СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ СТЕРЕОСКОПИЧЕСКОГО ИЗОБРАЖЕНИЯ ВЫСОКОЙ ЧЕТКОСТИ И ПЛОСКИЙ ЭКРАН ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ Российский патент 1998 года по МПК H04N13/00 

Изобретение относится к системам телевидения, а именно к проблеме получения стереоскопического изображения высокой четкости на плоском экране.

Известны способы получения стереоскопического изображения /заявка ЕПВ N 0195584; международная заявка PCT N 91115930/. Эти заявки описывают способы воспроизведения трехмерного изображения и технические средства для их реализации. Основой таких устройств является источник изображения /планов различной глубины/, синхронно с которым световые модуляторы в виде экранов отражают или рассеивают свет, в результате чего получается трехмерное отображение данной сцены. Недостатком таких устройств является наличие физических тел /экранов/ в пространстве между наблюдателем и источником изображения, при этом каждый экран соответствует своему кадру изображения и в остальное время не работает. При просмотре таких изображений наблюдатель должен занимать определенное положение, то есть угол обзора невелик.

Наиболее близким по своему техническому решению к заявленному способу является способ и устройство стереоскопического воспроизведения по патенту США N 4729017. В этом патенте описан стереоскопический дисплей, который содержит выходное устройство для деления воспроизводимого изображения и превращения каждого из элементов в тонкоструктурные оптические решетки, шаг которых изменяется в соответствии с информацией о расстоянии для этого элемента изображения, то есть перед каждым светоизлучающим элементом помещен управляемый оптический элемент, который пошагово меняет свои оптические свойства, удаляя или приближая соответствующую ему точку изображения. Недостатком такой системы является очень сложная конструкция экрана с большим количеством управляемых тонкоструктурных решеток и небольшое число шагов управления каждой из этих решеток.

Задачами заявляемого изобретения являются:
- создание плоского экрана со стереоскопическим воспроизведением видеоинформации;
- уменьшение количества коммутируемых элементов без потери разрешения;
- увеличение размеров экрана;
- увеличение угла обзора;
- совместимость с существующими телевизионными стандартами.

Эти задачи решаются при использовании экрана со светоизлучающими и оптическими элементами, вращающимся перед наблюдателем. При этом светоизлучающие элементы разрешены по радиусам вращающейся плоскости, и над каждым из них расположены оптические элементы. В известные моменты времени каждый следующий светоизлучающий элемент встает на место предыдущего, но при просмотре сквозь оптические элементы двух видов первый элемент кажется удаленным, а второй - приближенным на такое же расстояние относительно плоскости экрана. Тогда яркость свечения данной точки определяется суммарной яркостью свечения двух элементов, формирующих эту точку, а ее положение по глубине определяется соотношением яркости свечения этих элементов. В крайних положениях точки по глубине один из элементов выключен, а расстояние между крайними положениями точки является стереобазой, зависящей от параметров оптических элементов. При вращении экрана удаленные и приближенные элементы мелькают с частотой, превышающей критическую. Для формирования стереоизображения на таком экране необходимы четыре сигнала, три из которых R, G, B предоставляют информацию о яркости и цвете точек изображения, а четвертый сигнал, названный D, - о положении точек изображения по глубине в виде номера слоя, в котором эта точка должна отображаться. Сигналы R, G, B, D могут быть получены с помощью специальной видеокамеры или компьютера. При отображении плоской картинки сигнал D отсутствует.

Устройство экрана включает в себя: основание, имеющее ось, перпендикулярную плоскости вращения; электронную схему управления экраном, размещенную как на неподвижных, так и на подвижных частях конструкции; оптические элементы двух видов, удаляющие и приближающие, симметрично и поочередно расположенные в виде монолитных линеек по радиусам вращающейся плоскости экрана, обращенной к наблюдателю, матрицы светоизлучающих элементов на отдельных полупроводниковых кристаллах, содержащих также элементы электронной памяти, составляющих светодиодные линейки, расположенные под оптическими линейками.

В результате на таком экране может быть получено стереоизображение высокой четкости с большим количеством слоев по глубине /например, 256/, при этом размеры экрана и угол обзора достаточно велики, а количество коммутируемых элементов значительно уменьшено.

Заявляемая совокупность операций, элементов и связей позволяет достичь поставленную цель изобретения.

При изучении известных технических решений в данной области техники совокупность признаков, отличающих данное изобретение, не была выявлена. Данное решение существенно отличается от известных. Оно явным образом следует из уровня техники и имеет изобретательский уровень.

Так как заявляемое техническое решение может быть реализовано современными средствами и материалами, то оно является промышленно применимым.

Прилагаемые чертежи поясняют суть предлагаемого способа и устройства для его реализации.

На фиг. 1 показаны стереокамера и схема измерения расстояния до объектов; на фиг. 2 - разрез части экрана; на фиг. 3 - часть вращающегося основания экрана со светодиодными линейками на основе полупроводниковых светодиодов трех цветов в одном кристалле; на фиг. 4 - часть вращающегося основания экрана со светодиодными линейками на основе моноцветных полупроводниковых светодиодов в одном кристалле; на фиг. 5 - пример построения блок-схемы всего устройства; на фиг. 6 - пример электрической принципиальной схемы одного трехцветного кристалла.

На фиг. 1 - 6 обозначено:
1 - вращающееся основание экрана,
2 - центр вращения экрана,
3 - полупроводниковые кристаллы,
4 - оптические элементы двух видов,
5 - монолитная удаляющаяся оптическая линейка,
6 - монолитная приближающаяся оптическая линейка,
7 - сквозные контакты,
8 - плата памяти, синхронизации и коммутации,
9 - маска, поглощающая свет,
10 - расположение элементов памяти и передачи информации на поверхности полупроводникового кристалла.

Сущность способа получения стереоскопического изображения заключается в том, что на основании экрана симметрично, с высокой точностью закреплены светоизлучающие элементы, видимые наблюдателю сквозь оптические элементы двух видов, удаляющие и приближающие. Наборы таких элементов вместе с основанием механически перемещаются в пространстве перед наблюдателем таким образом, что в определенные моменты времени удаленные светоизлучающие элементы замещаются приближенными и наоборот, с частотой, превышающей критическую частоту мельканий. Тогда яркость свечения формируемой точки изображения определяется суммарной яркостью удаленного и приближенного элементов, формирующих эту точку, а положение по глубине - их соотношением. Стереобаза или крайнее положение точек по глубине определяется параметрами применяемых оптических элементов.

Для получения стереоизображения необходимы четыре управляющих сигнала R, G, B, D. Сигнал D представляет собой цифровой код номера слоя каждой точки изображения. Сигналы R, G, B, D могут быть сформированы специальной стереокамерой с видеопроцессором, измеряющим расстояние до точек объектов данного кадра изображения и присваивающим им определенные номера слоев, при этом определенный номер слоя оператор присваивает линии резкости /фиг. 1/. Видеосигналы 1 и 2 поступают в видеопроцессор с фотоэлектрических преобразователей ФЭП1 и ФЭП2. Расстояние A делится на число слоев, соответствующее номеру, присвоенному линии резкости, а расстояние B определяется из общего числа слоев минус число слоев в A. Общее число слоев, исходя из параметров воспроизводящего устройства и разрешающей способности зрения человека, может составить 256, тогда номер слоя, присвоенный каждой точке изображения, передается восьмиразрядным двоичным кодом. Все дискретные точки изображения, расположенные за линией последнего слоя изображения, отображаются в последнем слое. Также сигналы R, G, B, D могут быть сформированы компьютером или иным способом.

Плоский экран состоит из основания экрана 1 /фиг. 2/, закрепленного на оси, расположенной в центре вращения 2 перпендикулярно плоскости экрана. На плоском основании экрана со стороны, обращенной к наблюдателю, с высокой точностью закреплены /приклеены/ полупроводниковые кристаллы 3, содержащие светодиоды трех цветов R, G, B. Над каждым из светоизлучающих элементов расположен соответствующий ему оптический элемент /микролинза/ 4. Оптические элементы объединены в монолитные оптические линейки двух видов, удаляющие 5 и приближающие 6. Полупроводниковые кристаллы соединены сквозными контактами 7 с платой памяти, синхронизации и коммутации 8, расположенной с обратной стороны основания экрана. Каждый светоизлучающий элемент выделен маской, поглощающей свет 9. Полупроводниковые кристаллы составлены в линейки 3 /фиг. 3 и фиг. 4/. Отличие этих фигур заключается в том, что на фиг. 3 показаны полупроводниковые кристаллы, содержащие светодиоды трех цветов, а на фиг. 4 - моноцветные полупроводниковые кристаллы. Построение экрана в соответствии с фиг. 4 имеет свои преимущества и недостатки. Преимущества заключаются в том, что упрощается технология изготовления моноцветных полупроводниковых кристаллов, появляется возможность введения светофильтров, более точно выделяющих нужную спектральную линию в спектре, излучаемом светодиодами. Недостатком является в три раза большее количество кристаллов и составленных из них линеек. Для дальнейшего описания устройства будем пользоваться чертежом на фиг. 3, так как принципиальные различий с точки зрения формирования стереоизображения между этими чертежами нет. Количество светодиодных линеек выбирается исходя из критической частоты мельканий, воспринимаемых человеком, и приемлемой скорости вращения экранов большого или малого диаметра. Поверхность, не занятая полупроводниковыми кристаллами, максимально поглощает внешний свет, например, "черный бархат".

Строение полупроводниковых кристаллов определяется их положением в линейке. Примем самые большие кристаллы, состоящими из матрицы 32х32 трехцветного элемента. По мере приближения к центру вращения размер элемента по радиусу остается неизменным, а по длине окружности уменьшается. В точке R_max/2 скачком происходит уменьшение количества элементов по длине окружности в два раза, а их размер снова становится первоначальным. Так происходит то тех пор, пока в линейке не останется один элемент, сходящий на нет в центре вращения 2. В центре вращения останется небольшое слепое пятно, которое будет мало заметно. В круге /фиг. 3/ показано увеличенное изображение строения поверхности полупроводникового кристалла, содержащего светодиоды трех цветов в точке удвоения площади в обмен на уменьшение количества светоизлучающих элементов в два раза. Помимо светодиодов полупроводниковые кристаллы содержат электронные схемы памяти и передачи информации, что позволяет уменьшить количество линий связи с внешней схемой. Эти схемы размещены между светоизлучающими элементами 10. Размер H одного светоизлучающего элемента зависит от размера экрана и необходимой четкости изображения.

Плоский экран со стереоскопическим воспроизведением информации представляет собой сложное электронно-механическое устройство, блок-схема которого показана на фиг. 5. Сущность работы устройства заключается в приеме сигналов R, G, B, D, а также сигнала стереозвукового сопровождения в закодированном виде, присутствующих в том или ином канале связи. Принимаемые сигналы обрабатываются соответствующими устройствами. Раскодированные сигналы R, G, B поступают на аналого-цифровые преобразователи, где яркость каждой точки изображения по трем цветовым составляющим представляется восьмиразрядными двоичными кодами. Сигнал D текущей точки изображения поступает на схему памяти весовых коэффициентов. Весовой коэффициент - это цифровое выражение отношения данного номера слоя к общему числу слоев в этой системе, представленное в виде четырнадцатиразрядного двоичного кода, любое значение которого меньше или равно 1. Полученные цифровые коды, обозначающие яркость, цвет и весовой коэффициент текущей точки изображения, передаются на вращающуюся часть схемы через вращающиеся трансформаторы или иным способом. Передача для удобства осуществляется в последовательном виде. После преобразования из последовательного вида в параллельный восьмиразрядные коды сигналов яркости R, G, B поступают на соответствующие процессоры, а весовой коэффициент поступает на все три процессора одновременно. Процессоры R, G, B работают по жесткому алгоритму, включающему в себя:
- умножение значения яркости на весовой коэффициент и округление полученного значения до восьми двоичных разрядов, что представляет собой значение яркости удаленного элемента изображения;
- вычитание из текущего значения яркости полученного значения яркости удаленного элемента, что представляет собой значение яркости приближенного элемента;
- суммирование каждого из полученных значений с поправочным коэффициентом, учитывающим нелинейность преобразования цифрового кода в световой сигнал.

При такой обработке сигналов искажения по яркости возможны только при ее максимальных значениях. Полученные значения яркостей каждой точки изображения записываются в память на кадр по строкам. В это время из другой половины памяти происходит считывание предыдущего кадра, но по радиус-векторам, так как развертка изображения на экране происходит при вращении основания экрана, именно по радиусам которого установлены светодиодные линейки. Частоты считывания из памяти могут оказаться очень велики, так как память должна обслужить большое количество светоизлучающих элементов. Для снижения частоты считывания необходимо наращивать число параллельных каналов связи. После отработки одного цикла записи-считывания половинки памяти меняются местами. Запись значений яркости свечения элементов из памяти на кадр в сдвиговые регистры светодиодных линеек осуществляется в промежутках между импульсами записи элементов, которые через синхронный счетчик поступают от датчика точного положения экрана. Датчик точного положения экрана представляет собой прецизионный прибор, возможно оптический, реагирующий на шкалу, нанесенную на подвижной части экрана, с шагом примерно 0,5 H /для изображения высокой четкости/, и выдающий электрический сигнал частотой 96 - 100 кГц при скорости вращения экрана 360 - 375 об/мин. Схемы управления, синхронизации и блок питания обеспечивают функционирование устройства. Светодиодные линейки кажутся удаленными или приближенными за счет оптических элементов двух видов, а состоят они из одних и тех же полупроводниковых кристаллов.

Рассмотрим пример построения электрической принципиальной схемы одного полупроводникового кристалла, содержащего светодиоды трех цветов, а также элементы памяти и передачи информации /фиг. 6/. На схеме показаны светодиоды, каждый из которых имеет набор резисторов и ключей, управляемых восьмиразрядным цифровым кодом данного цвета точки изображения. Нелинейность вольт-амперной характеристики светодиода способствует такому построению схемы. При этом на основе каждого из светодиодов построен цифроаналоговый преобразователь, что позволяет записывать и передавать информацию в цифровом виде. Основным элементом памяти в схеме является Д-триггер по схеме мастер -помощник. Импульс записи элементов формируется из импульсов датчика точного положения экрана. Наибольшая частота этих импульсов для кристаллов, находящихся в промежутке от R_max до R_max/2, составит примерно 48 кГц для изображения высокой четкости. Светодиоды вполне пригодны для работ с такой частотой. При приходе импульса записи элементов новая информация о яркости свечения записывается в триггеры, обслуживающие первые элементы /светодиоды/, из сдвиговых регистров, а ранее записанная информация передается на триггеры, обслуживающие вторые элементы, и т.д. до конца кристалла. В промежутках времени между передними фронтами импульсов записи элементов, содержимое сдвиговых регистров должно успевать обновляться, то есть в них должна быть записана новая информация из памяти на кадр. Для такого взаимодействия используется 24-разрядная шина данных /8R, 8G, 8B/ и два сигнала управления: выбор кристалла, запись регистров. Частоты работы этих элементов памяти много выше, что позволяет сокращать количество линий связи в экране. Также к каждому полупроводниковому кристаллу подведены три напряжения смещения светодиодов для независимого управления яркости свечения каждого цвета, регулируемые в пределах 3 - 6B, а также питание логических элементов памяти (- 5B) и общий провод OB.

По заявляемому предложению выполнены необходимые расчеты и конструирование отдельных узлов. Сравнительно простая плоская конструкция устройства трехмерного изображения при описанных выше возможностях позволяет применить его в качестве экранов телевизоров, дисплеев компьютеров, в рекламных и иных целях. Такое устройство экрана может быть применено для отображения плоских двухмерных изображений, тогда оптические элементы не нужны.

Изобретение относится к системам телевидения. Изобретение решает следующие технические задачи: создание плоского экрана со стереоскопическим воспроизведением видеоинформации; уменьшение количества коммутируемых элементов без потери разрешения; увеличение размеров экрана; увеличение угла обзора; совместимость с существующими телевизионными стандартами. Эти задачи решаются при кодировании каждой дискретной точки изображения видеосигнала R , G , B восьмиразрядным двоичным кодом, несущим информацию о местоположении данной точки по глубине в виде номера слоя (среза) пространства наблюдаемой сцены в передающей части, и отображением данного сигнала на плоском вращающемся экране. Экран имеет вращающееся основание, с одной стороны которого размещена электронная схема памяти, синхронизации и коммутации, а с другой, обращенной к наблюдателю, наборы светодиодов управляются цифровыми кодами. При просмотре точек изображения сквозь оптические элементы двух видов наблюдатель видит суммарный световой поток от удаленного и приближенного элементов, так как частота мельканий этих элементов перед наблюдателем превышает критическую. Тогда, меняя соотношение яркостей удаленного и приближенного элементов, можно получить любое положение точки по глубине изображения в пределах стереобазы, определяемой параметрами оптических элементов. При отсутствии информации о положении точек по глубине экран отображает плоскую картину, 2 с. п. ф-лы, 6 ил.

1. Способ получения стереоскопического изображения на экране со светоизлучающими и оптическими элементами, использующий сигналы, характеризующие три цветовых составляющие, отличающийся тем, что при формировании стереоскопического изображения светоизлучающие элементы просматривают сквозь оптические элементы двух видов, удаляющие и приближающие, и механически перемещают наборы таких элементов в пространстве перед наблюдателем таким образом, что удаленный светоизлучающий элемент замещается приближенным светоизлучающим элементом с частотой, превышающей критическую частоту мелькания, тогда яркость свечения формируемой точки изображения определяется суммарной яркостью удаленного и приближенного элементов, в положение данной точки по глубине - соотношением яркости этих элементов, для формирования стереоскопического изображения используют сигнал D, который представляет собой номера точек изображения по глубине, при этом, сигналы R, G, B и D преобразуют в сигналы яркости для удаленных и приближенных элементов изображений в каждой точке по каждому цвету. 2. Плоский экран, представляющий электромеханическое устройство, содержащий основание с полупроводниковыми светодиодами трех цветов, отличающийся тем, что основание с полупроводниковыми светодиодами трех цветов R, G, и B выполнено с возможностью вращения, при этом на основании расположены полупроводниковые кристаллы, содержащие электронные элементы цифроаналоговых преобразователей, памяти и передачи информации, выполненные в виде светодиодных линеек, симметрично расположенных по радиусам вращающегося основания, с обратной стороны основание содержит плату памяти, синхронизации и коммутации, над светодиодными линейками устанавливают оптические линейки двух видов, удаляющие и приближающие, при этом каждая микролинза в таких линейках соответствует одному светодиоду.