ДИСПЛЕЙ ДЛЯ АДАПТИВНОГО ФОРМИРОВАНИЯ ТРЕХМЕРНЫХ ИЗОБРАЖЕНИЙ Российский патент 2014 года по МПК G02B27/22 H04N13/04 

Изобретение относится к области радиотехники и описывает конструкцию дисплея, выполненного с возможностью формирования естественного безракурсного 3D изображения для каждого из группы зрителей без применения очков.

Большинство 3D дисплеев, известных на данный момент, используют только два ракурса 3D объекта для отображения стереоинформации зрителям, таким образом, достигается ощущение объемности рассматриваемого на дисплее изображения. Такие устройства известны как стеродисплеи.

Существуют многоракурсные дисплеи, формирующие множество ракурсов 3D объекта, делающие возможным просмотр 3D объекта совместно со многими другими зрителями. Из уровня техники известны различные подходы к решению проблемы воспроизведения 3D объектов.

В частности, в патенте США №6,791,570 [1] описан 3D дисплей на базе жидкокристаллических дисплеев (LCD). Трехмерный дисплей, выполненный по типу виртуального окна, включает в себя систему слежения за зрителем с соответствующим изменением ракурсов изображения. Такой дисплей предназначен для использования одним зрителем и относится к стереодисплеям. В стереодисплейных системах отсутствует возможность обзора 3D изображения и для всех зрителей формируется одинаковая информация, что делает невозможным совместное рассматривание одного 3D объекта несколькими зрителями, при этом отсутствие естественности 3D восприятия вызывает головную боль или дискомфорт у большинства зрителей.

Фирма Holografika производит линейку трехмерных дисплеев HoloVizio (см. http://www.holografika.com/Technology/Technology-Principles.html) [2]. Дисплеи воспроизводят трехмерное изображение с возможностью многостороннего обзора объекта и перемещения зрителей в достаточно широком угловом диапазоне (motion parallax). Размер диагонали экрана дисплеев 32 (16:9) и 26 (4:3) дюймов, это многоракурсные дисплеи. Аналогичный способ применен и в многоракурсном дисплее, описанном в патенте США №6603504 [3]. Недостатком таких дисплеев являются наблюдаемые перескоки изображения при переходе из одной зоны просмотра в другую и небольшая глубина области обзора 3D изображения. В таких системах необходимо обеспечить вычисление и формирование потока информации обо всех ракурсах 3D объекта. При увеличении количества ракурсов количество и производительность средств вычисления и отображения 3D информации сильно возрастает и делает систему очень громоздкой и ресурсоемкой.

Дисплей, описанный в патенте США №6806849 [4], состоит из пакета (стека) вплотную сложенных 20 LCD электроуправляемых рассеивателей (затворов) с видеопроектором, который может проецировать двумерное изображение в область расположения стека рассеивателей, таким образом, обеспечивая зрителям возможность наблюдать трехмерное изображение при последовательном включении рассеивателей синхронно с проецированием изображения определенной плоскости по глубине отображаемой 3D информации. Такого типа дисплеи плохо воспроизводят непрозрачные объекты и их чаще называют «волыометрическими», так как они непосредственно эмулируют рассеивание света в объеме активной среды (стека рассеивателей).

В дисплее, известном из патента США №6535241[5], есть возможность рассматривать и совместно работать с 3D изображениями нескольким зрителям при достаточно простой аппаратной реализации, причем число зрителей ограничено скоростью пространственно" временого модулятора света (SLM) при отдельном для каждого зрителя воспроизведении стереокартины, кроме того, применение переключаемых очков тоже является ограничивающим фактором.

Наиболее близким к заявляемому изобретению является техническое решение, описанное в патенте США №6543899 [6]. Дисплей состоит из ретрорефлективного экрана и пары проекционных дисплеев, расположенных вблизи глаз наблюдателя, при этом такая система позволяет зрителю перемещаться в широком диапазоне углов и дистанций относительно экрана и является, по сути, адаптивно самонастраиваемой. Дисплей имеет ряд недостатков принципиального характера: размещение проекторов либо на самом зрителе, либо на держателе в непосредственной близости от зрителя, что ограничивает свободу перемещения, проекционная система дисплея неспособна компенсировать все искажения проецируемого изображения при произвольном положении зрителя относительно экрана. Есть и недостатки у ретрорефлективных экранов, они обладают низким контрастом и высоким светоотражением для лучей, идущих под произвольным углом к плоскости экрана (то есть большое паразитное рассеяние), что снижает визуальный стереоэффект и вызывает перекрестные искажения в стереоизображении.

Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, состоит в разработке усовершенствованного дисплея, обеспечивающего возможность формирования естественного (безракурсного) 3D изображения, ориентированного на каждого зрителя и при этом допускающего изменение в больших пределах положения зрителей, а также способного регулировать использования ресурсов формирования и отображения информации (энергосбережение), в том числе масштабируемость или модульность системы, формирование без перескоков 3D ракурсов в зависимости от положения конкретного зрителя, при этом добиваясь простоты системы предобработки 3D информации и вычисления ракурсов, при обеспечении возможности распараллеливания процесса вычисления и отображения ракурсов для отдельных зрителей.

Технический результат достигается за счет создания дисплея для адаптивного формирования трехмерных изображений реальных и виртуальных объектов и сцен, включающего в себя,

- по меньшей мере, один модуль индивидуальной стереопроекции, расположенный на, по меньшей мере, одном средстве движения, выполненном с возможностью перемещения указанного модуля в произвольную точку оптической системы дисплея,

- по меньшей мере, один блок формирования и предварительной обработки изображений, выполненный с возможностью передачи в модуль индивидуальной стереопроекции предварительно обработанной информации, подлежащей отображению, причем модуль индивидуальной стереопроекции содержит, по меньшей мере, один оптический элемент формирующий область просмотра 3D изображений и выполняющий оптическое преобразование сопряжения для позиции вышеуказанного модуля и позиции зрителя, которая отслеживается, по меньшей мере, одним средством для обнаружения, и отслеживания позиции, по меньшей мере, одного зрителя, и дополнен системой получения, хранения и формирования трехмерной информации, причем такая система выполнена с возможностью обеспечения приема информации от телекоммуникационных систем, отличающегося тем, что модуль индивидуальной стереопроекции выполнен в виде снабженного микропроекторами роботизированного самодвижущегося и самонастраивающегося модуля с автономным питанием, беспроводной связью, системой видеонаблюдения и ориентации и с распределенной вычислительной системой, выполненной с возможностью параллельной обработки 3D информации и организации взаимодействия с другими аналогичными модулями, и способный работать как интеллектуальный модуль отображения 3D информации персонально для каждого зрителя при его произвольном перемещении.

Таким образом, заявляется усовершенствованный дисплей, основной чертой которого является адаптивная подстройка как оптической схемы дисплея для отображения естественного 3D изображения, так и вычислительных средств обработки изображений для оптимального и экономичного использования вычислительных ресурсов дисплейной системы. Адаптивность системы обеспечивается постоянным слежением, соответствующих подсистем, за положением и поведением зрителей в области зоны формирования 3D изображения и соответственным реконфигурированием оптической схемы отображения информации для каждого зрителя и распараллеливанием обработки информации для каждого зрителя.

Заявляемый дисплей для адаптивного формирования трехмерных изображений реальных и виртуальных объектов и сцен, по существу, включает в себя усовершенствованную систему адаптивного 3D проектора и состоит из следующих подсистем:

- средство слежения за положением и поведением зрителей с соответствующим программным и аппаратным обеспечением;

- модули индивидуальной стереопроекции для каждого зрителя с соответствующими средствами подстройки оптической системы и перемещения модулей в позицию, соответствующую положению зрителя;

- вычислительные модули индивидуальной обработки 3D информации информации для модулей стереопроекции

- экрана (системы экранов), для формирования крупноразмерного 3D изображения в области расположения зрителей.

Работа системы начинается с поиска и обнаружения в области формирования 3D изображения зрителя (зрителей) с последующим определением их конкретного положения (положения глаз). Сигнал о появлении зрителей передается в вычислительную систему для вычисления параметров отображения информации каждому зрителю и соответствующей предобработки исходно хранящейся (передающейся по каналу связи TV) информации о 3D отображаемом объекте. Вычислительная система строится по принципу параллельной обработки информации для каждого зрителя, поскольку оптическая система данного дисплея позволяет разделить общую задачу вычисления 3D ракурсов на независимые подзадачи отображения для каждого зрителя.

Вычисленные индивидуальные стереоизображения передаются в модули индивидуальной стереопроекции, количество активных модулей, а следовательно, ресурсы и энергия расходуемая системой, соответствует числу зрителей, таким образом обеспечивается минимально возможный уровень ресурсов для естественного 3D отображения информации для всех зрителей.

3D дисплей данного типа может использоваться в телевизионных системах промышленного или бытового характера, когда число зрителей ограничено, например, десятью-двадцатью зрителями. Такой характер использования дисплеев характерен для семейного или корпоративного уровня и не подходит для кинотеатров.

В корпоративных системах (ситуационные комнаты, дизайнерские студии, 3D CAD системы) одной из наиболее важных свойств 3D систем является возможность выполнения совместных действий над 3D объектом (обзор с многих сторон, индикация в пространстве на участок 3D объекта для совместного детального обзора и пр.), данный дисплей обеспечивает такую функциональность.

При реализации заявляемого изобретения возможны различные варианты исполнения отдельных компонентов дисплея, в частности, модуль индивидуальной стереопроекции предлагается снабдить средством, выполненным с возможностью выполнения автоматической регулировки фокусировки на произвольную плоскость вблизи расположения указанного оптического элемента, формирующего область просмотра 3D изображений.

Помимо этого модуль индивидуальной стереопроекции предлагается снабдить средством регулировки расстояния между оптическими осями оптических систем микропроекторов для оптимального формирования отдельной информации для правого и левого глаз зрителя и уменьшения перекрестных искажений.

Представляется также важным, чтобы модуль индивидуальной стереопроекции был снабжен средством, выполненным с возможностью регулировки положения модуля в направлении, перпендикулярном к оптической оси оптического элемента, формирующего область просмотра 3D изображений.

В предпочтительном варианте реализации целесообразно снабдить модуль индивидуальной стереопроекции средством, выполненным с возможностью обеспечивать движение в трех плоскостях по отношению к оптической оси оптического элемента, формирующего область просмотра 3D изображений и способного переместить упомянутый модуль в произвольную точку области возможного расположения зрителей.

При этом средство обеспечения движения модуля индивидуальной стереопроекции предлагается выполнять в виде автономного роботизированного устройства, снабженного средствами обеспечения полета вертолетного типа и зависания в произвольной точке пространства, причем такое устройство выполняется с возможностью перемещения модуля индивидуальной стереопроекции в позицию, оптически сопряженную с позицией зрителя в области отслеживания и отображения трехмерной информации.

Помимо этого предлагается, чтобы модуль индивидуальной стереопроекции был снабжен средством автономного питания, средством беспроводной связи и видеонаблюдения, причем эти средства интегрированы в компактный программно-аппаратный комплекс, выполненный с возможностью обеспечения автономной работы системы отображения 3D информации для отдельного зрителя во время просмотра 3D изображения.

Что касается конструкции оптического элемента, формирующего область просмотра 3D изображений, то этот элемент целесообразно выполнять в виде плоских линз Френеля с, по меньшей мере, одной рассеивающей поверхностью. В качестве одного из возможных вариантов реализации предлагается иммерсировать указанные линзы в фотополимерную рассеивающую среду.

В других вариантах реализации изобретения предлагается, чтобы оптический элемент, формирующий область просмотра 3D изображений, был изготовлен в виде, по меньшей мере, одной планарной голографической линзы и снабжен, по меньшей мере, одним пространственным фильтром, выполненным с возможностью отсечения недифрагированных на голограмме лучей.

Также оптический элемент, формирующий область просмотра 3D изображений, может быть выполнен в виде согласованной пары голографических линз, обеспечивающих ахроматизацию света, проходящего через оптические элементы дисплея во время формирования голографического ЗD-изoбpaжeния без хроматических аберраций, причем оптический элемент должен быть снабжен, по меньшей мере, одним пространственным фильтром, выполненным с возможностью отсечения недифрагированных на голограммах лучей.

Среди других вариантов выполнения оптического элемента, формирующего область просмотра 3D изображений, следует упомянуть вариант выполнения этого элемента в виде асферических планарных зеркал Френеля или в виде пленки, одна сторона которой является рельефом в виде одномерного массива микропризм полного внутреннего отражения с углом при вершине 90 градусов, а другая сторона изготовлена с рассеивающей рельефной поверхностью со средним углом рассеяния меньше чем 5 градусов в направлении, перпендикулярном одномерному микропризменному массиву.

Представляется целесообразным, чтобы блок формирования и предварительной обработки изображений снабжен средством беспроводной связи с указанной системой получения, хранения и формирования и распределения трехмерной информации между модулями индивидуальной стереопроекции. При этом предлагается, чтобы каждый модуль индивидуальной стереопроекции был снабжен средством идентификации зрителей по лицу и мимике, выполненным с возможностью индивидуализации по возрасту, полу и обеспечению возможности родительского контроля при отображении 3D информации для конкретного зрителя.

Далее существо заявляемого изобретения поясняется с привлечением графических материалов.

Фиг.1 - схема роботизированного адаптивного проекционного 3D-дисплея (вариант расположения)

Элементы: 10, 11, 12 - зрители (конечное множество),

110, 111, 112 - соответствующие интеллектуальные роботизированный модуль индивидуальной стереопроекции (MSP) для зрителей 10, 11,12 со средством обеспечения автономного питания, беспроводной связью и наблюдения за зрителями и поведением остальных модулей,

4 - оптический отображающий элемент для формирования области просмотра 3D изображения,

40 - 3D изображение,

70 - система для индивидуального управления роботизированными модулями индивидуальной стереопроекции (MSP) и распределения 3D информации по множеству упомянутых роботов,

80 - системы получения, хранения и формирования трехмерной информации,

90 - входящая 3D информация (радиовещание, локальная сеть или Интернет),

Фиг.2. Схема модуля индивидуальной стереопроекции (MSP).

Элементы: 21 - платформа оптической схемы (головки),

22, 23 - 2-D пространственные модуляторы света (SLM), для проекции информации соответственно для левого и правого глаза,

24, 25 - объективы для левого и правого SLM,

26, 27 - сервомеханизм для перемещения проекционных объективов в направлении, перпендикулярном оптической оси MSP,

28 - сервомеханизм для фокусировки проекционных объективов

29 - сервомеханизм для регулировки расстояния между левым и правым пространственными модуляторами света (SLM),

210 - блок для управления системой сервомеханизмов, формирования и предварительной обработки 3D изображений,

220 - точка сходимости оптических осей для левого и правого каналов проекции вблизи плоскости оптического отображающего элемента 4 (Фиг.1).

Фиг.3. Схема модуля индивидуальной стереопроекции (MSP) (вариант).

Элементы: 21 - платформа оптической схемы (головки),

32 - 2-D пространственный модулятор света (SLM), для одновременной проекции информации для левого и правого глаз в одном кадре модулятора,

24, 25 - объективы для левого и правого SLM,

26, 27 - сервомеханизм для перемещения проекционных объективов в направлении, перпендикулярном оптической оси MSP,

28 - сервомеханизм для фокусировки проекционных объективов,

210 - блок для управления системой сервомеханизмов, формирования и предварительной обработки 3D изображений,

220 - точка сходимости оптических осей для левого и правого каналов проекции вблизи плоскости оптического отображающего элемента 4 (Фиг.1).

Фиг.4. Схема модуля индивидуальной стереопроекции (MSP) (вариант с регулировкой расстояния между оптическими осями каналов правой и левой проекционных систем),

Элементы: 21 - платформа оптической схемы (головки),

32 - 2-D пространственный модулятор света (SLM), для одновременной проекции информации для левого и правого глаз в одном кадре модулятора,

24, 25 - объективы для левого и правого SLM,

36 - сервомеханизм для вращения плоскости, плоскопараллельных оптических пластин 61 и 62 для оптической подстройки расстояния между осями проекционных объективов в направлении, перпендикулярном оптической оси MSP,

28 - сервомеханизм для фокусировки проекционных объективов,

210 - блок для управления системой сервомеханизмов, формирования и предварительной обработки 3D изображений.

Фиг.5. Схема работы адаптивного 3D проекционного дисплея.

Элементы: 1 - модуль индивидуальной стереопроекции (MSP) для зрителя 10,

4 - оптический отображающий элемент для формирования области просмотра 3D изображения,

10 - точка области отслеживания положения зрителей и 3D просмотра (50 на Фиг.1), оптически сопряженная точке расположения модуля индивидуальной стереопроекции (MSP) - 1,

100 - i-й модуль индивидуальной стереопроекции (MSP),

110 - точка области отслеживания положения зрителей и 3D просмотра (50 на Фиг.1), оптически сопряженная точке расположения модуля индивидуальной стереопроекции (MSP) - 100.

Фиг.6. Схема конфигураций оптического отображающего элемента для формирования области просмотра 3D изображения.

Элементы: А- вертикальный вид,

В - горизонтальный вид,

1 - модуль индивидуальной стереопроекции (MSP) для зрителя 10,

44 - первая топографическая линза,

45 - пространственный световой фильтр (3М PRIVACY FILM технология),

46 - вторая топографическая линза,

10 - точка области отслеживания положения зрителей и 3D просмотра (50 на Фиг.1), оптически сопряженная точке расположения модуля индивидуальной стереопроекции (MSP) - 1 (вид сверху),

101 - точка области отслеживания положения зрителей и 3D просмотра (50 на Фиг.1), оптически сопряженная точке расположения модуля индивидуальной стереопроекции (MSP) - 1 (вид сбоку),

49 - недифрагированный на голограмме свет,

Фиг.7. Схема конфигураций оптического отображающего элемента для формирования области просмотра 3D изображения (варианты).

Элементы: 54 - линза Френеля рефракционного типа иммерсированная в фотополимерный компаунд 51,

55 - линза Френеля отражательного типа с приклеенным малоугловым рассеивателем 58,

53 - вогнутое зеркало с малоугловым рассеивателем 59,

55 - луч падающего света,

56 - отраженный (прошедший) луч света,

57 - рассеянный свет (малоугловое рассеяние),

51 - иммерсирующий фотополимерный компаунд (с определенным (рассчитанным) показателем преломления),

58 - рассеивающая подложка (пленка),

59 - тонкая рассеивающая пленка.

Фиг.8. Схема адаптивного проекционного 3D дисплея (вариант расположения компонентов).

Элементы: 1 - модуль индивидуальной стереопроекции (MSP) для зрителя 10,

2 - средство перемещения для вышеупомянутого модуля MSP,

73 - оптический асферический элемент для работы в дополнение к элементу 4,

4 - оптический отображающий элемент для формирования области просмотра 3D изображения,

300 - несущая платформа,

Фиг.9. Схема адаптивного проекционного 3D дисплея (вариант расположения компонентов).

Элементы: 1 - потолочный модуль индивидуальной стереопроекции (MSP) для зрителя 10,

2 - средство перемещения для вышеупомянутого модуля MSP,

4 - оптический отображающий элемент для формирования области просмотра 3D изображения,

5 - камера для обнаружения и отслеживания положения зрителей,

500 - комната (помещение).

Фиг.10. Схема адаптивного проекционного 3D-дисплея (вариант расположения компонентов).

Элементы: 1 - модуль индивидуальной стереопроекции (MSP) для зрителя 10 со средством обеспечения автономного питания и беспроводной связью,

2 - напольное средство перемещения для вышеупомянутого модуля MSP,

73 - зеркальный элемент для работы в дополнение к элементу 4, для формирование 3D изображения в области просмотра,

4 - оптический отображающий элемент для формирования области просмотра 3D изображения,

5 - камера для обнаружения и отслеживания положения зрителей,

300 - платформа.

Фиг.11. Схема адаптивного проекционного 3D дисплея (вариант расположения компонентов).

Элементы: 1 - модуль индивидуальной стереопроекции (MSP) для зрителя 10 со средством обеспечения автономного питания и беспроводной связью,

2 - интеллектуальное роботизированное средство перемещения для модуля MSP,

3 - блок формирования и предварительной обработки изображений для модуля MSP 1,

4 - оптический отображающий элемент для формирования области просмотра 3D изображения,

5 - камера для обнаружения и отслеживания положения зрителей,

6 - блок обработки информации о отслеживании и обнаружении положения зрителей,

7 - система для приема, хранения и формирования 3D информации, 500 - помещение.

Фиг.12. Схема адаптивного модуля 3D проектирования и устройства для его применения в системе натуралистического (Real 3D) 3D отображения информации (общая схема).

Элементы: 1 - модуль индивидуальной стереопроекции (MSP) для зрителя 10,

2 - средство перемещения для вышеупомянутого модуля MSP,

3 - блок формирования и предварительной обработки изображений для модуля 1,

4 - оптический отображающий элемент для формирования области просмотра 3D изoбpaжeния,

5 - камера (камеры) для обнаружения и отслеживания положения зрителей,

6 - средство обработки информации с камеры, обнаруживающей и следящей за положением зрителей,

7 - система для приема, хранения и формирования трехмерной информации,

10-зритель,

30 - блок формирования и предварительной обработки изображений для модуля 100,

50 - область отслеживания положения зрителей и 3D просмотра,

100 - i-й модуль индивидуальной стереопроекции (MSP) для зрителя 110,

110 - i-й зритель.

Фиг.13 - прототип (патент США №6543899).

В предпочтительном варианте реализации заявляемого изобретения дисплей и связанная с ним система работают следующим образом:

Адаптивный 3D дисплей (Фиг.12)включает в себя модуль 1 индивидуальной стереопроекции (MSP), который формирует 3D изображение индивидуально для зрителя 10 каждый модуль MSP из i-го множества имеет средство 2 перемещения для передвижения указанного MSP в произвольную позицию, оптически сопряженную с позицией зрителя в области 50 просмотра 3D изображения, система 6 принимает информацию от камер 5 отслеживания и служит для обнаружения и слежения за положением зрителей, она вычисляет оптимальное положение модуля MSP для оптимального 3D отображения, оптический отображающий элемент 4 для формирования области просмотра 3D изображения выполняет оптическое преобразование, соответствующее сопряжению области расположения зрителей и модулей индивидуальной стереопроекции и, таким образом, формирует зону 3D просмотра, блок 3 используется для формирования и предварительной обработки 3D изображения для модулей MSP, параметры для оптимальной обработки изображения корректируются согласно позиции и поведению соответствующего зрителя, дисплейная система содержит также модуль 7 для приема, хранения и формирования трехмерной информации на дисплее, дисплей обладает свойством масштабирования в зависимости от количества зрителей, а также позволяет экономить вычислительные ресурсы системы. Все MSP модули имеют аналогичную конструкцию и способ действия, поэтому вычисления параметров реконструированного 3D изображения для каждого зрителя выполняются независимо и параллельным образом. Отдельный модуль индивидуальной стереопроекции (MSP) может быть оборудован робототехнической системой перемещения, слежения и настройки (Фиг.1), автономным питанием и беспроводной связью, поэтому он может работать как система машинного интеллекта, оптимальным образом самонастраиваясь для отображения 3D информации индивидуально для каждого зрителя и одновременно оптимально выстраивая взаимодействие с другими роботами и предотвращая конфликты и взаимные помехи и образуя общую систему управления и распространения информации между роботами 70 по беспроводной связи.

Работа системы начинается с поиска зрителей, к примеру 10, 110 на Фиг.12 в области 50 слежения, и, соответственно, просмотра 3D изображения (Фиг.12) с последующим расчетом их конкретной позиции (позиции глаз), система использует камеры 5 слежения с соответствующим аппаратным и программным обеспечением 6. Информация о появлении зрителя передается вычислительной системе из блоков 3,6,7 для расчета параметров отображаемой дисплеем визуальной информации для вывода на модуль стереопроекции, чтобы каждый зритель (зрители) увидел индивидуально только ему предназначенную информацию с соответствующей предварительной обработкой исходной информации о 3D объектах, хранящейся (переданной через телевизионные каналы связи). Вычислительная система на основе 3, 6, 7 построена на принципах параллельной обработки информации для каждого зрителя, потому что оптическая система этого дисплея позволяет разделить общие задачи расчета 3D изображения на ряд независимых подзадач обработки стереопроекции 3D изображения для каждого зрителя (это иллюстрируется на рисунке 12, для зрителя 110 вычисления осуществляют соответствующие блоки 100; 30). Рассчитанные отдельные стереоизображения передаются в отдельные модули индивидуальной стереопроекции (MSP) для зрителей 1, 100, число активных модулей, и, следовательно, аппаратно-программных ресурсов и световой энергии, потребленной всей 3D системой соответствует количеству зрителей (два изображены на Фиг.12), что обеспечивает минимально возможный объем ресурсов натуралистического 3D отображения информации для всех зрителей.

Иллюстрация одного из возможных воплощений модуля индивидуальной стереопроекции (MSP) представлена на Фиг.2. Модуль снабжен соответствующими средствами 28 для фокусировки объективов 24,25, регулировки положения оптических осей 26,27, которые используется для точной регулировки параметров оптической схемы в зависимости от видимого межглазного расстояния зрителя, когда он может располагаться ближе или дальше от отображающего элемента 4 (Фиг.12), положение SLM регулируется сервоприводом 29. Описанный модуль имеет два проекционных канала и включает пространственные модуляторы 22,23 света (SLM) с соответствующим осветительным устройством и блоком управления 210, два проекционных объектива 24,25 для формирования увеличенных изображений в плоскости вблизи точки 220 пересечения оптических осей. Указанный модуль MSP может быть спроектирован с применением SLM с большим отношением размеров сторон, например это может быть ЖК-панель 32″ с соотношением 3×8 или 9×32 для отображения двух изображений для левого и правого глаз бок о бок на одном SLM (Фиг.3), при этой конструкции число сервоприводов может быть уменьшено.

Фиг.4 иллюстрирует вариант изготовления модуля индивидуальной стереопроекции (MSP), где расстояние между оптическими осями регулируется, благодаря вращению двух плоскопараллельных оптических пластин 61, 62 сервоприводом 36.

Фиг.5 показывает схему работы адаптивного проекционного 3D дисплея, модуль индивидуальной стереопроекции (MSP) для зрителя 10, формирует в области расположения элемента 4 оптического отображения действительное изображение информации на SLM 22, 23, элемент 4 формирует в оптически сопряженной точке 10 зону видения этих изображений, другой модуль 100 выполняет такое же оптическое преобразование для сопряженной точки 110, соответствующей другому зрителю. Обычно зрители не могут очень близко располагаться друг к другу, так что положение модулей не будет иметь никаких конфликтов.

Элемент 4 оптического отображения (Фиг.12) для формирования области видения 3D изображения может быть разработан в нескольких вариантах. Фиг.7А иллюстрирует применение линзы 54 Френеля рефракционного типа, погруженной в фотополимерный иммерсирующий компаунд 51, один из вариантов данного оптического элемента изготовлен в виде пленки, одна сторона которой является рельефом в виде одномерного массива микропризм с углом при вершине 90 градусов, а другая сторона изготовлена с рассеивающей поверхностью со средним углом рассеяния меньше чем 5 градусов в направлении, перпендикулярном одномерному микропризменному массиву. Фиг.7 В показывает, что линза 55 Френеля отражательного типа приклеена на рассеивающую подложку 58. На Фиг.7С изображено вогнутое зеркало 53 с наклеенными пленочным малоугловым рассеивателем 59, которое выполняет роль элемента 4 (Фиг.12). Во всех вариантах падающий световой пучок 55 и отраженный (или преломленный) пучок 56 формируют в области видения 3D изображение в апертуре элемента 4 для рассматривания с конкретных позиций, малоугловое рассеяние 57 улучшает равномерность освещения по апертуре 4 и снижает требование к точности определения позиций глаз зрителей. Схема, представленная на Фиг.6, показывает вариант изготовления элемента 4 (Фиг.12) в виде голографических линз с компенсацией голографических хроматических аберраций. Схема работает следующим образом: первая голограмма 44 преобразует падающий расходящийся пучок от проекторов в параллельный, идущий под углом к оптической оси системы, при этом из-за хроматической дисперсии голограмм дифрагированный пучок является радугой, вторая голограмма 46 преобразует эту радужную волну опять в белый свет, идущий снова вдоль оси оптической системы. В известных схемах компенсации хроматических голографических аберраций недифрагировавший на первой голограмме свет сильно мешает получению хорошего контраста в картине, для удаления из схемы этого луча 49 служит пространственный фильтр 45 (например, сделанный по технологии 3М PRIVACY FILM, описанной на сайте http://solutions.3m.com/wps/portaV3M/en_US/SDP/Privacy_Filters/) [7], и первая и вторая голограммы, записаны с одинаковой пространственной несущей, поэтому хроматические аберрации изображения в плоскости 8 имеют низкую величину хроматических искажений. На Фиг.8, Фиг.9 показаны возможные конструктивные конфигурации и расположение элементов адаптивного 3D дисплея с применением оптических асферических элементов для работы в дополнение к элементу 4 и возможность потолочного крепления модулей индивидуальной стереопроекции (MSP). На Фиг.10 изображен вариант конструкции модуля индивидуальной стереопроекции (MSP) с автономным питанием и средствами беспроводной связи, что позволяет построить роботизированный самодвижущийся и самонастраивающийся модуль, способный работать как интеллектуальный (SMART) модуль (Фиг.11) отображения 3D информации для каждого зрителя. Схема интеллектуального робота с модулем отслеживания и автономным движением показана на Фиг.1, автономное питание и беспроводная связь означает, что он может работать как система машинного интеллекта, оптимальным образом самонастраиваясь для отображения 3D информации индивидуально для каждого зрителя и одновременно оптимально выстраивая взаимодействие с другими роботами и предотвращая конфликты и взаимные помехи и образуя общую систему управления и распространения информации между роботами 70 по беспроводной связи.

Наиболее перспективными областями применения данного 5 дисплея является 3D TV, ситуационные комнаты, 3D промышленный дизайн и 3D САПР.

Дисплей включает модуль индивидуальной стереопроекции, расположенный на средстве движения с возможностью перемещения в произвольную точку оптической системы дисплея, блок формирования и предварительной обработки изображений, оптический элемент, формирующий область просмотра 3D изображений, средство для обнаружения и отслеживания позиции зрителя и систему получения, хранения и формирования трехмерной информации. Модуль индивидуальной стереопроекции выполнен в виде снабженного микропроекторами роботизированного самодвижущегося и самонастраивающегося модуля с автономным питанием, беспроводной связью, системой видеонаблюдения и ориентации и с распределенной вычислительной системой, выполненной с возможностью параллельной обработки 3D информации и организации взаимодействия с другими аналогичными модулями, и способный формировать в области расположения оптического элемента, формирующего область просмотра 3D изображения, действительное изображение отображаемой информации, а также работать как интеллектуальный модуль отображения 3D информации персонально для каждого зрителя при его произвольном перемещении. Технический результат - возможность формирования безракурсного 3D изображения, ориентированного на каждого зрителя и допускающего изменение в больших пределах положения зрителей. 14 з.п. ф-лы, 13 ил.

1. Дисплей для адаптивного формирования трехмерных изображений реальных и виртуальных объектов и сцен, включающий в себя,
- по меньшей мере, один модуль индивидуальной стереопроекции, расположенный на, по меньшей мере, одном средстве движения, выполненном с возможностью перемещения указанного модуля в произвольную точку оптической системы дисплея,
- по меньшей мере, один блок формирования и предварительной обработки изображений, выполненный с возможностью передачи в модуль индивидуальной стереопроекции предварительно обработанной информации, подлежащей отображению,
- по меньшей мере, один оптический элемент, формирующий область просмотра 3D изображений и выполняющий оптическое преобразование сопряжения для позиции вышеуказанного модуля и позиции зрителя, которая отслеживается, по меньшей мере, одним средством для обнаружения и отслеживания позиции, по меньшей мере, одного зрителя, и дополнен системой получения, хранения и формирования трехмерной информации, причем такая система выполнена с возможностью обеспечения приема информации от телекоммуникационных систем,
отличающийся тем, что
модуль индивидуальной стереопроекции выполнен в виде снабженного микропроекторами роботизированного самодвижущегося и самонастраивающегося модуля с автономным питанием, беспроводной связью, системой видеонаблюдения и ориентации и с распределенной вычислительной системой, выполненной с возможностью параллельной обработки 3D информации и организации взаимодействия с другими аналогичными модулями, и способный формировать в области расположения
оптического элемента, формирующего область просмотра 3D изображения, действительное изображение отображаемой информации, а также работать как интеллектуальный модуль отображения 3D информации персонально для каждого зрителя при его произвольном перемещении.

2. Дисплей по п.1, отличающийся тем, что модуль индивидуальной стереопроекции снабжен средством, выполненным с возможностью выполнения автоматической регулировки фокусировки на произвольную плоскость вблизи расположения указанного оптического элемента, формирующего область просмотра 3D изображений.

3. Дисплей по п.1, отличающийся тем, что модуль индивидуальной стереопроекции снабжен средством регулировки расстояния между оптическими осями оптических систем микропроекторов для оптимального формирования отдельной информации для правого и левого глаз зрителя и уменьшения перекрестных искажений.

4. Дисплей по п.1 отличающийся тем, что модуль индивидуальной стереопроекции снабжен средством, выполненным с возможностью регулировки положения модуля в направлении, перпендикулярном к оптической оси оптического элемента, формирующего область просмотра 3D изображений.

5. Дисплей по п.1, отличающийся тем, что модуль индивидуальной стереопроекции снабжен средством, выполненным с возможностью обеспечивать движение в трех плоскостях по отношению к оптической оси оптического элемента, формирующего область просмотра 3D изображений и способного переместить упомянутый модуль в произвольную точку области, оптически сопряженной с областью возможного расположения зрителей.

6. Дисплей по п.5, отличающийся тем, что средство обеспечения движения модуля индивидуальной стереопроекции выполнено в виде автономного роботизированного устройства, снабженного средствами обеспечения полета вертолетного типа и зависания в произвольной точке пространства, причем такое устройство выполнено с возможностью перемещения модуля индивидуальной стереопроекции в позицию, оптически сопряженную с позицией зрителя в области отслеживания и отображения трехмерной информации.

7. Дисплей по п.1, отличающийся тем, что модуль индивидуальной стереопроекции снабжен средством автономного питания, средством беспроводной связи и видеонаблюдения, причем эти средства интегрированы в компактный программно-аппаратный комплекс, выполненный с возможностью обеспечения автономной работы системы отображения 3D информации для отдельного зрителя во время просмотра 3D изображения.

8. Дисплей по п.1, отличающийся тем, что оптический элемент, формирующий область просмотра 3D изображений, выполнен в виде плоских линз Френеля с, по меньшей мере, одной рассеивающей поверхностью.

9. Дисплей по п.1, отличающийся тем, что оптический элемент, формирующий область просмотра 3D изображений, выполнен в виде плоских линз Френеля, иммерсированных в фотополимерную рассеивающую среду.

10. Дисплей по п.1, отличающийся тем, что блок формирования и предварительной обработки изображений снабжен средством беспроводной связи с указанной системой получения, хранения и формирования и распределения трехмерной информации между модулями индивидуальной стереопроекции.

11. Дисплей по п.1, отличающийся тем, что оптический элемент, формирующий область просмотра 3D изображений, изготовлен в виде, по меньшей мере, одной планарной голографической линзы и снабжен, по меньшей мере, одним пространственным фильтром, выполненным с возможностью отсечения недифрагированных на голограмме лучей.

12. Дисплей по п.1, отличающийся тем, что оптический элемент, формирующий область просмотра 3D изображений, выполнен в виде согласованной пары голографических линз, обеспечивающих ахроматизацию света, проходящего через оптические элементы дисплея во время формирования голографического 3D-изображения без хроматических аберраций, причем оптический элемент снабжен, по меньшей мере, одним пространственным фильтром, выполненным с возможностью отсечения недифрагированных на голограммах лучей.

13. Дисплей по п.1, отличающийся тем, что оптический элемент, формирующий область просмотра 3D изображений, выполнен в виде асферических планарных зеркал Френеля.

14. Дисплей по п.1, отличающийся тем, что оптический элемент, формирующий область просмотра 3D изображений, выполнен в виде пленки, одна сторона которой является рельефом в виде одномерного массива микропризм полного внутреннего отражения с углом при вершине 90 градусов, а другая сторона изготовлена с рассеивающей рельефной поверхностью со средним углом рассеяния меньше чем 5 градусов в направлении, перпендикулярном одномерному микропризменному массиву.

15. Дисплей по п.1, отличающийся тем, что модуль индивидуальной стереопроекции снабжен средством идентификации зрителей по лицу и мимике, выполненным с возможностью индивидуализации по возрасту, полу и обеспечению возможности родительского контроля при отображении 3D информации для конкретного зрителя.