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

Изобретение относится к области телевидения и может быть использовано в системах телевидения, а также объемных теле- и компьютерных играх.

Известно устройство, в котором остостереоскопическое (объемное) изображение формируется с помощью телевизора или телемонитора с использованием двух формирователей полукадров объемного изображения, соединенных с телевизором или телемонитором, и обтюрационного блока, выполненного в виде очков со стеклами на жидких кристаллах, предназначенных для передачи изображения попеременно для левого и правого глаз наблюдателя [1]
Недостатками данного устройства являются низкое качество объемного изображения вследствие наличия псевдостереоэффекта, а также невозможность оглядывания изображения.

Наиболее близким по технической сущности и выбранным за прототип является устройство для формирования ортостереоскопического изображения, включающее передвижной блок воспроизведения ортостереоскопического изображения, вычислитель, блок определения координат наблюдателя, выходы которого подключены к соответствующим входам вычислителя, передвижной блок стереоскопической камеры, выходы которого подключены через канал связи к соответствующим входам передвижного блока воспроизведения ортостереоскопического изображения [2]
При работе известного устройства блок определения координат наблюдателя осуществляет слежение за позицией наблюдателя в пространстве. Сигналы о координатах наблюдателя поступают в вычислитель, который в соответствии в ними определяет необходимые для получения неискаженного ортостереоскопического изображения положения передвижного блока воспроизведения ортостереоскопического изображения и передвижного блока стереоскопической камеры в пространстве.

В данном устройстве устраняется псевдостереоэффект и появляется возможность оглядывания ортостереоскопического изображения. Эффект оглядывания объекта может воспроизводится и при отображении синтезированных ЭВМ объемных изображений без использования передвижного блока стереоскопической камеры. В этом случае ЭВМ в соответствии с сигналами о координатах наблюдателя будет синтезировать изображения требуемых ракурсов.

К недостаткам прототипа относятся сложность его конструкции, значительные габариты и масса. Воспроизведение синтезированных ЭВМ объемных изображений требуемых в зависимости от положения наблюдателя, ракурсов невозможно без механических поворотов вокруг горизонтальной и вертикальной осей передвижного блока воспроизведения объемного изображения, что снижает быстродействие устройства и его надежность. Кроме того, в устройстве не предложены ни конкретная конструкция блока определения координат наблюдателя, ни конкретная конструкция устройства, позволяющего проводить селекцию изображения для левого и правого глаз наблюдателя.

Изобретение решает техническую задачу упрощения конструкции устройства и улучшения его массогабаритных характеристик.

Сущность изобретения заключается в том, что устройство для формирования ортостереоскопического изображения содержит блок воспроизведения ортостереоскопического изображения, вычислитель, выходы которого подключены к соответствующим входам блока воспроизведения ортостереоскопического изображения, блок формирования сигнала координат наблюдателя, первый и второй электрические выходы которого подключены к первому и второму входам вычислителя.

Применяемый здесь термин "блок воспроизведения ортостереоскопического изображения" обозначает устройство, воспроизводящее ортостереоскопическое (объемное) изображение как полученное с помощью теле- или видеокамер, так и синтезированное на ЭВМ. Это устройство преобразует ортостереоскопическое изображение, записанное на машинах носителях, в видимое изображение, направленное в глаза наблюдателя.

В отличие от прототипа блок формирования сигнала координат наблюдателя выполнен в виде оптического локатора и двух контррефлекторов, причем оптический локатор пространственно зафиксирован относительно блока воспроизведения ортостереоскопического изображения, а контррефлекторы выполнены с возможностью крепления на теле наблюдателя на равном расстоянии относительно его плоскости симметрии и оптически с оптическим локатором.

Применяемый здесь термин "контррефлектор" обозначает оптический элемент, обладающий свойствами зеркального отражения падающего на него оптического излучения в направлении источника света. Несколько подобных оптических элементов, расположенных таким образом, что отраженный ими сигнал воспринимается оптическим локатором как один сигнал, определяются в данном случае как один "контррефлектор".

Симметричное крепление контррефлекторов на теле наблюдателя необходимо потому, что оптический локатор по сигналам от контррефлекторов определяет угловое положение точки, делящей расстояние между ними пополам, считая положение наблюдателя совпадающим с положением этой точки, а также для определения расстояния от экрана светоинформационного излучателя до глаз наблюдателя.

Оптический локатор может содержать датчик положения зондирующего луча, фокусирующую линзу, фотоприемник, формирователь импульсов и последовательно расположенные и оптически связанные между собой основной инфракрасный излучатель, коллиматор, оптический делитель и сканер. Оптический выход сканера является оптическим выходом оптического локатора. Дополнительный оптический выход делителя оптически связан через фокусирующую линзу с оптическим входом фотоприемника. Выход фотоприемника электрически подключен к входу формирователя импульсов, выход формирователя импульсов является первым электрическим выходом блока формирования сигнала наблюдателя, а электрический выход датчика положения зондирующего луча является вторым электрическим выходом блока формирования сигнала координат наблюдателя, при это датчик положения зондирующего луча жестко связан со сканером.

Применяемый здесь термин "оптический делитель" обозначает оптический элемент, пропускающий узкий пучок или плоский веер оптических лучей на передачу и отражающий широкий пучок оптических лучей на прием оптических сигналов.

Блок воспроизведения ортостереоскопического изображения может содержать обтюрационный блок, имеющий дополнительный инфракрасный излучатель, очки со стеклами на жидких кристаллах, закрепленные на очках синхронизатор, дополнительный фотоприемник, один общий и два управляющих электрода стекол на жидких кристаллах. При этом управляющие электроды стекол на жидких кристаллах электрически соединены с соответствующими выходами синхронизатора, вход которого электрически соединен с выходом дополнительного фотоприемника, электрически соединенного своим входом с общим электродом. Кроме того, дополнительный инфракрасный излучатель оптически связан с дополнительным фотоприемником, при этом электрический выход блока воспроизведения ортостереоскопического изображения соединен с входом дополнительного инфракрасного излучателя.

Контррефлекторы могут быть закреплены на очках на равном расстоянии относительно оси симметрии очков. Это удобно и не снижает комфортности при восприятии объемного изображения.

На фиг. 1 изображена блок-схема предлагаемого устройства для формирования ортостереоскопического изображения; на фиг. 2 общий вид предлагаемого устройства для формирования ортостереоскопического изображения; на фиг. 3 - оптическая схема оптического локатора; на фиг. 4 блок-схема обтюрационного блока; на фиг. 5 конструкция обтюрационного блока с закрепленными на очках контррефлекторами; на фиг. 6 временная зависимость:
а) текущей азимутальной характеристики инфракрасного луча оптического локатора,
b) текучей угломестной характеристики инфракрасного луча оптического локатора,
с) сигналов от контррефлекторов на формирователе импульсов,
d) сигналов от дополнительного фотоприемника на переключение синхронизатора и стекол на жидких кристаллах; на фиг. 7 изображен ход лучей, поясняющий алгоритм преобразования изображения точки вычислителем:
a) при начальном положении наблюдателя,
b) при повороте наблюдателя.

Устройство для формирования ортостереоскопического изображения, включает (фиг. 1,2) блок воспроизведения ортостереоскопического изображения 1 и вычислитель 2, которым может быть персональный компьютер, имеющий память достаточной емкости и достаточную производительность. Устройство имеет также блок формирования сигнала координат 3 наблюдателя 4. В блок формирования сигнала координат 3 наблюдателя 4 входят оптический локатор 5 и два контррефлектора 6 (6a левый контррефлектор и 6b -правый коктррефлектор), оптически связанных с оптическим локатором 5. Выходы оптического локатора 5 подключены к соответствующим входам вычислителя 2.

Оптический локатор 5 имеет (фиг.3) датчик положения зондирующего луча 7, фокусирующую линзу 8, фотоприемник 9, формирователь импульсов 10 и последовательно расположенные и оптически связанные между собой основной инфракрасный излучатель (например, светодиод) 11, коллиматор 12, оптический делитель 13, сканер 14, выполненный в виде барабана Вейлера. Дополнительный оптический выход оптического делителя 13 оптически связан через фокусирующую линзу 8 с фотоприемником 9. Выход фотоприемника 9 электрически подключен к входу формирователя импульсов 10. Датчик положения зондирующего луча 7 жестко соединен со сканером 14 и выполнен в виде цифрового фотоэлектрического датчика.

Блок воспроизведения ортостереоскопического изображения 1 имеет светоинформационный излучатель 15, в качестве которого может быть использован, например, кинескоп, и обтюрационный блок 16. Блок воспроизведения ортостереоскопического изображения 1 может работать как при использовании изображения, полученного с помощью теле- или видеокамер, так и синтезированных с помощью ЭВМ. В дальнейшем пример осуществления изобретения будет основан на использовании изображения, синтезированного с помощью ЭВМ.

Выходы вычислителя 2 подключены к соответствующим входам светоинформационного излучателя 15. Оптический локатор 5 жестко механически закреплен на светоинформационном излучателе (кинескопе) 15 (фиг. 2). Обтюрационный блок 16 имеет (фиг. 4,5) дополнительный инфракрасный излучатель (например, светодиод) 17, очки 18 со стеклами 19 на жидких кристаллах, закрепленные на очках 18 синхронизатор 20, дополнительный фотоприемник 21, один общий 22 и два управляющих 23 электрода стекол 19 на жидких кристаллах. Дополнительный фотоприемник 21 выполнен малогабаритным. Синхронизатор 20 вмонтирован в дужку очков 18.

Управляющие электроды 23 стекол 19 на жидких кристаллах электрически соединены с соответствующими выходами синхронизатора 20. Вход синхронизатора 20 электрически соединен с выходом дополнительного фотоприемника 21. Дополнительный фотоприемник 21 электрически соединен своим входом с общим электродом 22 стекол 19. Дополнительный инфракрасный излучатель 17 оптически связан с дополнительным фотоприемником 21. Электрический выход блока воспроизведения ортостереоскопического изображения 1, которым является электрический выход светоинформационного излучателя 15, соединен с входом дополнительного инфракрасного излучателя 17.

Источником постоянного тока в электрической цепи обтюрационного блока 16 служит подключенный с помощью гибкого электропровода 24 малогабаритный аккумулятор 25, который при работе устройства может находиться, например, в кармане одежды наблюдателя 4.

Контррефлекторы 6 блока формирования сигнала координат 3 наблюдателя 4 закреплены на очках 18, симметрично над стеклами 19 из жидких кристаллов, при этом расстояние между осями симметрии контррефлекторов 6 имеет определенную величину S.

Устройство работает следующим образом.

В исходном состоянии ортостереоскопическое (объемное) изображение, синтезированное с помощью вычислителя 2, подается с экрана светоинформационного излучателя 15 поочередно в виде полукадров для левого и правого глаза наблюдателя 4. Наблюдатель 4 находится на некотором расстоянии L от экрана светоинформационного излучателя 15 и, следовательно, от оптического локатора 5 блока формирования сигнала координат 3 наблюдателя 4. При работе устройства инфракрасный луч, сформированный в оптическом локаторе 5 поочередно элемент за элементом, освещает часть пространства перед собой (эту часть пространства назовем угловым сектором обзора), и последовательно попадает на контррефлекторы 6 у левого и правого глаза наблюдателя 4. Вследствие большой отражательной способности контррефлекторов 6 (на 3 -- 4 порядка превышающей отражательную способность обычных предметов в комнате) фотоприемник 9 оптического локатора 5 зафиксирует мощный сигнал в моменты t1 и t2 попадания луча на них, показанные на фиг.6, для любых вероятных расстояний наблюдателя 4 от экрана светоинформационного излучателя 15 (до 10 м).

На фиг. 6a изображена зависимость азимутальной характеристики β инфракрасного луча оптического локатора 5 от времени t.

На фиг. 6b изображена зависимость угломестной характеристики e\ инфракрасного луча оптического локатора 5 от времени t, причем i-1,i,i+1,i+2 - это порядковый номер граней барабана сканера 14.

На фиг.6c изображена зависимость сигналов от контррефлекторов q на формирователе импульсов 10 U_f от времени t.

На фиг.6d изображена зависимость сигналов от дополнительного фотоприемника 21 на переключение синхронизатора 20 и стекол 19 на жидких кристаллах U_p от времени t.

Так как контррефлекторов 6 два и они расположены на известном расстоянии S (фиг. 7) друг от друга, то фотоприемник 9 зафиксирует последовательно два разнесенных во времени сигнала (фиг.6c) примерно одинаковой интенсивности, а формирователь импульсов 10 выдаст импульсы стандартной формы на вычислитель 2. Текущие угловые координаты луча, постоянно вырабатываемые датчиком положения зондирующего луча 7 и передаваемые в вычислитель 2, фиксируются последним только в те моменты времени, когда приходит на его информационный вход импульс с формирователя импульсов 10, т.е. в моменты времени t1 и t2.

Эти угловые координаты, соответственно (β₁,ε₁) для момента t1 и (β₂,ε₂) для момента t2, вычислитель 2 преобразует и определяет положение центра межглазового расстояния, (β₀,ε₀) по формулам:

которые однозначно связаны с положением наблюдателя 4 в угловом секторе обзора оптического локатора 5.

Время между моментами времени t1 и t2, t Δ t2-t1 однозначно связано с расстоянием до наблюдателя 4 соотношением:
L = S/γ*Δt (2)
где S расстояние между контррефлекторами 6a и 6b, а γ -угловая скорость развертки инфракрасного луча.

Таким образом, сигналы, передаваемые с оптического локатора 5 на вход вычислителя 2, позволяют однозначно судить о положении наблюдателя 4. В момент окончания кадра с выхода светоинформационного излучателя 15 приходит импульс конца кадра на дополнительный инфракрасный излучатель 17, выполненный на основе светодиода. Дополнительный инфракрасный излучатель 17 вырабатывает световой импульс, распространяющийся в широком угловом секторе, который воспринимается дополнительным фотоприемником 21. По сигналу от дополнительного фотоприемника 21 синхронизатор 20 с помощью управляющих электродов 23 меняет режим работы стекол 19 на жидких кристаллах, поочередно перекрывая световые потоки на правый и левый глаз наблюдателя 4.

Вычислитель 2 в составе устройства работает следующим образом. В исходном состоянии вычислитель 2 формирует в плоскости OX экрана светоинформационного излучателя 15 стереопару изображений для левого и правого глаза наблюдателя центральной оси для определенного расстояния L до наблюдателя 4 (фиг.7а). При этом точка A, воспринимаемая наблюдателем 4 как находящаяся на центральной оси перед экраном светоинформационного излучателя 15 на расстоянии D от него, воссоздается двумя последовательно воспроизводимыми яркостными точками на экране светоинформационного излучателя 15 за два последовательных полукадра для левого и правого глаза со смещением относительно центра этого экрана каждой точки равным
X_moa D•S/((L-D)•2) -X_moa,
соответственно для левого и правого глаза наблюдателя 4. Для точки B, лежащей за экраном светоинформационного излучателя 15 на расстоянии D от него, это соотношение имеет вид:
X_mob D•S/((L+D)•2) -X_mob.

При изменении расстояния до наблюдателя 4 смещения точек преобразуются по этим же выражениям для новых вычислительных значений этого расстояния L согласно выражению (2). В обоих случаях смещения точек относительно центра экрана светоинформационного излучателя 15 симметричны. Если расстояние до наблюдателя 4 во много (в 4-5 и более раз) превышает размер экрана светоинформационного излучателя 15, то практически указанные соотношения справедливы для всех точек экрана светоинформационного излучателя 15. При изменении углового положения наблюдателя 4, например смещения его на угол v (фиг.7б), зафиксированный оптическим локатором 5, информация о нем передается в вычислитель 2, при этом последний выдает поправку на положение пары точек на экране светоинформационного излучателя 15. В этом случае центр пары для точки A смещается на величину , равную:

относительно которого со смещением, определяемым выражением (2), вычисляются положения светящихся точек на экране светоинформационного излучателя 15.

Для точки B (фиг.7б) выражение для поправки имеет вид:

В ряде случаев, когда угол оглядывания небольшой, можно упростить выражения (5) и (6), приняв приближенно sinΦ=Φ а cos=1, тогда выражения (5) и (6) примут вид:


Таким образом, вычислитель 2 формирует сигналы для светоинформационного излучателя 15 с учетом положения наблюдателя 4.

Дополнительный инфракрасный излучатель 17 позволяет осуществить совместно с дополнительным фотоприемником 21 синхронность переключения стекол 19 на жидких кристаллах обтюрационного блока 16. При попадании луча с дополнительного инфракрасного излучателя 17 на дополнительный фотоприемник 21 (фиг.4, 5) последний вырабатывает сигнал, который переключает синхронизатор 20. Импульс с синхронизатора 20 попеременно переключает при воздействии на управляющие электроды 23 режим работы стекол 19 на жидких кристаллах.

На фиг.3 приведена оптическая схема оптического локатора 5. Пучок лучей от основного инфракрасного излучателя 11 с заданной угловой расходимостью формируется коллиматором 12, проходит через оптический делитель 13 и попадает на сканер 14, выполненный, например, в виде барабана Вайлера. Положение этого барабана и, следовательно, положение сформированного инфракрасного луча в пространстве определяются датчиком положения зондирующего луча 7, в качестве которого может быть использован цифровой фотоэлектрический датчик. Часть излучения, отраженная контррефлекторами 6, возвращается в направлении оптического локатора 5 и, последовательно отражаясь от граней сканера 14 и оптического делителя 13, фокусируется на поверхность фотоприемника 9 фокусирующей линзой 8. Фотоприемник 9 с формирователем импульсов 10 вырабатывают соответствующие сигналы при оптическом контакте инфракрасного луча с контррефлекторами 6.

Таким образом, изобретение позволяет обеспечить достижение полезного эффекта упрощения конструкции устройства для получения объемного изображения и улучшения его массогабаритных характеристик за счет исключения значительного количества датчиков положения наблюдателя изображения и систем управления пространственным положением воспроизводящего блока. Использование изобретения позволяет также повысить быстродействие, надежность устройства для получения объемного изображения, а также комфортность при его эксплуатации.

Источники информации:
1. Патент США N 4692792, кл. H04N 15/00, НКИ США 358-3.

2. Мамчев Г.В. Стереотелевизионные устройства отображения информации. М. Радио и связь, 1983, с.73 75.

Использование: изобретение относится к области телевидения и может быть использовано в системах объемного телевидения, а также в объемных теле- и компьютерных играх. Сущность изобретения: устройство для формирования ортостереоскопического изображения содержит блок воспроизведения ортостереоскопического изображения 1, вычислитель 2, блок формирования сигнала координат 3 наблюдателя 4. В блок формирования сигнала координат 3 входят оптический локатор 5, два контррефлектора 6а, 6в, оптически связанных с оптическим локатором 5. Оптический локатор 5 содержит датчик положения зондирующего луча 7, фокусируюшщую линзу 8, фотоприемник 9, формирователь импульсов 10, инфракрасный излучатель 11, коллиматор 12, оптический делитель 13. Блок воспроизведения ортостереоскопического изображения содержит светоинформационный излучатель 15, обтюрационный блок 16. 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

Устройство для формирования ортостереоскопического изображения, содержащее блок воспроизведения ортостереоскопического изображения, вычислитель, выходы которого подключены к соответствующим входам блока воспроизведения ортостереоскопического изображения, блок формирования сигнала координат наблюдателя, первый и второй электрические выходы которого подключены к первому и второму входам вычислителя, отличающееся тем, что блок формирования сигнала координат наблюдателя выполнен в виде оптического локатора и двух контррефлекторов, причем оптической локатор пространственно зафиксирован относительно блока воспроизведения ортостереоскопического изображения, а контррефлекторы выполнены с возможностью крепления на теле наблюдателя на равном расстоянии относительно его плоскости симметрии и оптически связаны с оптическим локатором.