УСТРОЙСТВО ФОРМИРОВАНИЯ ОБЪЕМНОГО ИЗОБРАЖЕНИЯ Российский патент 1997 года по МПК H04N15/00 

Предлагаемое изобретение относится к области телевидения и может быть использовано в системах объемного телевидения, а также в компьютерных играх и тренажерах.

Известно устройство для получения объемного изображения с помощью кинескопа, линзы и плоской отображающей матричной панели на основе жидких кристаллов [1]
Недостатком этого устройства является ограниченная зона возможных положений наблюдателя, в которых воспринимается объемный эффект; кроме того, устройство имеет ограниченные функциональные возможности, связанные с трудностями одновременного формирования нескольких ракурсов, например четырех ракурсов для двух наблюдателей.

Известны также устройства получения объемных изображений, содержащие воспроизводящий блок на основе кинескопа, электрически соединенного с блоками горизонтальной строчкой, вертикальной кадровой разверток, яркости и цветности, а также линзовый растр, закрепленный на кинескопе и оптически соединенный с кинескопом и глазами телезрителя [2]
Недостатком такого устройства является его сложность, заключающаяся в необходимости использовать более сложный в исполнении линзовый растр, а также блок широкополосного воспроизведения множества изображений ракурсов для всех возможных положений телезрителя.

Технической задачей, решаемой изобретением, и является упрощение устройства формирования объемного изображения и расширение его функциональных возможностей путем обеспечения возможности оглядывания объемного изображения при произвольном положении зрителя.

На фиг.1 представлена блок-схема устройства формирования объемного изображения.

На фиг. 2 представлена оптическая схема устройства с многолучевым кинескопом и обтюрационной жидкокристаллической матрицей.

На фиг. 3 представлен ход оптических лучей, поясняющих расчет положения светоинформационных столбцов на экране многолучевого кинескопа при двух различных положениях вертикальной бегущей щели на обтюрационной жидкокристаллической матрице при воспроизведении некоторого элемента изображения 1 при произвольном положении зрителя.

На фиг.4 представлена временная диаграмма, иллюстрирующая взаимное положение светоинформационных столбцов многолучевого кинескопа и вертикальной бегущей щели обтюрационной жидкокристаллической матрицы при изменении положения глаз зрителя.

На фиг. 5, 6 представлен ход лучей при наличии в обтюрационной жидкокристаллической матрице одновременно двух вертикальных бегущих щелей.

Устройство формирования объемного изображения содержит воспроизводящий блок 1, оптический формирователь, выполненный в виде обтюрационной жидкокристаллической матрицы 2, блок определения координат 3 глаз зрителей 4, преобразователь адресов видеосигнала 5, первый 6, второй 7 и третий 8 интерфейсы и внешний запоминающий блок 9.

Воспроизводящий блок 1 содержит многолучевой (черно-белый) кинескоп 10 с четным числом лучей, блок горизонтальной подстройки 11, блок яркости 12, блок горизонтальной развертки 13, блок вертикальной развертки 14.

Выходы блока горизонтальной подстройки 11, блока яркости 126 блока горизонтальной развертки 13 и блока вертикальной развертки 14 электрически соединены с соответствующими входами многолучевого кинескопа 10, а их входы являются соответственно первым, вторым, третьим и четвертым входами воспроизводящего блока 1, при этом многолучевой кинескоп 10 имеет с обтюрационной жидкокристаллической матрицей 2 оптическую связь и жестко связан с ней механически.

Устройство содержит также блок сдвиговых регистров 15, выход которого электрически соединен с входом жидкокристаллической обтюрационной матрицы 2, выполненной с возможностью образования вертикальных бегущих щелей 16 с расстоянием D между ними.

Управление жидкокристаллической обтюрационной матрицей 2 осуществляется блоком сдвиговых регистров 15, число разрядов которого равно числу возможных положений вертикальной бегущей щели 16. Первоначальное состояние такого регистра нули во всех разрядах, кроме младшего, в котором должна быть записана логическая единица. Установка логической единицы в младший разряд регистра производится кадровым синхроимпульсом. Каждый строчный синхроимпульс сдвигает положение этой логической единицы на один шаг, синхронно с этой сдвижкой меняется положение вертикальной бегущей щели 16.

Блок определения координат 3 глаз зрителей 4 содержит оптический локатор 17 и контррефлекторы 18, размещенные на одной вертикали с глазами зрителя 4. Выход оптического локатора 17 является выходом блока определения координат 3 глаз зрителей 4, а вход оптического локатора 17 и контррфлекторы 18 связаны между собой оптически.

Многолучевой кинескоп 10 осуществляет горизонтальную кадровую и вертикальную строчную развертки. Вертикальная строчная развертка осуществляется в виде светоинформационных столбцов 19.

Выход внешнего запоминающего блока 9 электрически соединен с первым входом преобразователя адресов видеосигнала 5, второй вход которого через второй интерфейс 7 электрически соединен с выходом блока определения координат 3 глаз зрителей 4, первый выход преобразователя адресов видеосигнала 5 через первый интерфейс 6 электрически соединен с первым и вторым входами воспроизводящего блока 1, второй выход преобразователя адресов видеосигнала 5 электрически соединен через третий интерфейс 8 с третьим и четвертым входами воспроизводящего блока 1 и с входом блока сдвиговых регистров 15, выход которого электрически соединен с входом жидкокристаллической обтюрационной матрицы 2, который является управляющим входом оптического формирователя.

Контррефлекторы 18 могут быть закреплены на оправах обычных очков (на чертеже не показано). В качестве оптического локатора 17 может быть использован оптический ИК-локатор, описанный в [3]
В качестве преобразователя адресов видеосигнала 5 может быть использовано персональный компьютер типа IBM PC/AT 386/387, или иной с достаточно высоким быстродействием.

Устройство работает следующим образом. Первоначально в отсутствие зрителей 4 многолучевой кинескоп 10 воспроизводящего блока 1 совместно с обтюрационной жидкокристаллической матрицей 2 воспроизводит плоское изображение для одного воображаемого стандартного положения глаза зрителя 4. (Базовая точка O(O, О, Zo) на фиг. 1, 2 и 3). При этом на входе оптического локатора 17 нет сигналов от контррефлекторов 18 и отсутствует, соответственно, сигнал на входе преобразователя адресов видеосигнала 5. Информация, поступающая от внешнего запоминающего блока 9, передается преобразователем адресов видеосигнала 5 через первый интерфейс 6 на блок горизонтальной подстройки 11 и блок яркости 12 без изменения. Эти блоки возбуждают и смещают по горизонтали (горизонталь направление кадровой развертки) только один из лучей (например, первый луч) многолучевого кинескопа 10. Блок вертикальной развертки 14 (вертикаль направление строчной развертки) во всех режимах работы устройства работает неизменно. Световой поток от каждого светоинформационного столбца 19, создаваемого многолучевым кинескопом 10, пропускается через вертикальную бегущую щель 16 обтюрационной жидкокристаллической матрицей 2 только в плоскости, проходящей через точку O.

Это соответствие светоинформационных столбцов 19 многолучевого кинескопа 10 и вертикальных бегущих щелей 16 обтюрационной жидкокристаллической матрицы 2 достигается с помощью ПЗУ преобразователя адресов видеосигнала 5, в котором в поле адресов записаны все возможные положения светоинформационных столбцов 19 на экране многолучевого кинескопа 10, а в поле данных адреса соответствующих им вертикальных бегущих щелей 16.

Для ограничения распространения лучей в произвольных направлениях в обтюрационной жидкокристаллической матрице 2 последняя в исходном состоянии закрыта, в ней просветлена (т.е. способна пропускать свет) только одна вертикальная бегущая щель 16, которая может перемещаться в горизонтальном направлении со скоростью кадровой развертки. Кадр плоского базового изображения воспроизводится последовательной сдвижкой в горизонтальном направлении вертикальной бегущей щели 16 на обтюрационной жидкокристаллической матрице 2 и светоинформационных столбцов 19 на экране многолучевого кинескопа 10.

Из внешнего запоминающего блока 9 приходит массив чисел, каждое из которых описывает трехмерное положение (адресная часть слова), яркость и цвет (информационная часть слова) воспроизводимой точки, а также звуковое сопровождение. Этот массив чисел дает плоское изображение кадра в базовой точке O и размещается в оперативной памяти преобразователя адресов видеосигнала 5.

При наличии зрителей 4 в преобразователь адресов видеосигнала 5 приходят сигналы, связанные с координатами их глаз, при этом каждая из воспроизводимых точек пересчитывается с учетом координат глаз. При этом каждая из точек базового изображения трансформируется в N точек изображений ракурсов, где N число глаз зрителя 4. При этом информационная часть слова (яркость и цвет воспроизводимой точки) остается неизменной для всех N точек.

Каждый глаз зрителя 4 в один и тот же момент времени получает индивидуальную цветовую и яркостную информацию в зависимости от его угловых координат, причем это достигается при одновременном высвечивании нескольких светоинформационных столбцов 19 на экране многолучевого кинескопа 10 и лишь одной вертикальной бегущей щели 16, а число светоинформационных столбцов 19, одновременно высвечиваемых на экране многолучевого кинескопа 10, равно числу глаз зрителей 4. Разумеется, число зрителей 4, имеющих возможность одновременного наблюдения изображения, ограничено половиной числа лучей N многолучевого кинескопа, т.е. равно N/2.

Расстояние между двумя соседними светоинформационными столбцами 19, воспринимаемыми каждым зрителем 4, одновременно может быть определено из ижеследующего уравнения:
X=l_o•B/Z_ri, (1)
где X азимутальная (вдоль по горизонтали) поправка для координаты второго светоинформационноо столбца 19 относительно координаты положения первого светоинформационого столбца 19;
Zri дальность зрителя 4;
l_o расстояние между экраном многолучевого кинескопа 10 и обтюрационной жидкокристаллической матрицей 2;
B базовое расстояние (расстояние между глазами зрителя 4).

Отметим, что объемная информация о некотором элементе изображения T(X_т, Y_т, Z_т) (см. фиг. 3) в описываемом устройстве получается попаданием соответствующих лучей в каждый из глаз зрителя 4 в разные моменты времени, в разные положения светоинформационных столбцов 19 на экране многолучевого кинескопа 10 и вертикальных бегущих щелей 16 обтюрационной жидкокристаллической матрицы 2. Однако, благодаря известной способности глаза помнить яркостную точку в течение, примерно, 0,1 с, этот эффект не будет мешающим.

Трехмерный элемент изображения T(X_т, Y_т, Z_т) будет воспринят зрителем 4 объемным и расположенным в заданном месте пространства, если для каждого зрителя 4 он воспроизводится парой пикселей на экране многолучевого кинескопа 10 и если положение какого-либо i-го пикселя K_i(X_ki, Y_ki, O), дающего изображение элемента T, например, для левого глаза зрителя 4 с координатами Гi(X_гi, Y_гi, Z_гi), находится на пересечении прямой, соединяющей глаз Г_i зрителя 4 и элемент T, с плоскостью экрана многолучевого кинескопа 10, а положение j-пикселя с координатами K_j(X_kj, Y_kj, O), дающего изображение элемента T, например, для правого глаза зрителя 4 с координатами Гj(X_гj, Y_гj, Z_гj) находится на пересечении с плоскостью экрана многолучевого кинескопа 10 прямой, соединяющей глаз Г_j зрителя 4 и элемент T.

Пусть N общее число зрителей 4, тогда при воспроизведении объемного изображения одного элемента T для всех зрителей 4 необходимо найти положение 2N пикселей на экране многолучевого кинескопа 10. Такой пересчет координат пикселя из координат точки T ведется по нижеприведенным формулам (2) и (3).

X_к=(X_т•(Z_г+l_o)-X_г•(Z_n +l_o)/(Z_г-Z_o) (2)
Y_к=(l_o•(Y_т-Y_г)-Z_n•Y_г)/ (Z_г-Z_o) (3)
Z_n дальность плана, на котором находится элемент изображения T.

Высвечивание пикселя K_i должно производиться в интервал времени, когда вертикальная бегущая щель 16 с текущими координатами S(X_s, l_o), пересекает прямую, соединяющую глаз Г_i(X_гi, Y_гi, Z_гi) зрителя 4 и точку T(X_т, Y_т, Z_т); это условие (условие компланарности) отражено в нижеследующем уравнении:
X_s=(X_т•Z_гi-Z_т•X_гi)/ (Z_гi-Z_т) (4)
Совместное решение уравнения (2) и (4) дает зависимость азимутального (вдоль по оси X) положения строки (X_кi) на экране многолучевого кинескопа 10 и вертикальной бегущей щели (X_s) 16:
X_кi=X_s-l_o•(X_гi-X_кi)/Z_гi (5)
Формула (5) является математическим выражением условия компланарности (нахождения в одной плоскости) глаза зрителя 4, соответствующей вертикальной бегущей щели 16 и светоинформационного столбца 19 на экране многолучевого кинескопа 10. По этой формуле рассчитываются как начальное положение, так и текущее положение вертикальной бегущей щели 16.

Кадр объемного изображения воспроизводится следующим образом. Первоначально вертикальная бегущая щель 16 находится в крайнем из возможных положений X_so (для определенности, пусть в крайнем левом положении), куда она устанавливается кадровым синхроимпульсом. С помощью строчных синхроимпульсов производится пошаговое смещение вертикальной бегущей щели 16 так, что за время кадра эта щель пробегает всю поверхность обтюрационной жидкокристаллической матрицы 2. Начальное положение лучей на экране многолучевого кинескопа 10 определяется преобразователем адресов видеосигнала 5 либо посредством пересчета по формулам (2) и (4), либо посредством использования связи координат i-го луча многолучевого кинескопа 10 и вертикальной бегущей щели 16 данной в явной форме в формуле (5). Так как в рассматриваемом случае число глаз зрителей 4 равно четырем и каждый их них имеет координаты, отличные от других, то каждому положению вертикальной бегущей щели 16, в том числе и начальному положению, соответствуют четыре различных азимутальных координаты лучей на экране многолучевого кинескопа 10.

Первоначальные азимутальные координаты этих лучей X_кoi для крайнего состояния вертикальной бегущей щели 16 с координатой S_o устанавливаются блоком горизонтальной подстройки 11. Это относительно небольшое смещение лучей возможно осуществить средствами индивидуального отклонения каждого из лучей, например, с помощью электростатической системы отклонения. По мере смещения вертикальной бегущей щели 16, в соответствии со строчными синхроимпульсами, все четыре луча многолучевого кинескопа 10 смещаются без изменения взаимного расположения друг относительно друга посредством обычной кадровой развертки. Также общей для всех лучей является строчная (в вертикальном направлении) развертка. Каждый луч в любой момент времени будет передавать видеоинформацию для того глаза зрителя 4, для которого выполняется условие компланарности (нахождения в одной плоскости) совместно с вертикальной бегущей щелью 16. В явной форме это условие отражено в формуле (5).

За время кадра вертикальная бегущая щель 16 пробегает все возможные положения, заполняя весь кадр. Если кадровая частота достаточно велика, например 50 Герц, то глаза зрителей 4 в силу своей инерционности воспримут всю кадровую видеоинформацию.

Преобразователь адресов видеосигнала 5 в соответствии с формулами (2), (3) и (4) пересчитывает каждый пиксель объемного изображения, вводимого в него с помощью внешнего запоминающего блока 9. Так как оптический локатор 17 передает на преобразователь адресов видеосигнала 5 координаты нескольких глаз зрителей 4 (в нашем случае, четыре), то один и тот же пиксель исходного видеоизображения, вырабатываемого внешним запоминающим блоком 9, будет воспроизводиться для четырех разных глаз зрителей 4 четырьмя яркостными точками в четырех различных участках экрана многолучевого кинескопа 10, вычисленных по формулам (2) и (4). Поэтому в преобразователе адресов видеосигнала 5 целесообразно образовать несколько видеостраниц, работающих параллельно, причем каждая видеостраница должна содержать видеоизбражение ракурса (т.е. видеоинформацию об яркости каждого пикселя в кадре для какого-то одного глаза зрителя 4), каждая видеостраница воспроизводится своим индивидуальным лучом, а общее число видеостраниц равно числу глаз зрителей 4. В дальнейшем будем полагать, что число видеостраниц ы преобразователе адресов видеосигнала 5 равно четырем.

Такая организация нескольких видеостраниц в преобразователе адресов видеосигнала 5 предусмотрена в языках высокого уровня, например, в Borland C++ стандартной функцией getgraphmode, а переход со страницы на страницу - стандартной функцией setvisualpage (N).

В целом, такое управление многолучевым кинескопом 2 позволит получить независимую видеоинформацию каждым глазом каждого зрителя 4.

Временная диаграмма, приведенная на фиг.4, иллюстрирует взаимное расположение светоинформационных столбцов 19 многолучевого кинескопа 10 и изменения их взаимного расположения при изменении азимутальной координаты и дальности двух зрителей 4. За время T_к между N и N+1 кадром в преобразователь адресов видеосигнала 5 поступает с оптического локатора 17 новая информация о положении зрителей 4. Пусть зритель З₁ приблизился к экрану многолучевого кинескопа 10, не изменяя своего азимутального положение, а зритель З₂ свое положение по азимуту, не меняя дальности. При этом возрастает величина азимутального (т. е. по горизонтали) расстояние между теми двумя светоинформационными столбцами 19 многолучевого кинескопа 10 а-а и б-б, которые создают изображение для глаз первого зрителя З₁, и переместятся относительно положения вертикальной бегущей щели 16 на обтюрационной жидкокристаллической матрице 2 положения тех двух светоинформационных столбцов 19, которые создают изображение для второго зрителя З₂ (лучи в-в и г-г).

На фиг. 5, 6 показан случай, когда в обтюрационной жидкокристаллической матрице 2 имеется еще одна дополнительная вертикальная бегущая щель 16. Если эта дополнительнаая вертикальная бегущая щель 16 находится на небольшом расстоянии от основной (фиг.5), то через нее возможны помехи одного зрителя 4 другому при наблюдении ими объемного изображения. (См, несанкционированные лучи в-в, г-г фиг. 6). Однако, если расстояние между щелями достаточно велико, так что несанкционированные лучи расходятся под углом, превышающим допустимый угол обзора, то мешающее действие этих лучей исчезнет. При этом устройство приобретет новое качество. Становится возможным либо уменьшить скорость кадровой развертки при сохранении горизонтального разрешения (это важно для обтюрационной жидкокристаллической матрицы 2, поскольку скорость ее переключения ограничена), либо увеличить вдвое горизонтальное разрешение путем увеличения вдвое числа различных элементов.

Отметим одну важную особенность предлагаемого устройства. Поскольку каждый глаз зрителя 4 получает индивидуальную информацию, у него появляется возможность независимого от других зрителей оглядывания объемного изображения.

Детальный анализ работы заявленного устройства позволяет сделать заключение о возможности одновременного просмотра с одного и того же устройства формирования объемного изображения разными зрителями разных телепередач. Это становится возможным при выполнении условий:
приемник заявленного устройства по крайней мере двухканальный;
производительность преобразователя видеосигналов 5 позволяет пересчитывать координаты пикселей по крайней мере двух видеоканалов с организацией двух пар видеостраниц, первая пара -для восприятия объемного изображения первым зрителем, вторая пара вторым зрителем;
в устройстве осуществляется разделение звукового сопровождения.

Разделение звукового сопровождения можно осуществить с помощью наушников, либо подключаемых к параллельным звуковым каналам устройства, либо посредством использования модулированного ИК-луча с несколькими разными частотами модуляции и приемом соответствующего сигнала звукового сопровождения каждым зрителем.

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 выполнения отдельных элементов, отдельные элементы могут быть заменены эквивалентными.

Источник информации
1. Патент Англии N 2206763, кл. H 04 N 13/04, кл. НКИ H 4 F, 1988.

2. Шыырап, К. П. Копин, В. Е. Джакония, С.З. Коганер, В.С. Шумляев. "Техника кино и телевидения", 1988, N 12, с. 34-36.

3. Патент РФ N 2059995, кл. H 04 N 13/04, заявл. 25.06.91.

Изобретение относится к области телевидения и может быть использовано в системах объемного телевидения, а также в компьютерных играх и тренажерах. Для расширения функциональных возможностей в известное устройство дополнительно введены вычислитель по крайней мере тир интерфейса, внешний запоминающий блок (ВЗБ), блок определения координат телезрителя (БОКТ), контррефлекторы, блок управления (БУ), причем выход ВЗБ соединен с одним из входов вычислителя, другие соответствующие входы и выходы которого соединены с входом и выходом БОКТ через первый интерфейс с соответствующими входами ВБ через второй и третий интерфейсы соответственно, а с входом БУ - через третий интерфейс, при этом контррефлекторы закреплены на голове телезрителя на одной вертикали с его зрачками, соответствующие входы и выходы БОКТ оптически связаны с контррефлекторами, а выход БУ соединены электрически с управляющим выходом оптического формирования. При этом ВБ содержит кинескоп, блок яркости и цветности, блок горизонтальной подстройки, блок горизонтальной развертки и блок вертикальной развертки, причем входы блока яркости и цветности, блока горизонтальной подстройки, блока горизонтальной развертки и блока вертикальной развертки соединены соответственно с соответствующими входами ВБ, а выход каждого из них соединен с соответствующим входом кинескопа электрически, выход которого соединен с соответствующими входами ВБ оптически, а кинескоп выполнен N - лучевым, где N - целое четное число, жестко связан с оптическим формирователем. При этом в качестве БОКТ использован оптический или звуковой локатор, а оптический формирователь выполнен в виде жидкокристаллической обтюрационной матрицы по крайней мере с одной бегущей щелью, соединенной электрически с управляющим входом оптического формирователя. При наличии нескольких бегущих щелей в обтюрационной матрице расстояние D между ними выбрано в соответствии с выражением
D > tgΦ/l_o,
где
Φ - максимальный угол оглядывания объемного изображения;
l_o - расстояние между жидкокристаллической матрицей и кинескопом. 4 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Устройство формирования объемного изображения, содержащее воспроизводящий блок, выходы которого оптически связаны с оптическим формирователем, жестко соединенным с воспроизводящим блоком и оптически связанным с глазами зрителей, отличающееся тем, что в него введены преобразователь адресов видеосигнала, первый, второй и третий интерфейсы, внешний запоминающий блок, блок определения координат глаз зрителей, блок сдвиговых регистров, причем выход внешнего запоминающего блока электрически соединен с первым входом преобразователя адресов видеосигнала, второй вход которого через второй интерфейс электрически соединен с выходом блока определения координат глаз зрителей, первый выход преобразователя адресов видеосигнала через первый интерфейс электрически соединен с первым и вторым входами воспроизводящего блока, второй выход преобразователя адресов видеосигнала электрически соединен через третий интерфейс с третьим и четвертым входами воспроизводящего блока и с входом блока сдвиговых регистров, выход которого электрически соединен с входом оптического формирователя. 2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что воспроизводящий блок содержит кинескоп, блок горизонтальной подстройки, блок яркости, блок горизонтальной развертки и блок вертикальной развертки, причем выходы блока горизонтальной подстройки, блока яркости, блока горизонтальной развертки и блока вертикальной развертки электрически соединены с соответствующими входами кинескопа, а их входы являются соответственно первым, вторым, третьим и четвертым входами воспроизводящего блока, при этом кинескоп выполнен N-лучевым, где N целое четное число, имеет с оптическим формирователем оптическую связь и жестко связан с ним механически. 3. Устройство по пп. 1 и 2, отличающееся тем, что блок определения координат глаз зрителей выполнен в виде оптического локатора, выход которого является выходом блока определения координат глаз зрителей и контррефлекторов, закрепленных на голове зрителя на одной вертикали с его глазами, при этом вход оптического локатора и контррефлекторы связаны между собой оптически. 4. Устройство по пп. 1 и 2, отличающееся тем, что оптический формирователь выполнен в виде жидкокристаллической обтюрационной матрицы по крайней мере с одной бегущей щелью, при этом вход жидкокристаллической обтюрационной матрицы является управляющим входом оптического формирователя. 5. Устройство по пп. 1 и 2, отличающееся тем, что расстояние между бегущими щелями жидкокристаллической матрицы выбрано в соответствии с выражением
q < arctg (D/l_o),
где q максимальный угол оглядывания объемного изображения;
D расстояние между бегущими щелями;
l_o расстояние между жидкокристаллической матрицей и многолучевым кинескопом.