СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ ИЗОБРАЖЕНИЙ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2008 года по МПК G02B27/06 

Область техники

Настоящее изобретение связано с формированием фиксированных и изменяющихся во времени изображений с помощью неподвижных источников света и может быть использовано в различных устройствах отображения информации, в частности в телевидении, кино, в различных системах создания виртуальной реальности, в рекламных целях для пассажиров, находящихся в движущемся транспорте.

Уровень техники

Наибольшее распространение в настоящее время получили способы формирования изображений, при которых на некоторой поверхности (световое табло, экран телевизора или монитора, киноэкран) формируются источники первичного или вторичного светового излучения с модулируемой яркостью. Например, на экране телевизора такие источники создаются при бомбардировке электронным лучом люминофора, испускающего при этом свет. На киноэкране такие источники создаются в результате отражения от элементарных участков белого экрана лучей света, направляемых из кинопроектора. Всем этим системам свойственен недостаток, связанный с ограниченным размером экрана и создаваемым на нем изображения. Увеличение размера экрана сопровождается увеличением стоимости устройства отображения и размеров помещения для его размещения.

В последнее время в связи с прогрессом в области создания сверхъярких светодиодов и дешевых микроконтроллеров получили широкое распространение способы формирования изображений, при которых каждый светодиод движется вдоль некоторой траектории, которая в большинстве случаев является окружностью. Если в это время модулируется во времени яркость светодиода, то яркость различных участков окружности оказывается различной. Если одновременно двигается множество светодиодов, то одновременно формируется множество окружностей, расположенных на некоторой поверхности. Окружности переменной яркости формируют на этой поверхности некоторое изображение. Этот способ нашел применение в игрушках (USA Patent 5791966 (1995)), в устройствах для регулировки движения (USA Patent 5406300 (1995)), в устройствах формирования изображений (заявка на патент РФ №99113715).

При таком способе существенно сокращается количество светодиодов, необходимых для формирования изображений и, следовательно, стоимость самого устройства. Однако этому способу присущи некоторые недостатки. Во-первых, затруднена подводка питания к движущимся светодиодам. Во-вторых, движущиеся части устройства необходимо защитить некоторым прозрачным экраном от зрителей, которым может быть нанесено повреждение при соприкосновении с движущимися частями.

Наиболее близким к предлагаемому способу является способ формирования изображений, используемый в шлемах виртуальной реальности, где для каждого глаза наблюдателя формируется свое изображение. Для этой цели используются миниатюрные экраны, выполненные на основе активных ЖК матриц, подобных тем, что используются в мультимедийных проекторах (см. С.Н.Попов. Аппаратные средства мультимедиа. Видеосистема PC, с.159, БХВ-Петербург, Артлит, 2000 г). Важной особенностью таких систем является наличие так называемой системы виртуальной ориентации, которая отслеживает движение головы и в соответствии с ним корректирует изображение на экранах. При повороте головы в одну сторону панорамное изображение на ЖК матрицах прокручивается в противоположном направлении, благодаря чему возникает иллюзия стабильности и неповторимое ощущение реальности окружающей картины (так, как это происходит в реальной жизни). Последние реализации подобных устройств описаны в следующих патентах США:

Klinberg et al, Pat No. 6252707 of June 26 2001 Systems for three-dimensional viewing and projection;

Benton Pat. No. 6351280 of Feb. 26, 2002 Autostereoscopic display system;

Fergason, Pat. No. 6147805 of Nov 14, 2000 Head mounted display and viewing system using a remote retro-reflector and method of displaying and viewing an image.

Однако система виртуальной реальности представляет собой сложный и дорогостоящий набор аппаратно-программных средств, который включает в себя датчики угловых положений и координат головы наблюдателя. По поступающей от этих датчиков информации определяется тот фрагмент общей картины, который должен видеть наблюдатель при заданном положении головы. Весьма существенным недостатком такой системы является то обстоятельство, что для каждого наблюдателя должен быть обеспечен свой собственный полный комплект аппаратных средств. Предлагаемое изобретение устраняет этот недостаток.

Сущность изобретения

Сущность изобретения состоит в том, что наблюдателю предоставляется возможность видеть неподвижные точечные источники с модулируемой яркостью, которые кажутся ему подвижными. В зависимости от условий применения это может осуществляться различными способами. Однако у всех этих способов имеется одна отличительная особенность, связанная с тем, что у наблюдателя создается впечатление, что неподвижные источники движутся. Это осуществляется либо с помощью перемещения зеркала, в которое наблюдатель смотрит на неподвижные источники, либо путем перемещения самого наблюдателя относительно неподвижных источников. Перемещение зеркала может осуществляться путем его вращения. При этом изображение неподвижного источника, которое видит наблюдатель в зеркале, перемещается по окружности, плоскость которой перпендикулярна оси вращения зеркала. Центр этой окружности находится на оси вращения зеркала, а сама окружность проходит через упомянутый источник света. Эта окружность, с изменяющейся яркостью вдоль своей длины в результате модуляции яркости источников света, является фрагментом полного изображения, которое формируется множеством таких окружностей, каждая из которых формируется отдельным точечньм источником света. Перемещение зеркала может также осуществляться путем поступательного движения. В этом случае в качестве зеркала могут использоваться окна различных транспортных средств, которые частично отражают падающий на них свет. Особенно хорошо этот эффект проявляется в темное время суток. Если вектор скорости движения зеркала не параллелен его плоскости, то изображение неподвижного источника в зеркале неподвижному наблюдателю кажется движущимся. Это условие всегда выполняется, если зеркало имеет некоторую кривизну

Неподвижные источники могут перемещаться относительно глаз наблюдателя и без использования зеркал. Для этого наблюдатель помещается в движущееся относительно неподвижных источников транспортное средство. При перемещении наблюдателя, например, при поездке в вагоне метро, для наблюдателя создается впечатление, что он неподвижен, а относительно него перемещаются неподвижные источники, находящиеся вне транспортного средства.

Сущность устройств для реализации такого способа состоит в том, что неподвижные источники с модулируемой яркостью размещены вдоль прямой линии, на одинаковом расстоянии друг от друга. В качестве таких источников используются светодиоды или полупроводниковые лазеры.

Перемещение изображения источников относительно наблюдателя осуществляется вращающимся зеркалом, которое крепится непосредственно перед глазами наблюдателя и представляет собой зеркальную поверхность размером в несколько сантиметров. Это в десятки раз меньше известных устройств, используемых для перемещения светодиодов. Для многих наблюдателей используется только один комплект модулируемых по яркости источников света.

Для наблюдателя, перемещающегося в транспортном средстве, такого зеркала вообще не требуется. Не требуется зеркала также для неподвижного зрителя, наблюдающего отражение неподвижных источников в окнах движущегося транспортного средства.

Перечень чертежей

На Фиг.1 показано перемещение изображения точечного источника при вращении зеркала.

Фиг.2 иллюстрирует ограничение изображения по горизонтали из-за конечных размеров зеркала.

Фиг.3 иллюстрирует получение стереоизображения.

Фиг.4 иллюстрирует получение 3-мерного изображения при наблюдении одним глазом.

На Фиг.5 показано предлагаемое устройство, размещенное в комнате.

На Фиг.6 показано размещение вертикальной колонны светодиодов относительно движущегося транспортного средства.

Фиг.7 иллюстрирует получение изображения неподвижных источников в окне движущегося транспортного средства

Фиг.8 иллюстрирует получение изображения в неподвижном зеркале при движении мимо него транспортного средства с установленными на нем модулируемыми точечными источниками.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения

Для лучшего понимания предлагаемого способа целесообразно сначала рассмотреть движение изображения неподвижного источника при использовании вращающегося зеркала. Этот же подход может быть применен и для других характеров движения зеркала. Построим изображение светящейся точки при различных угловых положениях вращающегося зеркала. Имея в виду, что изображение источника в зеркале расположено в точке, симметричной источнику относительно плоскости зеркала, получим, что изображение источника 2 при положении зеркала 1, показанном в качестве иллюстрации на Фиг.1, окажется в точке 4. При вращении зеркала 1 изображение источника 2 описывает окружность 3 (Фиг.1) с центром О на оси вращающегося зеркала 1. Радиус этой окружности равен расстоянию от оси вращающегося зеркала 1 до источника 2. Однако наблюдатель, расположенный в некоторой точке 5 (Фиг.1), может не увидеть всю окружность по нескольким причинам.

Во-первых, угол обзора ограничен строением глаз человека, который, не поворачивая головы, может видеть в секторе около 90 градусов.

Во-вторых, угол обзора изображения ограничен размерами зеркала и расстоянием от оси вращения зеркала до наблюдателя. Для того чтобы изображение источника было видно наблюдателю, необходимо, чтобы прямая линия, соединяющая изображение источника в точке 4 с точкой 5, где находится наблюдатель, пересекала зеркало 1. На Фиг.2 показан в качестве примера для конкретного положения наблюдателя и размера зеркала фрагмент окружности между точками 6 и 7, по которому перемещается изображение источника. Только этот фрагмент виден наблюдателю, расположенному в точке 5. Чем ближе наблюдатель расположен к вращающемуся зеркалу и чем больше горизонтальный размер 2R вращающегося зеркала, тем больший фрагмент окружности может видеть наблюдатель.

На фиг.1 и 2 показана лишь одна окружность, создаваемая одним источником. В том случае, если источники расположены на прямой, параллельной оси вращения, то изображение каждого источника при вращении зеркала будет описывать идентичную окружность, расположенную в плоскости, параллельной плоскости рассмотренной окружности. Набор таких окружностей формирует изображение, подобно тому, как набор прямых линий в виде строк формирует изображение на экране телевизора.

Для того чтобы обеспечить максимальный угол обзора изображения, предлагается ось вращающегося зеркала закреплять на платформе, жестко связанной с головой наблюдателя, например на шлеме или очках наблюдателя. В этом случае при повороте головы будет виден другой фрагмент круговой панорамы. У наблюдателя создается впечатление, что он со всех сторон окружен виртуальным миром. Правда этот мир виден, как в зеркале. Перейти от зеркального изображения к обычному можно многими способами. Например, можно формировать зеркальное изображение путем соответствующей модуляции источников света. В этом случае видимое наблюдателем зеркальное изображение зеркальной картины являются обычным, так как двукратное зеркальное отображение некоторой картины приводит к первоначальной картине. При другом способе можно заставить наблюдателя смотреть на зеркальную картину через еще одно неподвижное зеркало большего размера.

Вышесказанное справедливо только в том случае, если начало показа очередного кадра изображения синхронизировано с определенным положением зеркала относительно головы наблюдателя. Из этого следует, что частота кадров и частота вращения зеркала должны совпадать. Наиболее просто такая синхронизация может быть обеспечена путем выдачи сигнала, соответствующего началу кадра, для начала модуляции источников света. Это может быть радиосигнал или оптический инфракрасный сигнал, выдаваемый из любой точки помещения. При приеме этого сигнала управляющая вращением зеркала 3 система должна обеспечивать, чтобы зеркало находилось в некотором определенном положении относительно головы наблюдателя (например, плоскость зеркала была перпендикулярна линии, проходящей через зрачки наблюдателя).

До настоящего времени речь шла об одном наблюдателе. Однако все вышесказанное справедливо для любого другого наблюдателя. Таким образом, в виртуальный мир может быть одновременно погружено сколь угодно много наблюдателей, каждый из которых имеет перед своими глазами вращающееся зеркало. Однако так же, как и в реальном мире, иногда наблюдатели могут мешать друг другу, закрывая собой некоторые фрагменты виртуальной картины.

Предлагаемый способ позволяет достаточно просто получить объемное изображение. Как известно, следующие 2 группы факторов формируют объемное изображение в мозгу человека:

первичные (врожденные), основанные на использовании бинокулярного зрения;

вторичные (эмпирические), позволяющие оценивать глубину наблюдаемого объекта по косвенным признакам, доступным при монокулярном зрении (при этом, как правило, подсознательно используется накопленный человеком опыт ориентации в пространстве).

В предлагаемом способе могут быть использованы оба фактора как по-отдельности, так и совместно. При использовании первого фактора достаточно добавить второй комплект модулируемых источников света и поместить около второго глаза наблюдателя второе вращающееся зеркало. Схема получения объемного изображения показана на Фиг.3. Здесь источники 8 формируют изображение для левого глаза 9, источники 10 - для правого глаза 11. Непрозрачная перегородка 12 предотвращает попадание лучей от источников 8 в правый глаз и лучей от источников 10 - в левый глаз. Вращающиеся зеркала 13 и 14 обеспечивают перемещение изображений источников 8 и 10 по фрагментам окружностей.

При использовании второй группы факторов модулируемые источники света 15 и 16 располагают на разных расстояниях от оси вращения зеркала, как показано на Фиг.4. Наблюдатель видит 2 фрагмента круговой панорамы, находящихся на разных расстояниях от него. Например, ближний фрагмент представляет передний план, а более удаленный - задний. Разумеется, этот прием может быть обобщен на большее количество фрагментов. При этом модулируемые источники света могут быть размещены в произвольных точках пространства на разных расстояниях от оси вращения.

В том случае если по конструктивным соображениям оказывается удобным использовать зеркала, совершающие вращательные колебания вокруг осей вращения, то такие зеркала могут быть использованы вместо непрерывно вращающихся вокруг своих осей зеркал. Однако при модуляции яркости источников света следует учитывать, что угловая скорость зеркала при колебании изменяется во времени.

С целью уменьшения угловой скорости вращения зеркал, увеличения яркости изображения и более полного использования пропускной способности каналов связи между модулируемыми источниками и управляющим этой модуляцией устройством, вместо обычного зеркала может быть использовано плоское зеркало с двусторонней зеркальной поверхностью. В этом случае за один оборот зеркала изображение формируется 2 раза, и яркость изображения увеличивается вдвое. Если обычное зеркало заменить на правильную N-угольную призму с зеркальными боковыми гранями, то яркость изображения увеличивается в N раз. Правда, при этом изображение источников описывает дуги, равные 720/N градусов. Для правильной призмы с N=6 эта дуга равна 120 градусов, что превосходит угол зрения человека.

В качестве модулируемых точечных источников света в настоящее время целесообразно использовать светодиоды (LED), имеющие диаграмму направленности в горизонтальной плоскости 60-90 градусов. В настоящее время выпускаются LED с минимальным поперечным размером 1,3 мм. Линейка из 1000 таких LED имеет длину 1.3 м. В этом случае формируется изображение 1.3 м высотой с разрешением 1000 пикселов по вертикали. Размеры изображения и разрешение по горизонтали могут быть в несколько раз больше. Если линейка LED размещена в углу прямоугольного помещения, то наблюдатель может наблюдать изображение из любой точки помещения. Следует подчеркнуть, что в случае, когда наблюдатель находится в противоположной от LED стороне помещения, горизонтальный размер изображения в 2 раза превосходит длину помещения. В качестве иллюстрации на Фиг.5 показано предлагаемое устройство в виде линейки модулируемых источников света и размещение этого устройства в комнате с мебелью. Находящийся в комнате наблюдатель будет видеть полное изображение из любого места, откуда он полностью видит линейку 15 модулируемых источников света. При этом, чем дальше наблюдатель находится от этой линейки, тем более крупное изображение он видит.

При использовании в качестве модулируемых источников света полупроводниковых лазеров с острой диаграммной направленностью яркость (например, как в лазерной указке) изображения может быть значительно увеличена. Однако при этом вращающееся зеркало должно находиться в том месте, куда направлено излучение от каждого лазера. Такое использование целесообразно в применениях, где изображение наблюдается одним наблюдателем и его местоположение фиксировано. Это же устройство может быть использовано для получения изображения на плоском белом экране, поставленном поперек лучей, отраженных от вращающегося зеркала. В этом случае изображение могут наблюдать одновременно много зрителей.

На Фиг.6 показано размещение неподвижной линейки модулируемых источников света 16 около движущегося транспортного средства. Когда пассажир 17 проезжает в транспортном средстве мимо такой линейки, он может видеть в окне вместо линейки некоторую светящуюся картину, высота которой равна высоте линейки, а максимальная длина определяется углом зрения глаз пассажира. Таким образом, в этом случае устройство представляет собой просто вертикальную неподвижную относительно земли линейку модулируемых источников света. Расстояние, на котором рекомендуется устанавливать такую линейку от транспортного средства, зависит от его скорости. Это расстояние выбирается таким образом, чтобы пассажир мог видеть формируемое изображение в течение долей секунды. Никакой синхронизации начала показа картины с положением транспортного средства в этом случае не требуется. Закончив показ картины, устройство сразу же начинает показ той же или другой картины. Скорость формирования изображения такова, что у пассажира есть возможность увидеть по крайней мере одну картину целиком.

На фиг.7 показано размещение неподвижной линейки модулируемых источников света 16 около движущегося транспортного средства. В этом случае в качестве наблюдателя выступает не пассажир, а пешеход 18. Он может видеть в окне движущегося транспортного средства картину, формируемую неподвижной линейкой модулируемых источников света 16.

На фиг.8 показано размещение линейки модулируемых источников света 16 на движущемся транспортном средстве. В этом случае в качестве наблюдателя выступает и пешеход 18, и пассажир 17, относительно которого линейка неподвижна. Пассажир может видеть картину в зеркале 19, мимо которого проезжает транспортное средство. Пешеход также может видеть картину в зеркале 19. Кроме того, он может видеть картину, непосредственно смотря на движущиеся вместе с транспортным средством модулируемые источники света 16.

На основе предлагаемого способа могут быть получены и цветные изображения. При этом используется стандартный прием, при котором одновременно формируются и совмещаются в пространстве красное, синие и зеленое изображения. Для этого вместо одной линейки модулируемых источников света используется 3 линейки соответственно красных, синих и зеленых модулируемых источников света.

Способ формирования изображений путем размещения в пространстве неподвижных точечных источников света и модуляции их яркости состоит в том, что дополнительно помещают зеркало, в котором наблюдатель видит изображение источников. Зеркало вращают с угловой скоростью 20-200 об/с, при этом изображение каждого источника в зеркале перемещается по дуге окружности, яркость участка которой определяется яркостью в этот момент соответствующего источника. Источники модулируют таким образом, чтобы совокупность дуг окружностей с переменной яркостью соответствовала требуемому изображению. Угол поворота зеркала синхронизируют таким образом, чтобы в момент начала очередного нового кадра угол между плоскостью зеркала и линией, соединяющей зрачки наблюдателя, был одним и тем же во время всего сеанса показа изображения. Зеркало размещают на платформе, жестко связанной с головой наблюдателя на расстоянии 1-10 см от глаза наблюдателя. Угловую скорость зеркала изменяют во времени таким образом, что оно совершает вращательно-колебательное движение. Для создания объемного изображения дополнительно вводят второе зеркало, при этом два зеркала размещают на платформе, жестко связанной с головой наблюдателя, таким образом, что одно зеркало находится на расстоянии s=1-10 см от одного глаза наблюдателя, а другое - на расстоянии s от другого глаза. Угловую скорость зеркал изменяют во времени таким образом, что они совершают вращательно-колебательные движения. В качестве зеркала используют плоскую пластину с зеркальными поверхностями на обеих сторонах пластины или правильную N-угольную призму с зеркальными боковыми гранями, вращающуюся вокруг оси симметрии. В качестве модулируемых источников света используются светодиоды с диаграммой направленности в горизонтальной плоскости 60-120 градусов или полупроводниковые лазеры с острой диаграммой направленности, ориентированные таким образом, чтобы луч света от них попадал на зеркало. Технический результат - упрощение конструкции 2 н. и 9 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. Способ формирования изображений путем размещения в пространстве неподвижных точечных источников света и модуляции их яркости, отличающийся тем, что

дополнительно помещают зеркало, в котором наблюдатель видит изображение источников;

зеркало вращают с угловой скоростью 20-200 об/с, при этом изображение каждого источника в зеркале перемещается по дуге окружности, яркость участка которой определяется яркостью в этот момент соответствующего источника;

источники модулируют таким образом, чтобы совокупность дуг окружностей с переменной яркостью соответствовала требуемому изображению;

угол поворота зеркала синхронизируют таким образом, чтобы в момент начала очередного нового кадра угол между плоскостью зеркала и линией, соединяющей зрачки наблюдателя, был одним и тем же во время всего сеанса показа изображения.