способ формирования изображения объекта в трехмерном пространстве и устройства для его осуществления (варианты)

Формула изобретения

1. Способ формирования изображения объекта в трехмерном пространстве из левого и правого изображения, построенного с использованием одного объектива с фокусирующим средством, включающий определение координат объекта, калибровку устройства по множеству целей, соответствующих множеству измерительных точек с известными координатами их положения в трехмерном пространстве, с получением множества калибровочных карт, при этом каждая карта соответствует определенному углу сходимости и содержит множество двумерных координат, соответствующих положению измерительных точек цели в каждом из левого и правого изображений и множество координат, соответствующих действительному положению измерительных точек на цели, прицеливание и фокусирование устройства на объект при одновременном схождении наружных зеркал при максимальном перекрытии изображений, измерение угла схождения наружных зеркал, выбор калибровочной карты, с учетом измеренного угла схождения, измерение координат объекта в каждом из левого и правого изображений, определение действительного положения объекта в трехмерном пространстве по измеренным координатам объекта в левом и правом изображениях и соответствующей калибровочной карте и окончательное формирование изображения объекта по полученным координатам, отличающийся тем, что в процессе калибровки при выборе множества целей, каждая из которых имеет множество измерительных точек с известными координатами, каждая цель по размеру выбирается так, чтобы при этом полностью были заполнены площадь зрения и глубина поля объектива на выбранном расстоянии, наведение и фокусировка устройства на цель осуществляется таким образом, чтобы цель полностью находилась в глубине поля объектива, после чего измеряют координаты изображения каждой из измерительных точек на каждом левом и правом изображениях, заносят измеренные значения координат левого и правого изображений в калибровочную таблицу, туда же заносят действительные координаты каждой из измеряемых точек на цели с учетом угла сходимости, повторяют указанные выше операции для всех остальных целей, восстанавливают трехмерное положение объекта, интерполируя значения полученных координат каждого изображения объекта с учетом выбранной калибровочной таблицы (карты) и по полученным данным формируют изображение объекта в трехмерном пространстве.

2. Способ формирования изображения объекта в трехмерном пространстве по п. 1, отличающийся тем, что двумерные изображения измеряются в декартовой системе координат x и y.

3. Способ формирования изображения объекта в трехмерном пространстве по п. 1, отличающийся тем, что двумерные изображения измеряются в полярной системе координат и .

4. Насадка к объективу для формирования трехмерных изображений с помощью одного объектива, имеющего симметричное относительно оптической оси поле зрения и фокусирующее средство для фокусировки объектива на выбранное расстояние, содержащая: а) правое и левое внутренние зеркала, расположенные перед объективом и обращенные внутрь к объективу вдоль оптической оси объектива, покрывая практически все поле зрения объектива, при этом внутренние зеркала соединены вместе смежными сторонами на одном конце оптической оси объектива, так что упомянутые два внутренних зеркала образуют острый угол, симметричный относительно оптической оси объектива; б) правое и левое наружные зеркала, каждый из которых больше внутренних зеркал, расположены снаружи от внутренних зеркал и обращены к предмету, изображение которого формируют, так что практически все поле зрения внутренних зеркал покрывается наружными зеркалами, при этом наружные зеркала установлены шарнирно относительно вертикальной оси; в) объединяющее средство для одновременного поворачивания наружных зеркал вокруг их вертикальных осей в противоположные стороны, с управляющим входом для приведения в движение объединяющего средства, при этом передвижение управляющего входа воздействует на правое и левое наружные зеркала, поворачивая их одинаково и синхронно в противоположные стороны, так что передвижение управляющего входа в одном направлении вызывает схождение полей зрения наружных зеркал, а передвижение управляющего входа в противоположном направлении вызывает расхождение полей зрения наружных зеркал; г) адаптерное средство для передвижения управляющего входа объединяющего средства в ответ на воздействие фокусирующего средства объектива, соединенного с управляющим входом объединяющего средства и фокусирующим средством объектива, при этом, когда объектив фокусируется на выбранное расстояние, поле зрения наружных зеркал сходится на это выбранное расстояние и д) тандемное средство для регулировки угла ориентации внутренних зеркал к оптической оси объектива, причем оба внутренних зеркала остаются под одним и тем же углом к оптической оси объектива в процессе регулировки этого угла.

5. Насадка к объективу по п.4, в которой тандемное средство для регулировки угла ориентации внутренних зеркал содержит: а) средний блок, расположенный на пересечении оптической оси объектива и срединной линии наружных зеркал, имеющий первое сквозное отверстие, ориентированное вдоль оптической оси объектива, и второе сквозное отверстие, ориентированное вдоль срединной линии зеркал; б) средний шарнир в точке, где края двух внутренних зеркал соединены вместе, при этом соединение между этими двумя зеркалами выполнено подвижным; в) направляющую, расположенную на срединной линии зеркал, проходя через второе сквозное отверстие в среднем блоке и с центром на оптической оси объектива, имеющую два конца и длину, достаточную для того, чтобы эти концы направляющей по меньшей мере выходили за внутренние зеркала срединной линии этих зеркал; г) два скользящих шарнира, каждый из которых имеет сквозное отверстие, через которое со скольжением вводится направляющая, и шарнир, на котором шарнирно установлено на своей срединной линии одно из внутренних зеркал, так что, когда средний шарнир перемещается вдоль оптической оси к среднему блоку, скользящие шарниры, к которым прикреплены внутренние зеркала, скользят наружу по направляющей и внутренние зеркала поворачиваются на них, спрямляя угол между внутренними зеркалами и оптической осью и обеспечивая при этом ориентацию каждого внутреннего зеркала под одинаковым углом к оптической оси объектива.

6. Насадка по п.5, в которой первое сквозное отверстие в среднем блоке выполнено с резьбой, а насадка дополнительно содержит регулировочный стержень с резьбой, аналогичной резьбе, выполненной в упомянутом первом сквозном отверстии в среднем блоке, проходящий через упомянутое первое сквозное отверстие в упомянутом среднем блоке и прикрепленный к среднему шарниру, с возможностью перемещения среднего шарнира вдоль оптической оси объектива при вращении резьбового регулировочного стержня в упомянутом первом резьбовом сквозном отверстии.

7. Насадка к объективу по п.4, в которой упомянутое тандемное средство для регулировки угла между внутренними зеркалами содержит: а) средний шарнир, расположенный в точке соединения двух смежных сторон внутренних зеркал, при этом упомянутое соединение выполнено подвижным; б) первый объединяющий стержень, один из концов которого гибко закреплен на внутреннем зеркале около края этого зеркала, наиболее удаленного от среднего шарнира, а второй конец упомянутого первого объединяющего стержня гибко закреплен на наружном зеркале, расположенном с той же самой стороны от оптической оси объектива; в) второй объединяющий стержень, первый конец которого гибко закреплен на другом внутреннем зеркале около края этого зеркала, наиболее уделенного от среднего шарнира, в той же точке крепления, в которой первый конец упомянутого первого объединяющего стержня закреплен на своем внутреннем зеркале, а второй конец упомянутого второго объединяющего стержня гибко закреплен на наружном зеркале, расположенном с той же самой стороны от оптической оси объектива в точке на этом наружном зеркале, аналогичной упомянутой точке, в которой второй конец первого объединяющего стержня закреплен на своем наружном зеркале, при этом когда упомянутые наружные зеркала перемещаются на своих шарнирах, первый и второй упоминаемые объединяющие стержни обеспечивают одинаковое и синхронное перемещение упомянутых внутренних зеркал в противоположные стороны.

8. Насадка по п.4, в которой точка закрепления второго конца первого и второго упомянутых объединяющих стержней на наружных зеркалах расположена посередине упомянутых наружных зеркал.

9. Насадка по п.4, в которой точка закрепления второго конца первого и второго упомянутых объединяющих стержней на упомянутых наружных зеркалах расположена у упомянутых шарниров, соединяющих упомянутые наружные зеркала.

10. Насадка по п.4, в которой объединяющее средство для одновременного поворачивания наружных зеркал вокруг их вертикальных осей в противоположные стороны содержит: i) среднюю ведущую шестерню, расположенную на срединной линии зеркал; ii) зеркальную ведущую шестерню, расположенную на вертикальной оси наружных зеркал, при этом вращение зеркальной ведущей шестерни поворачивает упомянутые наружные зеркала вокруг их вертикальных осей; iii) рейку, связывающую среднюю ведущую шестерню с зеркальной ведущей шестерней, при этом вращение упомянутой средней ведущей шестерни линейно перемещает упомянутую рейку, заставляя зеркальную ведущую шестерню вращаться и поворачивать соответствующее наружное зеркало; iv) связывающее средство для обеспечения перемещения другого наружного зеркала одинаково и в противоположную сторону с упомянутым наружным зеркалом, имеющим зеркальную ведущую шестерню.

11. Насадка по п.10, в которой связывающее средство, обеспечивающее поворот наружного зеркала, содержит объединяющий стержень, соединенный с одним концом упомянутого правого наружного зеркала и с противоположным концом упомянутого левого наружного зеркала.

12. Насадка по п.10, в которой связывающее средство, обеспечивающее поворот наружного зеркала, содержит вторую зеркальную ведущую шестерню и вторую рейку, соединяющую среднюю ведущую шестерню со второй зеркальной шестерней, при этом вращение упомянутой средней ведущей шестерни линейно перемещает вторую рейку, взаимодействующую с упомянутой второй зеркальной ведущей шестерней, обеспечивая поворот упомянутого наружного зеркала одинаково и в противоположную, по отношению к повороту второго упомянутого наружного зеркала, сторону.

13. Насадка по п.10, в которой управляющий вход объединяющего средства содержит управляющую рейку, соединенную со средней ведущей шестерней, при этом линейное перемещение упомянутой управляющей рейки обеспечивает поворот средней ведущей шестерни.

14. Насадка по п.4, в которой адаптерное средство для передвижения управляющего входа объединяющего средства содержит: i) адаптерную муфту, окружающую по меньшей мере часть фокусирующего кольца объектива, соединенную с ним для совместного вращения, при этом в упомянутой адаптерной муфте выполнена спиральная канавка; ii) палец, взаимодействующий с управляющим входом; iii) при этом упомянутый палец размещен в спиральной канавке адаптерной муфты, так что при вращении упомянутой адаптерной муфты палец перемещается линейно и пропорционально вращению адаптерной муфты.

15. Насадка по п.14, в которой спиральная канавка выполнена такой конфигурации, при которой линейное перемещение пальца, взаимодействуя с объединяющим средством, обеспечивает поворот наружных зеркал, так чтобы поля зрения упомянутых наружных зеркал перекрывались на выбранном расстоянии до фокуса объектива, когда это расстояние изменяется в процессе фокусировки объектива.

16. Насадка по п.10, в которой имеется объединяющее средство для одновременного поворачивания наружных зеркал вокруг их вертикальных осей в противоположные стороны, с управляющим входом для приведения в движение объединяющего средства, при этом передвижение упомянутого управляющего входа воздействует на правое и левое наружные зеркала, поворачивая их одинаково и синхронно в противоположные стороны, так что передвижение управляющего входа в одном направлении вызывает схождение полей зрения наружных зеркал, а передвижение управляющего входа в противоположном направлении вызывает расхождение полей зрения наружных зеркал, при этом упомянутое объединяющее средство содержит пару стержней, наружные концы которых, закрепленные на упомянутых наружных зеркалах, разнесены на расстояние от вертикальной оси, вокруг которой поворачиваются упомянутые наружные зеркала, а их внутренние концы соединены друг с другом и с упомянутым приводным стержнем, расположенным параллельно оптической оси объектива.

17. Насадка по п. 10, в которой имеется объединяющее средство для одновременного поворачивания наружных зеркал вокруг их вертикальных осей в противоположные стороны, с управляющим входом для приведения в движение объединяющего средства, при этом передвижение упомянутого управляющего входа воздействует на правое и левое наружные зеркала, поворачивая их одинаково и синхронно в противоположные стороны, так что передвижение управляющего входа в одном направлении вызывает схождение полей зрения наружных зеркал, а передвижение управляющего входа в противоположном направлении вызывает расхождение полей зрения наружных зеркал, и адаптерное средство для передвижения управляющего входа объединяющего средства в ответ на воздействие фокусирующего средства объектива, соединенного с управляющим входом объединяющего средства и фокусирующим средством объектива, причем, когда упомянутый объектив фокусируется на выбранное расстояние, поле зрения наружных зеркал сходится на это выбранное расстояние, а вертикальная ось вращения наружных зеркал расположена на внутренней грани наружных зеркал, при этом упомянутые наружные зеркала содержат сдвигающий стержень, один конец которого соединен с упомянутым наружным зеркалом на его вертикальной оси и выступает назад от шарнира, при этом объединяющее средство имеет два стержня для обеспечения вращения упомянутых наружных зеркал, наружные концы которых соединены со вторым концом упомянутого сдвигающего стержня, а их внутренние концы соединены друг с другом и с приводным стержнем, расположенным параллельно оптической оси объектива.

18. Насадка по п.10, в которой имеется адаптерное средство для передвижения управляющего входа объединяющего средства в ответ на воздействие фокусирующего средства объектива, соединенного с управляющим входом объединяющего средства и фокусирующим средством объектива, причем, когда упомянутый объектив фокусируется на выбранное расстояние, поле зрения наружных зеркал сходится на это выбранное расстояние, при этом адаптерное средство содержит электрический возбудитель, сигнал на электрическом входе которого пропорционален фокусу объектива, а его механический выход соединен с управляющим входом упомянутого объединяющего средства, причем электрический возбудитель перемещается в зависимости от сигнала на его электрическом входе, регулируя схождение зеркал соответственно на точку фокуса объектива.

19. Насадка по п.18, в которой электрический возбудитель представляет собой соленоид.

20. Насадка по п.18, в которой электрический возбудитель представляет собой шаговый двигатель.

21. Насадка по п.18, в которой электрический возбудитель представляет собой сервомеханизм.

22. Насадка к объективу для формирования трехмерных изображений с помощью одного объектива, имеющего симметричное относительно оптической оси поле зрения и фокусирующее средство для фокусировки объектива на выбранное расстояние, содержащая: а) правое и левое внутренние зеркала, расположенные перед объективом и обращенные внутрь к объективу вдоль оптической оси объектива, покрывая практически все поле зрения объектива, при этом внутренние зеркала соединены вместе смежными сторонами на одном конце оптической оси объектива, так что упомянутые два внутренних зеркала образуют острый угол, симметричный относительно оптической оси объектива; б) правое и левое наружные зеркала, каждый из которых больше внутренних зеркал, расположены снаружи от внутренних зеркал и обращены к предмету, изображение которого формируют, так что практически все поле зрения внутренних зеркал покрывается наружными зеркалами, при этом наружные зеркала установлены шарнирно относительно вертикальной оси; в) объединяющее средство для одновременного поворачивания наружных зеркал вокруг их вертикальных осей в противоположные стороны, с управляющим входом для приведения в движение объединяющего средства, при этом передвижение управляющего входа воздействует на правое и левое наружные зеркала, поворачивая их одинаково и синхронно в противоположные стороны, так что передвижение управляющего входа в одном направлении вызывает схождение полей зрения наружных зеркал, а передвижение управляющего входа в противоположном направлении вызывает расхождение полей зрения наружных зеркал; г) средство для измерения расстояния между объективом и предметом, изображение которого формируется, причем упомянутое средство имеет управляющий выход, сигнал с которого пропорционален расстоянию между объективом и устройством; д) приводное средство для перемещения управляющего входа упомянутого объединяющего средства в зависимости от сигнала с управляющего выхода измеряющего расстояние средства, при этом поля зрения упомянутых наружных зеркал перекрываются на расстоянии, измеренном упомянутым средством.

23. Насадка по п. 22, в которой средство для измерения расстояния представляет собой оптический фокусный датчик.

24. Насадка по п. 22, в которой средство для измерения расстояния представляет собой ультразвуковой преобразователь.

25. Насадка по п.22, содержащая тандемное средство для регулировки угла ориентации внутренних зеркал к оптической оси объектива, так что оба внутренних зеркала остаются под одинаковым углом к оптической оси объектива при регулировке этого угла.

26. Насадка по п.25, в которой тандемное средство для регулировки угла внутренних зеркал содержит: а) средний блок, расположенный на пересечении оптической оси объектива и срединной линии наружных зеркал, имеющий первое сквозное отверстие, ориентированное вдоль оптической оси объектива, и второе сквозное отверстие, ориентированное вдоль срединной линии зеркал; б) средний шарнир в точке, где края двух внутренних зеркал соединены вместе, при этом соединение между этими двумя зеркалами выполнено подвижным; в) направляющую, расположенную на срединной линии зеркал, проходящую через второе сквозное отверстие в среднем блоке и с центром на оптической оси объектива, имеющую два конца и длину, достаточную для того, чтобы эти концы направляющей, по меньшей мере, выходили за срединную линию внутренних зеркал; г) два скользящих шарнира, каждый из которых имеет сквозное отверстие, через которое со скольжением проходит направляющая, и шарнир, на котором установлено на своей срединной линии одно из упомянутых внутренних зеркал, при этом, когда средний шарнир перемещается вдоль оптической оси к упомянутому среднему блоку, скользящие шарниры, к которым прикреплены упомянутые внутренние зеркала, скользят наружу по направляющей, а внутренние зеркала поворачиваются на них, спрямляя угол между внутренними зеркалами и оптической осью, ориентируя каждое внутреннее зеркало под одинаковым углом к оптической оси упомянутого объектива.

27. Насадка по п.25, в которой тандемное средство для регулировки угла внутренних зеркал содержит: a) средний шарнир в точке, где края двух внутренних зеркал соединены вместе, при этом соединение между этими двумя зеркалами выполнено подвижным; б) первый объединяющий стержень, один конец которого гибко закреплен на внутреннем зеркале у его края, наиболее удаленного от среднего шарнира, а второй конец гибко закреплен на упомянутом наружном зеркале, расположенном с той же стороны от оптической оси упомянутого объектива; в) второй объединяющий стержень, первый конец которого гибко закреплен на другом внутреннем зеркале около края этого зеркала, наиболее удаленного от среднего шарнира, в той же точке крепления, в которой первый конец упомянутого первого объединяющего стержня закреплен на своем внутреннем зеркале, а второй конец упомянутого второго объединяющего стержня гибко закреплен на наружном зеркале, расположенном с той же самой стороны от оптической оси объектива в точке на этом наружном зеркале, аналогичной упомянутой точке, в которой второй конец первого объединяющего стержня закреплен на своем наружном зеркале, при этом когда упомянутые наружные зеркала перемещаются на своих шарнирах, первый и второй упоминаемые объединяющие стержни обеспечивают одинаковое и синхронное перемещение упомянутых внутренних зеркал в противоположные стороны.

28. Насадка по п. 27, в которой точка закрепления вторых концов обоих объединяющих стержней на наружных зеркалах расположена посередине упомянутых наружных зеркал.

29. Насадка по п. 27, в которой точка закрепления вторых концов обоих объединяющих стержней на наружных зеркалах расположена у шарниров упомянутых наружных зеркал.

30. Насадка по п.22, в которой объединяющее средство содержит: а) среднюю ведущую шестерню, расположенную на срединной линии зеркал; б) зеркальную ведущую шестерню, расположенную на вертикальной оси одного из наружных зеркал, при этом вращение упомянутой зеркальной ведущей шестерни обеспечивает поворот упомянутого наружного зеркала вокруг его вертикальной оси; в) рейку, связывающую среднюю ведущую шестерню с зеркальной ведущей шестерней, при этом вращение упомянутой средней ведущей шестерни линейно перемещает упомянутую рейку, заставляя зеркальную ведущую шестерню вращаться и поворачивать соответствующее наружное зеркало; г) связывающее средство для обеспечения перемещения другого наружного зеркала одинаково и в противоположную сторону с упомянутым наружным зеркалом, имеющим зеркальную ведущую шестерню.

31. Насадка по п. 30, в которой связывающее средство для обеспечения поворота наружного зеркала содержит объединяющий стержень, соединенный с одним краем правого наружного зеркала и с противоположным краем левого наружного зеркала.

32. Насадка по п.30, в которой связывающее средство для обеспечения поворота наружного зеркала содержит вторую зеркальную ведущую шестерню и вторую рейку, соединяющую упомянутую среднюю ведущую шестерню со второй зеркальной ведущей шестерней, при этом вращение средней ведущей шестерни линейно перемещает вторую рейку, обеспечивая поворот второй зеркальной ведущей шестерни и упомянутого наружного зеркала синхронно и в направлении, противоположном направлению поворота второго наружного зеркала.

33. Насадка по п.30, в которой управляющий вход объединяющего средства содержит управляющую рейку, соединенную со средней ведущей шестерней, при этом линейное перемещение упомянутой управляющей рейки обеспечивает вращение упомянутой средней ведущей шестерни.

34. Насадка по п. 30, в которой объединяющее средство, обеспечивающее поворот наружных зеркал, содержит пару стержней, наружные концы которых закреплены на наружных зеркалах, разнесены на расстояние от вертикальной оси, вокруг которой поворачиваются упомянутые наружные зеркала, а их внутренние концы соединены друг с другом и с приводным стержнем, расположенным параллельно оптической оси упомянутого объектива.

35. Насадка по п.30, в которой вертикальная ось, вокруг которой поворачиваются наружные зеркала, расположена на внутренней стороне наружных зеркал, при этом наружные зеркала содержат сдвигающий стержень, один конец которого соединен с наружным зеркалом на его вертикальной оси и выступает назад от шарнира, а объединяющее средство, для обеспечения поворота упомянутых наружных зеркал, содержит пару стержней, наружные концы которых соединены с другим концом упомянутого сдвигающего стержня, а их внутренние концы соединены друг с другом и с приводным стержнем, расположенным параллельно оптической оси упомянутого объектива.

36. Насадка по п.22, в которой приводное средство содержит электрический возбудитель, сигнал на электрическом входе которого пропорционален фокусу объектива, а его механический выход соединен с управляющим входом упомянутого объединяющего средства, причем электрический возбудитель перемещается в зависимости от сигнала на его электрическом входе, регулируя схождение зеркал соответственно на точку фокуса объектива.

37. Насадка по п.36, в которой электрический возбудитель представляет собой соленоид.

38. Насадка по п.36, в которой электрический возбудитель представляет собой шаговый двигатель.

39. Насадка по п.36, в которой электрический возбудитель представляет собой сервомеханизм.

40. Устройство для формирования изображения объекта в трехмерном пространстве содержащее: а) правый и левый оптические датчики изображения, обращенные к предмету и установленные с возможностью поворота вокруг вертикальной оси; б) объединяющее средство для одновременного поворачивания оптических датчиков вокруг их вертикальных осей в противоположные стороны, имеющее управляющий вход для приведения в движение объединяющее средство, при этом передвижение упомянутого управляющего входа воздействует на правый и левый оптические датчики изображения, поворачивая их одинаково и синхронно в противоположные стороны, так что передвижение управляющего входа в одном направлении вызывает схождение полей зрения оптических датчиков изображения, а передвижение управляющего входа в противоположном направлении вызывает расхождение полей зрения упомянутых оптических датчиков изображения; г) средство для измерения расстояния между объективом и предметом, изображение которого формируется, причем упомянутое средство имеет управляющий выход, сигнал с которого пропорционален расстоянию между объективом и устройством; д) приводное средство для перемещения управляющего входа упомянутого объединяющего средства в зависимости от сигнала с управляющего выхода измеряющего расстояние средства, при этом поля зрения упомянутых оптических датчиков изображения перекрываются на расстоянии, измеренном упомянутым средством.

41. Устройство по п.40, в котором оптические датчики изображения представляют собой датчики изображения на ПЗС.

42. Устройство по п. 40, в котором средство, измеряющее расстояние, представляет собой механизм автофокусировки объектива.

43. Устройство для формирования изображения объекта в трехмерном пространстве, содержащее: а) правый и левый оптические датчики изображения, расположенные посередине линии между предметом, изображение которого формируется, и объективом устройства, перпендикулярно к упомянутой линии и обращены наружу от нее; б) правое и левое наружные зеркала, каждое из которых больше внутренних зеркал, расположены снаружи от оптических датчиков изображения и обращены к предмету, изображение которого формируют, так что практически все поле зрения оптических датчиков изображения покрывается наружными зеркалами, при этом упомянутые наружные зеркала установлены шарнирно относительно вертикальной оси; в) объединяющее средство для одновременного поворачивания наружных зеркал вокруг их вертикальных осей в противоположные стороны, с управляющим входом для приведения в движение объединяющего средства, при этом передвижение упомянутого управляющего входа воздействует на правое и левое наружные зеркала, поворачивая их одинаково и синхронно в противоположные стороны, так что передвижение управляющего входа в одном направлении вызывает схождение полей зрения наружных зеркал, а передвижение управляющего входа в противоположном направлении вызывает расхождение полей зрения наружных зеркал; г) средство для измерения расстояния между объективом и предметом, изображение которого формируется, причем упомянутое средство имеет управляющий выход, сигнал с которого пропорционален расстоянию между объективом и устройством, и д) приводное средство для перемещения управляющего входа упомянутого объединяющего средства в зависимости от сигнала с управляющего выхода измеряющего расстояние средства, при этом поля зрения упомянутых наружных зеркал перекрываются на расстоянии, измеренном упомянутым средством.

44. Устройство по п.43, в котором оптические датчики изображения представляют собой датчики изображения на ПЗС.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области стереоскопической или трехмерной ("3D") фотографии.

Конкретнее, изобретение относится к устройству для обеспечения получения одновременно левого и правого видов, которое максимизирует перекрытие этих видов путем регулировки угла схождения формирующего изображение средства в связи с расстоянием до предмета и, возможно, фокусным расстоянием формирующего изображение объектива. Представлен также способ использования этого устройства в фотограмметрии (получение измерений в трехмерном пространстве из множества изображений).

Существующий уровень техники

Стереоскопическая фотография представляет собой способ получения изображений, которые представляются трехмерными, посредством регистрации по отдельности изображений для левого и правого глаз. Наблюдатель восстанавливает трехмерное изображение, одновременно рассматривая эти два отдельных двумерных изображения. Стереоскопическая фотография известна по меньшей мере с конца XIX века, когда стереоскопы были популярной принадлежностью гостиных.

Такие стереовиды в прошлом создавались двумя объективами на единственной камере, разнесенными примерно на межзрачковое расстояние человеческого лица. Серия Stereo Realist^TM 35-миллиметровых стационарных камер, популярных в 1950-е годы, является примером этого типа формирования изображений. Левый и правый виды регистрировались одновременно через два линзовых/затворных комплекта на чередующиеся кадры 35-миллиметровой пленки. Более поздняя система Nimslo^TM для практически такого же подхода использовала четыре объектива.

Стереофильмы появились в 1950-е годы. Изображения обычно создавались либо с использованием двух синхронных камер, либо двух систем объективов на единственной камере. Аналогично, различные стереотелевизионные системы обычно использовали единственную камеру с двумя объективами (патент США N 4523226, Lipton et al).

Все многокамерные системы имеют серьезные недостатки, заключающиеся в дополнительной сложности и стоимости удвоения полной камерной системы и синхронизации двух раздельных изображений (это особенно представляет собой проблему в кино- (не-видео-) приложениях). В дополнение к этому, использование двух раздельных объективов (на одной камере или на двух) вносит проблемы синхронизации фокусировки и поля зрения.

Необходимость решения этой последней проблемы несомненна, но устройства известного уровня техники не обращались к ней. Простая установка двух камер бок о бок позволит получать изображения для левого и правого глаз, и камеры могут фокусироваться на каком бы то ни было предмете (хотя фокусирование движущихся объектов является проблематичным). Однако для стереоскопического зрения нужно больше, чем просто иметь два глаза. Эту проблему продемонстрирует простой эксперимент. Если поднять палец на расстоянии вытянутой руки и подносить его все ближе и ближе к лицу, то станет очевидно, что ваши глаза выполняют больше, нежели простое фокусирование на пальце по мере того, как он приближается. Вы также целитесь независимо каждым глазом, становясь все более и более "косоглазым" по мере приближения пальца к лицу. Без этой адаптации большинство трехмерных фильмов имели свойство вызывать неудобство, когда расстояние до доступного взгляду изображения изменялось, поскольку поля зрения камер не сдвигались, как можно было бы инстинктивно ожидать.

В дополнение к этому, системы с фиксированным схождением либо с частично или вручную регулируемым схождением не обращаются к той проблеме, что перекрытие полей зрения должно изменяться по мере того, как изменяется фокус и/или фокусное расстояние объектива. Перекрытие двух изображений следует максимизировать, особенно в системах, которые оцифровывают два изображения и используют эту информацию для формирования трехмерной картины окружающего пространства. Этот процесс выполнения точных измерений посредством фотографии называется "фотограмметрия".

Существует несколько приборов, помогающих в упрощении стереоскопического процесса за счет обеспечения использования единственной камеры для получения двух изображений. Большинство из них использует несколько зеркал или призм - либо перед объективом камеры, либо между вторичной линзой и парой первичных линз.

Один способ, полезный только с движущимися картинами, состоит в том, чтобы последовательно регистрировать два изображения на чередующиеся кадры кино- или видеопленки. Для кинопленки используется синхронизированное вращающееся зеркало для выбора поля зрения, подлежащего регистрации синхронно с кинозатвором или видеоразверткой. О таком приборе см. патент США N 3254933 (Latulippe). В случае видеоизображения система электронным образом выбирает чередующиеся кадры от двух источников. Этот способ имеет несколько недостатков, требующих усложненной синхронизированной оптики для наведения поля зрения и дающих возможность применения только в кино- или видеоприложениях.

Другая альтернатива состоит в том, чтобы регистрировать оба изображения одновременно на каждый кадр бок о бок или один над другим. Этот способ применим к любому виду фотографии - неподвижной или движущейся, фотоснимку или видео. Наведение поля зрения упрощено, поскольку оба изображения присутствуют всегда, и адаптер для использования единственного объектива не требует синхронизации с перемещением пленки или видеоразверткой.

Для неподвижных камер некоторое время были доступны простые призматические или зеркальные стереоскопические адаптеры. Они устанавливались перед объективом камеры так же, как вспомогательный адаптер крупного плана или приближения. У них не было средств для того, чтобы регулировать адаптер для схождения или фокусировки по мере изменения расстояния предмет - объектив.

Патент США N 4178090, Marks et al., создает смещенные в вертикальном направлении левое и правое изображения на единственном кадре, используя приспособление перед единственным объективом. Одно изображение проходит непосредственно, а второе пропускается через пару призм. Регулируемый узел перед объективом представляет собой сплошное стекло сверху и отражатель снизу. Схождение регулируется, когда объектив фокусируется посредством механической связи вращающегося органа управления для регулируемого узла и червячной передачи, вращающей орган управления фокусировкой объектива. Этой регулировки недостаточно для правильного автоматического управления схождением вместе с фокусировкой, т.к. только одно из двух полей зрения изменяет угол при вращении этого узла.

Патент США N 4436369, Bukowski (Optimax III, Inc.), показывает зеркальный адаптер, использующий два основных объектива с объединяющими фокусирующими механизмами. Две пары фиксированных зеркал направляют левое и правое изображения на верхнюю и нижнюю части кадра пленки. Оптические оси объективов параллельны и зафиксированы, а это означает, что точка схождения или прицела этих двух объективов не меняется при фокусировке объективов.

Патент США N 4525045, Fazekas (Panavision, Inc.), также имеет два основных объектива и две пары фиксированных зеркал/призм. Предусмотрена "горизонтальная регулировка", чтобы дать возможность снимающему передвигать один объектив для компенсации вертикального смещения двух объективов, но оптические оси объективов фиксированы и параллельны.

Патент N 4568970, Rockstead, использует адаптер, который крепится перед объективом телевизионной камеры. Для создания пары изображений на видеокадре используются пары зеркал (фиг. 1) или призм (фиг. 2), и такой же прибор перед глазами зрителя преобразует два изображения в трехмерное единственное изображение. Рукоятка позволяет оператору вручную регулировать схождение оптических осей зеркал/призм для создания двух расположенных бок о бок изображений.

Опубликованные тезисы докторской диссертации изобретателя описывают использование множества изображений от множества камер в фотограмметрии: "Сравнительное изучение роли зрения и обоняния в полетных маневрах на ветру четырех видов насекомых к семиохимикатам", Питер Оливер Занен, Университет Массачусетса, май 1993 (UMI Dissertation Services Order N 93-29, 684). Использование более чем одной камеры для получения изображений, используемых в фотограмметрии, ограничивает наблюдателя статической установкой, а при применении электронного анализа движущегося объекта требует точной синхронизации камер, чтобы два изображения снимались точно в одно и то же время.

Раскрытие изобретения

В своем предпочтительном выполнении изобретение содержит адаптер, имеющий набор из четырех зеркал в двух парах, расположенных перед объективом камеры. Середины этих четырех зеркал отцентрированы на общей линии, причем два наружных зеркала смотрят обычно наружу вдоль оптической оси объектива, а два внутренних зеркала смотрят обычно внутрь в объектив. Центры двух наружных зеркал разнесены на соответствующее межзрачковое расстояние. Два внутренних зеркала вместе достаточно велики, чтобы покрыть полную площадь поля зрения объектива, причем каждое забирает половину этой площади поля зрения. Два наружных зеркала больше, чем внутренняя пара, и достаточно велики, чтобы покрыть площадь поля зрения внутренней пары для предотвращения снижения площади поля зрения.

Схождение двух наружных зеркал регулируется путем их одновременного и одинакового поворачивания вокруг их осевых линий объединяющим механизмом. Два средних зеркала могут быть зафиксированы или могут регулироваться за счет поворачивания, чтобы одна сторона каждого оставалась в непосредственном контакте с другим вдоль оптической оси объектива камеры и каждое составляло угол в 45^o или меньше к этой оптической оси.

Приводной механизм для наружных зеркал предпочтительно соединен с кольцом, которое плотно охватывает фокусирующее кольцо объектива, так что изменение фокуса автоматически ведет к подрегулировке схождения изображений. Альтернативно, приводной механизм для наружных зеркал управляется фокусирующим механизмом независимо от наведения объектива, так что схождение зеркал автоматически отслеживает расстояние до объекта. Вся конструкция подлежит размещению в пыле- и светонепроницаемый корпус, который устанавливается на объективе.

Устройство по изобретению в практическом отношении полезно в фотограмметрии, потому что максимизация перекрытия изображений неотъемлема в использовании этого устройства, и из-за портативности этого устройства. Изобретение включает в себя также способ использования устройства по данной или родовой заявке в фотограмметрии, чтобы определять положение элемента изображения в трех измерениях.

Краткое описание чертежей

Фиг. 1 показывает вид предпочтительного выполнения механизма по изобретению с автоматической регулировкой фокуса/схождения.

Фиг. 2 показывает вариант выполнения с угловой регулировкой для внутренних зеркал и измененный способ скрепления вместе двух наружных зеркал.

Фиг. 3 показывает другой вариант выполнения, использующего тяги вместо зубчатых колес и реек для перемещения наружных зеркал, при этом наружные зеркала поворачиваются вокруг вертикальных осей на своих внутренних концах, а не в своих серединах.

Фиг. 4 является условной схемой другого варианта выполнения, использующего тяги для перемещения наружных зеркал.

Фиг. 5 является условной схемой другого варианта выполнения, использующего тяги для перемещения наружных зеркал, аналогично выполнению по фиг. 4.

Фиг. 6 является условной схемой другого варианта выполнения, использующего тяги для перемещения наружных зеркал, аналогично выполнению по фиг. 4, но с регулировкой также и внутренних зеркал.

Фиг. 7 является условной схемой другого варианта выполнения, использующего тяги для перемещения наружных зеркал, аналогично выполнению по фиг. 6, но с внутренними зеркалами, регулируемыми в другой точке, более подходящей для регулировки схождения изменением фокусного расстояния.

Фиг. 8 показывает другое выполнение, в котором механизм с прорезью и пальцем по фиг. 1 и 2 заменен сервомеханизмами.

Фиг. 9 показывает вид предпочтительного выполнения механизма по изобретению с автоматической регулировкой схождения/фокусировки, использующей оптический датчик фокусировки.

Фиг. 10 показывает вариант выполнения с угловой регулировкой для внутренних зеркал и вариант способа для скрепления вместе двух наружных зеркал с использованием ультразвукового датчика для определения расстояния до предмета.

Фиг. 11 показывает другой вариант выполнения, использующий датчики изображения на ПЗС вместо наружных зеркал, причем схождение датчиков изображения управляется фокусировкой видеокамеры по способу родовой заявки.

Фиг. 12 является условной схемой другого варианта выполнения, использующего датчики на ПЗС вместо внутренних зеркал для получения двух изображений и ультразвукового датчика для определения расстояния до объекта.

Фиг. 13 представляет собой схему видеокамеры с устройством по изобретению, когда она используется в способе по изобретению для определения положения предмета в трехмерном пространстве.

Фиг. 14 представляет собой схему видеокамеры с устройством по изобретению, когда она используется в способе по изобретению для определения положения предмета в трехмерном пространстве, при применении к калибровке системы для трехмерных измерений.

Фиг. 15 представляет собой изображение, полученное от установки по фиг. 13.

Фиг. 16 представляет собой калибровочное изображение, полученное от установки по фиг. 14.

Описание предпочтительного выполнения

Изобретение представляет устройство для получения пары изображений предмета, левого и правого, в котором перекрытие изображений максимизируется путем регулировки схождения объединяющего изображения средства в соответствии с расстоянием до предмета. Устройство по изобретению особенно полезно для фотограмметрии и, в частности, фотограмметрии на близких расстояниях, т. к. если кто-то имеет два изображения и знает, как эти изображения сделаны (т.е. знает схождение приборов для получения изображений), он может найти положение объекта на изображении в трех измерениях за счет подходящего выбора калибровочной карты.

Фиг. 1 представляет вид изобретения, показанного с нижней части камеры (1). Адаптер по изобретению предпочтительно заключен в водо- и пыленепроницаемый корпус (19), который является стандартным и подробности которого не показаны. Адаптер устанавливается на камере (1) вдоль оптической оси (10) объектива (4) с помощью любого стандартного средства, такого как штанга (3) и винт (2) для треноги. Какие-либо подробности камеры (1) не показаны потому, что адаптер по изобретению не предназначен для какого-либо конкретного типа камеры - фото, кино или видео. Различные части адаптера по изобретению установлены на корпусе (19) или поддерживаются в нем с помощью стандартных средств, которые не показаны для ясности в представлении и описании новых признаков изобретения.

Изобретение использует четыре зеркала для создания требуемых двух изображений: два внутренних зеркала (16) и два наружных зеркала (12). Наружные зеркала (12) разнесены на подходящее расстояние, предпочтительно примерно среднее человеческое межзрачковое расстояние. Для специализированных приложений, таких как слежение и тому подобное, это разнесение можно увеличить в соответствии с доктриной изобретения. Два изображения от наружных зеркал (12) отражаются на внутренние зеркала (16) и в объектив (4) как единственное разделенное пополам изображение.

В предпочтительном выполнении изобретения, показанном на фиг. 1, внутренние зеркала (16) зафиксированы в своем положении, а наружные зеркала (12) поворачиваются на осях (13) вращения в их серединах. Пунктирная линия (11) показывает, что середины этих четырех зеркал лежат вдоль линии (11), которая перпендикулярна оптической оси объектива, представленной пунктирной линией (10).

Два наружных зеркала (12) скреплены вместе так, чтобы они поворачивались совместно, но в противоположных направлениях (т.е. одно поворачивается по часовой стрелке, когда другое поворачивается против часовой стрелки), так что эффект состоит в изменении схождения этих двух зеркал одновременно и одинаково. В установке по фиг. 1 вращение средней шестерни (17) передается в линейное перемещение первой (15) и второй (18) реек, которые ходят с противоположных сторон этой шестерни. Рейки (15) и (18) передают затем свое линейное движение снова во вращение шестерен (14) каждого зеркала (12), заставляя зеркала (12) поворачиваться на их осях (13).

Как можно видеть, первая рейка (15) пересекает срединную линию (11) зеркал, чтобы ходить с той же самой стороны своей шестерни (14), что и нижняя рейка (18) на своей шестерне (14). Это необходимо для того, чтобы обеспечить вращение двух зеркал (12) в противоположных направлениях. Фиг. 2 показывает другой способ скрепления зеркал (12) для поворачивания в противоположных направлениях, в котором имеется лишь одна рейка (18) для прямого перемещения одного зеркала (12), а другое зеркало перемещается штангой (25), которая соединяет противоположные концы каждого зеркала. Другой возможной установкой был бы перекрещивающийся (в форме восьмерки) ремень или цепь для соединения шестерен на двух зеркалах.

Средняя шестерня (17) вращается за счет линейного возвратно-поступательного движения рейки (8). К концу этой рейки (8) прикреплен палец (9), который скользит в прорези (7) в установочной штанге (3). Тем самым перемещение пальца к камере (1) и от нее заставляет рейку (8) поворачивать среднюю шестерню (17), которая, в свою очередь, через рейки (15) и (18) поворачивает зеркала (12) одинаково в противоположных направлениях.

Объектив (4) камеры имеет муфту (6), закрепленную вокруг фокусирующего кольца, так что вращение этой муфты (6) заставляет объектив (4) фокусироваться. Это кольцо (6) может быть закреплено на объективе со скольжением, либо было бы предпочтительно иметь один или более установочных винтов для его жесткого крепления к фокусирующему кольцу.

Муфта (6) имеет проделанную в ней прорезь (5), и палец (9) на рейке (8) установлен в этой прорези. Благодаря этому приспособлению вращение фокусирующего механизма объектива заставляет поворачиваться муфту (6). Прорезь (5) вынуждает палец (9) двигать рейку (8) вперед или назад, что соответственно приводит во вращение наружные зеркала (12), как отмечено выше.

В своем простейшем виде, если все детали идеальны, прорезь (5) должна бы быть простой спиральной канавкой вдоль муфты (6). К сожалению, большинство объективов не фокусируются полностью по линейному закону. То есть данный угол поворота фокусирующего кольца не всегда соответствует простому изменению в объективе на расстояние до предмета. Регулировка схождения зеркал может сопровождаться или не сопровождаться нелинейностью фокусировки объектива по линейному закону. Таким образом, можно видеть, что прорезь (5) должна быть также сделана нелинейной. На фиг. 1 и 2 она показана в двух разных нелинейных формах. Действительную форму прорези (5) необходимо определять для каждой комбинации объектива и зеркал.

Таким образом, приспособление по изобретению позволяет получать разделенные на экране левое/правое изображения с использованием стандартной камеры с единственным объективом, в которой схождение левого и правого изображений автоматически управляется фокусировкой объектива этой камеры. Итак, когда объектив (4) фокусируется вращением фокусирующего кольца, муфта (6) вокруг кольца тоже поворачивается. Палец (9), ходящий в прорези (5) соответствующей формы в муфте (6), перемещает рейку (8) вперед или назад. Движение рейки (8) вращает среднюю шестерню (17), которая, в свою очередь, регулирует схождение наружных зеркал (12) с помощью по меньшей мере одной рейки (15). Другое зеркало (12) движется одновременно и одинаково в противоположную сторону с помощью объединяющего механизма. Этот объединяющий механизм может быть второй рейкой (18) или простой связью (24 на фиг. 2) между зеркалами.

Фиг. 2 показывает, как, при желании, могут регулироваться внутренние зеркала, если нужно обеспечить коррекцию поля зрения или тому подобное. Зеркала (16) подвешены вместе в точке, где они стыкуются к шарниру (23), который прикреплен к концу резьбового стержня (21), двигающегося вдоль оптической оси (10) объектива (4). Этот стержень имеет на противоположном конце рукоятку (20), выходящую из корпуса (19), чтобы обеспечить возможность его регулировки пользователем. Резьбовой стержень (21) пропущен в резьбу блока (24), через который перпендикулярно, вдоль срединной линии (11) зеркал, проходит направляющая (26). Два внутренних зеркала (16) установлены в своих серединах на шарнирах (22), которые могут свободно скользить вдоль направляющей (26). Тем самым, когда рукоятка (20) вращается, резьбовой стержень (21) вращается в блоке (24), заставляя средний шарнир (23) на своем конце придвигаться к блоку (24) или отодвигаться от него. Когда средний шарнир (23) придвигается к этому блоку, шарниры (22) скользят вдоль направляющей (26), разворачивая угол между зеркалами (16). Аналогично, если средний шарнир (23) отодвигается от блока (24), шарниры (22) скользят внутрь, сдвигая зеркала (16) под более острым углом.

Фиг. 3 показывает другой, более простой вариант выполнения изобретения. Приводной механизм на объективе остается тем же самым, как и в предыдущих выполнениях, с рейкой (8) и средним диском (35). Два приводных стержня (32) и (33) соединены с диаметрально противоположными точками среднего диска (35), чтобы сдвигать стержни (30), прикрепленные к вертикальным шарнирам (13) наружных зеркал (12), которые расположены на внутренних концах этих зеркал. Шарнирные соединения (31) обеспечивают свободное перемещение стержней при движении механизма. Когда кольцо объектива (4) фокусируется на предмет, находящийся ближе к объективу, палец (9) движется прорезью (5) наружу, отталкивая рейку (8). Это поворачивает ведущую шестерню (17), которая, в свою очередь, вращает средний диск (35) против часовой стрелки. Когда средний диск (35) поворачивается против часовой стрелки, приводные стержни (32) и (33) перемещаются наружу, толкая сдвигающие стержни (30) и разворачивая наружные зеркала (12) внутрь. Это вызывает схождение поля зрения наружных зеркал (12).

Фиг. 4-7 являются схематическими представлениями дополнительных выполнений изобретения. В каждом случае возвратно-поступательный стержень (43) перемещается к объективу или от него (не показан), когда объектив фокусируется или меняет фокусное расстояние, - посредством ли установки с прорезью и пальцем, как показано на предыдущих чертежах, или сервомеханизмами, как показано на фиг. 8, или каким-то иным средством. На каждом из этих чертежей наружные зеркала (12) монтируются вертикальными шарнирами (45) на своих внутренних концах к раме (44). Внутренние зеркала (16) могут также крепиться к той же раме (44), - фиксированно, как показано на фиг. 4 и 5, или шарнирами (62), как показано на фиг. 6 и 7.

На фиг. 4 наружные зеркала (12) приводятся в движение просто стержнем (43), выступающим за раму (44) до шарнирного соединения (41) в точке между двумя наружными зеркалами (12). Приводные стержни (42) соединяют этот шарнир с зеркалами (12) через дополнительные шарнирные соединения (41) снаружи на этих зеркалах. Когда возвратно-поступательный стержень (43) придвигается к объективу (как показано точечной стрелкой), поля зрения наружных зеркал (12) сходятся.

Фиг. 5 аналогична, с использованием той же установки приводных стержней (42) и шарнирных соединений (41), но расположенных позади рамы (44) и зеркал (12) и (16). Наружные зеркала (12) приводятся в движение сдвигающими стержнями (50), подобными тем, что используются на фиг. 3. В этом случае отодвигание возвратно-поступательного стержня (43) от объектива вызывает схождение полей зрения наружных зеркал (12).

Фиг. 6 использует ту же установку, что и фиг. 5, для перемещения наружных зеркал (12). Внутренние зеркала (16) также приводятся в движение в этой установке путем протягивания стержней (60) внутренних зеркал от наружных концов внутренних зеркал (16) к точке прямо за осью вертикального шарнира (45) наружных зеркал (12).

Перемещение этой точки крепления, как показано на фиг. 7, позволит разработчику регулировать относительное перемещение внутренних (16) и наружных (12) зеркал. На фиг. 7 точка крепления стержней (60) внутренних зеркал смещена примерно к середине наружных зеркал (12), что заставляет внутренние зеркала (16) перемещаться относительно наружных зеркал (12) больше, чем в установке по фиг. 6. Шарнирная точка (62) внутренних зеркал (16) перемещается к точке, которая находится на одной линии с шарнирами (45) наружных зеркал (12). Результатом этих изменений относительно установки по фиг. 6 является то, что внутренние (16) и наружные (12) зеркала остаются параллельны и перемещаются на одну и ту же величину при изменении угла между зеркалами и оптической осью объектива. Установка по фиг. 7 полезна в тех приложениях, где возвратно-поступательный стержень перемещается в ответ на изменения фокусного расстояния (трансфокацию), а не фокусировку.

Некоторые автофокусные или электрически фокусируемые объективы не имеют фокусирующих колец, которые вращаются при фокусировке объектива, либо может быть, что фокусное кольцо находится внутри цилиндра объектива или иным образом не имеет легкого доступа для механической установки, такой как механизм по фиг. 1-3 с прорезью и пальцем. Адаптер по изобретению может все же быть использован и с такими системами камер. Как показано на фиг. 8, электрический привод (85) - такой как шаговый двигатель, сервомеханизм или соленоид - может использоваться для управления приводными стержнями (83), чтобы поворачивать наружные зеркала (12) с помощью сдвигающих стержней (30). Разумеется, эта конкретная установка стержней показана для примера, и могут быть также использованы другие установки, показанные на фиг. 1-7, либо иной вариант. При желании, можно добавить другой электрический привод (84) для раздельной регулировки внутренних зеркал (16) с помощью такого механизма, как внутренние приводные стержни (82) и внутренние сдвигающие стержни (81). Эти два электрических привода могут работать от электрической схемы любого вида, известного из уровня техники, такого как микропроцессоры или дискретные приводные схемы, управляемые той же самой схемой, которая фокусирует и, возможно, изменяет фокусное расстояние объектива (4). Альтернативно, приводной сигнал можно получать от электрического датчика положения, физически установленного на объективе.

Изобретение может быть также построено так, что схождением можно управлять за счет фокусного расстояния до предмета, но независимо от самой камеры. Это может оказаться предпочтительным в некоторых случаях, поскольку не потребует модификации камеры или установки колец адаптера для реакции на поворот объектива камеры. Если камера имеет внутренне фокусирующий объектив, к примеру, то может отсутствовать доступное фокусирующее кольцо для прикрепления к нему, и может быть нежелательно или невозможно добраться до электронной схемы камеры, чтобы вывести сигнал фокусировки. Вместо этого можно использовать независимый датчик фокусировки для определения расстояния от устройства до предмета.

При обсуждении приведенных ниже фиг. 9-11 те же самые элементы, что и в рассмотренных выше выполнениях, не будут обсуждаться отдельно, кроме случаев, когда это необходимо для понимания конкретных выполнений на чертежах.

Фиг. 9 представляет вид изобретения, показанный с нижней части камеры (1), соответствующий приспособлению по фиг. 1. Средняя шестерня (17) вращается за счет линейного возвратно-поступательного перемещения рейки (8), которая прикреплена к приводному звену (104) серводвигателя (103). Этот серводвигатель может быть любым из множества коммерчески доступных серво- или шаговых двигателей. Тем самым перемещение сервозвена (104) заставляет рейку (8) вращать среднюю шестерню (17), что, в свою очередь, через рейки (15) и (18) поворачивает зеркала (12) одинаково в противоположных направлениях.

Оптический датчик (101) фокусировки, с подходящим объективом (100), если это необходимо, определяет расстояние от устройства до предмета и выдает управляющий сигнал для сервомеханизма (103) с помощью средств, которые хорошо известны из уровня техники и обычно используются в видеокамерах или самофокусирующихся моментальных фотографических камерах. Оптический датчик может быть любым из датчиков фокусировки, обычно используемых для таких применений, использующим любой оптический способ, такой как инфракрасное обнаружение или обнаружение по максимальному контрасту.

Таким образом, приспособление по изобретению позволяет получать разделенные на экране левое/правое изображения при использовании обычной камеры с единственным объективом, в которой схождение левого и правого изображений автоматически управляется датчиком фокусировки.

Фиг. 10 показывает другое выполнение изобретения, в котором для определения расстояния до предмета используется ультразвуковой датчик (102). Этот ультразвуковой датчик может быть того типа, который много лет использовался на мгновенных камерах Polaroid , которые отражают серию ультразвуковых "свистков" от предмета и выдают сигнал фокусировки, пропорциональный задержке в возвращении сигнала (а следовательно, расстоянии).

Сигнал фокусировки управляет электрическим приводом (85) так, чтобы шаговый двигатель, сервомеханизм или соленоид, который может использоваться для привода приводных стержней (83), вращал наружные зеркала (12) с помощью сдвигающих стержней (30), в соответствии с выполнением по фиг. 8. Разумеется, эта конкретная установка стержней показана для примера, и можно также использовать любую другую показанную установку или какой-то иной вариант. При желании можно добавить другой электрический привод (84) для раздельной регулировки внутренних зеркал (16) с помощью такого механизма, как внутренние приводные стержни (82) и внутренние сдвигающие стержни (81). Эти два электрических привода могут управляться электрической схемой любого вида, известного из уровня техники, такого как микропроцессоры или дискретные схемы привода, управляемые датчиком расстояния, встроенным в устройство.

Дальнейшее усовершенствование изобретения заменяет единственный объектив камеры датчиками изображения на ПЗС (приборах с переносом заряда) в получении двух изображений для способа по изобретению. Для этого использования могут подойти небольшие модули датчиков/объективов на ПЗС, которые коммерчески доступны. Имеется два основных пути использования таких датчиков: они могут заменять наружные зеркала, как показано на фиг. 11, или внутренние зеркала, как показано на фиг. 12.

Фиг. 11 показывает выполнение изобретения, в котором наружные зеркала заменены парой модулей (112) датчиков изображения на ПЗС. Механизм этого устройства, который управляет схождением датчиков (112), приводится в движение самофокусирующим механизмом видеокамеры (1) по способу родовой заявки для этого частичного продолжения. Видеокамера (1) служит устройству и как средство прицеливания, и как фокусирующее средство. Как показано в родовой заявке, два приводных стержня (32) и (33) соединяют диаметрально противоположные точки среднего диска (35) со сдвигающими стержнями (30), прикрепленными к вертикальным шарнирам (13) датчиков (112) на ПЗС, которые расположены на внутреннем конце этих датчиков. Шарнирные соединения (31) обеспечивают свободное перемещение стержней при движении механизма. Когда кольцо объектива (4) фокусируется на предмет, более близкий к объективу, палец (9) перемещается прорезью (5) наружу, отталкивая рейку (8). Это вращает ведущую шестерню (17), которая, в свою очередь, поворачивает средний диск (35) против часовой стрелки. Когда средний диск (35) поворачивается против часовой стрелки, приводные стержни (32) и (33) перемещаются наружу, толкая сдвигающие стержни (30) и поворачивая датчики (112) на ПЗС внутрь. Это вызывает схождение поля зрения ПЗС (112).

Фиг. 12 переносит эту систему на следующий шаг путем полного исключения камеры. Вместо этого двойное изображение создается парой датчиков (116) и (117) на ПЗС, установленных бок о бок на положении внутренних зеркал в других выполнениях. Наружные зеркала (12) поворачиваются вокруг своих внутренних концов (34) толкающими стержнями (30), шарнирами (31) и шарнирными стержнями (32). Шарнирные стержни (32) прикреплены к противоположным сторонам среднего приводного диска (35), который вращается серво- или шаговым двигателем (115) под управлением ультразвукового датчика (118) фокусировки.

В любом из двух выполнений по фиг. 11 или 12 два ПЗС должны быть тщательно синхронизированы, чтобы изображения снимались точно в один и тот же момент.

Понятно, что механические приспособления (толкающие стержни, рейки, сервомеханизмы и т.п.) и виды датчиков фокусировки (оптический, ультразвуковой или камера) могут "смешиваться и сопрягаться" в пределах доктрины изобретения, а данные примеры показывают конкретные комбинации видов, которые не считаются исчерпывающими.

Устройство по изобретению может легко использоваться для определения положения предмета в трехмерном пространстве (по осям x, y и z) и, будучи откалибровано, позволит без труда проводить такие измерения даже портативным оборудованием. Фиг. 13 и 14 показывают устройство по изобретению при его использовании в способе по изобретению. На фиг. 13 некто пытается определить положение мухи (135), когда она пролетает через поле зрения прибора. Адаптер по изобретению (133), прикрепленный к видеокамере (130), смотрит в направлении поля зрения. Объектив (13) сфокусирован, и наружные зеркала (132) и (136) повернуты так, чтобы свести поля их зрения согласно доктрине изобретения. Поля зрения зеркал (132) и (136) показаны штрихпунктирными линиями (134) и (149) соответственно. Глубина фокусировки изображений от этих двух зеркал показана парой дуг (148) и (147) соответственно, которые перекрывают расстояние до мухи (135), указывая, что глубина фокусировки объектива (131) включает область предмета и его окрестности.

Угол (137) зеркала относительно оптической оси объектива (131) измеряется либо непосредственно с использованием цифрового датчика вала на оси или какого-нибудь другого средства, пригодного для механической конструкции устройства, либо путем выведения из расстояния фокусировки объектива (131), либо от датчика фокусировки, если выполнение устройства включает его.

Способ измерения по изобретению таков.

Сначала откалибровать устройство (см. фиг. 14 и 16) посредством следующих шагов:

1. Направить устройство на одну из множества калибровочных целей (139) с известным положением в трехмерном пространстве, при этом цели выбираются, чтобы заполнить кадр изображения и глубину поля объектива на расстоянии до цели. Предпочтительно будет использовано шестнадцать или более целей на различных расстояниях от камеры. Это подразумевает, что размер целей будет меняться за счет их расстояния от устройства, чтобы заполнить поле зрения на каждом расстоянии. Для каждой цели будет измеряться множество точек с известным положением. В примере показаны только двенадцать измерительных точек (141), размещенных в три ряда (142), (143) и (144) с переменными высотами. Действительное положение измерительных точек калибровочной цели не важно.

2. Сфокусировать изображение на камеру (130) так, чтобы все измерительные точки на цели были в пределах глубины поля объектива. Одновременно отрегулировать угол схождения зеркал (132) и (136) согласно доктрине изобретения, чтобы поля зрения левого и правого изображений полностью перекрывались по площади глубины поля. Это даст два видеоизображения (фиг. 16) - левого (152) и правого (153) - и индикацию угла (140) зеркала.

3. Для каждой измерительной точки на каждом из двух изображений:

а) Измерить двумерное положение изображения точки (160). Например, на левом изображении изображение измерительной точки (160) появляется в координатах x (155) и y (157), а на правом изображении - в координатах x (156) и y (158). Координаты x и y могут быть относительно точки (0, 0) в середине каждой оси, как показано, или относительно любой другой желательной системы координат. Если желательно, может использоваться измерение угла и расстояния ( и ) от центра изображения с соответствующим видоизменением в вычислениях.

б) Ввести действительные координаты измеренной точки в трехмерном пространстве (относительно положения устройства).

в) Повторить для остальных измерительных точек на цели.

4. По координатам x и y, запомненным для каждой измерительной точки на цели, и по действительным известным координатам для измерительных точек вычислить карту для положений в трехмерном пространстве для этого угла зеркал (т.е. расстояния до предмета).

5. Повторить шаги 3-4 для остальных калибровочных целей на множестве расстояний (т.е. углов зеркал).

Затем для использования устройства и способа (фиг. 5):

1. Навести и сфокусировать устройство на предмет (135).

2. Зарегистрировать положение предмета на каждом изображении (X_L и Y_L на левом (150) изображении, X_R и Y_R на правом изображении (151)).

3. Измерить или вывести угол (137) зеркал (136).

4. Выбрать калибровочную карту на основе угла (137).

5. Восстановить трехмерное положение предмета (135) путем интерполирования положений x и y из каждого изображения и используя выбранную калибровочную карту, отобранную на шаге 4.

В качестве примера способа вычислений положения объекта по двум изображениям см. опубликованные тезисы: "Rational Design for Close-Dange Photogrammetry" ("Рациональная конструкция для фотограмметрии ближнего диапазона"), Genaro T. Marzan, University Microfilms International Dissertation Information Service number 76-16, 161 (220 pages).