УСТРОЙСТВО ДЛЯ ВОСПРОИЗВЕДЕНИЯ ОБЪЕМНОГО ИЗОБРАЖЕНИЯ Российский патент 1997 года по МПК H04N13/00 

Изобретение относится к области телевидения и может быть использовано при получении объемных телевизионных изображений, в теле- и компьютерных играх, в тренажерах и т.д.

Известно устройство для воспроизведения объемного изображения, содержащее воспроизводящий блок с кинескопом и линзовым растром [1]
Недостатками известного устройства являются его высокая стоимость и низкая надежность, обусловленные требованиями высокой точности союстировки многолинзового растра с кинескопом высокого разрешения, высокой скоростью и точностью системы развертки кинескопа.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату и выбранным за прототип является устройство для воспроизведения объемного изображения, содержащее матричный источник света, информационную панель с регулируемой светопроводимостью, линзовый растра из собирающих линз, а также блок управления матричным источником света и информационной панелью [2]
Матричный источник света, информационная панель с регулируемой светопроводимостью и линзовый растр из собирающих линз зафиксированы в пространстве друг относительно друга, оптически связаны между собой и с глазами наблюдателей и расположены в плоскостях, параллельных друг другу и перпендикулярных оси, проходящей через их центры симметрии.

Недостатком прототипа являются незначительные размеры получаемого объемного изображения вследствие того, что современная технология не позволяет получить информационную панель с размерами по диагонали, превышающими 5-7 дюймов, а следовательно, большие по размерам дисплеи, а объединение информационных панелей в большой экран нарушает целостность объемного изображения вследствие значительных участков на границах информационных панелей (места склейки, технологические приспособления), либо непрозрачных для света, либо не являющихся информационными.

Кроме того, прототип имеет относительно узкую зону положения наблюдателей, в которой возможно наблюдение объемного изображения, и исключает его оглядывание.

Достигаемым техническим результатом предлагаемого изобретения является увеличение размеров получаемого объемного изображения, расширение зоны возможных положений наблюдателей и осуществление возможности оглядывания объемного изображения.

Для достижения поставленной задачи устройство для воспроизведения объемного изображения содержит матричный источник света, информационную панель с регулируемой светопроводимостью и линзовый растр из собирающих линз. Матричный источник света, информационная панель с регулируемой светопроводимостью и линзовый растр из собирающих линз зафиксированы в пространстве друг относительно друга, оптически связаны между собой и с глазами наблюдателей и расположены в плоскостях, параллельных друг другу и перпендикулярных оси, проходящей через их центра симметрии.

Кроме того, устройство содержит блок управления матричным источником света и информационной панелью, первый и второй выходы которого электрически подключены соответственно к входам матричного источника света и информационной панели, причем расстояние между плоскостями матричного источника света и линзового растра равно фокусному расстоянию линз линзового растра.

В отличие от прототипа информационная панель расположена между матричным источником света и линзовым растром и выполнена в виде ячеек с возможностью формирования в каждой из ячеек одного из фрагментов информационной картины и получения по сформированным отдельным фрагментам информационной картины увеличенных отдельных фрагментов ее мнимого изображения. При этом количество ячеек меньше или равно количеству линз линзового растра. Расстояние между линзовым растром и информационной панелью и степень увеличения отдельных фрагментов информационной картины установлены из условия возможности перемещения отдельных фрагментов информационной картины в пределах рабочих зон ячеек и совпадения краев смежных фрагментов мнимого изображения информационной картины.

Устройство может дополнительно содержать определитель координат глаз наблюдателей, а также вычислитель, интерфейс, внешнее запоминающее устройство, при этом определитель координат глаз наблюдателей, интерфейс, вычислитель и блок управления матричным источником света и информационной панелью последовательно электрически соединены друг с другом, а выход внешнего запоминающего устройства электрически соединен со вторым входом вычислителя.

Определитель координат глаз наблюдателей может быть выполнен в виде зафиксированного относительно линзового растра оптического локатора и оптически связанных с оптическим локатором и выполненных с возможностью крепления у глаз наблюдателей точечных отражателей.

В качестве определителя координат могут быть использованы также:
электромагнитные фазовые детекторы положения наблюдателя,
механические или электромеханические детекторы положения.

В качестве точечных отражателей могут быть использованы контррефлекторы в виде триппель-призмы или катафоты.

В качестве матричного источника света могут быть использованы:
цветной или черно-белый кинескоп,
люминесцентная матрица
светодиодная матрица,
оптико-механический блок развертки луча,
ультразвуковой блок развертки луча.

В качестве информационной панели с регулируемой светопроводимостью могут быть использованы:
черно-белые или цветные матрицы на жидких кристаллах (ЖКМ),
фазовращающие матрицы на основе электрооптического эффекта.

В качестве вычислителя может быть использован персональный компьютер типа IBM 286/387 или специализированный процессор.

В качестве внешнего запоминающего устройства могут быть использованы:
дискеты;
ПЗУ с интерфейсом для выдачи информации в компьютер;
магнитофон или видеомагнитофон.

В качестве блока управления матричным источником света и информационной панелью могут быть использованы блоки, аналогичные используемым в компьютерах типа Note-book.

Пример конкретного выполнения основан на использовании метода оптической локации.

На фиг.1 изображена блок-схема устройства для воспроизведения объемного изображения и ход лучей в нем.

На фиг. 2 изображено исходное положение яркостных точек А на матричном источнике света и центров С фрагментов информационной картины на информационной панели, а также их смещенное положение А₁ и С₁ для произвольного положения наблюдателя.

На фиг.3 изображена оптическая схема устройства для воспроизведения объемного изображения и ход лучей в нем для случая, когда нескольким линзам линзового растра соответствует одна ячейка информационной панели.

Устройство для воспроизведения объемного изображения содержит (фиг.1) матричный источник света (МИС) 1, информационную панель с регулируемой светопроводимостью (ИП) 2, линзовый растр (ЛР) 3 из собирающих линз, оптический локатор (ОЛ) 4, вычислитель (В) 5, интерфейс (И) 6, блок управления (БУ) 7 матричным источником света 1 и информационной панелью 2, внешнее запоминающее устройство (ВЗУ) 8 и контррефлекторы (КР) 9.

Взаимное расположение матричного источника света 1, информационной панели 2, линзового растра 3 и оптического локатора 4 друг относительно друга зафиксировано механически. Контррефлекторы 9 закреплены у глаз наблюдателей. Матричный источник света 1, информационная панель 2 и линзовый растр 3 оптически связаны между собой и со зрачками наблюдателей и расположены в плоскостях, параллельных друг другу и перпендикулярных оси SS, проходящей через их центры симметрии. Расстояние F (фиг.2) между матричным источником света 1 и линзовым растром 3 равно фокусному расстоянию линз линзового растра 3. Информационная панель 2 расположена между матричным источником света 1 и линзовым растром 3 и выполнена в виде ячеек 10 (фиг.1) с возможностью формирования в каждой из них одного из фрагментов информационной картины и получения по сформированным отдельным фрагментам информационной картины увеличенных отдельных фрагментов ее мнимого изображения. Количество ячеек 10 не превышает количество линз 11 линзового растра 3.

Расстояние D между линзовым растром 3 и информационной панелью 2 и степень увеличения отдельных фрагментов информационной картины установлены из условия возможности перемещения отдельных фрагментов информационной картины в пределах рабочих зон ячеек 10 и совпадения краев смежных фрагментов мнимого изображения информационной картины.

"Рабочая область" это вся площадь ячейки 10 за исключением мест склейки, технологических приспособлений. "Фрагмент информационной картины" - это сформированная в ячейке 10 часть информационной картины ракурса. "Фрагмент мнимого изображения" это увеличенное, прямое и мнимое изображение "фрагмента информационной картины", полученное в результате пересечения продолженных в обратном направлении лучей, преломленных линзой 11. Глаз наблюдателя видит не сформированные в ячейках 10 информационной панели 10 разрозненные отдельные фрагменты информационных картин, а полученные с их помощью фрагменты мнимого изображения, объединенные оптической системой устройства в единое мнимое изображение ракурса.

Оптический локатор 4, интерфейс 6, вычислитель 5, блок управления 7 последовательно соединены друг с другом электрически. Выход внешнего запоминающего устройства 8 электрически соединен со вторым входом вычислителя 5.

Первый и второй выходы блока управления 7 электрически подключены соответственно ко входам матричного источника света 1 и информационной панели 2.

Устройство работает следующим образом. Матричный источник света 1 последовательно или одновременно вырабатывает яркостные точки А₁, А₂,А_n в количестве N, равном количеству линз 11 линзового растра 3. Расположение яркостных точек А₁, А₂,А_n на плоскости матричного источника света 1 таково, чтобы они и оптические центра В₁, В₂,В_n соответствующих линз 11 линзового растра 3 находились на прямой, проходящей через зрачок Е наблюдателя (см. фиг. 1). Это обеспечит попадание конуса оптических лучей от соответствующей яркостной точки А₁, А₂,А_n на матричном источнике света 1 в зрачок Е наблюдателя.

На пути этого конуса лучей между матричным источником света 1 и линзовым растром 3 находится информационная панель 2. Расстояние F между матричным источником света 1 и линзовым растром 3 равно фокусному расстоянию линз 11. Расстояние D между информационной панелью 2 и линзовым растром 3 таково, что наблюдатель видит мнимое увеличенное изображение информационной картины.

В исходном положении каждый фрагмент информационной картины ячейки 10 формируется лишь для одного ракурса, для точки О, называемой далее базовой точкой, расположенной на расстоянии 1500 мм от центра линзового растра 3 на перпендикуляре, восстановленном к нему. При этом на каждой из прямых, соединяющих точку О с оптическими центрами каждой из линз 11 (В₁ - В₃ на фиг.1 и В₁ В₄ на фиг.3) линзового растра 3 находится соответствующий центр фрагмента информационной картины (С₁-С₃ на фиг.1 и С₁-С₄ на фиг.3) каждой ячейки 10 информационной панели 2 и соответствующая яркостная точка (А₁-А₃ на фиг.1 и А₁-А₄ на фиг.3) матричного источника света 1. При прохождении пучками света участков информационной панели 2 он модулируется по яркости и цветности в зависимости от отображаемой видеоинформации и создает в точке О мнимое изображение слитной плоской картины.

Если глаз наблюдателя будет находиться не в точке О, а в точке Т и будут известны его координаты Т(X_т,Y_т,Z_т), которые могут быть определены оптическим локатором 46 то яркостная точка (А) на матричном источнике света 1 и центр (С) фрагмента информационной картины ячейки 10 информационной панели 2 должны сместиться в положения А₁ и С₁ таким образом, чтобы они находились по-прежнему на одной прямой с центром соответствующей линзы 11 линзового растра 3 (см. фиг.2) и глазом наблюдателя (т.е. точкой Т). При дальнейшем изменении положения наблюдателя фрагмент информационной картины каждой ячейки 10 информационной панели 2 и яркостные точки матричного источника света 1 смещаются таким образом, чтобы названные выше условия выполнялись.

Для второго глаза наблюдателя в следующем кадре формируют свою систему фрагментов информационной картины, соответствующую пространственному положению этого глаза, также пересчитывая базовое изображение. Полное объемное изображение наблюдатель получит по сумме двух изображений ракурсов, индивидуальных для каждого газа и соответствующих индивидуальным координатам глаз. Если наблюдателей несколько, то такой пересчет проводится для каждого глаза каждого из наблюдателей и затем последовательно, кадр за кадром, пересчитанные изображения ракурсов воспроизводятся в направлениях пространственного положения этих глаз.

На фиг.2 предполагается, что каждой линзе 11 линзового растра 3 соответствует индивидуальная ячейка 10 информационной панели 2. На фиг.3 изображен случай, когда несколько, например четыре линзы 11 линзового растра 3, работают от одной ячейки 10 информационной панели 2. При этом на ячейке 10 образуются четыре фрагмента информационной картины, каждый из которых формирует свой фрагмент общего мнимого изображения ракурса.

Наблюдатель будет видеть слитное объемное изображение при выполнении следующих условий:
каждая яркостная точка А₁, А₂,А_n матричного источника света 1, центра фрагмента информационной картины С₁, С₂,С_n, центр В₁, В₂,В_n соответствующей линзы 11 линзового растра 3 и зрачок Е наблюдателя находятся на одной прямой или достаточно близко к ней;
размер светового пятна от яркостных точек А₁, А₂,А_n матричного источника света 1 и фокусное расстояние F линз 11 линзового растра 3 таковы, чтобы во всем диапазоне дальностей наблюдателя поперечный размер светового пятна, сформированного матричным источником света 1 и линзовым растром 3, не превышал базового расстояния между глаз наблюдателя (около 65 мм);
расстояние между линзовым растром 3 и информационной панелью 2 и степень увеличения отдельных фрагментов информационной картины установлены из условия возможности перемещения отдельных фрагментов информационной картины не выходя за пределы рабочих зон ячеек 10 и условия совпадения краев смежных фрагментов мнимого изображения информационной картины,
информация в каждый зрачок одного или нескольких наблюдателей подается поочередно, ракурс за ракурсом, причем общее количество изображений ракурсов равно числу зрачков наблюдателей.

Важнейшее качество объемного изображения возможность его оглядывания - появится, если в устройстве предусмотреть, кроме блока определения координат зрачков наблюдателей, выполненного, например, в виде оптического локатора 4, также вычислитель 5, пересчитывающий положение каждого пикселя базового объемного изображения в соответствии с этими координатами.

В предлагаемом изобретении координаты каждого глаза Е наблюдателя определяются оптическим локатором 4 один раз за полный кадр посредством определения координат контррефлекторов 9, расположенных у глаз Е наблюдателя. Координаты поступают через интерфейс 6 в вычислитель 5, где пересчитываются положения яркостных точек А₁, А₂,А_n на плоскости матричного источника света 1 (также один раз за полный кадр) для каждой линзы 11 и, кроме того, рассчитывается положение каждого из пикселей на информационной панели 2 для новых координат каждого из глаз Е наблюдателя (или нескольких наблюдателей).

Для упрощения вычислений предполагается, что объемное изображение формируется в виде планов общим числом n, расположенных друг от друга на некоторых определенных расстояниях. Из литературы известно, что объемное изображение считается удовлетворительным, если оно состоит из 8-10 плоских планов.

Расчет координат X_i, Y_i некоторого пикселя на плоскости информационной панели 2 для произвольной точки изображения ракурса М(X_m, Y_m, Z_m) ведется по формулам:
(1) X_i (X_т•Z_m - Z_т•X_m)/(Z_т Z_m);
(2) Y_i (Y_т•Z_m - Z_т•Y_m)/(Z_т Z_m);
а положение яркостной точки А(X_a, Y_a, O) на матричном источнике света 1, которая обеспечит видение этого пикселя из точки Т(X_т, Y_т, Z_т), где находится глаз наблюдателя, рассчитывается по формулам:
(3) X_a F•(X_т•Z_o + X_л•(Z_т Z_o))/(Z_т•Z_o);
(4) Y_a F•(Y_т•Z_o + Y_л•(Z_т Z_o))/(Z_т•Z_o);
где X_л и Y_л декартовы координаты центра какой-либо линзы 11.

Отметим, что переменные, входящие в выражения (1 4), меняются с существенно разной скоростью; например, параметры устройства (F расстояние от матричного источника света 1 до линзового растра 3 и Z_o расстояние до базовой точки О) величины постоянные; координаты наблюдателя Т(X_т, Y_т, Z_т) не меняются в течение кадра (t 20 мс), Z_м постоянно для сцены с данным номером (t 0,5 1 мс), X_м и Y_м меняются от пикселя к пикселю (t 0,2 мкс). Также отметим, что в выражения (3) и (4) все переменные меняются медленно (либо неизменные в течение кадра, либо вообще постоянные). Это обстоятельство можно использовать при аппаратной разработке, например комплекс вычислений по формулам (3) и (4) можно провести недорогим процессором с низкой производительностью.

Если на матричном источнике света 1 возбуждать не яркостные точки А₁, А₂, А_n, а яркостные вертикальные линии, то в плоскости наблюдения (т.е. в плоскости расположения зрачков наблюдателя) образуются вертикальные светящиеся столбы. При этом наблюдатель будет также видеть объемное изображение. Такое устройство снижает требования к производительности вычислителя 1, поскольку пересчет координат пикселя на информационной панели 2 и положения яркостной линии на матричном источнике света 1 ведется только для х-компоненты (см. формулы (1) и (3)). В этом случае оглядывание будет осуществляться лишь по горизонтали.

Отметим, что в рассматриваемом варианте х-компоненты координаты базового изображения неизменны в течение времени воспроизведения столбца (около 64 мкс) и не меняются от пикселя к пикселю, как для Y-компонент (около 0,2 мкс).

Если определитель координат (например, оптический локатор 4) фиксирует как горизонтальную, так и вертикальную координаты наблюдателя, то эффект оглядывания по вертикали может быть сохранен, но для одного, привилегированного наблюдателя. При этом для расчета координат пикселей на информационной панели 2, наряду с формулами (1),(3), необходимо использовать формулу (2). В этом случае все наблюдатели, сохраняя автономность оглядывания по азимутальной компоненте, будут видеть объемное изображение по угломестной компоненте под ракурсом привилегированного наблюдателя.

Следует иметь ввиду, что форма выполнения изобретения, описанная выше и показанная на чертежах, представляет собой только возможный предпочтительный вариант его осуществления. Могут быть использованы различные вариации выполнения изобретения в отношении формы, размеров и расположения отдельных элементов, отдельные элементы могут быть заменены эквивалентными.

Источники информации
1. Шыырап, К.Т.Копин, Б.Е.Джакония, С.З.Коганер, В.С.Шумляев. "Техника кино и телевидения", 1988, N 12, с.34-36.

2. Патент Англии N 2206763, кл. H O4 N 13/04, кл. НКИ H 4 F, 1988.

Изобретение относится к области телевидения и может быть использовано при получении объемных телевизионных изображений, в теле- и компьютерных играх, в тренажерах и т.д.

Изобретение решает задачу увеличения размеров объемного изображения, расширения зоны возможных положений наблюдателя.

Устройство содержит матричный источник света, линзовый растр и информационную матрицу, механически соединенные друг с другом, оптически связанные между собой и со зрачками наблюдателей. Они расположены в плоскостях, параллельных друг другу и перпендикулярных оси, проходящей через их центры симметрии. Кроме того, устройство имеет блок управления матричным источником света и информационной матрицей, а расстояние между матричным источником света и линзовым растром равно фокусному расстоянию линз линзового растра.

Новым является то, что информационная матрица расположена между матричным источником света и линзовым растром и выполнена в виде ячеек, количество которых меньше или равно количеству линз линзового растра. 2 з.п.ф-лы, 3 ил.

1. Устройство для воспроизведения объемного изображения, содержащее матричный источник света, информационную панель с регулируемой светопроводимостью, линзовый растр из собирающих линз, зафиксированные в пространстве друг относительно друга, оптически связанные между собой и с глазами наблюдателей и расположенные в плоскостях, параллельных друг другу и перпендикулярных оси, проходящей через их центры симметрии, а также блок управления матричным источником света и информационной панелью, первый и второй выходы которого электрически подключены соответственно к входам матричного источника света и информационной панели, причем расстояние между плоскостями матричного источника света и линзового растра равно фокусному расстоянию линз линзового растра, отличающееся тем, что информационная панель расположена между матричным источником света и линзовым растром и выполнена в виде ячеек с возможностью формирования в каждой из ячеек одного из фрагментов информационной картины и получения по сформированным отдельным фрагментам информационной картины увеличенных отдельных фрагментов ее мнимого изображения, при этом количество ячеек меньше или равно количеству линз линзового растра, а расстояние между линзовым растром и информационной панелью и степень увеличения отдельных фрагментов информационной картины установлены из условия возможности перемещения отдельных фрагментов информационной картины в пределах рабочих зон ячеек и совпадения краев смежных фрагментов мнимого изображения информационной картины. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит определитель координат глаз наблюдателей, а также вычислитель, интерфейс, внешнее запоминающее устройство, при этом определитель координат глаз наблюдателей, интерфейс, вычислитель и блок управления матричным источником света и информационной панелью последовательно электрически соединены друг с другом, а выход внешнего запоминающего устройства электрически соединен с вторым входом вычислителя. 3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что определитель координат глаз наблюдателей выполнен в виде зафиксированного относительно линзового растра оптического локатора и оптически связанных с оптическим локатором и выполненных с возможностью крепления у глаз наблюдателей точечных отражателей.