СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ СТЕРЕОСКОПИЧЕСКИХ ВИДЕОИЗОБРАЖЕНИЙ Российский патент 2009 года по МПК H04N13/04 G02B27/26 

Изобретение относится к способам и устройствам получения стереоскопических телевизионных и видеоизображений (далее - стереоскопических изображений) и может быть использовано в науке, образовании, медицине, производстве, включая микроскопию, эндоскопию, телемедицину, подводное телевидение, где требуется получение в реальном времени качественных цветных объемных изображений объектов.

В стереоскопических системах объемность наблюдаемого изображения достигается благодаря предъявлению зрителю двух плоских изображений (стереопары), соответствующих левому и правому ракурсам наблюдения трехмерной сцены, при котором каждый глаз зрителя видит только изображение соответствующего ракурса. Стереопару получают с помощью двух видеокамер, оптические оси объективов которых либо параллельны друг другу, либо сходятся в центре исследуемой сцены.

Схема со сходящимися осями имеет ряд преимуществ, однако в известных устройствах получения стереоскопических изображений, предъявляющих изображения обоих ракурсов в общей плоскости наблюдения, при воспроизведении стереопары, полученной по такой схеме, возникает искажение стереоскопического изображения, называемое искривлением плоскости экрана [Валюс Н.А. Стереоскопия. М.: Изд-во Акад. Наук СССР, 1962. 379 с., Woods A., Docherty Т., Koch R. Image Distortions in Stereoscopic Video Systems // SPIE Proc., Stereoscopic Displays and Applications IV. 1993. V.1915. P.36-48.]. При таком искажении объекты, находящиеся в центре экрана, кажутся находящимися ближе к наблюдателю, чем объекты по краям экрана [Woods A., Docherty Т., Koch R. Image Distortions in Stereoscopic Video Systems // SPIE Proc., Stereoscopic Displays and Applications IV. 1993. V.1915. P.36-48.]. При этом плоский экран устройства кажется выгнутым и то же самое происходит с другими плоскостями на всем протяжении воспроизводимого пространства. В результате зритель получает неверное впечатление о пространственном расположении объектов в наблюдаемой сцене и может принять ошибочное решение.

Известен способ воспроизведения стереоскопических изображений, в котором видеосигнал, содержащий стереопары изображений, обрабатывают с помощью специального устройства и выводят на экран дисплея фрагменты изображений для левого и правого глаз (далее - левого и правого изображений), так что эти фрагменты чередуются друг с другом на экране. Обеспечивают ортогональные линейные поляризации световых потоков, идущих от левого и правого изображений, помещая перед экраном матрицу микрополяризаторов, и наблюдают изображение на экране через очки с анализаторами. (Патент на изобретение US №6593959, МПК: H04N 15/00).

Известно устройство для осуществления данного способа, содержащее жидкокристаллический дисплей, матрицу из микрополяризаторов, помещаемую перед экраном дисплея, устройство для обработки видеосигнала, очки с анализаторами. Матрица микрополяризаторов состоит из чередующихся областей с первым и со вторым направлениями линейной поляризации. Устройство обработки видеосигнала обеспечивает вывод на экран фрагментов изображений для левого и правого глаз, при котором фрагменты левого изображения отображаются напротив микрополяризаторов с первым направлением поляризации, а фрагменты правого изображения - напротив микрополяризаторов со вторым направлением поляризации. (Патент на изобретение US №6593959, МПК: H04N 15/00).

Данные способ и устройство характеризуются недостаточным качеством воспроизводимого стереоскопического изображения, обусловленным двукратным снижением разрешения, а также искривлением плоскостей в стереоскопическом изображении при воспроизведении стереопар, полученных съемкой со сходящимися оптическими осями объективов камер.

Известен способ воспроизведения стереоскопических изображений, при котором левое и правое изображения поочередно выводят на экран дисплея, перед экраном располагают жидкокристаллический модулятор, переключают модулятор между первым и вторым состояниями поляризации синхронно с выводом левого и правого изображений, наблюдают изображение на экране через очки с анализаторами. (Патент на изобретение US №6975345, МПК: H04N 13/04).

Известно также устройство для осуществления данного способа, содержащее дисплей с электронно-лучевой трубкой, жидкокристаллический модулятор с возможностью переключения между первым и вторым состояниями поляризации, устройство управления модулятором с возможностью синхронизации переключения модулятора с воспроизведением левого и правого изображений. (Патент на изобретение US №6975345, МПК: H04N 13/04).

Данные способ и устройство позволяют получать стереоскопическое изображение без снижения разрешения, однако предъявляют повышенные требования к дисплею, который должен отображать кадры с удвоенной частотой. Кроме того, при воспроизведении стереопар, полученных съемкой со сходящимися осями, получаемое стереоскопическое изображение характеризуется недостаточным качеством, обусловленным искривлением плоскостей в воспроизводимом пространстве.

Наиболее близким к заявляемому способу является способ получения стереоскопических изображений, в котором с помощью двух видеокамер получают изображения левого и правого ракурсов объемной сцены, воспроизводят полученные изображения на двух экранах, установленных под углом 90° друг к другу и оптически связанных между собой с помощью полупрозрачного зеркала, которое располагают под углом 45° к каждому из экранов. Перед каждым из экранов помещают поляризатор и наблюдают левое и правое изображения в плоскости одного из экранов через очки с анализаторами. (Патент на изобретение US №2845618, НКИ: 340-369).

Наиболее близким к заявляемому устройству является устройство для получения стереоскопических изображений, содержащее две видеокамеры для получения изображений левого и правого ракурсов объемной сцены, устройство для преобразования получаемых изображений в телевизионный сигнал, передающее устройство, приемное устройство, два дисплея с электронно-лучевыми трубками, два поляризатора, полупрозрачное зеркало для совмещения изображений экранов дисплеев в общей плоскости наблюдения и очки с анализаторами для раздельного бинокулярного наблюдения совмещенных изображений. Дисплеи располагают симметрично относительно полупрозрачного зеркала под углом 90° друг к другу. (Патент на изобретение US №2845618, НКИ: 340-369).

Данные способ и устройство позволяют наблюдать изображение без снижения разрешения и не предъявляют к дисплеям повышенных требований, связанных с необходимостью работы с удвоенной кадровой частотой. Однако при ориентации видеокамер по схеме со сходящимися осями наблюдаемое стереоскопическое изображение характеризуется недостаточным качеством, обусловленным искривлением плоскостей в воспроизводимом трехмерном пространстве.

Задачей заявляемого изобретения является разработка способа и устройства для получения стереоскопического изображения, позволяющих воспроизводить стереопары от видеокамер со сходящимися оптическими осями без эффекта искривления плоскости экрана.

Технический результат заявляемого изобретения заключается в повышении качества стереоскопического изображения, получаемого в стереоскопических теле- и видеосистемах, использующих съемку со сходящимися оптическими осями объективов видеокамер.

Поставленная задача достигается тем, что при воспроизведении стереоскопического изображения от видеокамер со сходящимися оптическими осями, изображение с которых воспроизводят на двух экранах, установленных в вертикальных плоскостях под углом друг к другу и оптически связанных между собой с помощью светоделительной пластины, при этом экраны располагают с обеспечением симметрии их центральных частей относительно светоделительной пластины, согласно предлагаемому решению определяют угол расположения экранов, для чего размещают плоскую прямоугольную решетку в плоскости конвергенции видеокамер, воспроизводят левое и правое изображения решетки на соответствующих экранах, снимают изображение решетки с каждого экрана и после совмещения изображений по центру находят, по крайней мере, две пары сопряженных точек левого и правого изображений решетки, определяют среднюю точку для каждой пары, по найденным средним точкам с учетом положения оптических центров глаз зрителя определяют расчетные положения экранов для левого и правого глаз, определяют угол α между ними, при этом один из экранов устанавливают в одном из расчетных положений, а угол β расположения второго экрана определяют из соотношения

β=2ϕ±α,

где ϕ - угол между экраном, установленным в расчетном положении, и светоделительной пластиной, выбираемый из интервала значений от 0 до 90°.

Сопряженные точки левого и правого изображений решетки определяют по пересечению вертикальных линий изображений левого и правого ракурсов решетки с горизонтальной линией, проходящей через центр решетки. Расчетные положения экранов с изображениями для левого и правого глаз находят по пересечению прямых, проходящих через оптический центр левого или правого глаз зрителя и средние точки, с концентрическими полуокружностями, имеющими центры, совпадающие с центром решетки, и проходящими через точки левого или правого изображения решетки. При этом оптические центры глаз зрителя равноудалены от центра совмещенного изображения решетки.

Под сопряженными точками понимают точки в двух изображениях одного и того же объекта, являющиеся изображениями одной и той же точки этого объекта. При этом имеются в виду изображения объекта, полученные с точек зрения, соответствующих ракурсам наблюдения объекта левым и правым глазами (стереопара) [Валюс Н.А. Стереоскопия. М.: Изд-во Акад. Наук СССР, 1962. 379 с.].

В известных стереоскопических видеосистемах изображения для обоих глаз предъявляются зрителю в одной общей плоскости, что соответствует только геометрии съемки с параллельными осями видеокамер, где сенсоры видеокамер также находятся в одной плоскости. При съемке со сходящимися осями сенсоры видеокамер находятся в разных плоскостях и при воспроизведении изображений от обеих видеокамер в одной плоскости наблюдаемое стереоскопическое изображение оказывается искривленным. В заявляемом способе предлагается воспроизводить изображения от видеокамер со сходящимися осями в разных плоскостях, что соответствовало бы геометрии съемки со сходящимися осями. При определенном значении угла α между этими плоскостями, определяемом согласно предложенному способу, качество получаемого стереоскопического изображения возрастает, а именно устраняется искривление плоскостей в стереоскопическом изображении.

В заявляемом техническом решении предложены способ и устройство, позволяющие наблюдать стереопару, получаемую съемкой со сходящимися осями, как стереоскопическое изображение с неискаженным воспроизведением плоскостей.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 представлена диаграмма получения совмещенного изображения решетки в заявляемом способе, на фиг.2 показана схема определения расчетных положений экранов в заявляемом способе; на фиг.3 представлен вариант исполнения устройства, осуществляющего заявляемый способ; на фиг.4, 5 и 6 продемонстрировано устранение искривления в изображении тестовой прямоугольной решетки с помощью заявляемого способа.

Позициями на чертежах обозначены: 1 - тестовая плоская решетка, 2 - плоскость конвергенции видеокамер, 3, 4 - видеокамеры, 5, 6 - изображения левого и правого ракурсов плоской решетки, 7, 8 - экраны дисплеев, 9 - средняя точка для пары сопряженных точек левого и правого изображений решетки, 10, 11 - сопряженные точки изображений левого и правого ракурсов решетки, 12, 13 - оптические центры глаз зрителя, 14, 15 - расчетные положения экранов с левым и правым изображениями соответственно, 16 - горизонтальная линия, проходящая через центр решетки, 17, 18 - поляризаторы, 19 - очки с анализаторами, 20 - светоделительная пластина, 21 - исследуемый объемный объект, 22 - зритель, 23 - изображение экрана 7, наблюдаемое зрителем в отраженном от светоделительной пластины свете, 24 - наблюдаемое стереоскопическое изображение.

Согласно предлагаемому способу воспроизведения изображения от видеокамер со сходящимися оптическими осями сначала определяют угол расположения экранов с изображениями для левого и правого глаз. Для этого (фиг.1) плоскую решетку 1 помещают в плоскость конвергенции 2 видеокамер 3 и 4, расположенных по схеме со сходящимися оптическими осями. На экран 7 выводят изображение 5 левого ракурса решетки, получаемое от видеокамеры 3, а на экран 8 - изображение 6 правого ракурса решетки, получаемое от видеокамеры 4. Полученные изображения решетки 5 и 6 снимают с экранов и совмещают по центру. Находят, по крайней мере, две пары сопряженных точек, например пару сопряженных точек 10 и 11 и любую другую пару. Для каждой пары определяют среднюю точку, например среднюю точку 9 для пары сопряженных точек 10 и 11.

По найденным средним точкам с учетом положений оптических центров глаз зрителя 12 и 13 (фиг.2) определяют расчетное положение 14 экрана с изображением, предназначенным для левого глаза. Аналогично определяют расчетное положение 15 экрана с изображением, предназначенным для правого глаза. Измеряют угол α между найденными расчетными положениями экранов 14 и 15. Далее устанавливают один из экранов (первый экран) в расчетное положение, устанавливают светоделительную пластину под углом ϕ к первому экрану, располагают центр второго экрана симметрично относительно пластины с центром первого экрана, устанавливают второй экран - под углом β к первому экрану, причем угол β определяют из соотношения

β=2ϕ±α (1)

Угол ϕ выбирают из интервала значений от 0 до 90°, в предпочтительном варианте реализации изобретения - близким к значению 45°.

При этом сопряженные точки левого и правого изображений решетки, например точки 10 и 11, определяют по пересечению вертикальных линий изображений левого и правого ракурсов решетки с горизонтальной линией 16, проходящей через центр решетки.

Расчетное положение 14 экрана с изображением для левого глаза (фиг.2) находят по пересечению прямых, проходящих через оптический центр 12 левого глаза зрителя и найденные средние точки, например точку 9, с концентрическими полуокружностями, имеющими центры, совпадающие с центром решетки, и проходящими через точки левого изображения 5 решетки, например точку 10. Аналогично расчетное положение 15 экрана с изображением для правого глаза находят по пересечению прямых, проходящих через оптический центр 13 правого глаза зрителя и найденные средние точки, например точку 9, с концентрическими полуокружностями, имеющими центры, совпадающие с центром решетки, и проходящими через точки правого изображения 6 решетки, например точку 11. При этом оптические центры глаз зрителя равноудалены от центра совмещенного изображения решетки.

Устройство (фиг.3) для осуществления заявляемого способа содержит видеокамеры 3 и 4, расположенные так, что оптические оси их объективов сходятся в одной точке, экраны 7 и 8 с установленными перед ними поляризаторами 17 и 18, очки с анализаторами 19, светоделительную пластину 20, через которую оптически связаны экраны с возможностью получения полезных прошедшего и отраженного световых потоков, при этом экраны расположены в вертикальных плоскостях под углом β друг к другу с обеспечением симметрии их центральных частей относительно светоделительной пластины.

При этом светоделительная пластина расположена по отношению к экрану 8, предназначенному для получения полезного прошедшего светового потока, под углом ϕ, выбранным из интервала значений от 0 до 90°, а угол расположения экранов β определен из соотношения (1).

Поляризаторы 17 и 18 ориентированы с возможностью поляризации светового потока в ортогональных направлениях, и соответствующим образом ориентированы анализаторы в очках 19. В качестве светоделительной пластины 20 используется полупрозрачное зеркало, например, с многослойным диэлектрическим покрытием.

Устройство (фиг.3) работает следующим образом. Изображение левого ракурса исследуемого объемного объекта 21 получают с помощью видеокамеры 3 и воспроизводят на экране 7. Изображение правого ракурса объекта 21 получают с помощью видеокамеры 4 и воспроизводят на экране 8. Зритель 22 наблюдает через очки 19 экран 8 в прошедшем через пластину 20 свете и изображение 23 экрана 7 в отраженном от пластины 20 свете. При этом из-за наличия поляризаторов 17, 18 левый глаз зрителя видит только изображение экрана 23, а правый глаз - только экран 8, в результате чего зритель воспринимает представляемый объект объемным, то есть видит стереоскопическое изображение объекта. Так как угол β был выбран в соответствии с соотношением (1), зритель видит экран 8 и изображение экрана 23 расположенными в разных плоскостях, пересекающихся под требуемым углом α. Вследствие этого в плоских изображениях, видимых каждым из глаз зрителя, происходит компенсация геометрических искажений, возникших при съемке из-за непараллельности сенсоров видеокамер, и в результате зритель наблюдает стереоскопическое изображение объекта без искривления плоскостей.

На фиг.4-6 продемонстрировано устранение искривления в изображении тестовой прямоугольной решетки, находящейся в плоскости конвергенции видеокамер со сходящимися осями, с помощью заявляемого способа. На линии 16 фиг.4 показаны положения сопряженных точек левого и правого изображений решетки, соответствующие стереопаре решетки, полученной с помощью двух видеокамер со сходящимися осями с базисом съемки 8 см и дистанцией конвергенции 30 см, причем решетка состоит из квадратов со стороной 4 см.

На фиг.4 показано, что при представлении левого и правого изображений исследуемой решетки в общей плоскости, что соответствует известным стереоскопическим видеосистемам, ее стереоскопическое изображение искривлено. На фиг.5 продемонстрировано определение расчетных положений экранов с левым и правым изображениями решетки согласно заявляемому способу. На фиг.6 продемонстрировано устранение искривления стереоскопического изображения решетки, происходящее после помещения каждого из экранов в соответствующее расчетное положение, определенное согласно заявляемому способу.

На фиг.4 положения точек наблюдаемого стереоскопического изображения 24 найдены по пересечению зрительных линий, проведенных между оптическими центрами глаз зрителя и соответствующими точками левого и правого изображений. Стереоскопическое изображение 24 (фиг.4), полученное известным способом представления стереопары в одной плоскости, искривлено и не соответствует форме реального объекта.

На фиг.5 показано нахождение расчетного положения 14 для экрана с левым изображением и расчетного положения 15 для экрана с правым изображением в соответствии с заявляемым способом.

На фиг.6 изображение 23 экрана с левым изображением и экран 8 с правым изображением помещены в найденные расчетные положения 14 и 15 и построено стереоскопическое изображение решетки 24, причем изображение 24 построено по тем же правилам, что и на фиг.4. Заметно, что теперь искривление изображения решетки устранено, и форма наблюдаемого изображения соответствует форме реального объекта. Таким образом, тестовая стереопара, наблюдаемая в известных стереоскопических видеосистемах как стереоскопическое изображение с искривлением плоскости экрана, может быть воспроизведена без искривления с помощью предложенного изобретения.

Изобретение относится к способам и устройствам получения стереоскопических телевизионных и видеоизображений и может быть использовано в науке, образовании, медицине, производстве, включая микроскопию, эндоскопию, телемедицину, подводное телевидение. Технический результат заключается в повышении качества стереоскопического изображения, получаемого в стереоскопических теле- и видеосистемах, использующих съемку со сходящимися оптическими осями объективов видеокамер. Устройство для получения стереоскопических видеоизображений содержит видеокамеры со сходящимися оптическими осями, экраны с установленными перед ними поляризаторами, очки с анализаторами, светоделительную пластину, через которую оптически связаны экраны с возможностью получения полезных прошедшего и отраженного световых потоков, при этом экраны расположены в вертикальных плоскостях под углом друг к другу с обеспечением симметрии их центральных частей относительно светоделительной пластины, причем светоделительная пластина расположена по отношению к экрану, предназначенному для получения полезного прошедшего светового потока, под углом ϕ, выбранным из интервала значений от 0 до 90°, а угол расположения экранов β определяют из соотношения β=2ϕ±α, где ϕ - угол между расчетными положениями экранов с левым и правым изображениями соответственно. 2 н. и 4 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Способ получения стереоскопических видеоизображений от двух видеокамер со сходящимися оптическими осями, изображение с которых воспроизводят на двух экранах, установленных в вертикальных плоскостях под углом друг к другу и оптически связанных между собой с помощью светоделительной пластины, при этом экраны располагают с обеспечением симметрии их центральных частей относительно светоделительной пластины, отличающийся тем, что определяют угол расположения экранов, для этого размещают плоскую прямоугольную решетку в плоскости конвергенции видеокамер, воспроизводят левое и правое изображения решетки на соответствующих экранах, снимают изображение решетки с каждого экрана и после совмещения изображений по центру находят, по крайней мере, две пары сопряженных точек левого и правого изображений решетки, определяют среднюю точку для каждой пары, по найденным средним точкам с учетом положения оптических центров глаз зрителя определяют расчетные положения экранов для левого и правого глаза, определяют угол α между ними, при этом один из экранов устанавливают в одном из расчетных положений, а угол β расположения второго экрана, определяют из соотношения

β=2ϕ±α,

где ϕ - угол между экраном, установленным в расчетном положении, и светоделительной пластиной, выбираемый из интервала значений от 0 до 90°.

β=2ϕ±α,

где ϕ - угол между расчетными положениями экранов с левым и правым изображениями соответственно.