УСТРОЙСТВО ДЛЯ ФОРМИРОВАНИЯ НА ЭКРАНЕ ИЗОБРАЖЕНИЙ Российский патент 2010 года по МПК G03B21/12 G03B21/26 

Область техники

Настоящее изобретение связано с формированием изображений на экранах с помощью проекторов и может быть использовано в различных устройствах отображения информации, в частности в кино, в проекционных телевизорах, в различных системах создания виртуальной реальности.

Уровень техники

Наибольшее распространение в настоящее время получили устройства формирования изображений на экране, в которых используются цифровые проекторы, управляемые от различных источников получения изображений, таких как видеокамеры, DVD-проигрыватели, телевизионные приемники, компьютеры и т.п. Основной недостаток всех этих устройств - недостаточная яркость изображений на экране, что приводит к необходимости просматривать изображение в затемненной области помещения. Предлагаемое устройство призвано устранить этот недостаток путем увеличения мощности светового потока, проектируемого на экран.

Сущность изобретения

Сущность изобретения состоит в том, что для формирования изображения на экране используется множество проекторов, каждый из которых проектирует на экран некоторый фрагмент изображения. Информация о проектируемом изображении передается в проекторы из одного или нескольких компьютеров, управляемых главным компьютером. С целью исключить наличие видимых границ между фрагментами, создаваемыми различными проекторами, в устройство введены средства, приспособленные вводить в главный компьютер информацию о получаемом на экране изображении, а главный компьютер приспособлен получать эту информацию, обрабатывать ее и выдавать на компьютеры, управляющие проекторами.

Перечень чертежей

На чертеже показано взаимное расположение в пространстве экрана, проекторов и средств, приспособленных вводить в главный компьютер информацию о получаемом на экране изображении.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения

К сожалению, одновременное проектирование на экран несколькими проекторами различных фрагментов одного и того же изображения не дает положительного результата, так как практически невозможно совместить с требуемой степенью точности проектируемые на экран изображения. Это связано с тем, что проекторы должны быть разнесены в пространстве. В этом случае углы, под которыми экран ориентирован относительно проекторов, различны. При этом прямоугольные изображения отображаются на экране в виде трапеций, которыми невозможно сплошь покрыть экран при условии, что трапеции не имеют на экране общих областей. Цифровые проекторы предоставляют возможность «исказить» в процессе показа каждое из проектируемых изображений таким образом, чтобы в общих областях формировалось полноценное изображение. При этом к точности ориентации проекторов не предъявляются высокие требования, так как наличие и характер общих областей могут быть определены автоматически программными средствами при калибровке системы перед показом. Заметим, что при использовании N проекторов не только увеличивается яркость изображения в N раз, но увеличивается также разрешение, поскольку количество пикселов в результирующем изображении может быть больше, чем в матрице цифровых проекторов. Из условия, что разрешение на всех участках изображения должно быть одинаковым, следует, что все проекторы должны быть расположены приблизительно на одинаковом расстоянии от экрана. Например, если в формировании изображения участвуют 4 проектора, каждый из которых формирует изображение в одном из четырех прямоугольников, полученных при делении экрана пополам горизонтальной и вертикальной линиями, то разрешение возрастает в 2 раза.

Возможна также ситуация, при которой изображение формируется N проекторами, каждый из которых формирует изображение на всем экране. Разрешение результирующего изображения при этом останется таким же, как разрешение изображения, создаваемого одним проектором, однако яркость изображения возрастает в N раз. Возможна также ситуация, при которой используются одновременно эти два крайних случая. Например, в каждом из четырех квадрантов изображения формируются не одним, а тремя проекторами, каждый из которых проектирует изображение на весь квадрант. В этом случае яркость формируемого изображения возрастает в 4 раза, а разрешение (количество пикселов в изображении) возрастает в 3 раза.

В качестве примера рассмотрим работу устройства, когда каждый проектор формирует свой фрагмент изображения на экране. Для определенности будем полагать, что изображение формируется одинаковыми проекторами, имеющими DMD или жидкокристаллические матрицы с w пикселами по горизонтали и h пикселами по вертикали. Расположение проекторов 2 относительно экрана 1 показано на чертеже. Обычно информация о формируемом проектором изображении передается из связанного с проектором компьютера 3. Формируемое на экране изображение с помощью фиксатора 4 с максимально высоким пространственным и спектральным разрешением передается в главный компьютер 5, из которого информация о формируемом изображении может поступать в каждый из компьютеров 3. Главный компьютер 5 и компьютеры 3 образуют компьютерную сеть, которая в дальнейшем будет именоваться вычислительной системой. Высокие требования к фиксатору 4 определяются тем обстоятельством, что качество формируемого на экране изображения не может быть выше качества изображения, фиксируемого фиксатором 4 и передаваемого в главный компьютер 5 для анализа. В качестве фиксатора может использоваться цифровой фотоаппарат с высоким разрешением, профессиональная видеокамера, ПЗС-матрица и т.п.

Перед тем как формировать требуемое изображение, следует произвести калибровку системы проекторов. С этой целью под управлением вычислительной системы поочередно включается каждый пиксел в каждом проекторе 2, и с помощью фиксатора 4 записывается в память главного компьютера 5 получаемое на экране изображение, которое анализируется в главном компьютере и преобразуются в массив из Nwh показаний. Элементами этого массива являются величины X_ij(k) и Y_ij(k) (i=0, 1…w-1; j=0, 1…h-1; k=0, 1…N-1), которые определяют X и Y координаты центра пятна на экране при включении единственного пиксела в i-й строке j-го столбца k-го проектора.

Далее следует убедиться, что проекторы ориентированы в пространстве таким образом, что при одновременном включении всех пикселов во всех проекторах все пикселы формируемого на экране изображения могут иметь достаточную яркость. Пусть требуется сформировать изображение, имеющее W пикселов по горизонтали и H пикселов по вертикали. При этом выполнено условие WH<whN. В противном случае задача заведомо не имеет прямого решения, так как количество требуемых пикселов больше того количества, которое может быть спроектировано на экран всеми проекторами. Для проверки степени равномерности засветки экрана необходимо проверить максимально возможную степень засветки на экране каждого пиксела с номерами p, q, которые определяют соответственно номер строки и номер столбца на экране, в которых расположен пиксел. Координаты этого пиксела на экране определяются выражениями X_pq=X₀+ep, Y_pq=Y₀+eq, где е=L/W - размер стороны пиксела на экране, L - ширина полного изображения на экране. Из показаний X_ij(k) и Y_ij(k) выбираются те показания, которые попадают в квадрат, соответствующий рассматриваемому пикселу. Количество таких показаний зависит от ориентации проекторов. В рассматриваемом частном случае с 4 проекторами при W≈2w и H≈2h в каждый квадрат попадает одно значение. Только в граничные квадраты, которые засвечиваются несколькими проекторами, могут попадать несколько показаний. В случае если каждый из N проекторов засвечивает весь экран, то в каждый квадрат попадает N пикселов. Только на периферии изображения количество пикселов может быть меньше. В результате этого процесса получим HW отображений типа {p,q}->n, {i₁,j₁,k₁}, {i₂,j₂,k₂}, {i₃,j₃,k₃}, … (p=0, 1, … W-1; q=0, 1, … H-1). Целое n<=N определяет количество следующих за ним троек в фигурных скобках и показывает количество пикселов в проекторах, которые могут засвечивать рассматриваемый пиксел на экране. Тройка определяет конкретный пиксел в системе (k - номер проектора, i - номер строки, j - номер столбца в матрице этого проектора). Случай, при котором n=0 для некоторого {p,q}, свидетельствует о том, что некоторый пиксел результирующего изображения не может быть засвечен. В этом случае необходимо скорректировать ориентацию проекторов и повторить калибровку.

В том случае, если каждый проектор формирует полное изображение, то для этого изображения должно выполняться условие W<w и H<h, так как периферийные пикселы не могут засвечиваться всеми проекторами. Если в результате калибровки некоторые пикселы изображения оказались незасвеченными, то необходимо путем выбора параметров X₀, Y₀, L изменить размер изображения, сдвинуть его в центр засвечиваемой области и повторить калибровку. На заключительном этапе следует найти отображение {p,q} с минимальным n и зафиксировать это значение n_min. Это значение определяет кратность увеличения яркости формируемого на экране изображения N проекторами. Таким образом, калибровка заканчивается после получения приведенных выше отображений и проверки необходимых условий для показа произвольных изображений. Калибровка производится один раз при инициализации системы. Ее необходимо повторять только при изменении конфигурации или ориентации проекторов.

Пусть требуется отобразить на экране изображение, заданное в файле типа BMP. Информацию о требуемом изображении представим в памяти главного компьютера в виде матрицы A_pq (p=0, 1…W-1; q=0, 1…H-1). Элементом матрицы A_pq является 24-разрядное целое, определяющее интенсивность красного (разряды 16…23), зеленого (разряды 8…15) и голубого (разряды 0…7) цветов. В том случае, когда изображение формируется с помощью красных, зеленых и голубых пикселов, задача упрощается и сводится к трем одинаковым более простым задачам по формированию красной, зеленой и голубой составляющих общего изображения. При формировании изображения одного цвета элемент матрицы A_pq является 8-разрядным целым. Заметим, что подобный прием формирования цветного изображения путем суперпозиции чистых красного, зеленого и голубого цветов используется во всех системах формирования цветных изображений. Поэтому в дальнейшем рассматривается формирование изображения только одного, например красного, цвета. Задача состоит в том, чтобы получить из этой матрицы N матриц P_ij ^k (i=0, 1, … w-1; j=0, 1, … h-1; k=0, 1, … N-1). После этого каждая из полученных матриц передается в компьютер 3 соответствующего проектора и высвечивается, участвуя, таким образом, в формировании результирующего изображения на экране.

Формирование матриц P_ij ^k (i=0, 1, … w-1; j=0, 1, … h-1; k=0, 1, … N-1) в главном компьютере 5 производится следующим образом. Для каждого элемента матрицы A_pq находится соответствующее отображение {p,q}->n, {i₁,j₁,k₁}, {i₂,j₂,k₂}, {i₃,j₃,k₃}…, в котором указаны номера проекторов и координаты пикселов, которые могут участвовать в формировании рассматриваемого пиксела на экране. При калибровке получено, что максимальная яркость пиксела на экране может быть в n_min раз больше, чем яркость, создаваемая одним включенным пикселом. Эта максимальная яркость соответствует значению элемента матрицы A_pq, равному максимально возможному значению, то есть 255. В этом случае яркость формируемого на экране пиксела определяется выражением b=A_pqn_min/255. Это выражение может быть больше 255. Задача состоит в том, чтобы распределить полученное значение между пикселами проекторов, участвующих в формировании рассматриваемого пиксела на экране. Эта задача имеет много решений. Наиболее простое из них - это назначить яркость первого по порядку пиксела в отображении равной 255 и уменьшить b на 255. Если новое значение b>255, то назначить яркость второго по порядку пиксела в отображении равной 255 и уменьшить b на 255 и т.д. Если на некотором шаге b<=255, то назначить яркости текущего пиксела значение, равное b, и закончить распределения яркости между пикселами различных проекторов. Другое решение - это распределить равномерно яркость между всеми участвующими в заданном отображении пикселами.

После того как будут последовательно обработаны все элементы матрицы A_pq, окажутся заполненными все матрицы P_ij ^k(i=0, 1, … w-1; j=0, 1, … h-1; k=0, 1, … N-1). Матрица P_ij ^k передается в компьютер 3, управляющий k-м проектором (k=0, 1, … N-1), и система готова к показу красного изображения, заданного матрицей A_pq. Аналогичная процедура выполняется для показа зеленого и голубого изображений.

Заметим, что добавление новых проекторов сводится только к изменению параметра N. Это обстоятельство позволяет рассматривать множество проекторов как один распределенный проектор, автоматически настраиваемый на показ общего изображения в зависимости от характеристик и взаимного расположения компонентов такого проектора. Так как проекторы рассматриваются в рамках одного обобщенного проектора, то исчезает понятие границы между отдельными проекторами. Изображение в областях, засвечиваемых несколькими проекторами, формируется этими проекторами совместно.

Разумеется, описанный алгоритм может быть оптимизирован по многим направлениям. Однако и без оптимизации он вполне работоспособен. Например, на этапе калибровки можно засвечивать не по одному, а по несколько пикселов. Как и в традиционных проекторах, перед показом изображений проекторы должны быть настроены. Настройка традиционных проекторов сводится к ориентации проектора в пространстве и фокусировке изображения. Эти же процедуры требуются от человека и в рассматриваемом случае. Дальнейшая настройка всей системы производится в автоматическом режиме один раз перед началом показа.

Следует обратить внимание на следующие привлекательные свойства предлагаемого устройства

Отсутствует необходимость в точной ориентации проекторов.

Для получения необходимой яркости изображения количество проекторов может как увеличиваться, так и уменьшаться.

Исключаются весьма серьезные проблемы традиционных проекторов, связанные с искажениями, вносимыми оптикой, такие как астигматизм, кома, сферическая и хроматическая аберрации, бочкообразная и подушкообразная дисторсия и т.п.

Устраняются эффекты, связанные со старением оборудования, так как при настройке проекторов эти обстоятельства автоматически принимаются во внимание.

В традиционных LCD- и DLP-проекторах со временем появляются дефектные пикселы. Это явление отсутствует в рассматриваемой системе, так как пиксел на экране формируется многими проекторами. Дефектные пикселы автоматически исключаются из работы на этапе калибровки, так как они дают пятно нулевой интенсивности.

Может быть выбрана оптимальная цветопередача.

Настройка проекторов с помощью программного обеспечения гораздо быстрее, дешевле, точнее, гибче и оперативнее, чем настройка аппаратуры с помощью механических регуляторов.

Устройство может быть использовано в устройствах отображения информации, в частности в кино, в проекционных телевизорах, в системах создания виртуальной реальности. Устройство состоит из экрана, вычислительной системы и цифрового проектора, приспособленных выводить на экран изображение в соответствии с информацией, полученной из вычислительной системы. В устройство в качестве средства для фиксации в памяти вычислительной системы информации об имеющемся на экране изображении введена видеокамера, и оно выполнено с возможностью производить калибровку множества цифровых проекторов, включая поочередно один или несколько пикселов в каждом проекторе и записывая получаемое от видеокамеры на экране изображение в память вычислительной системы, а вычислительная система приспособлена обрабатывать переданную видеокамерой в ее память информацию об имеющемся на экране изображении и с учетом информации о требуемом полном изображении на экране выдавать в каждый проектор информацию о том изображении, которое он должен показывать. Технический результат - исключение наличия видимых границ между фрагментами, создаваемыми различными проекторами. 1 ил.

Устройство для формирования на экране изображений, состоящее из экрана, вычислительной системы и цифрового проектора, приспособленных выводить на экран изображение в соответствии с информацией, полученной из вычислительной системы, отличающееся тем, что в качестве средства для фиксации в памяти вычислительной системы информации об имеющемся на экране изображении введена видеокамера, и устройство выполнено с возможностью производить калибровку множества цифровых проекторов, включая поочередно один или несколько пикселов в каждом проекторе и записывая получаемое от видеокамеры на экране изображение в память вычислительной системы, а вычислительная система приспособлена обрабатывать переданную видеокамерой в ее память информацию об имеющемся на экране изображении и с учетом информации о требуемом полном изображении на экране выдавать в каждый проектор информацию о том изображении, которое он должен показывать.