Способ формирования многопланового изображения и мультифокальный стереоскопический дисплей Российский патент 2017 года по МПК G02B27/24 H04N15/00 

Изобретение относится к средствам отображения информации, к оптоэлектронным системам с мнимыми изображениями пространственных объектов, а именно к персональным объемным дисплеям. Ее применение позволяет обеспечить возможность естественного стереоскопического зрения в диапазоне от 1 м до бесконечности, а также согласованных стимулов аккомодации и конвергенции глаз. Это достигается за счет построения двух планов-изображений на каждый глаз.

В основе трехмерного кино и телевидения, а также компьютерных средств объемной визуализации, лежит принцип работы стереоскопа Уитстоуна (1838). Диспарантность образов, проецируемых стереопарами на сетчатки глаз, инициирует особое восприятие глубины и объема, называемое стереоскопическим зрением, или стереопсисом. В дисплеях на основе стереоскопа Уитстоуна расстояние, на которое фокусируются глаза, не изменяется в зависимости от содержания визуальной сцены или изменения области интересов наблюдателя на переднем или дальнем плане сцены. Поскольку глубина фокуса незначительна (0.15÷0.3 дптр) между аккомодацией и конвергенцией глаз возникает конфликт. Если сознание следует за резким изображением, то появляется двоение, или диплопия. Если сознание следует за слитным изображением, то ухудшается его резкость. Естественное стремление видеть слитное изображение резким приводит к визуальному дискомфорту, появляется бинокулярный стресс, головная боль, утомление глаз, иногда тошнота и рвота. Наряду с медицинскими проблемами ухудшаются когнитивные способности и увеличиваются погрешности в оценке размеров и удаленности предметов.

Кардинальным решением проблемы является обеспечение соответствия между конвергенцией и аккомодацией глаз, или построение многопланового стереодисплея.

Термины, используемые в тексте

Визуализация (данных): Преобразование цифровых данных в изображение, доступное для восприятия человеком или специальным устройством. Источник: ГОСТ 27459-87: Системы обработки информации. Машинная графика. Термины и определения.

Поле зрения представляет собой пространство, все точки которого одновременно видны при неподвижном взгляде Большая медицинская энциклопедия. 1970.

Аккомодация (от лат. accommodatio - приспособление - приноровление), в биологии и медицине термин, близкий термину "адаптация" и применяемый в определенных случаях. Аккомодация глаза - приспособление к ясному видению предметов, находящихся на различных расстояниях от глаза; аккомодация возбудимых тканей (нервной, мышечной) - приспособление к действию медленно нарастающего по силе раздражителя и др. Большой Энциклопедический словарь. 2000.

Конвергенция глаз - сведение зрительных осей обоих глаз при фиксации взгляда на близко расположенных предметах. Конвергенция глаз осуществляется рефлекторно в процессе бинокулярного зрения. Психологический словарь. 2000.

Известно техническое решение, представленное в статье Akeley K., Watt S.J., Girshick A.R., Bancks M.S. A stereo display prototype with multiple focal distances // ACM Trans. Graph. 2004. 23, No.3. 804-813. Мультифокальный стерео дисплей выполнен с двумя каналами, в каждом из которых используется три плана, которые комбинируются с помощью светоделителей. Расстояние между планами ~0,67 дптр. Объем аккомодации 1,34 дптр. Глубина изображения 0.31÷0.54 м. Поле зрения 6.1°×4.4°. Основная идея - это фильтрация и интерполяция интенсивности изображений по глубине между соседними планами.

Недостатками известного технического решения являются малая глубина изображения порядка 21 см и малое поле зрения, отсутствие системы позиционирования, а также являющимся настольным вариантом, выполненным с использованием LCD монитора Т221 с диагональю 22'' (только настольный вариант).

Известно техническое решение, представленное в статье Love G.D., Hoffman D.M., Hands P.J., Gao J., Kirby A.K., Bancks M.S. High-speed switchable lens enables the development of a volumetric stereoscopic display // Optics Express. 2009. 17, No. 18. 15716-15725. Объемный стереоскопический дисплей с интерполяцией глубины, в котором создается 4 фокуса на глаз с помощью «быстропереключаемых» линз на кальците. Расстояние между планами 0,6÷0,77 дптр. Объем аккомодации 1,8÷2,3 дптр. Глубина изображения 0.285÷0.97 м. Источник изображения - монитор на ЭЛТ с частотой кадров 180 Гц. Частота регенерации 4-фокусного стереоизображения 22.5 Гц.

Недостатками известного технического решения являются отсутствие системы позиционирования, малая частота кадров 22.5 Гц, использование в качестве источника изображения двух CRT мониторов, (только настольный вариант), малая глубина изображения сформированные четырьмя планами изображений с диоптрийными фокусами 5.09D, 5.69D, 6.29D, 6.89D (глубина изображения 14.5 см-19,6 см).

Известно техническое решение, представленное в мультифокальном стереодисплее (Патент РФ №2201610 «Мультифокальный стереодисплей», МПК G02B 27/22, опубликован 27.03.2003 г.), состоящее из двух дисплейных каналов, подключенных к видеоконтроллеру и содержащих волоконно-оптический источник светоизлучения, фокусирующую линзу и двухкоординатный сканер, а также многофокусный окуляр, составленный из расширителя световых пучков, светоделительной пластины и двух сферических вогнутых зеркал, расположенных с разных ее сторон, каждое из которых содержит два конфокальных отражающих слоя. Таким образом, предлагалось использовать катадиоптрические окуляры, вогнутые зеркала которых создают множество виртуальных сферических экранов, стимулирующих фокусировку глаз на разные расстояния до предметов. В связи с использованием сферических вогнутых зеркал и нескольких светоделителей возникают светопотери порядка 28%.

Недостатком известного технического решения является низкий контраст комбинированного изображения, отсутствие системы позиционирования, большая нелинейность стимула аккомодации (отклонения формируемого стимула аккомодации от реального более 19%).

Известно техническое решение, представленное в бифокальном объемном стереоскопическом дисплеи указанного в статье Власов Е.В., Ковалев A.M. «3D Дисплей с согласованными стимулами аккомодации и конвергенции» // Журнал «Приборы». 2014. №12 (174). - С. 28-30, выбранное в качестве прототипа. В работе рассматривается бифокальный стереодисплей для комфортного восприятия внешней визуальной обстановки с глубиной объемного изображения от 1÷2 м до ∞, углом поля зрения 28°×21°, разрешением ~2 угл. мин и частотой регенерации стереоизображения 80 Гц. Устройство состоит из двух окуляров, каждый окуляр содержит две микродисплейные матрицы на органических светодиодах, изображения которых комбинируются с помощью светоделительного кубика. Таким образом, объемное изображение представлено четырьмя SVGA-изображениями.

Окуляр содержит два плоских изображения P1 и P2 и с помощью линзы L формирует их мнимое изображение. Благодаря светоделительному кубику S мнимые изображения P1 и P2 оказываются соосными и перпендикулярными зрительной оси OZ. Излучения элементов изображений P1, Р2 фокусируются хрусталиком глаза в световые пятна изображений р1 и р2 таким образом, чтобы максимум суммарной энергии находился в районе фовеа q.

Для того чтобы получить картинки для ближнего - I_n(u,v) и дальнего - I_f(u,v) плана каждого из глаз, полученные изображения компонуются путем интерполяции интенсивности по глубине. Сам процесс интерполяции происходит следующим образом:

, где Z_n - линейное расстояние до ближнего плана, Z_f - линейное расстояние до дальнего плана. При этом изображение для ближнего плана вычисляется по формуле - а для дальнего плана по формуле -

Недостатком известного технического решения является наличие провалов контраста комбинированного изображения, малый угол поля зрения, отсутствие системы позиционирования, большая нелинейность стимула аккомодации.

Перед авторами ставилась задача разработать способ формирования многопланового изображения в виде комбинации двух двумерных изображений, разнесенных по глубине вдоль зрительной оси глаза и мобильный мультифокальный стереоскопический дисплей, обеспечивающий стереоскопическое зрение в диапазоне от 1 м до бесконечности.

Поставленная задача решается тем, что в способе формирования многопланового изображения, включающем в себя использование мультифокального стереоскопического дисплея, содержащего блок питания, корпус, расположенные в нем блок обработки и формирования изображения, который выполнен связанным кабелем с контроллером; два параллельных идентичных оптических канала, каждый из которых содержит оптически связанные между собой окуляр, выполненный содержащим, вдоль своей оптической оси, первый дублет, состоящий из двояковогнутой линзы и двояковыпуклой линзы, второй дублет, состоящий из двояковыпуклой линзы и двояковогнутой линзы, первую коллективную линзу, светоделительный кубик, первый микродисплей, второй микродисплей; причем первый микродисплей установлен вдоль грани светоделительного кубика, которая параллельна оптической оси окуляра, а второй микродисплей установлен вдоль грани, перпендикулярной оптической оси окуляра, микродисплеи находятся в предметной плоскости окуляра; и осуществление следующих этапов а) подготовка статических данных для дальнейшей визуализации изображений посредством блока обработки и управления для каждого оптического канала; б) построение по два плана временных изображений для каждого из оптических каналов; в) передача планов временных изображений посредством кабелей в контроллер и переформатирование посредством последнего временных изображений в требуемый микродисплеем формат; г) получение оптического изображения на экране микродисплея; д) комбинирование двух оптических изображений посредством грани светоделительной кубика для каждого оптического канала; е) формирование многопланового комбинированного оптического изображения посредством окуляра для каждого оптического канала, при этом мультифокальный стереоскопический дисплей дополнительно оснащают датчиком инерциальной системы позиционирования, который выполняют отслеживающим смещение и ориентацию корпуса в пространстве; при этом каждый оптический канал дополнительно оснащают второй коллективной линзой, причем первую коллективную линзу каждого канала располагают между светоделительным кубиком и первым микродисплеем, а вторую коллективную линзу располагают между светоделительным кубиком и вторым микродисплеем, кабель выполняют в интерфейсе HDMI, контроллер выполняют содержащим четыре выхода, первый выход соединяют с первым микродисплеем первого оптического канала, второй выход соединяют со вторым микродисплеем первого оптического канала, третий выход соединяют с первым микродисплеем второго оптического канала, четвертый выход соединяют со вторым микродисплеем второго оптического канала, источник питания постоянного тока соединяют с блоком питания, который выполняют с возможностью обеспечения питанием микродисплеев и соединяют с контроллером, корпус выполняют в виде оголовья, а блок питания выполняют расположенным в оголовье, кроме того, дополнительно осуществляют визуализацию изображения либо из данных динамических изображений, либо комбинацией данных статического и динамического изображения с учетом данных о позиции и ориентации корпуса в пространстве посредством датчика системы позиционирования, попиксельную обработку построенных, по крайней мере, четырех планов временных изображений по формуле: I(x,y,z)=I(x,y) [PSFA(z-Zn)(1-β(х,у))+PSFA(z-Zf)β(х,у)], где I(x,y) - изображение; PSFA(z) - аксиальное распределение интенсивности света; Zn, Zf - глубина планов Р1, Р2 в диоптриях; β(х,у) - относительное положение точки на интервале [ZnZf], объединение планов временных изображений в единое временное изображение, состоящее из хотя бы четырех участков, каждый из которых соответствует определенному оптического каналу и определенному плану единого временного изображения, передачу единого временного изображения в контроллер посредством HDMI кабеля, разделение единого временного изображения на как минимум 4 отдельных участка изображения посредством контроллера, а отдельные участки изображения переформатируют в требуемый микродисплеями формат для вывода на соответствующие микродисплеи, причем мультифокальный стереоскопический дисплей выполняют с возможностью подключения к внешнему источнику питания, блок питания выполняют в виде источника постоянного напряжения, далее светоделительный кубик выполняют с ребром, длина которого составляет 14,99-15,01 мм, первый дублет, состоящий из двояковогнутой линзы и двояковыпуклой линзы, выполняют с параметрами двояковогнутой линзы, где радиус кривизны поверхности R1=-42.75, R2=30, толщина 1.2 мм, диаметр 18 мм, материал стекла ТФ2(1.67, 32.2), и параметрами двояковыпуклой линзы, где радиус кривизны поверхности R1=30, R2=-18, второй дублет, состоящий из двояковыпуклой линзы и двояковогнутой линзы, выполняют с параметрами двояковыпуклой линзы, где радиус кривизны поверхности R1=18, R2=-19.54, толщина 5 мм, диаметр 18, материал стекла ТК16(1.61, 58.1), и параметрами двояковогнутой линзы, где радиус кривизны поверхности R1=-19.54, R2=-100, толщина 1.5 мм, диаметр 18, материал стекла ТФ2(1.67, 32.2), при этом первую коллективную линзу выполняют со следующими параметрами, где радиус кривизны поверхности R=14.65, толщина 0.8 мм, диаметр 13.5 мм, материал стекла ТК21(1.66, 51.1), вторую коллективную линзу выполняют со следующими параметрами, где радиус кривизны поверхности R=14.26, толщина 0.8 мм, диаметр 13.5 мм, материал стекла ТК21(1.66, 51.1), далее динамическое изображение визуализируют из подготовленной последовательности цифровой информации или динамическое изображение визуализируют из последовательности цифровой информации, полученной с регистратора изображений, или динамическое изображение выполняют с возможностью формирования последовательности цифровой информации в трехмерном виртуальном мире, при этом регистратор изображения выполняют в виде 3D камеры, или в виде стереоскопической камеры, или в виде камеры с информацией о глубине.

Способ реализуется с помощью мультифокального стереоскопического дисплея, который содержит блок питания, корпус, расположенные в нем блок обработки и формирования изображения, который выполнен связанным кабелем с контроллером; два параллельных идентичных оптических канала, каждый из которых содержит оптически связанные между собой окуляр, выполненный содержащим, вдоль своей оптической оси, первый дублет, состоящий из двояковогнутой линзы и двояковыпуклой линзы, второй дублет, состоящий из двояковыпуклой линзы и двояковогнутой линзы; первую коллективную линзу; светоделительный кубик; первый микродисплей; второй микродисплей; причем первый микродисплей установлен вдоль грани светоделительного кубика, которая параллельна оптической оси окуляра, а второй микродисплей установлен вдоль грани, перпендикулярной оптической оси окуляра, микродисплеи находятся в предметной плоскости окуляра, при этом он дополнительно оснащен датчиком инерциальной системы позиционирования, который выполнен отслеживающим местоположение и ориентацию корпуса в пространстве, при этом каждый оптический канал дополнительно оснащен второй коллективной линзой, причем первая коллективная линза каждого канала расположена между светоделительным кубиком и первым микродисплеем, вторая коллективная линза расположена между светоделительным кубиком и вторым микродисплеем, кабель выполнен в интерфейсе HDMI, контроллер выполнен содержащим четыре выхода, причем первый выход соединен с первым микродисплеем первого оптического канала, второй выход соединен со вторым микродисплеем первого оптического канала, третий выход соединен с первым микродисплеем второго оптического канала, четвертый выход соединен со вторым микродисплеем второго оптического канала, корпус выполнен в виде оголовья, а блок питания выполнен расположенным в оголовье, причем мультифокальный стереоскопический дисплей выполнен с возможностью подключения к внешнему источнику питания, блок питания выполнен в виде источника постоянного напряжения, при этом светоделительный кубик выполнен с ребром, длина которого составляет 14,99-15,01 мм, первый дублет, состоящий из двояковогнутой линзы и двояковыпуклой линзы, выполнен с параметрами двояковогнутой линзы, где радиус кривизны поверхности R1=-42.75, R2=30, толщина 1.2 мм, диаметр 18 мм, материал стекла ТФ2(1.67, 32.2), и параметрами двояковыпуклой линзы, где радиус кривизны поверхности R1=30, R2=-18, толщина 5 мм, диаметр 18, материал стекла ТК16(1.61, 58.1), второй дублет, состоящий из двояковыпуклой линзы и двояковогнутой линзы, выполнен с параметрами двояковыпуклой линзы, где радиус кривизны поверхности R1=18, R2=-19.54, толщина 5 мм, диаметр 18, материал стекла ТК16(1.61, 58.1), и параметрами двояковогнутой линзы, где радиус кривизны поверхности R1=-19.54, R2=-100, толщина 1.5 мм, диаметр 18, материал стекла ТФ2(1.67, 32.2), первая коллективная линза выполнена со следующими параметрами, где радиус кривизны поверхности R=14.65, толщина 0.8 мм, диаметр 13.5 мм, материал стекла ТК21(1.66, 51.1), вторая коллективная линза выполнена со следующими параметрами, где радиус кривизны поверхности R=14.26, толщина 0.8 мм, диаметр 13.5 мм, материал стекла ТК21(1.66, 51.1), при этом мультифокальный стереоскопический дисплей выполнен с возможностью оснащения регистратором изображения, причем регистратор изображения выполнен в виде 3D камеры, или в виде стереоскопической камеры, или в виде камеры с информацией о глубине.

Технический эффект заявляемого технического решения заключается в увеличении углового поля зрения до 45 градусов, повышении контрастности изображения, увеличении глубины резко отображаемого пространства, уменьшении отклонения сформированного стимула аккомодации глаза от реального не более 5%, а также в упрощении конструкции и расширении ассортимента средств данного назначения.

Заявляемый способ формирования многопланового изображения реализуется с помощью мультифокального стереоскопического дисплея, устройство которого поясняется блок-схемой, представленной на фиг. 1, где 1 - корпус, 2 - оптический канал, 3 - окуляр, 4 - первый дублет, состоящий из двояковогнутой линзы и двояковыпуклой линзы, 5 - второй дублет, состоящий из двояковыпуклой линзы и двояковогнутой линзы, 6 - светоделительный кубик, 7 - первая коллективная линза, 8 - первый микродисплей, 9 - вторая коллективная линза, 10 - второй микродисплей, 11 - блок обработки и формирования изображения, 12 - датчик системы позиционирования, 13 - контроллер, 14 - блок питания.

На фиг. 2. представлен формируемый мультифокальным стереоскопическим дисплеем стимул аккомодации человеческого глаза.

На фиг. 3 представлены изображения, полученные фотоаппаратом с одного окуляра, а) фокус фотоаппарата выставлен на 1 м, б) фокус фотоаппарата сфокусирован на бесконечность.

Заявляемый способ формирования многопланового изображения, основанный на использовании мультифокального стереоскопического дисплея, работает следующим образом. Мультифокальный стереоскопический дисплей состоит из корпуса 1, содержащего два идентичных оптических канала 2, причем один оптический канал реализован для левого глаза, другой оптический канал реализован для правого глаза соответственно.

Каждый идентичный оптический канал 2 содержит оптически связанный между собой окуляр 3, включающий в себя первый дублет 4, состоящий из двояковогнутой линзы и двояковогнутой линзы, выполненный с параметрами двояковогнутой линзы, где радиус кривизны поверхности R1=-42.75, R2=30, толщина 1.2 мм, диаметр 18 мм, материал стекла ТФ2(1.67, 32.2), и параметрами двояковогнутой линзы, где радиус кривизны поверхности R1=30, R2=-18, толщина 5 мм, диаметр 18, материал стекла ТК16(1.61, 58.1), и второй дублет 5, состоящий из двояковыпуклой линзы и двояковогнутой линзы, выполненный с параметрами двояковыпуклой линзы, где радиус кривизны поверхности R1=18, R2=-19.54, толщина 5 мм, диаметр 18, материал стекла ТК16(1.61, 58.1), и параметрами двояковогнутой линзы, где радиус кривизны поверхности R1=-19.54, R2=-100, толщина 1.5 мм, диаметр 18, материал стекла ТФ2(1.67, 32.2) и светоделительный кубик 4, выполненный с ребром, длина которого составляет 14,99-15,01 мм.

Каждый оптический канал 2 дополнительно оснащен второй коллективной линзой 9, причем первая коллективная линза 7 каждого оптического канала 2, с радиусом кривизны поверхности R=14.65, толщиной 0.8 мм, диаметром 13.5 мм, материалом стекла ТК21(1.66, 51.1), расположена между светоделительным кубиком 6 и первым микродисплеем 8, а вторая коллективная линза 9, с радиусом кривизны поверхности R=14.26, толщиной 0.8 мм, диаметром 13.5 мм, материалом стекла ТК21(1.66, 51.1), расположена между светоделительным кубиком 6 и вторым микродисплеем 10, первый микродисплей 8 установлен вдоль грани светоделительного кубика 6, которая параллельна оптической оси окуляра 3, а второй микродисплей 12 установлен вдоль грани, перпендикулярной оптической оси окуляра 3, причем микродисплеи находятся в предметной плоскости окуляра 3. Блок обработки и формирования изображения 11 осуществляет визуализацию изображения из данных подготовленных статических изображений, либо из данных динамических изображений, либо комбинацией данных статического и динамического изображения с учетом данных о позиции и ориентации корпуса в пространстве посредством датчика системы позиционирования 12. Причем динамическое изображение визуализируют из подготовленной последовательности цифровой информации, либо из последовательности цифровой информации, полученной с регистратора изображений, либо с возможностью формирования последовательности цифровой информации в трехмерном виртуальном мире. Регистратор изображения может быть использован в виде стереоскопической камеры, либо 3D камеры, либо камеры с информацией о глубине. Далее осуществляют построение по два плана временных изображений для каждого оптического канала 2. И осуществляют попиксельную обработку построенных, по крайней мере, четырех планов временных изображений по формуле:

где I(x,y) - изображение; PSFA(z) - аксиальное распределение интенсивности света; Zn, Zf - глубина планов Р1, Р2 в диоптриях; β(х,у) - относительное положение точки на интервале [ZnZf].

Кроме того, осуществляют объединение планов временных изображений в единое временное изображение, состоящее из хотя бы четырех участков, каждый из которых соответствует определенному оптического каналу и определенному плану единого временного изображения. Повышение контраста единого изображения является нормированием комбинаций с помощью специально заданных коэффициентов. В линейной комбинации изображений Р1, Р2 для пиксела, заданного в позиции (x,y), коэффициенты k1=(1-β) и k2=β. Тогда, согласно (1):

и для некоторого значения z' интенсивность I(z')=Imax, т.е. получено пиковое значение. Нормируем интенсивность (2) по Imax: I'(z)=I(z)/I(z'), или

где k1'=k1⋅I/Imax и k2'=k2⋅I/Imax. Нормированные коэффициенты k1' и k2' можно посчитать априори для известной функции аксиального распределения PSFA(z) при заданном диаметре зрачка глаза и разрешении изображения, которые и определяют допустимый интервал между планами [ZnZf] по глубине. В системе обработки изображений нелинейные функции k1' и k2' удобно хранить либо в табулированном виде, либо в виде полиномов 3-й степени. Также в результате повышения контраста единого изображения повышается линейность стимула аккомодации глаза, рис. 2, отклонения от реального не превышают 5%.

Далее планы единого временного изображения передаются через кабели HDMI формата в контроллер 13. Применение кабелей HDMI формата позволило упростить конструкцию контроллера 13, что дало уменьшение помех, повышение качества собственно изображения. Таким образом, контроллер 13 выполняют содержащим четыре выхода, где первый выход соединяют с первым микродисплеем 8 первого оптического канала, второй выход соединяют со вторым микродисплеем 10 первого оптического канала, третий выход соединяют с первым микродисплеем 8 второго оптического канала, четвертый выход соединяют со вторым микродисплеем 10 второго оптического канала. Контроллер 13 осуществляет разделение единого временного изображения на как минимум 4 отдельных участка изображения и отдельные участки изображения переформатируют в требуемый микродисплеями формат для вывода на соответствующие микродисплеи. Далее оптическое изображение на экране микродисплея комбинируется посредством грани светоделительной кубика 6 для каждого оптического канала 2. И таким образом формируется многоплановое комбинированное оптическое изображение посредством окуляра 3 для каждого оптического канала 2.

Помимо этого, корпус 1 мультифокального стереоскопического дисплея выполнен в виде оголовья, а блок питания 14 выполнен в виде источника постоянного напряжения. Также возможно подключение устройства к внешнему источнику питания.

Таким образом, для согласования дистальных стимулов глубины - конвергенции и аккомодации глаз разработан мультифокальный стереоскопический дисплей с двумя окулярами. Каждый окуляр формирует мнимые изображения двух микродисплеев, которые комбинируются с помощью светоделительного кубика. Таким образом, комбинированное объемное изображение представлено четырьмя планами изображениями, по два на каждый глаз, и обеспечивающее стереоскопическое зрение в диапазоне от 1 м до бесконечности. А также рассчитаны потери контраста и произведено их устранение, которые внесли свои изменения в формулу построения изображений для планов изображений. При использовании нелинейных коэффициентов в формуле построения планов изображений получается достичь значительного устранения провала контраста в комбинированном изображении, а также это решает проблему отклонения сформированного стимула аккомодации глаза от реального в полученном диапазоне глубины.

То, что естественному зрительному восприятию соответствует заявляемый мультифокальный стереоскопический дисплей, показано на рис. 2, формируемый дисплеем стимул аккомодации человеческого глаза (показан сплошной линией) имеет отклонение от реального стимула аккомодации (показан пунктирной линией) не более 5%.

С целью выявления соответствия дисплея естественному зрительному восприятию были проведены соответствующие эксперименты (фиг. 3). На фиг. 3а фокус фотоаппарата выставлен на 1 м, соответственно на полученной фотографии объекты, на переднем плане, резкие, а на заднем плане размыты. На фиг. 3б фокус фотоаппарата сфокусирован на бесконечность, соответственно объекты ближнего плана размыты, а объекты заднего плана имеют четкий контур. Из полученных фотографий можно сделать обоснованный вывод, что разработанный мультифокальный стереоскопический дисплей формирует стимулы аккомодации для глаза и соответствует естественному зрительному восприятию человека.

Помимо визуального комфорта, мультифокальный стереоскопический дисплей обеспечивает прямые и косвенные признаки глубины, позволяющие естественным образом оценивать расстояния и размеры предметов. Прямые признаки глубины стимулируют близкую к корректной аккомодацию глаз, их конвергенцию и стереоскопическую диспарантность. Косвенные признаки поддерживаются программным обеспечением и включают окклюзии и автоокклюзии, многовариантную перспективу, изменение контраста и градиента текстуры, двигательный параллакс и др. Заявляемое изобретение может быть использовано при разработке тренажеров нового поколения, зрительных систем дистанционного управления робототехническими средствами, роботами-манипуляторами.

Способ формирования многопланового изображения основан на комбинации двух двухмерных изображений, разнесённых по глубине вдоль зрительной оси глаза при помощи мобильного мультифокального дисплея. Указанный дисплей содержит два окуляра, которые формируют мнимые изображения. Причём указанные окуляры являются многофокусными окулярами двух планов-изображений. Технический результат заключается в увеличении углового поля зрения и глубины резкости, повышении контрастности изображения, уменьшении отклонения сформированного стимула аккомодации глаза, а также в упрощении конструкции и расширении ассортимента средств данного назначения. 2 н. и 24 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ формирования многопланового изображения, включающий в себя использование мультифокального стереоскопического дисплея, содержащего блок питания, корпус, расположенные в нем блок обработки и формирования изображения, который выполнен связанным кабелем с контроллером; два параллельных идентичных оптических канала, каждый из которых содержит оптически связанные между собой окуляр, выполненный содержащим, вдоль своей оптической оси, первый дублет, состоящий из двояковогнутой линзы и двояковыпуклой линзы, второй дублет, состоящий из двояковыпуклой линзы и двояковогнутой линзы; первую коллективную линзу; светоделительный кубик; первый микродисплей; второй микродисплей; причем первый микродисплей установлен вдоль грани светоделительного кубика, которая параллельна оптической оси окуляра, а второй микродисплей установлен вдоль грани, перпендикулярной оптической оси окуляра, микродисплеи находятся в предметной плоскости окуляра; и осуществление следующих этапов: а) подготовка статических данных для дальнейшей визуализации изображений посредством блока обработки и управления для каждого оптического канала; б) построение по два плана временных изображений для каждого из оптических каналов; в) передача планов временных изображений посредством кабелей в контроллер и переформатирование посредством последнего временных изображений в требуемый микродисплеем формат; г) получение оптического изображения на экране микродисплея; д) комбинирование двух оптических изображений посредством грани светоделительной кубика для каждого оптического канала; е) формирование многопланового комбинированного оптического изображения посредством окуляра для каждого оптического канала, отличающийся тем, что мультифокальный стереоскопический дисплей дополнительно оснащают датчиком инерциальной системы позиционирования, который выполняют отслеживающим смещение и ориентацию корпуса в пространстве; при этом каждый оптический канал дополнительно оснащают второй коллективной линзой, причем первую коллективную линзу каждого канала располагают между светоделительным кубиком и первым микродисплеем, а вторую коллективную линзу располагают между светоделительным кубиком и вторым микродисплеем, кабель выполняют в интерфейсе HDMI, контроллер выполняют содержащим четыре выхода, первый выход соединяют с первым микродисплеем первого оптического канала, второй выход соединяют со вторым микродисплеем первого оптического канала, третий выход соединяют с первым микродисплеем второго оптического канала, четвертый выход соединяют со вторым микродисплеем второго оптического канала, источник питания постоянного тока соединяют с блоком питания, который выполняют с возможностью обеспечения питанием микродисплеев и соединяют с контроллером, корпус выполняют в виде оголовья, а блок питания выполняют расположенным в оголовье, кроме того, дополнительно осуществляют визуализацию изображения либо из данных динамических изображений, либо комбинацией данных статического и динамического изображения с учетом данных о позиции и ориентации корпуса в пространстве посредством датчика системы позиционирования, попиксельную обработку построенных, по крайней мере, четырех планов временных изображений по формуле:

l(x,y,z)=l(x,y)[PSFA(z-Zn)(1-β(x,y))+PSFA(z-Zf)β(x,y)],

где l(x,y) - изображение; PSFA(z) - аксиальное распределение интенсивности света; Zn, Zf - глубина планов P1, P2 в диоптриях; β(x,y) - относительное положение точки на интервале [ZnZf], объединение планов временных изображений в единое временное изображение, состоящее из хотя бы четырех участков, каждый из которых соответствует определенному оптического каналу и определенному плану единого временного изображения, передачу единого временного изображения в контроллер посредством HDMI кабеля, разделение единого временного изображения на как минимум 4 отдельных участка изображения посредством контроллера, а отдельные участки изображения переформатируют в требуемый микродисплеями формат для вывода на соответствующие микродисплеи.

2. Способ формирования многопланового изображения по п. 1, отличающийся тем, что мультифокальный стереоскопический дисплей выполняют с возможностью подключения к внешнему источнику питания.

3. Способ формирования многопланового изображения по п. 1, отличающийся тем, что блок питания выполняют в виде источника постоянного напряжения.

4. Способ формирования многопланового изображения по п. 1, отличающийся тем, что светоделительный кубик выполняют с ребром, длина которого составляет 14,99-15,01 мм.

5. Способ формирования многопланового изображения по п. 1, отличающийся тем, что первый дублет, состоящий из двояковогнутой линзы и двояковыпуклой линзы, выполняют с параметрами двояковогнутой линзы, где радиус кривизны поверхности R1=-42.75, R2=30, толщина 1.2 мм, диаметр 18 мм, материал стекла ТФ2 (1.67, 32.2), и параметрами двояковыпуклой линзы, где радиус кривизны поверхности R1=30, R2=-18, толщина 5 мм, диаметр 18, материал стекла ТК16 (1.61, 58.1).

6. Способ формирования многопланового изображения по п. 1, отличающийся тем, что второй дублет, состоящий из двояковыпуклой линзы и двояковогнутой линзы, выполняют с параметрами двояковыпуклой линзы, где радиус кривизны поверхности R1=18, R2=-19.54, толщина 5 мм, диаметр 18, материал стекла ТК16 (1.61, 58.1), и параметрами двояковогнутой линзы, где радиус кривизны поверхности R1=-19.54, R2=-100, толщина 1.5 мм, диаметр 18, материал стекла ТФ2 (1.67, 32.2).

7. Способ формирования многопланового изображения по п. 1, отличающийся тем, что первую коллективную линзу выполняют со следующими параметрами, где радиус кривизны поверхности R=14.65, толщина 0.8 мм, диаметр 13.5 мм, материал стекла ТК21 (1.66, 51.1).

8. Способ формирования многопланового изображения по п. 1, отличающийся тем, что вторую коллективную линзу выполняют со следующими параметрами, где радиус кривизны поверхности R=14.26, толщина 0.8 мм, диаметр 13.5 мм, материал стекла ТК21 (1.66, 51.1).

9. Способ формирования многопланового изображения по п. 1, отличающийся тем, что динамическое изображение визуализируют из подготовленной последовательности цифровой информации.

10. Способ формирования многопланового изображения по п. 1, отличающийся тем, что динамическое изображение визуализируют из последовательности цифровой информации, полученной с регистратора изображений.

11. Способ формирования многопланового изображения по п. 1, отличающийся тем, что динамическое изображение выполняют с возможностью формирования последовательности цифровой информации в трехмерном виртуальном мире.

12. Способ формирования многопланового изображения по п. 10, отличающийся тем, что регистратор изображения выполняют в виде 3D камеры.

13. Способ формирования многопланового изображения по п. 10, отличающийся тем, что регистратор изображения выполняют в виде стереоскопической камеры.

14. Способ формирования многопланового изображения по п. 10, отличающийся тем, что регистратор изображения выполняют в виде камеры с информацией о глубине.

15. Мультифокальный стереоскопический дисплей, содержащий блок питания, корпус, расположенные в нем блок обработки и формирования изображения, который выполнен связанным кабелем с контроллером; два параллельных идентичных оптических канала, каждый из которых содержит оптически связанные между собой окуляр, выполненный содержащим, вдоль своей оптической оси, первый дублет, состоящий из двояковогнутой линзы и двояковыпуклой линзы, второй дублет, состоящий из двояковыпуклой линзы и двояковогнутой линзы; первую коллективную линзу; светоделительный кубик; первый микродисплей; второй микродисплей; причем первый микродисплей установлен вдоль грани светоделительного кубика, которая параллельна оптической оси окуляра, а второй микродисплей установлен вдоль грани, перпендикулярной оптической оси окуляра, микродисплеи находятся в предметной плоскости окуляра, отличающийся тем, что он дополнительно оснащен датчиком инерциальной системы позиционирования, который выполнен отслеживающим местоположение и ориентацию корпуса в пространстве, при этом каждый оптический канал дополнительно оснащен второй коллективной линзой, причем первая коллективная линза каждого канала расположена между светоделительным кубиком и первым микродисплеем, вторая коллективная линза расположена между светоделительным кубиком и вторым микродисплеем, кабель выполнен в интерфейсе HDMI, контроллер выполнен содержащим четыре выхода, причем первый выход соединен с первым микродисплеем первого оптического канала, второй выход соединен со вторым микродисплеем первого оптического канала, третий выход соединен с первым микродисплеем второго оптического канала, четвертый выход соединен со вторым микродисплеем второго оптического канала, корпус выполнен в виде оголовья, а блок питания выполнен расположенным в оголовье.

16. Мультифокальный стереоскопический дисплей по п. 15, отличающийся тем, что мультифокальный стереоскопический дисплей выполнен с возможностью подключения к внешнему источнику питания.

17. Мультифокальный стереоскопический дисплей по п. 15, отличающийся тем, что блок питания выполнен в виде источника постоянного напряжения.

18. Мультифокальный стереоскопический дисплей по п. 15, отличающийся тем, что светоделительный кубик выполнен с ребром, длина которого составляет 14,99-15,01 мм.

19. Мультифокальный стереоскопический дисплей по п. 15, отличающийся тем, что первый дублет, состоящий из двояковогнутой линзы и двояковыпуклой линзы, выполнен с параметрами двояковогнутой линзы, где радиус кривизны поверхности R1=-42.75, R2=30, толщина 1.2 мм, диаметр 18 мм, материал стекла ТФ2 (1.67, 32.2), и параметрами двояковыпуклой линзы, где радиус кривизны поверхности R1=30, R2=-18, толщина 5 мм, диаметр 18, материал стекла ТК16 (1.61, 58.1).

20. Мультифокальный стереоскопический дисплей по п. 15, отличающийся тем, что второй дублет, состоящий из двояковыпуклой линзы и двояковогнутой линзы, выполнен с параметрами двояковыпуклой линзы, где радиус кривизны поверхности R1=18, R2=-19.54, толщина 5 мм, диаметр 18, материал стекла ТК16 (1.61, 58.1), и параметрами двояковогнутой линзы, где радиус кривизны поверхности R1=-19.54, R2=-100, толщина 1.5 мм, диаметр 18, материал стекла ТФ2 (1.67, 32.2).

21. Мультифокальный стереоскопический дисплей по п. 15, отличающийся тем, что первая коллективная линза выполнена со следующими параметрами, где радиус кривизны поверхности R=14.65, толщина 0.8 мм, диаметр 13.5 мм, материал стекла ТК21 (1.66, 51.1).

22. Мультифокальный стереоскопический дисплей по п. 15, отличающийся тем, что вторая коллективная линза выполнена со следующими параметрами, где радиус кривизны поверхности R=14.26, толщина 0.8 мм, диаметр 13.5 мм, материал стекла ТК21 (1.66, 51.1).

23. Мультифокальный стереоскопический дисплей по п. 15, отличающийся тем, что мультифокальный стереоскопический дисплей выполнен с возможностью оснащения регистратором изображения.

24. Мультифокальный стереоскопический дисплей по п. 23, отличающийся тем, что регистратор изображения выполнен в виде 3D камеры.

25. Мультифокальный стереоскопический дисплей по п. 23, отличающийся тем, что регистратор изображения выполняют в виде стереоскопической камеры.

26. Мультифокальный стереоскопический дисплей по п. 23, отличающийся тем, что регистратор изображения выполняют в виде камеры с информацией о глубине.