CN1182421C - 用于三维测量和具有聚焦会聚补偿的设备及其使用方法 - Google Patents

用于三维测量和具有聚焦会聚补偿的设备及其使用方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种立体或“三维”摄影术。更具体地说，本发明涉及一种设备，该设备能够同时获得左眼和右眼景物，且该设备通过调整成象装置的会聚角相对于景物之间的距离以及成象透镜的焦距，而使景物达到最大的重叠。本发明还涉及用于摄影测量术(从多个图象导出三维测量数据)的方法。

Description

用于三维测量和具有聚焦会聚补偿的 设备及其使用方法
本发明的领域
本发明涉及立体或“三维”摄影术。
更具体地说，本发明涉及一种设备，该设备能够同时获得左眼和右眼景物，通过调整成象装置的会聚角相对于景物之间的距离以及成象透镜的焦距，该设备可使景物达到最大的重叠。本发明还涉及设备用于摄影测量术(从多个图象导出三维测量数据)的方法。
本发明的背景
立体摄影术是通过记录左眼和右眼的单独图象来获得三维图象的方法。取景器通过同时观看两个单独的三维图象来再现三维图象。立体摄影术至少从19世纪后期就已经有了，当时立体取景器是一种普遍用于接待室的附属设备。
这种立体景物在历史上是在单个摄象机上装的两个透镜来实的，两个透镜之间的距离约为人头的两眼间的距离。在50年代流行的Stereo Realist系列35mm静止摄象机是这种成象的一个例子。左眼和右眼景物通过两个透镜/快门装置被同时记录在35mm胶卷的交替的帧上。后来的Nimslo系统采用了四个透镜来实现基本相同的目的。
立体电影出现在50年代。图象通常是用两个同步的摄象机或单个摄象机中装两个透镜来实现的。同样，各种立体电视系统通常也是采用两个摄象机(见Lipton等人的美国专利第4,583,117号)或装有两个透镜的单个摄象机(Lipton等的美国专利第4,523,226号)。
所有的由多个摄象机组成的系统都有严重的缺点，由两个摄象机组成一个完整的系统以及两个单独的图象的同步(这对于胶卷(非视频)的应用来说特别是个问题)都会增加复杂性和成本。另外，采用两个单独的透镜(不论是在一个还是两个摄象机中)会带来焦距和景物同步的问题。
这后一个问题确实需要解决，但是现有技术的装置没有对此有所涉及。简单地并排设置两个摄象机将使得能够拍摄到左眼和右眼象，且摄象机能够聚焦在任何物象上(虽然运动物体的跟随聚焦是成问题的)。然而，立体景象要比两个眼睛复杂得多。一个简单的实验将显示出该问题。如果一个人把手指置于一臂的距离，并将其逐渐向面部移近，该人的眼睛所做的显然不仅是聚焦在接近的手指上。他的各个眼睛还独立地看着目标，随着手指接近面部而变得越来越“对眼”。由于没有考虑这种适应性，大多数三维电影在图象的视距离改变时都会使人感觉不舒服，因为摄象机的景象不象人的本能所期望的那样移动。
另外，固定的会聚或部分或手动可调节的会聚系统没有涉及到这样的问题-即景象的重叠必须随着透镜的焦距和/或焦距的改变而改变。两个图象的重叠应该被最大化，特别是在使两个图象数字化并采用该信息来形成周围的三维图象的系统中。这种借助摄影术来进行准确测量的方法被称为“摄影测量术”。
已经有了若干种装置，采用单个的摄象机拍摄两个图象来简化立体处理。其中多数采用了若干个镜或棱镜，或设在摄象机透镜之前或者在次级透镜与一对初级透镜之间。
一种只对运动图象有用的方法，是依次把两个图象记录在胶卷或视频信号的交替的帧上。用胶卷时，采用一个同步旋转镜来选择与胶卷快门或视频扫描同步记录的景物。这种装置见Latulippe的美国专利第3,254,933号。如果是用视频信号，系统对来自两个源的交替的帧进行电子选择。这种方法具有若干个缺点，即要求复杂的同步眼镜以进行观看，且只能够应用于电影或视频应用。
另一种方法是把两个图象同时并排或一个在另一个之上地记录在各个帧上。该方法可应用于任何形式的摄影术，静止或运动的、胶卷的图象或视频图象。观看得到了简化，因为总有两个图象，且采用单个透镜的适配器不需要与胶卷传送或视频扫描相同步。
单纯以棱镜或镜为基础的立体摄象适配器已被静止摄象机使用了一段时间。它们以与辅助广角或望远适配器相同的方式被装在摄象机透镜之前。它们没有在景物与透镜间的距离改变时为了会聚或聚焦而的对适配器进行调节的装置。
Marks等的美国专利第4,1787090号，利用在单个透镜之前的一种附加装置，在单个的帧上产生了纵向位移的左和右图象。一个图象是直接的，而第二个是通过一对棱镜拍摄的。在透镜之前的一个可调节块的顶部是固体玻璃而在底部是反射的。当透镜通过机械耦合该可调节块的转动控制器和一个转动透镜聚焦控制器的齿轮而聚焦时会聚即得到调节。这种调节对焦距的自动会聚控制是不够的，因为两个景物中只有一个随着块的转动而改变角度。
美国专利第4,436,369号显示了一种以镜为基的适配器，它利用了两个带有联动的聚焦装置初级透镜。两对固定的镜将左和右图象导向胶卷帧的顶部和底部。这些透镜的光轴是平行且固定的，这意味着两个透镜的会聚或目标点在透镜聚焦时不会改变。
美国专利第4,525,045号也具有两个初级透镜和两对固定的镜/棱镜。提供了一种“水平调节”，使得摄象者可以移动一个透镜以补偿两个透镜的纵向位移，但透镜的光轴是固定且平行的。
美国专利第4,568,970号采用了一种适配器，它装在电视摄象机的透镜之前。采用了成对的镜(图1)或棱镜(图2)在视频帧上产生图象对，取景器视孔前的一个类似装置把两个图象再现为三维的单个图象。一个旋钮使操作者能够手动调节镜/棱镜的光轴的会聚，以产生两个并排的图象。
本发明人发表的博士论文描述了在摄影测量术中对来自多个摄象机的多个图象的使用：″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)。采用一个以上的摄象机来导出用于摄影测量术中的图象，把人限制在了静止的设定，而当采用电子分析运动景物时，要求摄象机精确地同步，以便使两个图象能够被准确地同时拍摄。
本发明的概述
在本发明的最佳实施例中，包括了一种适配器，它具有分成两对的四个镜，它们位于一个摄象机的透镜之前。四个镜的各自中心都对准在一条公共的中心线上，外面的两个镜沿着透镜的光轴大体向外，而里面的两个镜大体向着透镜的内部。外面两个镜的中心彼此相距相当于两眼间的距离。里面的两个镜一起大得足以覆盖透镜的整个视野区，每一个透镜覆盖透镜视野区的一半。外面的两个镜比里面的一对大，且大得足以覆盖里面一对的视野区，以避免视野区的减小。
外面的两个镜的会聚可通过一个联动装置使它们绕着自身的中心线同时和相等地旋转而得到调节。中心的两个镜可以是固定的，或者可以通过旋转而得到调节，从而使每一个镜的一侧保持与另一个镜沿着摄象机透镜的光轴紧密接触的状态，且每一个都与光轴成45°或更小的角。
外镜的致动装置最好与一个环相连，该环紧密地装在透镜的聚焦环周围，从而使焦距的改变自动引起图象的会聚度的重新调节。或者，使外面的镜的致动装置受到一个与取景透镜独立的聚焦装置的控制，从而使镜的会聚度自动跟踪景物的距离。整个组件被装在一个防尘和防光的外壳中，该外壳被装在透镜上。
本发明的设备对于摄影测量术是特别有用的，因为使用该设备可获得最大的图象重叠，且该设备是袖珍的。本发明还包括把这种设备或包括该设备的母体设备用于摄影测量术以确定象素在图象中的三维位置的方法。
附图的简要描述
图1显示了带有自动聚焦/会聚调节的本发明的装置的最佳实施例。
图2显示了带有用于内镜的角度调节的一种替代实施例和一种把外面的两个镜连接在一起的替代方法。
图3显示了另一替代实施例，它采用杆来代替齿轮和齿条来移动外面的镜，使外镜绕着位于它们的内端处的而不是其中心的一个纵向轴作枢轴转动。
图4是另一替代实施例的示意图，它采用杆来移动外镜。
图5是另一替代实施例的示意图，它采用杆来移动外镜，与图4的实施例类似。
图6是另一替代实施例的示意图，它采用杆来移动外镜，与图4的实施例类似，但内镜也得到调节。
图7是另一替代实施例的示意图，它采用杆来移动外镜，与图6的实施例类似，但内镜在不同点得到调节，更适合于借助变焦距的会聚调节。
图8显示了另一实施例，其中用伺服装置代替了图1和2中的销和槽的装置。
图9显示了采用光学聚焦传感器来自动聚焦/会聚调节本发明装置的最佳
实施例。
图10显示了一替代实施例，可对内镜的角度作调节，并显示了把外面的两个镜连接在一起的另一方法，以及用超声传感器来测物象距离。
图11显示了采用CCD成象传感器代替外镜的另一替代实施例，其中成象传感器的会聚受到视频摄象机的聚焦以母体设备应用的方式进行控制。
图12是用CCD传感器代替内镜以产生两个图象的另一替代实施例，并用一个超声传感器来确定景物的距离。
图13是装有本发明设备的视频摄象机的示意图，被用于本发明的方法来确定景物的三维位置。
图14为装有本发明的设备的视频摄象机的示意图，该摄象机被用于本发明的方法来确定景物的三维位置，并用来校准三维测量系统。
图15是从图13的装置得到的一个图象。
图16是从图14的装置得到的一个校准图象。
对最佳实施例的描述
本发明提供了一种用于产生景物的一对图象的设备，即左和右图象，根据景物的距离调整图象采集装置的会聚可使图象达到最大的重叠。本发明的设备特别适用于摄影测量，尤其是近距离的摄影测量，因为如果一个人有两个图象，并知道这些图象是如何获得的(即图象发生器的会聚)，则该人能够通过适当选择一个校准图来导出物体在三维图象中的位置。
图1为本发明的示意图，它是从摄象机(1)的底部显示的。本发明的适配器被很好地放在一个防水和防尘的外壳(19)中，该外壳是传统的，勿需作具体描述。该适配器借助任何适当的装置如杆(3)和梯形螺钉(2)沿着透镜(4)的光轴(10)被安装在摄象机(1)上。没有显示摄象机(1)的细节，因为本发明的适配器不限于任何具体的摄象机种类，静止、电影或视频摄象机。本发明的适配器的各种分，借助传统的装置(为了清晰地显示和描述本发明的新颖之处而未显示)，被装在外壳(19)中并被外壳(19)所支撑。
本发明采用了四个镜来产生所要求的两个图象：两个内镜(16)和两个外镜(12)。两外镜(12)相距适当的距离，最好大体是人的平均目间距离。对特殊的应用，诸如侦察等，该间隔可按本发明指导材料增大。来自外镜(12)的两个图象被反射到内镜(16)并以单个的分开的并排图象进入透镜(4)。
在图1显示的本发明的最佳实施例中，内镜(16)被固定，而外镜(12)绕处于它们中心的枢轴(13)旋转。虚线(11)显示，四个镜的中心沿着线(11)同轴，而线(11)表示透镜光轴线(10)相垂直。
两个外镜(12)被联动在一起，从而使它们一起转动，但沿着相反的方向(即一个逆时针转动时另一个顺时针转动)，从而同时且相等地改变两个镜的会聚度。在图1的设置中，中心齿轮(17)的转动被转变成第一(15)和第二(18)齿条的直线运动，这些齿条位于齿轮相对的侧面。齿条(15)和(18)随后将它们的直线运动转回来带动镜(12)上的齿轮(14)转动，使得镜(12)在它们的枢轴(13)上转动。
由图1可见，第一齿条(15)与镜中心线(11)相交，并与下齿条(18)位于齿轮(14)的同一侧上。这是保证两个镜(12)沿着相反的方向转动所必需的。图2显示了对镜(12)联动以进行相反转动的另一种方法，其中只有一个齿条(18)直接地移动一个镜(12)，而另一个镜则由连接各个镜的相反端部的交叉杆(25)移动。另一种可能的设置是采用交叉带或链(图8)来连接两个镜上的齿轮。
中心齿轮(17)由齿条(8)的直线进出运动来转动。与齿条(8)的端部相连的是一个销(9)，它沿着安装托架(3)中的一个槽(7)滑动。因此，销向着摄象机(1)进、退运动，使齿条(8)转动中心齿轮(17)，后者又通过齿条(15)和(18)使镜(12)以相反的方向进行相等的枢轴转动。
摄象机透镜(4)具有一个围绕着其聚焦环安装的套筒(6)，套筒(6)的转动造成透镜(4)的聚焦。该套筒(6)可被滑动安装在透镜上，或最好具有一个或多个设定螺钉将其牢固地固定在聚焦上。
套筒(6)上有一个机加工形成的槽(5)，齿条(8)上的(9)装入该槽中。借助这种设置，透镜的聚焦装置的转动使套筒(6)转动，槽(5)使销(9)里外地移动齿条(8)，这样便使外镜(12)按如上所述方式进行转动。
在其最简单的形式中，如果所有事情都是完美的，槽(5)只需要是沿着套筒(6)的简单的螺旋槽。不幸的是，多数透镜的聚焦不是完全线性的。即，聚焦环的一个给定的转动，不总是得到透镜至景物距离的相同改变反应。镜的会聚度调节可能，也可能不跟随透镜聚焦的非线性而成线性形式。由此，可见槽(5)也需要被制成非线性的。在图1和2中，显示了两种不同的非线性形式。槽(5)的实际形式需要针对透镜与镜的各种组合来确定。
因此，本发明的设置允许利用传统的单个透镜摄象机产生分割屏幕的左/右图象，其中左和右图象的会聚由摄象机透镜的聚焦进行自动控制。总之，由于透镜(4)通过转动聚焦环而得到聚焦，绕着该环的套筒(6)也转动。销(9)处于套筒(6)中具有适当形状的槽(5)中，并里外地移动齿条(8)。齿条(8)的运动转动一个中心齿轮(17)，该中心齿轮(17)至少通过一个齿条(15)调节外镜(12)的会聚。外镜(12)借助一个联动装置而沿着相反的方向同时且相等地运动。这种联动装置可以是第二齿条(18)，或者是镜之间的一个简单连接杆(25，图2)。
图2显示了内镜(16)在需要时如何被调节，以校正视场等。两个镜(16)交会在中心枢轴(23)处并铰接在一起，轴(23)与沿着透镜(4)的光轴(10)延伸的一个螺线杆(21)的端部相连。该杆的另一端有一个旋钮(20)，它从外壳(19)伸出，使用者可对其调节。螺线杆(21)被螺旋地拧过块(24)，滑动装置(26)垂直于杆(21)沿镜(11)的中心线通过块(24)。两个内镜(16)的中心被装在枢轴(22)上，而枢轴(22)能够沿着滑动装置(26)自由滑动，因此，当旋钮(20)被转动时，螺线杆(21)在块(24)中转动，使得中心枢轴(23)的端部被拉向或离开块(24)。在中心枢轴(23)移向块时，枢轴(22)沿着滑动装置(26)滑动，使得两个内镜(16)之间的角变得平坦。同样，如果中心枢轴(23)离开块(24)，枢轴(22)向内滑动，把两个内镜(16)拉成更为小的锐角。
图3显示了本发明的另一种更简单的替代实施例。在透镜上的致动装置与在前述实施例中的相同，通过齿条(8)和中心盘(35)。两个致动杆(32)和(33)连接在中心盘(35)直径的两端相对应的点上，并以偏移连杆(30)接在外镜(12)的纵向枢轴(13)上，该枢轴(13)则位于外镜的内端。枢轴连接件(31)保证了杆在装置移动时的自由运动，当透镜环(4)向着距透镜较近的景物聚焦时，销(9)被槽(5)向外移动，从而推开齿条(8)。这样便转动了中心齿轮(17)，齿轮(17)又逆时针转动了中心盘(35)。当中心盘(35)逆时针转动时，致动杆(32)和(33)向外移动，推动偏移杆(30)并使外镜(12)向内枢轴转动。这使得外镜(12)的视场会聚。
图4至7显示了本发明的其他实施例。在每种实施例中，当透镜聚焦或变焦距时，不论通过前面图中显示的槽和销的设置并借助图8显示的伺服装置，还是借助其他的装置，推拉杆(43)都向着或离开透镜(未显示)移动。在这些图的每一个中，外镜(12)的内端借助纵向枢轴(45)而安装在一个框(44)上。内镜(16)也可以被固定在同一框(44)上，如图4和5所示，或者用枢轴(62)装在框上，如图6和图7所示。
在图4中，只要简单地将推拉杆(43)穿过框(44)向外延伸到两个外镜(12)之间的一个点处的一个枢轴连接件(41)即可致动。致动杆(42)通过附加枢轴连接件(41)向外把该枢轴连接件接到镜(12)上。当推拉杆(43)被拉回向透镜(如虚线箭头所示)时，外镜(12)的视场会聚。
图5是类似的，利用了相同的致动杆(42)和枢轴连接件(41)设置，但位于框(44)和镜(12)和(16)之后。外镜(12)被偏移杆(50)所致动，与图3中采用的类似。在此情况下，把推拉杆(43)推离透镜即可使外镜(12)的视场会聚。
图6采用了与图5相同的设置，来移动外镜(12)。在此设置中，内镜(16)，通过使内镜杆(60)从内镜(16)的外端移向接近外镜(12)纵向轴(45)的一个点，而致动。
如图7所示，移动该连接点，设计者能够调节内镜(16)与外镜(12)的相对运动。在图7中，内镜杆(60)的连接点大体移向外镜(12)的中心，这使得内镜(16)相对于外镜的移动比图6的设置中的移动更大。内镜(16)的枢轴点(62)移向与外镜(12)的枢轴(45)在同一线上的一个点。图6的设置的这些改变所带来的结果是，内镜(16)和外镜(12)在这些镜与透镜的光轴之间的角度改变时保持平行，且移动相同的量。图7的设置对于推拉杆响应焦距(变焦距)而不是聚焦的改变而移动的应用中是有用的。
某些自动聚焦或电聚焦透镜不具有当透镜聚焦时转动的聚焦环，或者也许该聚焦环位于透镜筒之内或机械装置不容易到达的地方；该机械装置，诸如图1至3的槽和销装置。本发明的适配器在这种摄象机系统中仍然能够采用。如图8所示，诸如步进马达、伺服装置、或螺线管的电致动器(85)可用来驱动致动杆(83)，通过偏移杆(30)转动外镜(12)。当然，这种具体的杆设置只是示例性的，也可以采用图1至7中显示的其他设置或其他的变形。如果需要，可以加上另一个电致动器(84)，以借助诸如内致动杆(82)和内偏移杆(81)的装置，来单独地调节内镜(16)。这两种电致动器能够借助现有技术中的任何电路来操作，诸如微处理器或分立驱动电路，它们被用以聚焦并改变透镜(4)的焦距的同一电路所驱动。或者，可以从实际安装在透镜上的一个电位置传感器导出一个致动信号。
本发明还能够以这样的方式构成，即由至景物的焦距来控制会聚，但此控制与摄象机独立。这对某些情况是有利的，因为它不需要修正摄象机或提供适配器环以响应摄象机透镜的调节。如果摄象机具有内部聚焦透镜，就不需要装可接触的聚焦环，而且不可能或不希望在摄象机内安装电子设备来获得聚焦信号。相反地，可以用一个独立的聚焦传感器来确定从设备至景物的距离。
在图9-11中，与上述实施例中采用的相同的部件将不再单独讨论，除非对附图的具体实施例的理解需要。
图9显示了本发明，它是从摄象机(1)的底部显示的，与图1的设置相应。中心齿轮(17)被齿条(8)的线性进出运动所转动，而齿条(8)与伺服马达(103)的致动臂(104)相连。这种伺服装置可以是通过商业获得的很多种伺服装置或步进马达中的任何一种。因此致动臂(104)的运动使齿条(8)转动中心齿轮(17)，而中心齿轮(17)又通过齿条(15)和(18)使两个外镜(12)在枢轴上互向相反方向作相等的转动。
一种光学聚焦传感器(101)，如果需要它还带有一个相应的透镜(100)，借助现有技术中在视频摄象机或自动聚焦″对准-拍照″静止摄象机中通常采用的装置，确定从本发明的设备至景物的距离，并向伺服马达(103)提供控制信号。该光学传感器可是通常用的聚焦传感器中的任何一种，也可利用诸如红外或最大对比度检测等于此用途中任何光学方法。
因此，本发明的设置允许利用传统的单透镜摄象机产生分开屏幕左/右图象，左和右图象的会聚由聚焦传感器自动控制。
图10显示本发明的另一实施例，其中采用一个超声传感器(102)来确定景物距离。该超声传感器可以是在Polaroid快照摄象机中已经使用多年的那种，它从景物反射一系列的超声“脉冲束”，并提供与信号的返回延迟(即距离)成比例的聚焦信号。
该聚焦信号驱动一种电致动器(85)，诸如步进马达、伺服装置或螺线管等，该致动器能够用来驱动致动杆(83)以通过偏移(30)来转动外镜(12)，这与图8的实施例相应。当然，这种具体的杆设置是示例性的，也可以采用所示的其他设置或其他的变形。如果需要，可以加上另一个电致动器(84)，以借助诸如内致动杆(82)和内偏移杆(81)装置，来单独地调节内镜(16)。这两种电致动器能够借助现有技术中的任何电路来操作，诸如微处理器或分立驱动电路-它们被装在本发明设备中的距离传感器所驱动。
本发明的进一步的变形是用CCD成象传感器来代替单个的摄象机透镜，以产生用于本发明的方法的两个图象。可商业获得的小的CCD传感器/透镜模块适于这种应用。使用这类传感器有两种基本方式：可用它们代替外镜-如图11所示，或者用来代替内镜如图12所示。
图11显示了本发明的一个实施例，其中外镜被一对CCD成象传感器模块(112)所取代。最初用于CIP的方法中，该设备的装置-它控制成象传感器模块(112)的会聚-被视频摄象机(1)的自动聚焦装置所驱动。视频摄象机(1)既被用作对准也被用作聚焦装置。如在最初的应用中所做的，两个致动杆(32)和(33)连接在中心盘(35)直径的两端相对应的点上并用偏移杆(30)与传感器(112)的纵向枢轴(13)相连，而纵向枢轴(13)位于传感器的内端。枢轴连接件(31)保证了杆在装置移动时的自由运动。当透镜环(4)向着距透镜较近的景物聚焦时，销(9)被槽(5)向外移动，从而把齿条(8)推开。这样便转动了中心齿轮(17)，齿轮(17)又逆时针转动中心盘(35)。当中心盘(35)逆时针转动时，致动杆(32)和(33)向外移动，推动偏移杆(30)并使CCD传感器(112)向内枢轴转动。这使得CCD(12)的视场会聚。
图12中完全除去摄象机，使系统进入下一步。代之以其他实施例中，由背对背地安装在内镜的位置上的一对CCD传感器(116)和(117)来产生双图象。外镜(12)借助偏移推杆(30)、枢轴连接件(31)和致动杆(32)而绕外镜的内端(34)转动。致动杆(32)和(33)连在中心盘(35)的相对的两侧上，该中心盘在超声聚焦传感器(118)的控制下由伺服装置或步进马达(115)转动。
在图11或12的两个设置的任何一个中，两个CCD传感器将需要被仔细地同步，以使图象精确地在同一瞬间被拍摄。
应该理解的是，聚焦传感器的机械设置(推杆、齿条、伺服等)和聚焦传感器的类型(光学、超声或摄象机)，在本发明所述的范围内，可以进行″混合和匹配的″，给出的实例显示了具体的各种类型的组合，但并不排除其他的类型。
本发明的设备可以容易地被用来确定景物的三维空间(x，y和x轴)的位置，且一旦校准，将能够方便地借助甚至袖珍设备进行这种测量。图13和14显示了用在本发明的方法中的本发明的设备。在图13中，试图确定苍蝇(135)的位置，而苍蝇正在飞过该装置的视场。本发明的适配器(133)-它与视频摄象机(130)相连-对着观察方向。根据本发明的指导材料，透镜(131)得到聚焦，且外镜(132)和(136)进行枢轴转动，以会聚它们的视场。镜(132)和(136)的视场分别用虚线(134)和(149)显示。来自两个镜的图象的景深分别用一对弧(148)和(147)表示，它们的重叠部分覆盖了苍蝇(135)的距离，表示透镜(131)的景深包括了景物及其周围的区域。
镜相对于透镜(131)的角度(137)是直接利用枢轴上的量化器或适合于该设备的机械设计的其他装置测量的，或者根据镜(131)的聚焦距离或者用聚焦传感器(如果设备的实施例包括一个的话)推出。
本发明的测量方法如下：
首先，借助以下步骤对设备进行校准(见图14和16)：
1.把设备对准具有已知的三维空间位置的多个校准目标(139)中的一个，这些目标经选择充满图象帧并包括目标距离上的透镜景深。最好是采用十六或更多的目标，且处于距摄象机的不同距离上。这意味着目标的大小将随着它们距设备的距离而改变，并在各个距离上充满了视场。对于每一个目标，将测量已知位置的多个点。在该例子中只显示了十二个测量点(141)，它们被排列成三行(142)、(143)和(144)并具有不同的高度。实际的校准目标测量点的设置不是重要的。
2.摄象机(130)上的聚焦图象，其目标上的所有的测量点都在透镜的景深内。同时，根据本发明的指导调节镜(132)和(136)的会聚角度(140)，从而使左和右图象的视场在景深区域上完全重叠。这产生了两个视频图象(图16)-左(152)和右(153)，以及镜角度(140)。
3.对于每一个测量点，在两个图象的每一个上：
a)测量点(160)的图象的两维位置。例如，在左图象上，测量点(160)的象出现在x(155)和y(157)，而在右图象上则是出现在x(156)和y(158)。x和y坐标可以是相对于各个轴的中间的(0，0)，如图所示，或者相对于所希望的任何坐标系。若需要，可采用距图象中心的一个“角度和距离”量度(ρ和θ)，而对计算也进行适当的修正。
b)代入三维测量点的实际坐标(相对于设备的位置)。
c)对其余目标测量点进行重复。
4.从存储在目标上的各个测量点的x和y坐标，以及测量点的实际已知坐标，计算校准图的三维空间的位置，以求得镜的该角度(即景物距离)。
5.对其余的校准目标在多个距离(即镜角度)重复步骤3和4。
随后，用该设备和方法(图5)：
1.把设备对准并聚焦于景物(135)；
2.记录每一个图象上的景物的位置(左图象(150)上的XL和YL，右图象(151)上的XR和YR)。
3.测量或导出镜(136)的角度(137)。
4.根据角度(137)选择校准图。
5.通过从各个图象x和y位置的插值法并利用步骤4中的角度选定的校准图，再现景物(135)的三维位置。
从两维图象计算物体的位置的方法的例子，见已发表的论文″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页)。

Claims (51)

1.一种用单个透镜产生三维图象的透镜装置，它用于具有围绕光轴相对称的视场的透镜，以及使透镜对选定距离进行聚焦的聚焦装置，
a)右和左内镜，两个内镜位于透镜的前方并沿着透镜的光轴对内朝向透镜，覆盖了透镜的整个视场，两内镜在透镜的光轴的一端彼此相连，从而使两个内镜形成了相对于透镜的光轴对称的锐角；
b)右和左外镜，两个外镜都比内镜大并位于内镜之外，向外对着景物，从而使内镜的整个视场都被外镜所覆盖，该外镜能够绕一个纵轴作枢轴转动；
c)联动装置，用于使外镜同时绕它们的纵轴沿着相反的方向作枢轴转动，它具有用于致动该联动装置的控制输入部分，从而使控制输入部分的运动造成右和左外镜沿着相反的方向同时作等量的枢轴转动，从而使控制输入部分沿着一个方向的运动造成外镜的视场的会聚，而控制输入部分沿着相反方向的运动造成外镜视场的发散；以及
d)致动装置，用于响应于透镜的聚焦装置的致动而移动联动装置的控制输入部分，它与联动装置的控制输入部分和透镜的聚焦装置相连，从而当透镜聚焦在选定的距离时，外镜的视场会聚在选定的距离。
2.根据权利要求1的透镜装置，其中每个内镜的安装与透镜的光轴成45°角。
3.根据权利要求1的透镜装置，还包括调节内镜与透镜的光轴的角度的级联装置，从而使两个内镜在该角度被调节时与透镜的光轴保持相同的角度。
4.根据权利要求3的透镜装置，其中用于调节内镜的角度的级联装置包括：
a)位于透镜的光轴与外镜的中心线的交点处的一个中心块，它具有沿着透镜的光轴方向的第一孔和沿着镜的中心线方向的第二孔；
b)在两个内镜的边彼此相接的接点处的一个中心枢轴，两个镜的连接部是可移动的；
c)位于镜的中心线上的一个滑动装置，它通过中心块的第二孔并位于透镜的光轴的中心，具有两个端部而其长度足以使该滑动装置的端部至少伸过内镜而到达镜的中心线上；
d)两个滑动枢轴，每一个都具有一个孔滑动装置被滑动地插入该孔，并具有一个枢轴，内镜之一以可枢轴转动的方式装在其中心线上；
从而当中心枢轴沿着光轴向着中心块移动时，与内镜连接到的滑动枢轴在滑动装置上向外滑动且内镜在其上作枢轴转动，从而使内镜与光轴之间的角度变得平坦并使每个内镜保持在与透镜的光轴处于相同角度的状态。
5.根据权利要求4的透镜装置，其中中心块的第一孔是带螺线的且该透镜装置还包括具有匹配螺线的一个带螺线调节杆，该杆通过中心块的第一孔并与中心枢轴相连，从而使中心枢轴在带螺线调节杆在带螺线的第一孔中拧动时沿着透镜的光轴移动。
6.根据权利要求3的透镜装置，其中用于调节内镜的角度的级联装置包括：
a)在两个内镜的边缘连接在一起的接点是一个中心枢轴，两个镜之间的连接是可移动的；
b)第一联动杆，它具有在内镜离中心枢轴最远的边缘附近活动地与该内镜相连的第一端和与位于透镜的光轴的相同侧上的外镜活动地相接的第二端；
c)第二联动杆，其第一端在另一内镜离中心枢轴最远的边缘附近与该内镜活动地相连，该连接点与第一联动杆的第一端与其内镜相连的连接点相同；其第二端与位于透镜的光轴的同一侧上的外镜活动地相连，该连接点与第一联动杆的第二端与其外镜相连的点相同；
因而当外镜在它们的枢轴上运动时，第一和第二联动杆使得内镜沿着相反的方向同时作等量的枢轴转动。
7.根据权利要求6的透镜装置，其中第一和第二联动杆的第二端与外镜的连接点在外镜的中心附近。
8.根据权利要求6的透镜装置，其中第一和第二联动杆的第二端与外镜的连接点在外镜的枢轴点附近。
9.根据权利要求1的透镜装置，其中联动装置包括：
a)位于镜的中心线上的一个中心齿杆齿轮；
b)位于外镜之一的纵轴处的一个镜齿杆齿轮，从而使镜齿杆齿轮的转动使外镜沿着其纵轴作枢轴转动；
c)一个齿条，它把中心齿杆齿轮与镜齿杆齿轮连接起来，从而使得中心齿杆齿轮的转动造成齿条的直线运动，使镜齿杆齿轮转动并造成外镜的枢轴转动；以及
d)连接装置，用于使另一外镜进行与具有镜齿杆齿轮的那个外镜作相等且相反的运动。
10.根据权利要求9的透镜装置，其中用于使外镜作枢轴转动的连接装置包括一个与右外镜的一端和左外镜的相对端相连的联动杆。
11.根据权利要求9的透镜装置，其中用于使外镜枢轴转动的连接装置包括一个第二镜齿杆齿轮和把中心齿杆齿轮连接到第二镜齿杆齿轮的一个第二齿条，从而使中心齿杆齿轮的转动造成第二齿条的线性运动，进而使第二镜齿杆齿轮转动并使外镜进行与另一外镜的枢轴转动相等且相反的枢轴转动。
12.根据权利要求9的透镜装置，其中联动装置的控制输入部分包括与中心齿杆齿轮相连的控制齿条，从而使控制齿条的线性运动带动中心齿杆齿轮的转动。
13.根据权利要求1的透镜装置，其中用于响应透镜的聚焦环的致动而移动联动装置的控制输入部分的致动装置包括：
a)一个套筒，该套筒至少包围透镜的聚焦环的一部分，并与该环相连以便一起转动，且其上有一个螺旋槽；
b)位于控制输入部分上的一个销；
c)该销被保持在套筒的螺旋槽中，从而使套筒的转动造成销的线性且与套筒的转动成比例的运动。
14.根据权利要求13的透镜装置，其中螺旋槽是这样配置的，即销的线性运动造成了联动装置使外镜作枢轴转动，从而使外镜的视场随着透镜焦距的改变而重叠在透镜的选定焦距处。
15.根据权利要求1的透镜装置，其中用于使外镜枢轴转动作的联动装置包括一对杆，这些杆的外端与外镜相连并与外镜枢轴转动所围绕的纵轴相距一定的距离，而杆的内端彼此相连并同与透镜的光轴相平行的致动杆相连。
16.根据权利要求1的透镜装置，其中外镜绕其作枢轴转动的纵轴位于外镜的内端，外镜还包括一个偏移杆，该杆具有与外镜在其纵轴处相连并从该枢轴向后延伸的第一端，并具有一个第二端，用于使外镜作枢轴转动的联动装置包括一对杆，这些杆的外端与偏移杆的第二端相连，而内端彼此相连并同与透镜的光轴相平行的致动杆相连。
17.根据权利要求1的透镜装置，其中致动装置包括一个电致动器，该致动器具有用于表示透镜的聚焦的电信号的电输入端和与联动装置的控制输入部分相连的机械输出部分，具有响应于电输入端上的电信号的运动，从而使表示透镜聚焦的电信号将镜的会聚适当地调节到透镜的焦点。
18.根据权利要求17的透镜装置，其中电致动器是一个螺线管。
19.根据权利要求17的透镜装置，其中电致动器是一个步进开关。
20.根据权利要求17的透镜装置，其中电致动器是一个伺服装置。
21.根据权利要求1的透镜装置，其中透镜是可变焦距透镜且致动装置随透镜的焦距的改变而移动。
22.用于利用单个透镜产生三维图象的透镜装置，用于与具有绕光轴对称的视场的透镜和用于把该透镜聚焦于选定的距离的聚焦装置一起使用，包括：
a)右和左内镜，两个内镜位于透镜的前方并沿着透镜的光轴向内对着透镜，覆盖了透镜的整个视场，该内镜在透镜的光轴的一端彼此相连，从而使两个内镜形成了对于透镜的光轴对称的锐角；
b)右和左外镜，两个外镜都比内镜大并位于内镜之外，向外对着景物，从而使内镜的整个视场都被外镜所覆盖，该外镜能够绕一个纵轴作枢轴转动；
c)联动装置，用于使外镜同时绕它们的纵轴沿着相反的方向作枢轴转动，它具有用于致动该联动装置的控制输入部分，从而使控制输入部分的运动造成右和左外镜沿着相反的方向同时作等量的枢轴转动，从而使控制输入部分沿着一个方向的运动造成外镜的视场的会聚，且控制输入部分沿着相反方向的运动造成外镜的视场的发散；以及
d)距离测量装置，用于测量设备与景物之间的距离，它具有对设备与景物之间的距离成比例的控制输出，以及
e)驱动装置，用于响应于距离测量装置的控制输出而移动联动装置的控制输入部分，从而使外镜的视场在距离测量装置所测量的距离处重叠。
23.根据权利要求22的透镜装置，其中各个内镜相对于透镜的光轴成45°角安装。
24.根据权利要求22的透镜装置，进一步包括用于调节内镜与透镜的光轴的角度的级联装置，从而使两个内镜在该角度得到调节时与透镜的光轴保持相同的角度。
25.根据权利要求24的透镜装置，其中用于调节内镜的角度的级联装置包括：
a)位于透镜的光轴与外镜的中心线的交点处的一个中心块，它具有沿着透镜的光轴方向的第一孔和沿着镜的中心线的第二孔；
b)位于两个内镜的边彼此相连的点处的一个中心枢轴，两个镜之间的连接部是可移动的；
c)位于镜的中心线上的一个滑动装置，它通过中心块的第二孔且其中心位于透镜的光轴，具有两个端部和足以使该滑动装置的端部至少通过在镜的中心线上延伸的长度；
d)两个滑动枢轴，每一个都具有一个孔—通过该孔滑动件被可以滑动地插入，并且具有一个枢轴，内镜之一以可枢轴转动的方式被安装在其中心线上；
因而当中心枢轴沿着光轴向着中心块移动时，与内镜相连接的滑动枢轴在滑动装置上向外滑动且内镜在其上作枢轴转动，从而使内镜与光轴之间的角度变得平坦并把各个内镜保持在处于与透镜的光轴成相同角度的状态。
26.根据权利要求25的透镜装置，其中中心块的第一孔是带螺线的；且该透镜装置进一步包括具有匹配螺线的一个带螺线的调节杆，该杆通过中心块的第一孔并与中心枢轴相连，从而使中心枢轴当带螺线的调节杆在带螺线的第一孔中拧动时沿着透镜的光轴移动。
27.根据权利要求24的透镜装置，其中用于调节内镜的角度的级联装置包括：
a)在两个内镜的边缘连接在一起的点处的一个中心枢轴，两个镜之间的连接部是可移动的；
b)第一联动杆，它具有在内镜离中心枢轴最远的边缘附近与该镜活动相连的第一端和与位于透镜的光轴的同一侧上的外镜活动相连的第二端；
c)第二联动杆，其第一端在另一内镜离中心枢轴最远的边缘附近与该内镜活动地相连，该连接点与第一联动杆的第一端与其内镜相连的连接点相同；其第二端与位于透镜的光轴的同一侧上的外镜活动地相连，该连接点与第一联动杆的第二端与其外镜相连的点相同；
因而当外镜在它们的枢轴上运动时，第一和第二联动杆使得内镜沿着相反的方向同时作等量的枢轴转动。
28.根据权利要求27的透镜装置，其中第一和第二联动杆的第二端与外镜的连接点在外镜的中心附近。
29.根据权利要求27的透镜装置，其中其中第一和第二联动杆的第二端与外镜的连接点在外镜的枢轴点附近。
30.根据权利要求22的透镜装置，其中联动装置包括：
a)位于镜的中心线上的一个中心齿杆齿轮；
b)位于外镜之一的纵轴处的一个镜齿杆齿轮，从而使镜齿杆齿轮的转动带动外镜沿着其纵轴作枢轴转动；
c)一个齿条，它把中心齿杆齿轮与镜齿杆齿轮连接起来，从而使得中心齿杆齿轮的转动造成齿条的直线运动，促使镜齿杆齿轮转动并造成外镜的枢轴转动；以及
d)连接装置，用于使另一外镜进行与具有镜齿杆齿轮的外镜作相等方向相反的运动。
31.根据权利要求30的透镜装置，其中用于使外镜作枢轴转动的连接装置包括与右外镜的一端和左外镜的相反的一端相连的一个联动杆。
32.根据权利要求30的透镜装置，其中用于使外镜作枢轴转动的连接装置包括一个第二镜齿杆齿轮和把中心齿杆齿轮连接到第二镜齿杆齿轮的一个第二齿条，从而使中心齿杆齿轮的转动造成第二齿条的线性运动，进而使第二镜齿杆齿轮转动并使外镜进行与另一外镜作相等方向相反的枢轴转动。
33.根据权利要求30的透镜装置，其中联动装置的控制输入部分包括与中心齿杆齿轮相连的一个控制齿条，从而使控制齿条的线性运动造成中心齿杆齿轮的转动。
34.根据权利要求33的透镜装置，其中距离测量装置是一种光学聚焦传感器。
35.根据权利要求33的透镜装置，其中距离测量装置是一种超声传感器。
36.根据权利要求33的透镜装置，其中用于使外镜作枢轴转动的联动装置包括一对杆，这些杆的外端与外镜相连并与外镜枢轴转动所围绕的纵轴相距一定的距离，而杆的内端彼此相连并同与透镜的光轴相平行的致动杆相连。
37.根据权利要求33的透镜装置，其中外镜绕其作枢轴转动的纵轴位于外镜的内端，外镜还包括一个偏移杆，该杆具有与外镜在其纵轴相连并从该枢轴向后延伸的第一端，并具有一个第二端，用于使外镜作枢轴转动的联动装置包括一对杆，这些杆的外端与偏移杆的第二端相连，而内端彼此相连并同与透镜的光轴相平行的致动杆相连。
38.根据权利要求33的透镜装置，其中驱动装置包括一个电致动器，该致动器具有用于表示透镜的聚焦的电信号的电输入端和与联动装置的控制输入部分相连的机械输出部分，具有响应于电输入端上的电信号的运动，从而使表示透镜的聚焦的电信号将镜的会聚适当地调节到透镜的焦点。
39.根据权利要求38的透镜装置，其中电致动器是一个螺线管。
40.根据权利要求38的透镜装置，其中电致动器是一个步进开关。
41.根据权利要求38的透镜装置，其中电致动器是一个伺服装置。
42.一种用于产生三维图象的设备，包括：
a)右和左光学成象传感器，该二个传感器沿着同一条中心线设置，其中一个传感器位于中心线的一侧，另一个传感器位于中心线的相反一侧，它们向外对着景物，该光学成象传感器能够绕纵轴作枢轴转动；
b)联动装置，用于使光学成象传感器绕它们的纵轴沿着相反的方向作枢轴转动，并具有用于致动联动装置的控制输入部分，从而使控制输入部分的运动造成右和左光学成象传感器沿着相反的方向同时作等量的枢轴转动，从而使控制输入部分沿着一个方向的运动造成光学成象传感器的视场会聚，而控制输入部分沿着相反方向的运动造成光学成象传感器的视场发散；以及
c)距离测量装置，用于测量设备与景物之间的距离，它具有对设备与景物之间的距离成比例的控制输出，且
d)驱动装置，用于响应于距离测量装置的控制输出来移动联动装置的控制输入部分，从而使光学成象传感器的视场在距离测量装置测定的距离处重叠。
43.根据权利要求42的设备，其中光学成象传感器是CCD成象检测器。
44.根据权利要求42的设备，其中距离测量装置是视频摄象机的自动聚焦装置。
45.用于产生三维图象的设备，包括：
a)右和左光学成象传感器，该二个传感器沿着同一条中心线设置，其中一个传感器位于中心线的一侧，另一个传感器位于中心线的相反一侧，两个光学成象传感器的中心线都与从设备至一个景物的直线相垂直，并从该直线面向外面。
b)右和左外镜，两个外镜都比光学成象传感器大并位于光学成象传感器的外侧，并向外对着景物，从而使光学成象传感器的整个视场都被外镜所覆盖，该外镜能够绕一个纵轴作枢轴转动；
c)联动装置，用于使外镜同时绕它们的纵轴互作相反方向的枢轴转动，它具有用于致动联动装置的控制输入部分，从而使控制输入部分的运动造成右和左外镜同时作相等、方向相反的枢轴转动，从而使控制输入部分沿着一个方向的运动造成外镜的视场的会聚，而控制输入部分沿着相反的方向的运动造成外镜的视场的发散；以及
d)距离测量装置，用于测量设备与景物之间的距离，它具有与对设备景物之间的距离成比例的控制输出，以及
e)驱动装置，用于响应于距离测量装置的控制输出来移动联动装置的控制输入部分，从而使外镜的视场在距离测量装置测得的距离处重叠。
46.根据权利要求45的设备，其中光学成象传感器是CCD成象传感器。
47.单个透镜产生三维图象的设备所产生的左和右图象来测量三维空间中的景物的位置的方法，该设备具有把透镜聚焦到选定距离的聚焦装置，以及向外对着对象的右和左外镜，外镜能够绕一个纵轴同时且方向相反地作枢轴转动，从而使外镜与透镜的焦距一起得到调节，与透镜的焦距会聚成一个会聚角，该方法包括以下步骤：
a)借助位于三维空间中的已知位置的具有多个测量点的多个目标来校准设备，从而产生多个校准图，各个图都以会聚角为索引且每一个都包括表示每个左和右图象中的目标上的测量点的位置的多个两维坐标，以及表示三维空间中目标的测量点的实际位置的多个坐标；
b)把设备对准景物，同时会聚外镜从而使图象的重叠达到最大；
c)测量外镜的会聚角；
d)选择与测得的会聚角最匹配的校准图；
e)测量景物在每个左和右图象的中的两维位置；以及
f)利用测量到的左和右图象中景物的两维位置，从选定的校准图确定景物在三维空间中的实际位置。
48.根据权利要求47的方法，其中校准步骤(a)包含以下步骤：
a)选择多个目标，每一个都具有已知位置的多个测量点；
b)把设备对准多个目标中的一个；
c)把设备聚焦在该目标上，从而使目标完全处于透镜的景深中，使得镜的会聚度得到相应调节；
d)测量会聚角；
e)测量左和右图象中的目标的各个测量点的两维图象坐标；
f)把该目标的各个测量点的左和右两维图象坐标存储在一个以会聚角为索引的校准图中；
g)把该目标的各个测量点的实际位置存储在以会聚角为索引的校准图中；以及
h)对其余的目标重复步骤(b)至(g)。
49.权利要求48的方法，其中每一个目标的尺寸都是经过选择的，以便在选择的距离上完全地充满了透镜的视场和景深区。
50.根据权利要求47的方法，其中两维图象坐标是以x和y为直角坐标测量的。
51.根据权利要求47的方法，其中两维图象坐标是以ρ和θ为极坐标而测量的。
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