JAYIHE 2008-03-13

2007年10月24日，嫦娥一號探月衛星在西昌衛星發射中心成功發射，奔向距離地球約38萬公里外的月球。本次探月，普通人也有望看到月球的真實面貌，這都歸功於——立體影像技術。中國首幅月圖由嫦娥一號衛星搭載的CCD立體相機採用線陣推掃的方式獲取，軌道高度約200公里，每一軌的月面幅寬60公里，像元解析度120米。一般相機拍攝到的都是平面圖像，月球表面有很大的起伏，平面圖像不能獲得視線深度方向上的影像資料。我國雖然是首次探月，但科學家們要求第一步就得到全月的立體影象，這給相機的研製帶來很大的挑戰。“嫦娥一號”所用的CCD立體相機在研製中採用了許多創新技術，並在國內外首次提出採用一個大視場光學系統加一片大面陣CCD晶片，用一臺相機取代三臺相機的功能，實現了拍攝物的三維立體成像。立體相機在工作時，只採集三行CCD的輸出，分別獲取前視、正視、後檢視像，隨後進行處理形成立體影象。由於立體相機固定在衛星上不能自由轉動，所以它只是隨衛星與月球間的相對運動，對月球表面進行掃描成像。

假如沒有這臺先進的立體相機，按照傳統的技術方案就需要在衛星上安裝3臺相機從3個角度對月球表面同一點拍照。但是，這樣會造成有效載荷的重量的增加，由此對火箭的發射能力、衛星的體積和重量及其他配套設施的改造增加一系列技術難度，並使更多科學探測裝置在衛星上搭載受到限制。同時這臺CCD立體相機還以裝置的小型化和輕量化提高了對空間環境的適應能力。

目前全世界已拍攝的月球立體照片數量有限且不完整。這次探月如果順利進行，我們就能看到由中國人拍攝的系列全月地形地貌立體照片。

當然，對於科學家來說，月球的立體影像資料的價值遠不僅僅是為了讓大家能看到月球的地貌圖片，科學家將根據這些立體畫面劃分月球表面的構造和地貌單位，製作月球斷裂和環形影像綱要圖，勾畫月球地質構造演化史，研究月球、宇宙的起源。同時這些影象還將為我國後續的二期、三期探月工程服務，包括為下一步月球車以及宇航員登月選擇著陸地點提供科學依據。

嫦娥一號的立體眼鏡

所謂立體測繪，就是對物體表面進行全範圍的測繪。目前世界上主流測繪方式包括：立體觀測、雷達干涉測量和鐳射掃描測繪。其中，立體觀測技術最為成熟，已經有了100多年的研究歷史，毫無疑問也是當今各國用於月球立體測繪的首選通用型技術。立體觀測使用人眼左右視差的視覺原理來獲取三維資訊。嫦娥一號為此就搭載了1臺CCD立體相機和1個鐳射高度計，組成1套“立體眼鏡”。

立體相機簡介

由於月球表面坎坷不平，普通相機所拍攝到的平面圖像不能獲得視線深度方向上的影像資料，因此需要使用立體相機。

立體相機是進行立體成像的關鍵組成部分。由於在日常生活中很難接觸到，一般人可能會對立體相機感覺比較陌生，但事實上這項技術已經誕生很久了。早在古希臘時代，歐幾里德就已經發現，人們左右眼所看到的景物是不同的，這也是人們能夠洞察立體空間的主要原因，用現代術語就是雙眼視差（binocular parallax），這也是立體影像的基本原理。

立體成像的拍攝可分為靜態景物拍攝和動態景物拍攝兩大類。靜態景物的拍攝，只需要使用一部照相機，在某一個位置角度先拍一張照片，然後平行移動照相機一段距離再拍一張，這樣就得到了一組具有視差的立體照片。動態景物的拍攝，則需要利用特殊的立體相機（如雙鏡頭相機），或者兩部照相機一次同時拍攝兩張照片。

早期的立體成像技術主要依靠傳統照相機來拍取一組立體照片，並且透過立體鏡來重現立體影像。由於傳統立體照相製作繁瑣、不易流通等因素，僅限於專業攝影及少數特殊的領域，無法像傳統的平面照相一樣深入各層面。隨著科學技術的突飛猛進和CCD數碼相機的出現，立體影像的技術與應用有了突破性發展。

CCD立體相機

CCD（Charge-Coupled Device，電荷耦合器件）是可用於立體相機的一種重要組成部分。它一種光敏半導體器件，其上的感光單元將接收到的光線轉換為電荷量，而且電荷量大小與入射光的強度成正比。這樣，矩陣排列的感光單元構成的面陣CCD便可感測影象。CCD現在被廣泛應用於數碼相機和數碼攝像機中，同時也在天文望遠鏡、掃描器和條形碼讀取器中有應用。

嫦娥一號所使用的CCD立體相機在研製中採用了許多創新技術，如首次提出採用一個大視場光學系統和一片大面陣CCD晶片。它用一臺相機取代三臺相機，能夠實現拍攝物的三維立體成像。立體相機在工作時，採集CCD的輸出，分別獲取前視、正視、後檢視像，隨後進行處理，形成立體影象。CCD立體相機以自推掃模式工作，為了重構月表立體影像的需要，在設計上做了特殊處理。

衛星在飛行時，CCD立體相機沿飛行方向對月表目標進行推掃，可以得到月表目標三個不同角度的影象。由於立體相機固定在衛星上不能自由轉動，所以它只是隨衛星與月球間的相對運動而移動，對月球表面進行掃描。這臺CCD立體相機還以裝置的小型化和輕量化提高了對空間環境的適應能力，它降低了有效載荷的重量，這使得火箭的發射能力、衛星的體積和重量及其他配套設施的改造等一系列技術問題的實現難度得以降低。

目前，世界上現存的月球立體照片數量有限且不完整，如果這次探月能夠順利完成，那麼我們就能夠得到栩栩如生的全月地形地貌的立體照片。

獲取完整的月球立體影像資料不僅是為了讓大家能看到月球的地貌圖片，它具有深遠的研究價值。科學家可以根據這些立體畫面劃分月球表面的構造和地貌單位，製作月球斷裂和環形影像綱要圖，勾畫月球地質構造演化史，研究月球、宇宙的起源，併為下一步月球車以及宇航員登月選擇著落地點提供科學依據。我們期待早日看清月球的廬山真面目！

立體照相的歷史

立體照相技術起源於19世紀30年代，Wheatstone於1838年發明了立體鏡。立體鏡由兩面彼此垂直的鏡子所組成，左右照片分別放置在照片的夾具上，轉動遊戲杆將照片調整至適當位置即可看到立體影像。

1839年，Daguerre發明了銀鹽版照相法，不但奠定了照相的基礎，同時也帶動了立體照相的蓬勃發展。

1849年，David Brewster以凸透鏡取代立體鏡中的鏡子，發明了改良型的立體鏡。

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立體數碼相機

一種用來記錄立體圖象的立體數碼相機。該相機是由兩套相同規格的數碼相機組成，兩攝像鏡頭平行相距6-15公分，方向分別對準1-5米遠的目標。兩數碼相機的調焦、變焦、感光等引數由一套控制電路實施控制，快門連線並接起來。拍下的左右兩幅照片透過電腦軟體組對，在電腦螢幕上以超過人眼視覺暫留的頻率交替顯示，再透過與電腦同步的3D電子液晶眼鏡控制視線，使左右兩眼分別觀看對應的左右兩幅照片，其效果就象兩隻眼睛直接觀看被攝場景一樣，在大腦的合成下，能夠分辨出前後距離的差別，感受到身臨其境的立體效果。

一種可記錄立體圖象效果的立體數碼相機，其特徵是：取兩相同的數碼相機裝置，按兩攝像鏡頭相距6-15公分的間距、對準1-5米的目標、平行組裝在一起，將兩快門按鈕連線並聯起來。