二透镜556，第一透镜554和第二透镜556被设置为从其视场内的物体558处接收光线。装置550包括光阀调制器560，其具有多个单独激励的镜面元件562，该镜面元件被设置为当其被激励时，引导光束穿过透镜568。在未激励状态下，镜面元件562引导光束远离透镜568。通过提供驱动信号给调制器560以激励第一和第二组镜面元件162，调制器可通过前述与图3所示的调制器160有关的交替的方式被激励。
其他实施例
在一可选实施例中，在图9所示的LCD调制器160中，第二偏振器364可省略，以配置该调制器选择地改变透过光的偏振状态。参考图9，第一偏振器362仅传输具有垂直偏振的光。因此在未激励的电极356下的那部分液晶材料350对光的偏振没有影响，该光作为垂直偏振的光透过。在被激励的电极356下的那部分液晶材料350使得光的偏振进行90°改变，因而使透过的光具有水平偏振。
在图3所示的光学成像装置150中使用上述可选配置的调制器时，导致第一图像具有垂直偏振，而第二图像具有水平偏振。可选的是，LCD调制器160的液晶材料350可被配置为，产生具有右旋圆偏振光的第一图像以及具有左旋圆偏振光的第二图像。
传感器174可被配置为通过在独立的传感器阵列元件前增加偏振元件从而同时分别接收第一图像和第二图像。例如，邻近的传感器像素可交替地设置为水平偏振和垂直偏振，以提供仅对一种偏振方向敏感的偏振选择像素。由此，传感器允将许同时接收第一图像和第二图像。该第一图像和第二图像可通过从阵列中或在单独的处理步骤中读出而分离。
本发明的特定实施例已经被描述和阐明，上述实施例应被视为对本发明的示意性的描述，而非对根据随附的权利要求书所解释的本发明的限制。

Claims (19)

1.一种使用具有相关视场的单成像路径生成三维图像信息的方法，该方法包括：
分别通过单成像路径的第一部分和第二部分选择性地在图像传感器处接收第一图像和第二图像，所述第一部分具有视场内的第一视角视点，而所述第二部分具有视场内的第二视角视点，所述第一图像和第二图像一起可操作地用于表征视场内物体的三维空间属性；
其特征在于，改变所述单成像路径的所述第一部分的形心和所述单成像路径的所述第二部分的形心之间的间距，以在接收所述第一图像和第二图像时使得所述第一视角视点和第二视角视点的位置变化，并且补偿通过所述单成像路径的第一部分和第二部分的传输的变化，从而当改变所述间距时，与所述第一图像和第二图像中的每一个相关的图像强度被保持在大体均匀的图像强度水平上。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，补偿所述传输中的所述变化包括以下其中之一：
响应于传输中的所述变化，改变与所述图像传感器相关的曝光；
响应于传输中的所述变化，改变配置所述图像传感器以接收光的时间；
响应于传输中的所述变化，改变配置所述图像传感器相关的增益；以及
响应于传输中的所述变化，改变通过成像路径的整体透射率。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，选择性地接收所述第一图像和第二图像包括交替地：
在接收所述第二图像时阻挡所述单成像路径的第一部分；以及
在接收所述第一图像时阻挡所述单成像路径的第二部分。
4.根据权利要求3所述的方法，其中：
交替地阻挡所述单成像路径的第一部分或第二部分包括：使得位于成像路径的孔径平面附近的阻挡元件在所述单成像路径的第一位置和第二位置之间移动，以交替地阻挡所述单成像路径的第一部分和第二部分；
使得所述阻挡元件移动包括：
产生可操作的力以使所述阻挡元件交替地朝向所述第一位置和第二位置的其中之一移动；
接收表征所述阻挡元件的位置的位置信号；以及
响应于所述位置信号而控制所述力的大小，以使得所述阻挡元件停止在所述第一位置和第二位置的其中之一处。
5.根据权利要求3所述的方法，其中，交替地阻挡所述单成像路径的第一部分和第二部分包括：选择性地激励位于成像路径的孔径平面附近的光学元件的第一区域和第二区域，以选择性地阻挡所述单成像路径的第一部分和第二部分。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，选择性地接收所述第一图像和第二图像包括：
向通过所述单成像路径的第一部分形成所述第一图像的光施加第一偏振状态；
向通过所述单成像路径的第二部分形成所述第二图像的光施加第二偏振状态；
在传感器阵列处同时接收所述第一图像和第二图像，所述传感器阵列具有响应于第一偏振状态辐射的第一组元件以及响应于第二偏振状态辐射的第二组元件；以及
基于所述第一偏振状态和第二偏振状态分离所述第一图像和第二图像。
7.根据权利要求1所述的方法，其中，改变所述间距包括：响应于控制信号来改变所述单成像路径的第一部分和第二部分的范围。
8.根据权利要求1所述的方法，进一步包括生成可操作的控制信号，以恒定的速率改变所述间距，从而提供所述三维空间属性的所述表征的平缓变化。
9.根据权利要求1所述的方法，其中，改变所述间距包括：改变所述间距以在视场内的所述物体的三维表征和二维表征之间转变。
10.一种生成三维图像信息的装置，所述装置包括：
具有相关视场的单成像路径；
图像调制器，其被可操作地配置，使得分别通过单成像路径的第一部分和第二部分选择性地接收第一图像和第二图像，所述第一部分具有视场内的第一视角视点，而所述第二部分具有视场内的第二视角视点，所述第一图像和第二图像一起可操作地用于表征视场内物体的三维空间属性；以及
控制器，其与所述调制器通讯，所述控制器被可操作地配置为生成可操作的信号；
其特征在于，所述控制器所生成的可操作的信号使所述调制器改变所述单成像路径的所述第一部分的形心和所述单成像路径的所述第二部分的形心之间的间距，以在接收所述第一图像和第二图像时使得所述第一视角视点和第二视角视点的位置变化，所述装置还包括补偿器，所述补偿器被可操作地配置为：补偿通过所述单成像路径的第一部分和第二部分的传输中的变化，从而当改变所述间距时，与所述第一图像和第二图像中的每一个相关的图像强度被保持在大体均匀的图像强度水平上。
11.根据权利要求10所述的装置，其中，所述单成像路径被可操作地配置为在图像传感器处生成所述第一图像和第二图像，并且其中，所述补偿器被可操作地配置为依照以下其中之一补偿传输中的所述变化：
响应于传输中的所述变化，改变与所述图像传感器相关的曝光；
响应于传输中的所述变化，改变与所述图像传感器相关的增益；
响应于传输中的所述变化，改变配置所述图像传感器以接收光的时间；以及
响应于传输中的所述变化，改变通过所述单成像路径的整体透射率。
12.根据权利要求10所述的装置，其中，所述调制器被可操作地配置，使得位于成像路径的孔径平面附近的阻挡元件在所述单成像路径的第一位置和第二位置之间移动，以交替地在接收所述第二图像时阻挡所述单成像路径的第一部分以及在接收所述第一图像时阻挡所述单成像路径的第二部分，并且其中，所述调制器包括：
致动器，其用于产生可操作的力以使所述阻挡元件交替地朝向所述第一位置和第二位置的其中之一移动；
位置传感器，其被可操作地配置为生成表征所述阻挡元件的位置的位置信号；并且
其中，所述控制器被可操作地配置为：响应于所述位置信号而控制所述力的大小，以使得所述阻挡元件停止在所述第一位置和第二位置的其中之一处。
13.根据权利要求10所述的装置，其中，所述调制器被可操作地配置为交替地：在接收所述第二图像时阻挡所述单成像路径的第一部分以及在接收所述第一图像时阻挡所述单成像路径的第二部分，并且其中，所述调制器包括具有第一区域和第二区域的光学元件，所述第一区域和第二区域被可操作地配置为选择性地被激励以选择性地阻挡所述单成像路径的第一部分和第二部分。
14.根据权利要求13所述的装置，其中：
所述调制器包括液晶元件和光阀的其中之一；
所述第一区域包括第一组元件，所述第二区域包括第二组元件，选择所述第一组元件和第二组元件，以改变所述单成像路径的所述第一部分和第二部分；并且
进一步包括调制器驱动装置，所述调制器驱动装置被可操作地配置为生成激励信号，使得所述第一组元件和第二组元件中的多个元件选择性地改变，以改变所述单成像路径的第一部分和第二部分。
15.根据权利要求13所述的装置，其中：
所述调制器包括具有多个可移动镜面元件的光阀；并且
所述光阀被可操作地配置为：选择性地激励多个所述可移动镜面元件，反射分别通过所述单成像路径的第一部分和第二部分接收到的光。
16.根据权利要求10所述的装置，其中，所述调制器包括：
具有第一偏振区域和第二偏振区域的偏振器，所述偏振器被可操作地配置为生成具有第一偏振状态的第一图像和具有第二偏振状态的第二图像，以及
传感器阵列，其具有响应于第一偏振状态辐射的第一组元件以及响应于第二偏振状态辐射的第二组元件，所述传感器阵列被可操作地用于分离所述第一图像和第二图像；
其中，所述调制器被可操作地配置为：
同时接收第一图像和第二图像；以及
基于第一图像和第二图像的偏振态分离所述第一图像和第二图像。
17.根据权利要求10所述的装置，其中，所述调制器被可操作地配置为响应于控制信号来改变所述单成像路径的第一部分和第二部分的范围。
18.根据权利要求10所述的装置，其中，所述控制器被可操作地配置为：生成可操作的控制信号，以大体恒定的速率改变所述间距，从而提供所述三维空间属性的所述表征的平缓变化。
19.根据权利要求10所述的装置，其中，所述控制器被可操作地配置为：改变所述间距以在视场内的所述物体的三维表征和二维表征之间转变。
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