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  • CCD立体相机

    嫦娥一号探月卫星在西昌卫星发射中心成功发射,奔向距离地球约38万公里外的月球。本次探月,普通人也有望看到月球的真实面貌,这都归功于——立体影像技术。

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    简介/CCD立体相机 编辑

    CCD立体相机CCD立体相机

    2007年10月24日,嫦娥一号探月卫星西昌卫星发射中心成功发射,奔向距离地球约38万公里外的月球。本次探月,普通人也有望看到月球的真实面貌,这都归功于——立体影像技术。中国首幅月图由嫦娥一号卫星搭载的CCD立体相机采用线阵推扫的方式获取,轨道高度约200公里,每一轨的月面幅宽60公里,像元分辨率120米。一般相机拍摄到的都是平面图像,月球表面有很大的起伏,平面图像不能获得视线深度方向上的影像数据。我国虽然是首次探月,但科学家们要求第一步就得到全月的立体图像,这给相机的研制带来很大的挑战。“嫦娥一号”所用的CCD立体相机在研制中采用了许多创新技术,并在国内外首次提出采用一个大视场光学系统加一片大面阵CCD芯片,用一台相机取代三台相机的功能,实现了拍摄物的三维立体成像。立体相机在工作时,只采集三行CCD的输出,分别获取前视、正视、后视图像,随后进行处理形成立体图像。由于立体相机固定在卫星上不能自由转动,所以它只是随卫星与月球间的相对运动,对月球表面进行扫描成像。[1]

    假如没有这台先进的立体相机,按照传统的技术方案就需要在卫星上安装3台相机从3个角度对月球表面同一点拍照。但是,这样会造成有效载荷的重量的增加,由此对火箭的发射能力、卫星的体积和重量及其他配套设施的改造增加一系列技术难度,并使更多科学探测设备在卫星上搭载受到限制。同时这台CCD立体相机还以设备的小型化和轻量化提高了对空间环境的适应能力。

    全世界已拍摄的月球立体照片数量有限且不完整。这次探月如果顺利进行,我们就能看到由中国人拍摄的系列全月地形地貌立体照片。

    对于科学家来说,月球的立体影像资料的价值远不仅仅是为了让大家能看到月球的地貌图片,科学家将根据这些立体画面划分月球表面的构造和地貌单位,制作月球断裂和环形影像纲要图,勾画月球地质构造演化史,研究月球、宇宙的起源。同时这些图像还将为我国后续的二期、三期探月工程服务,包括为下一步月球车以及宇航员登月选择着陆地点提供科学依据。

    嫦娥一号的立体眼镜/CCD立体相机 编辑

    立体测绘,就是对物体表面进行全范围的测绘。目前世界上主流测绘方式包括:立体观测、雷达干涉测量和激光扫描测绘。其中,立体观测技术最为成熟,已经有了100多年的研究历史,毫无疑问也是当今各国用于月球立体测绘的首选通用型技术。立体观测使用人眼左右视差的视觉原理来获取三维信息。嫦娥一号为此就搭载了1台CCD立体相机和1个激光高度计,组成1套“立体眼镜”。

    立体相机简介/CCD立体相机 编辑

    由于月球表面坎坷不平,普通相机所拍摄到的平面图像不能获得视线深度方向上的影像数据,因此需要使用立体相机。

    立体相机是进行立体成像的关键组成部分。由于在日常生活中很难接触到,一般人可能会对立体相机感觉比较陌生,但事实上这项技术已经诞生很久了。早在古希腊时代,欧几里德就已经发现,人们左右眼所看到的景物是不同的,这也是人们能够洞察立体空间的主要原因,用现代术语就是双眼视差(binocular parallax),这也是立体影像的基本原理。

    立体成像的拍摄可分为静态景物拍摄和动态景物拍摄两大类。静态景物的拍摄,只需要使用一部照相机,在某一个位置角度先拍一张照片,然后平行移动照相机一段距离再拍一张,这样就得到了一组具有视差的立体照片。动态景物的拍摄,则需要利用特殊的立体相机(如双镜头相机),或者两部照相机一次同时拍摄两张照片。

    早期的立体成像技术主要依靠传统照相机来拍取一组立体照片,并且透过立体镜来重现立体影像。由于传统立体照相制作繁琐、不易流通等因素,仅限于专业摄影及少数特殊的领域,无法像传统的平面照相一样深入各层面。随着科学技术的突飞猛进和CCD数码相机的出现,立体影像的技术与应用有了突破性发展。

    CCD立体相机/CCD立体相机 编辑

    CCD(Charge-Coupled Device,电荷耦合器件)是可用于立体相机的一种重要组成部分。它一种光敏半导体器件,其上的感光单元将接收到的光线转换为电荷量,而且电荷量大小与入射光的强度成正比。这样,矩阵排列的感光单元构成的面阵CCD便可传感图像。CCD现在被广泛应用于数码相机和数码摄像机中,同时也在天文望远镜、扫描仪和条形码读取器中有应用。

    嫦娥一号所使用的CCD立体相机在研制中采用了许多创新技术,如首次提出采用一个大视场光学系统和一片大面阵CCD芯片。它用一台相机取代三台相机,能够实现拍摄物的三维立体成像。立体相机在工作时,采集CCD的输出,分别获取前视、正视、后视图像,随后进行处理,形成立体图像。CCD立体相机以自推扫模式工作,为了重构月表立体影像的需要,在设计上做了特殊处理。

    卫星在飞行时,CCD立体相机沿飞行方向对月表目标进行推扫,可以得到月表目标三个不同角度的图像。由于立体相机固定在卫星上不能自由转动,所以它只是随卫星与月球间的相对运动而移动,对月球表面进行扫描。这台CCD立体相机还以设备的小型化和轻量化提高了对空间环境的适应能力,它降低了有效载荷的重量,这使得火箭的发射能力、卫星的体积和重量及其他配套设施的改造等一系列技术问题的实现难度得以降低。

    世界上现存的月球立体照片数量有限且不完整,如果这次探月能够顺利完成,那么我们就能够得到栩栩如生的全月地形地貌的立体照片。

    获取完整的月球立体影像资料不仅是为了让大家能看到月球的地貌图片,它具有深远的研究价值。科学家可以根据这些立体画面划分月球表面的构造和地貌单位,制作月球断裂和环形影像纲要图,勾画月球地质构造演化史,研究月球、宇宙的起源,并为下一步月球车以及宇航员登月选择着落地点提供科学依据。我们期待早日看清月球的庐山真面目!

    立体照相的历史/CCD立体相机 编辑

    立体照相技术起源于19世纪30年代,Wheatstone于1838年发明了立体镜。立体镜由两面彼此垂直的镜子所组成,左右照片分别放置在照片的夹具上,转动游戏杆将照片调整至适当位置即可看到立体影像。

    1839年,Daguerre发明了银盐版照相法,不但奠定了照相的基础,同时也带动了立体照相的蓬勃发展。

    1849年,David Brewster以凸透镜取代立体镜中的镜子,发明了改良型的立体镜。

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    参考资料
    [1]^引用日期:2010-11-05

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