СПОСОБ СТЕРЕОСКОПИЧЕСКОГО ОТОБРАЖЕНИЯ С ВОСПРОИЗВЕДЕНИЕМ ПАР ПОЛНОЭКРАННЫХ РАКУРСНЫХ ИЗОБРАЖЕНИЙ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2019 года по МПК G06T15/00 G02B27/22 H04N13/00 

Изобретение относится к стереоскопической видеотехнике, а точнее - к технике параллельного воспроизведения для двух пользователей (двух групп пользователей) с помощью одного и того же плоскопанельного дисплея (экрана) четырех ракурсных изображений, соответствующих двум разным трехмерным сценам, без возникновения мерцаний обоих наблюдаемых стереоизображений даже при кадровой частоте не выше 100-120 Гц, и может быть использовано, например, в стереоскопических компьютерных мониторах для обеспечения совместной игры двух пользователей, наблюдающих две разные трехмерные сцены, соответствующие двум разным ролям в игре, а также в стереоскопических телевизорах для обеспечения одновременного просмотра двумя группами зрителей двух разных стереоскопических видеопрограмм на одном и то же экране.

Известен способ [1] с последовательным воспроизведением K пар полноэкранных изображений ракурсов K трехмерных сцен, заключающийся в том, что световой поток от оптического источника с помощью скоростного матрично-адресуемого амплитудного экрана модулируют по интенсивности в K парах последовательных рабочих циклов в соответствии с величинами яркости изображений K пар полноэкранных ракурсных изображений K трехмерных сцен, при этом в k-ой паре смежных рабочих циклов последовательно открывают левое и правое окна k -х скоростных активных стереоочков, где k=1, 2, …, K.

Известный способ позволяет последовательно (с разделением во времени) сформировать стереоизображения K разных 3D сцен (каждая из которых представлена двумя полноэкранными ракурсными изображениями) для раздельного наблюдения K наблюдателями, каждый из которых снабжен активными стереоочками, содержащими пару оптических затворов (оптических модуляторов с двумя переключаемыми состояниями - открытом и закрытом). Недостатком известного способа является необходимость использования высокоскоростных формирователей изображения и высокоскоростных активных стереоочков для недопущения мерцаний при просмотре стереоизображений 3D сцен. Поскольку пороговая частота заметности мерцаний наблюдаемого стереоизображения при его нормальной яркости (частота поступления светового потока ракурсного изображения в каждый глаз наблюдателя) составляет около 60 Гц, то, например, для независимого наблюдения без возникновения мерцаний двух разных трехмерных (3D) сцен двумя наблюдателями требуется последовательно воспроизвести четыре полноэкранных ракурсных изображения при кадровой частоте F≥2K⋅60 Гц, и требуемая кадровая частота составляет не менее 240 Гц при K=2 (при двух параллельно наблюдаемых 3D сценах).

Однако на существующем уровне техники стандартные амплитудные экраны (дисплеи), например, выпускаемые промышленностью жидкокристаллические (ЖК) мониторы, которые предназначены для стереоскопического отображения (stereo-ready) с последовательным воспроизведением ракурсных изображений 3D сцен при наблюдении с помощью активных стереоочков, характеризуются максимальной кадровой частотой (частотой полного обновления информации на экране) 100-120 Гц. При этом заявленные производителями ряда существующих телевизоров рабочие частоты 240-480 Гц не позволяют воспроизводить подобными телевизорами стереоизображений со столь высокой кадровой частотой, поскольку заявленные величины частот относятся только к методам снижения мерцаний наблюдаемых моноскопических изображений за счет прерывания светового потока подсветки экрана с данной частотой.

Наиболее близкими по технической сущности (прототипами) к заявляемым техническим решениям являются известный стереоскопический способ [2] с параллельным воспроизведением пар полноэкранных ракурсных изображений 3D сцен и известное устройство для его осуществления [2].

Известный способ заключается в том, что каждом рабочем цикле в mn-м пикселе матрично-адресуемого по М строкам и N столбцам амплитудно-поляризационного экрана модулируют интенсивность светового потока в соответствии с суммой величин яркости + пары mn-х элементов (m=1, 2, …, M; n=1, 2, …, N) первого (леворакурсного L) и второго (праворакурсного R) изображений 3D сцены, кодируют поляризацию светового потока в соответствии с отношением величин яркости /, и осуществляют поляризационное декодирование светового потока с помощью по меньшей мере одних пассивных поляризационных стереоочков, в двух (левом и правом) окнах которых находятся два пассивных поляризационных фильтра с взаимно ортогональными (комплементарными) свойствами поляризационной фильтрации, получая в соответствующих окнах наблюдения (для левого и правого глаз наблюдателя) одновременно первый и второй парциальные световые потоки с пространственными распределениями величин интенсивности, соответствующими величинам яркости исоответственно.

Соответствующее известное стереоскопическое устройство содержит источник стереовидеосигнала, функциональный блок и последовательно оптически связанные источник светового потока, матрично-адресуемый по М строкам и N столбцам амплитудно-поляризационный экран и пассивные поляризационные стереоочки, содержащие в двух окнах наблюдения два поляризационных фильтра с взаимно ортогональными свойствами поляризационной фильтрации, при этом информационный выход источника стереовидеосигнала соединен с входом функционального блока, выходы суммирующей и делительной секций которого подключены к электронным входам амплитудной и поляризационной секций амплитудно-поляризационного экрана, причем входом функционального блока являются соединенные вместе входы его суммирующей и делительной секций.

Достоинством данных известных технических решений является одновременное (параллельное) формирование пары полноэкранных ракурсных изображений 3D сцены, что обеспечивает отсутствие заметных для зрительной системы человека мерцаний наблюдаемого стереоизображения за счет поступления в каждый глаз наблюдателя соответствующего ракурсного изображения с частотой 60 Гц (кадровой частотой следования пар ракурсных изображений).

Недостатком известных технических решений являются недостаточные функциональные возможности, состоящие в невозможности параллельного получения стереоизображений двух разных 3D сцен для двух наблюдателей без мерцаний с использованием одного и того же экрана.

Задачей изобретения является расширение функциональных возможностей способа и устройства.

Поставленная задача в стереоскопическом способе с воспроизведением пар полноэкранных ракурсных изображений 3D сцен, заключающемся в том, что в каждом рабочем цикле в mn-м пикселе матрично-адресуемого амплитудно-поляризационного экрана модулируют интенсивность светового потока в соответствии с суммой величин яркости по меньшей мере одной пары mn-х элементов двух ракурсных изображений 3D сцен, кодируют поляризацию светового потока в соответствии с отношением величин яркости по меньшей мере одной пары mn-х элементов двух ракурсных изображений 3D сцен, и с помощью по меньшей мере одной пары поляризационных декодеров с взаимно комплементарными свойствами поляризационной фильтрации осуществляют поляризационное декодирование светового потока по меньшей мере в одной паре окон наблюдения, выделяя пару парциальных световых потоков с величинами интенсивности, равными величинам яркости пары mn-х элементов ракурсных изображений 3D сцен, решается тем, что, каждый рабочий цикл разбивают на два последовательных такта, за общее время которых интенсивность светового потока модулируют в соответствии с суммой величин яркости двух пар mn-х элементов ракурсных изображений двух разных 3D сцен, поляризацию светового потока кодируют в соответствии с отношением величин яркости двух пар mn-х элементов ракурсных изображений двух разных 3D сцен, и, открывая в каждом такте одну из пар поляризационно-декодирующих оптических затворов с взаимно-комплементарными свойствами поляризационной фильтрации на их оптических входах, выделяют за время двух тактов в первой и второй парах окон наблюдения первую и вторую пары mn-х элементов парциальных световых потоков с величинами интенсивности, равными величинам яркости первой и второй пар mn-х элементов ракурсных изображений первой и второй разных трехмерных сцен.

В предпочтительном частном варианте осуществления способа взаимно комплементарные свойства поляризационной фильтрации соответствуют взаимно ортогональным направлениям линейно-поляризационной фильтрации.

Поставленная задача в устройстве с воспроизведением пар полноэкранных ракурсных изображений 3D сцен, содержащем источник стереовидеосигнала, функциональный блок и последовательно оптически связанные источник светового потока, матрично адресуемый по М строкам и N столбцам амплитудно-поляризационный экран, и по крайней мере одну пару поляризационных декодеров с взаимно комплементарными свойствами поляризационной фильтрации, выходы которых оптически сопряжены с двумя окнами наблюдения, при этом информационный выход источника стереовидеосигнала соединен с входом функционального блока, выходы суммирующей и делительной секций которого подключены к электронным входам амплитудной и поляризационной секций амплитудно-поляризационного экрана, причем входом функционального блока являются соединенные вместе входы его суммирующей и делительной секций, решается тем, что, поляризационные декодеры выполнены в виде по меньшей мере двух пар поляризационно-декодирующих оптических затворов, снабженных блоками управления на своих электронных входах и поляризационными фильтрами на своих оптических входах, при этом первой и второй паре поляризационно-декодирующих оптических затворов соответствуют первая и вторая пара окон наблюдения стереоизображений соответственно первой и второй трехмерных сцен, а источник стереовидеосигнала выполнен с выходом синхронизации, подключенным к входу синхронизации блоков управления поляризационно-декодирующих оптических затворов.

В предпочтительном примере конкретного выполнения матрично-адресуемый амплитудно-поляризационный экран выполнен в виде последовательно расположенных матрично-адресуемых амплитудного сумматора изображений и поляризационного кодировщика отношения изображений.

В одном примере конкретного выполнения поляризационно-кодирующие оптические затворы в обеих парах выполнены в виде поляризационно-декодирующих жидкокристаллических (ЖК) затворов, снабженных линейными входными поляризаторами с одинаковыми направлениями осей поляризации в каждой паре и с взаимно ортогональными направлениями осей поляризации между двумя парами.

В другом примере конкретного выполнения оптические затворы поляризационно-декодирующих оптических затворов в обеих парах выполнены в виде ЖК поляризационно-декодирующих затворов, снабженных линейными входными поляризаторами с взаимно ортогональными направлениями осей поляризации в каждой паре и с взаимно ортогональными направлениями осей поляризации между поляризационно-декодирующими ЖК затворами разных пар.

В первом примере конкретного выполнения первый и второй поляризационно-декодирующие ЖК затворы в каждой паре выполнены с первым и вторым раздельными ЖК слоями, снабженными первым и вторым прозрачными адресными электродами, апертуры которых равны апертурам первой и второй зон сепарации ракурсных изображений.

Во втором примере конкретного выполнения поляризационно-декодирующие ЖК затворы в каждой паре выполнены с общим ЖК слоем, снабженным первым и вторым смежными адресными прозрачными электродами, апертуры которых соответствуют первой и второй зонам сепарации ракурсных изображений.

Во частном варианте выполнения устройства блок управления выполнен с позиционным сенсором, ЖК затворы в каждой паре выполнены с общим ЖК слоем, снабженным рядом смежных столбцовых адресных прозрачных электродов, суммарная апертура которых равна общей апертуре двух зон сепарации, а период расположения столбцовых прозрачных электродов равен шагу позиционирования вертикальной границы между двумя зонами сепарации.

Поставленная задача решается в способе и устройстве за счет воспроизведения стереоизображений двух разных 3D сцен с их раздельным наблюдением по меньшей мере двумя пользователями (двумя группами пользователей) при отсутствии мерцаний стереоизображений при кадровой частоте не более 100-120 Гц. Выделение двух пар ракурсных изображений первой и второй 3D сцен соответственно в первой и второй парах окон наблюдения осуществляется с помощью двух соответствующих пар активных поляризационных декодеров (поляризационно-декодирующих ЖК затворов), открываемых в двух разных комбинациях в двух последовательных тактах (кадрах).

Раздельное выполнение ЖК затворов в каждой паре (с раздельными ЖК слоями) соответствует использованию активных стереоочков (зрительного приспособления, крепящегося к лицу наблюдателя).

Совместное выполнение пары ЖК затворов с общим ЖК слоем, снабженным парой смежных адресных прозрачных электродов, соответствует использованию активныого дистанционного бинокулярныого фильтра (АДБФ), который не крепится (в отличие от стереоочков) на лице наблюдателя, а позволяет наблюдать стереоизображение сквозь свою апертуру с двумя зонами сепарации, расположенную на некотором расстоянии от лица пользователя. При этом обеспечивается комфорт наблюдения за счет отсутствия механической нагрузки на лицо наблюдателя.

При фиксированном расположении вертикальной границы между двумя зонами сепарации в апертуре АДБФ область наблюдения стереоизображений ограничивается допустимой величиной отклонения средней линии между двумя глазами пользователя относительной фиксированной вертикальной границы между двумя зонами сепарации (определяемой по критерию допустимых перекрестных помех на краях наблюдаемых ракурсных изображений).

В предпочтительном частном варианте устройства, в котором каждая пара ЖК затворов выполнена с общим ЖК слоем, снабженным рядом смежных столбцовых адресных прозрачных электродов, а блок управления выполнен с позиционным сенсором, обеспечивается дополнительный технический результат - расширение области наблюдения стереоизображений по горизонтали за счет отслеживания положения центров окон наблюдения (положения центров зрачков глаз наблюдателя) с помощью позиционного сенсора, и соответствующим сдвигом вертикальной границы между двумя зонами сепарации ДБФ синхронно с горизонтальным перемещением глаз наблюдателя, поддерживая тем самым положение вертикальной границы строго посередине между двумя окнами наблюдения (между центрами зрачков глаз), что обеспечивает максимальное расширение по горизонтали области наблюдения стереоизображения без появления перекрестных помех между конами наблюдения.

Осуществление изобретения поясняется с помощью чертежей, на которых представлены:

Фиг. 1 - оптическая схема устройства для осуществления способа.

Фиг. 2 - пара активных стереоочков двух видов в качестве поляризационных декодеров ракурсных изображений.

Фиг. 3 - оптические схемы активных стереоочков двух видов для первого примера конкретного выполнения первого частного варианта выполнения устройства.

Фиг. 4 - оптические схемы активных стереоочков двух видов для второго примера конкретного выполнения первого частного варианта выполнения устройства.

Фиг. 5 - элементарная ЖК ячейка ЖК затворов активных стереоочков каждого вида.

Фиг. 6 - оптические схемы активных бинокулярных фильтров двух видов с фиксированной границей между двумя областями декодирования.

Фиг. 7 - элементарная ЖК ячейка пары ЖК затворов активных бинокулярных фильтров обоих видов с фиксированной границей между двумя зонами сепарации.

Фиг. 8 - оптические схемы активных бинокулярных фильтров двух видов с вертикальной границей между двумя зонами сепарации, имеющей возможность горизонтального перемещения.

Фиг. 9 - элементарная ЖК ячейка пары ЖК затворов активных бинокулярных фильтров обоих видов с вертикальной границей между двумя зонами сепарации, имеющей возможность горизонтального перемещения.

Фиг. 10-11 - иллюстрация осуществления способа.

Фиг. 12-14 - иллюстрация работы первого примера конкретного выполнения первого частного варианта устройства.

Фиг. 15-17 - иллюстрация работы второго примера конкретного выполнения первого частного варианта устройства.

Фиг. 18-20 - иллюстрация работы второго частного варианта устройства.

Фиг. 21, 22 - иллюстрация работы третьего частного варианта устройства.

Устройство (фиг. 1) содержит источник 1 стереовидеосигнала, функциональный блок 2, блок 3 управления и последовательно оптически связанные источник 4 светового потока, матрично-адресуемый по М строкам и N столбцам амплитудно-поляризационный экран, содержащий последовательно расположенный матрично-адресуемый амплитудный сумматор изображений (АСИ) 5 и матрично-адресуемый поляризационный кодировщик отношения изображений (ПКОИ) 6, выход которого связан с оптическими входами двух пар поляризационно-декодирующих оптических затворов 7₁, 7₂ и 8₁, 8₂. Первая пара поляризационно-декодирующих оптических затворов 7₁, 7₂ включает в себя по меньшей мере один входной поляризационный фильтр 9 и по меньшей мере один электрооптический слой 10. Два выхода первой пары поляризационно-декодирующих оптических затворов 7₁, 7₂ (составляющих пару выходов двух зон сепарации ракурсных изображений первой 3D сцены) оптически сопряжены с первой парой окон наблюдения (левым и правым окнами наблюдения), оптически связанные с зрачками левого и правого глаз первого наблюдателя. Вторая пара поляризационно-декодирующих оптических затворов 8₁, 8₂ включает в себя по меньшей мере один поляризационный фильтр 11 и по меньшей мере один электрооптический слой 12. Два выхода второй пары поляризационно-декодирующих оптических затворов 8₁, 8₂ (составляющих пару выходов двух зон сепарации ракурсных изображений второй 3D сцены) оптически сопряжены с второй парой окон наблюдения (левым и правым окнами наблюдения), которые оптически связаны с зрачками левого и правого глаз второго наблюдателя. Выход суммирующей секции 2₁ и выход делительной секции 2₂ функционального блока 2 подключены к электронным входам АСИ 5 и ПКОИ 6 соответственно. Соединенные вместе входы суммирующей секции 2₁ и делительной секции 2₂ функционального блока 2 подключены к информационному выходу источника 1 стереовидеосигнала, выход синхронизации которого подключен к входу блока 3 управления, выходы которого подключены к входам управления первой и второй пар оптических затворов 7₁, 7₂ и 8₁, 8₂.

В первом частном варианте устройства (фиг. 2) первая и вторая пары раздельных поляризационно-декодирующих оптических затворов 13₁, 13₂ и 14₁, 14₂ находятся в окнах активных стереоочков (АСО) 15 и 16 соответственно первого и второго видов, предназначенных для наблюдения стереоизображений первой и второй 3D сцен соответственно. Входы управления пар поляризационно-декодирующих оптических затворов 13₁, 13₂ и 14₁, 14₂ соответствуют входам управления АСО 15 и 16. В первом конкретном варианте выполнения первого частного варианта устройства (фиг. 3) первая пара поляризационно-декодирующих оптических затворов 13₁, 13₂ в АСО 15 выполнена в виде первой пары 17 раздельных поляризационно-декодирующих жидкокристаллических (ЖК) затворов 17₁ и 17₂, содержащих раздельные входные линейные поляризаторы 18₁, 18₂, раздельные ЖК слои 19₁, 19₂ и раздельные выходные поляризаторы 20₁, 20₂, а вторая пара поляризационно-декодирующих оптических затворов 14₁, 14₂ в АСО 16 выполнена в виде второй пары 21 раздельных поляризационно-декодирующих ЖК затворов 21₁ и 21₂, содержащих раздельные входные линейные поляризаторы 22₁, 22₂, раздельные ЖК слои 23₁, 23₂ и раздельные выходные линейные поляризаторы 24₁, 24₂. Направления осей поляризации всех линейных поляризаторов показаны стрелками. Входные линейные входные поляризаторы в каждой паре 17, 21 поляризационно-декодирующих ЖК затворов имеют одинаковое направление поляризации: горизонтальное направление в входных линейных поляризаторах 18₁, 18₂ и вертикальное направление в входных линейных поляризаторах 22₁, 22₂, т.е. оси поляризации взаимно ортогональны для первой и второй пар входных линейных поляризаторов 18₁, 18₂ и 22₁, 22₂, соответствующих первой 17 и второй 21 парам ЖК затворов. Выходы электронных модулей 3₁ и 3₂ блока 3 управления соединены с электронными входами пар 17 и 21 ЖК затворов.

Во втором конкретном примере выполнения первого частного варианта устройства (фиг. 4) первая пара раздельных поляризационно-декодирующих ЖК затворов содержит раздельные входные линейные поляризаторы 25₁, 25₂, раздельные ЖК слои 26₁, 26₂ и раздельные выходные линейные поляризаторы 27₁, 27₂, а вторая пара раздельных поляризационно-декодирующих ЖК затворов содержит раздельные входные линейные поляризаторы 28₁, 28₂, раздельные ЖК слои 29₁, 29₂ и раздельные выходные поляризаторы 30₁, 30₂. Входные линейные входные поляризаторы в каждой паре поляризационно-декодирующих ЖК затворов имеют взаимно ортогональное направление поляризации: горизонтальное направление в входном линейном поляризаторе 23₁ и вертикальное направление во входном линейном поляризаторе 23₂ для первой пары поляризационно-декодирующих ЖК затворов и, соответственно, вертикальное направление в входном линейном поляризаторе 28₁ и горизонтальное направление в входном линейном поляризаторе 28₂ для второй пары поляризационно-декодирующих ЖК затворов.

Электронным входом (входом управления) управления каждого из раздельных поляризационно-декодирующих ЖК затворов 19₁, 19₂, 23₁, 23₂, 26₁, 26₂, 29₁, 29₂ является электрический вход соответствующего адресного прозрачного электрода, иллюстрируемого на фиг. 5 фрагментом 31 адресного прозрачного электрода (с электрическим входом 32), примыкающего к одной из сторон ЖК слоя 33 элементарной одиночной ЖК ячейки (входящей в состав каждого из раздельных поляризационно-декодирующих ЖК затворов 19₁, 19₂, 23₁, 23₂, 26₁, 26₂, 29₁, 29₂). С противоположной стороны ЖК слоя 33 находится прозрачный общий электрод 34, соединенный с общим проводом («землей») блока 3 управления.

Во втором частном варианте устройства (фиг. 6) первая пара поляризационно-декодирующих оптических затворов 7₁ и 7₂ выполнена в виде первой пары поляризационно-декодирующих ЖК затворов, образующих активный дистанционный бинокулярный фильтр (АДБФ) 35 первого вида (для наблюдения первой 3D сцены), содержащий входной сплошной (общий для обоих из пары 35 поляризационно-декодирующих ЖК затворов) входной линейный поляризатор 36, сплошной ЖК слой 37 с двумя зонами 37₁ и 37₂ сепарации ракурсных изображений (с фиксированным положением вертикальной границы 37_Г между ними) и выходной сплошной линейный поляризатор 38. Вторая пара поляризационно-декодирующих оптических затворов 8₁ и 8₂ выполнена в виде второй пары поляризационно-декодирующих ЖК затворов, образующих АДБФ 39 второго вида (для наблюдения второй 3D сцены), содержащий сплошной входной линейный поляризатор 40, сплошной ЖК слой 41 с двумя зонами 41₁ и 41₂ сепарации ракурсных изображений (с фиксированным положением вертикальной границы 41_Г между ними) и выходной сплошной линейный поляризатор 42. Входом управления каждого из АКДБФ 35, 39 является пара электрических входов 43 и 44 (фиг. 7); электрически адресуемый элементарный ЖК слой 45 имеет пару 46 адресных прозрачных электродов 46₁ и 46₂ (с вертикальной границей 46_Г между ними), которые примыкают к элементарному ЖК слою 45 с одной стороны, с противоположной стороны которого расположен общий прозрачный электрод 47 с электрическим входом 48, соединенным с общим проводом. Общая ширина пары зон сепарации ракурсных изображений каждого из АКДБФ 35, 39 равна суммарной ширине двух смежных прозрачных адресных электродов 41₁, 41₂ с фиксированным положением вертикальной границы 41_Г.

В третьем частном варианте устройства (фиг. 8) первая пара поляризационно-декодирующих оптических затворов 7₁ и 7₂ выполнена в виде пары поляризационно-декодирующих ЖК затворов, образующих АДБФ 49 первого вида (для наблюдения первой 3D сцены), содержащий входной сплошной входной линейный поляризатор 50, сплошной ЖК слой 51 с двумя зонами 51₁ и 51₂ сепарации (вертикальная граница 51_Г между которыми имеет возможность горизонтального перемещения) и выходной сплошной линейный поляризатор 52. Выход позиционного сенсора 53 (обеспечивающего слежение за горизонтальным положением центров зрачков глаз и первого наблюдателя) соединен с первым входом позиционирования модуля 3₃ блока 3 управления. Вторая пара поляризационно-декодирующих оптических затворов 8₁ и 8₂ выполнена в виде пары поляризационно-декодирующих ЖК затворов, образующих АДБФ 54 второго вида (для наблюдения второй 3D сцены), содержащий входной сплошной входной линейный поляризатор 55, сплошной ЖК слой 56 с двумя зонами 56₁ и 56₂ сепарации (вертикальная граница 56_Г между которыми имеет возможность горизонтального перемещения) и выходной сплошной линейный поляризатор 57. Выход позиционного сенсора 58 (предназначенный для слежения за горизонтальным положением центров зрачков глаз и второго наблюдателя) соединен с вторым входом позиционирования модуля 3₃ блока 3 управления.

Входом управления каждого из АДБФ 49, 54 является пара электрических входов 58 и 59 (фиг. 9), электрически адресуемый элементарный ЖК слой 60 которых имеет две группы 60₁ и 60₂ адресных прозрачных электродов, которые примыкают к элементарному ЖК слою 60 с одной его стороны, с противоположной стороны которого расположен общий прозрачный электрод 61 с электрическим входом 62, соединенным с общим проводом. Общая ширина пары зон сепарации каждого из АДБФ 49, 54 равна суммарной ширине двух групп 60₁ и 60₂ смежных прозрачных адресных электродов с вертикальной границей 60_Г между ними. Конкретное положение вертикальной границы 60_Г задано границей между двумя разными состояниями ЖК слоя 60, соответствующей границе между двумя группами 60₁ и 60₂ столбцовых адресных прозрачных электродов, находящихся под двумя разными (с высоким и низким значениями, соответствующими фазовому сдвигу взаимно комплементарными) величинами электрических потенциалов управления, поступающих с двух соответствующих подгрупп выходов блока управления 3₃. Ширина каждого из вертикальных столбцовых прозрачных адресных электродов задает минимальный шаг горизонтального сдвига вертикальной границы 60_Г.

В общем случае устройство содержит g АСО 15 или g АКДБ 32, 49, которым соответствуют пары , , окон наблюдения, относящиеся к группе I (предназначенные для наблюдения стереоизображений 3D сцены I), и h АСО 16 или АКДБ 39, 54, которым соответствуют пары , окон наблюдения, относящиеся к группе II (предназначенной для наблюдения стереоизображений 3D сцены II), где g и h – любые целые числа.

Способ осуществляется при работе устройства следующим образом. Стереоскопический видеосигнал в каждом такте (кадре) поступает от источника 1 стереовидеосигнала (фиг. 1) на входы суммирующей секции 2₁ и делительной секции 2₂ функционального блока 2, с выходов которых преобразованный видеосигнал поступает на электронные входы амплитудно-поляризационного экрана, содержащего АСИ 5 и ПКОИ 6. В течение длительности T_odd нечетного такта (кадра) световой поток, получаемый от оптического источника 4, в mn-м пикселе (m = 1, 2, …, M; n = 1, 2, …, N) АСИ 5 амплитудно-поляризационного экрана модулируется по интенсивности в соответствии с суммой величин яркости mn-го элемента леворакурсного изображения первой 3D сцены (далее - 3D сцены I) и mn-го элемента праворакурсного изображения второй 3D сцены (далее - 3D сцены II)

= +=+ (1)

Сумма величин яркости + вычисляется в суммирующей секции 2₁ функционального блока 2. Величина общей интенсивности равна суммарной интенсивности + двух парциальных световых потоков, которые сформируются соответственно в левом окне наблюдения, относящегося к первой группе (группе I) и в правом окне наблюдения, относящемся к второй группе (группе II). Далее в течение времени T_odd того же нечетного такта (кадра) в mn-м пикселе ПКОИ 6 амплитудно-поляризационного экрана осуществляют поляризационное кодирование светового потока в соответствии с соотношением

/=/. (2)

Для выполнения соотношения (2) соответствующая функция Φ поляризационного кодирования вычисляется в делительной секции 2₂ функционального блока 2 с получением соответствующей формы электронного делительного информационного сигнала. Вид выполняемых математических операций зависит от физической формы реализации поляризационного кодирования.

Далее осуществляется поляризационное декодирование парциальных световых потоков светового потока с помощью группы I и группы II поляризационно-декодирующих оптических затворов с выделением в группе I и группе II окон наблюдения первого и второго парциальных световых потоков

=; = (3)

Соотношение (3) математически следует из совместного выполнения соотношений (1) и (2) и физически означает, что величины интенсивности света и в окнах и наблюдения соответствуют величинам яркости ракурсных изображений и .

В течение времени T_even последующего четного такта (кадра) интенсивность в mn-м пикселе АСИ 5 амплитудно-поляризационного экрана модулируют в соответствии с суммой величин яркости mn-го элемента леворакурсного изображения 3D сцены II и mn-го элемента праворакурсного изображения 3D сцены I

= +=+, (4)

где величина общей интенсивности равна суммарной интенсивности двух парциальных световых потоков и , которые сформируются соответственно в левом окне наблюдения из группы II и в правом окне наблюдения из группы I . Далее в течение времени T_even того же четного кадра в mn-м пикселе ПКОИ 6 амплитудно-поляризационного экрана осуществляют поляризационное кодирование светового потока в соответствии с соотношением

/=/ (5)

c последующим поляризационным декодированием светового потока с помощью группы I и группы II поляризационно-декодирующих оптических затворов с выделением в группе I и группе II окон наблюдения первого и второго парциальных световых потоков, соответствующих выражению

= ; =, (6)

означающего, что величины интенсивности света и в окнах и наблюдения соответствуют величинам яркости ракурсных изображений и .

За время общей длительности нечетного и четного тактов (кадров) T_odd + T_even выполняются соотношения (3) и (6), означающие, что в окнах , наблюдения из группы I формируются ракурсные изображения mn-х элементов и (для наблюдения стереоизображения 3D сцены I), а в окнах , наблюдения из группы II формируются ракурсные изображения mn-х элементов и (для наблюдения стереоизображения 3D сцены II).

Физические условия выполнения соотношений (2) и (5) обеспечиваются за счет использования соответствующей функции Φ поляризационного кодирования, определяющей форму амплитуды делительного электронного информационного сигнала на выходе делительной секции 2₂ функционального блока 2. Например, для поляризационного кодирования света в mn-м пикселе ПКОИ 6 за счет изменения величины фазового сдвига Δ между обыкновенным и необыкновенным лучами в двупреломляющем слое электрооптического рабочего вещества ПКОИ 6 на электронный вход mn-го пикселя ПКОИ 6 подают в течение времени T_odd электронный сигнал вида ≈ , а в течение времени T_even - вида ≈ следующих видов

; . (7)

Условия (7) соответствуют решениям [2] обобщенного уравнения эллиптической поляризации света для граничных условий, заданных выражениями (2) и (5). При этом с учетом выражений (1), (4) световой поток на выходе mn-го пикселя ПКОИ 6 имеет кодированную эллиптическую поляризацию (фиг. 10, 11), и справедливы следующие соотношения для амплитуд света

(8)

где:

и – амплитуды электрического вектора световой волны, выходящего из mn-го пикселя амплитудно-поляризационного экрана в течение времен T_odd и T_even соответственно,

, и , - проекции амплитуды электрического вектора световой волны на координаты x и y в течение времен T_odd и T_even соответственно,

,, , - проекции амплитуд электрического вектора световой волны на направления поляризационного анализа, выполняемого входными линейными поляризаторами поляризационно-декодирующих оптических затворов АСО 15 и 16 или АДБФ 49 и 54, соответствующих парам окон , и , наблюдения.

Поляризационное декодирование иллюстрируется фиг. 10, 11 действием пары линейных поляризаторов 63 и 64 с взаимно ортогональными осями линейного поляризационного анализа.

При осуществлении способа в процессе работы устройства поляризационное декодирование осуществляется с помощью пар раздельных входных линейных поляризаторов 18₁ и 18₂, 22₁ и 22₂, 25₁ и 25₂, 28₁ и 28₂, которыми снабжены соответствующие пары раздельных поляризационно-декодирующих ЖК затворов в АСО 15, 16, или с помощью сплошных линейных поляризаторов 36, 40, 50, 55, которыми снабжены совмещенные (с общим ЖК слоем) пары ЖК поляризационно-декодирующих ЖК затворов в АДБФ 35, 39, 49, 54. При этом временная сепарация пар изображений ракурсов 3D сцен I и II между первой I и второй II парами окон наблюдения , и , , а также взаимная сепарация изображений левого и правого ракурсов между окнами наблюдения в каждой из этих пар осуществляется за счет переключения каждого из поляризационно-декодирующих ЖК затворов между открытым и закрытым состояниями в двух последовательных тактах осуществления способа (работы устройства).

Примеры различных комбинаций воспроизведения изображений ракурсов 3D сцен в нечетных и четных тактах (кадрах) при осуществлении способа и работе устройства представлены в Табл. 1. Стрелками обозначены направления линейной поляризации светового потока, в которых представлены mn-е элементы ракурсных изображений.

Таблица 1. Примеры комбинаций воспроизведения ракурсных изображений

Комбинация 1 Комбинация 2 Комбинация 3 Комбинация 4 Комбинация 5 T_odd T_even

На примере комбинации 1 воспроизведения ракурсных изображений рассмотрим осуществление способа при работе первого частного варианта устройства для первого конкретного примера выполнения раздельных поляризационно-кодирующих ЖК затворов (фиг. 12-14). В течение времени нечетного T_odd и времени четного T_even циклов (кадров) воспроизводятся соответственно пары изображений , и , , соответствующие двум (x- и y-) проекциям электрического вектора света (фиг. 12) для общего модулированного по интенсивности и по поляризации светового потока, поступающего на оптические входы пары 17₁, 17₂ и пары 21₁ и 21₂ раздельных поляризационно-декодирующих оптических затворов (в составе АСО 15 и 16), относящихся к первой I и второй II группам соответственно. Состояния раздельных поляризационно-декодирующих оптических затворов для нечетного T_odd и четного T_even циклов представлены на фиг. 13 и фиг. 14 соответственно. В течение времени T_odd нечетного цикла ЖК затворы 17₁ и 21₂ закрыты (фиг. 13), поскольку ЖК слои 19₁ и 23₂ не влияют на состояние поляризации проходящего света (что условно обозначено черными прямоугольниками для этих ЖК слоев), поэтому свет не проходит через скрещенные линейные поляризаторы 18₁, 20₁ и 22₂, 24₂, в то время как ЖК затворы 17₂ и 21₁ открыты, поскольку ЖК слои 19₂ и 23₁ поворачивают вектор линейной поляризации света на 90⁰ (что условно обозначено светлыми прямоугольниками), пропуская световые потоки в соответствии с выражением (3) через скрещенные поляризаторы 18₂, 20₂ и 22₁, 24₁. Закрытие каждого из ЖК затворов стереоочков осуществляется за счет подачи высокого уровня управляющего напряжения через общий 34 и адресный 31 прозрачные электроды (фиг. 5) на элементарный ЖК слой 33. На элементарном ЖК слое 33 при этом создается высокий уровень напряженности электрического поля, ориентирующий ЖК молекулы вдоль направления силовых линий электрического поля (ортогонально плоскости ЖК слоя 33), что вызывает отсутствие действия ЖК слоя на поляризацию проходящего света (поскольку при направлении распространения света вдоль ЖК молекул отсутствует двупреломление ЖК слоя). При низком уровне управляющего напряжения (для открытых ЖК затворов) ориентация ЖК молекул соответствует повороту вектора поляризации света на 90⁰. В течение времени T_even четного цикла открытые и закрытые ЖК затворы меняются местами (фиг. 14), пропуская световые потоки в соответствии с выражением (6).

Осуществление способа при работе первого частного варианта устройства для второго конкретного примера выполнения раздельных поляризационно-кодирующих ЖК затворов иллюстрируется фиг. 15-17 на примере комбинации 2 (из табл. 1) воспроизведения ракурсных изображений.

В итоге за общее время двух циклов каждый наблюдатель, использующий стереоочки 15 первого вида, воспримет стереоизображение 3D сцены I, а каждый наблюдатель использующий стереоочки 16 второго вида, воспримет стереоизображение 3D сцены II.

Осуществление способа при работе второго частного варианта устройства для первого конкретного примера выполнения поляризационно-кодирующих ЖК затворов 32, 39 (с фиксированными вертикальными границами между двумя зонами сепарации) иллюстрируется фиг. 18-20. Закрытие (открытие) каждой из двух зон сепарации любого из ЖК затворов в АДБФ 35, 39 осуществляется за счет подачи на ЖК слой 45 (фиг. 7) высокого уровня управляющего напряжения относительно общего прозрачного электрода 47 на один из двух адресных прозрачных электродов 46₁, 46₂.

Осуществление способа при работе третьего частного варианта устройства для первого конкретного примера выполнения поляризационно-кодирующих ЖК затворов 49, 54 (с вертикальными границами 51_Г, 56_Г между двумя зонами сепарации, имеющими возможность горизонтального сдвига) иллюстрируется фиг. 21, 22. В итоге за общее время двух циклов каждый наблюдатель, использующий АДБФ 35, 49 первого вида, воспримет стереоизображение 3D сцены I, а каждый наблюдатель использующий АДБФ 39, 54 второго вида, воспримет стереоизображение 3D сцены II. При этом горизонтальный сдвиг вертикальных границ 51_Г, 56_Г в каждом из АДБФ 49, 54 в соответствии с изменением горизонтального положения центров глаз соответствующего наблюдателя (определяемым осями О_I и О_II симметрии между центрами глаз первого и второго наблюдателя) обеспечивает широкую область наблюдения стереоизображений для каждого из наблюдателей независимо. Закрытие каждой из двух областей любого из ЖК затворов в АДБФ 49, 54 осуществляется за счет подачи на ЖК слой 60 высокого уровня управляющего напряжения относительно общего прозрачного электрода 61 (фиг. 9) на одну из подгрупп (58 или 59) столбцовых адресных прозрачных электродов.

В итоге осуществлении способа с кадровой частотой 100 Гц или 120 Гц чередования нечетного и четного тактов (кадров) обеспечивает параллельное наблюдение двух разных 3D сцен I и II двумя группами пользователями в двух соответствующих группах I и II окон наблюдения без возникновения мерцаний у каждого из двух наблюдаемых стереоизображений (поскольку частота поступления изображений в каждый глаз наблюдателя составляет соответственно 50 Гц и 60 Гц, что гораздо выше критической частоты 30 Гц возникновения мерцаний изображений для зрительной системы человека).

В общем случае входные поляризаторы ЖК затворов могут быть любыми с двумя взаимно комплементарными (ортогональными) состояниями поляризации для разных областей декодирования активных пространственных декодеров, относящихся к одной группе и к разным группам. Например, входные поляризаторы ЖК затворов могут быть выполнены в виде право- и левоциркулярных поляризаторов, в то время как на выходе ПКОИ 6 изображений формируется право- и левоциркулярный свет.

Источник 4 светового потока и АСИ 5 изображений могут быть выполнены совместно, например, в виде матричного формирователя изображений на основе OLED (органических люминесцентных диодов).

ЛИТЕРАТУРА

1. Kasumi M., Umemura M., Tsuchiya S. Three-dimensional image system for multiple 3D display // Патент США № 9782057, опублик. 10.10.2017.

2. Ежов В.А. Способ наблюдения стереоизображений с объединенным предъявлением ракурсов и устройство для его реализации // Патент РФ № 2306680, приоритет 13.03.06,

опублик. 20.09.2007 (прототип).

Изобретение относится к области стереоскопических видеосистем. Технический результат – обеспечение параллельного получения стереоизображений двух разных 3D сцен для двух наблюдателей без мерцаний с использованием одного и того же экрана. Стереоскопическое устройство с воспроизведением пар полноэкранных ракурсных изображений содержит источник стереовидеосигнала, функциональный блок и последовательно оптически связанные источник светового потока, матрично-адресуемый по М строкам и N столбцам амплитудно-поляризационный экран и одну пару поляризационных декодеров с взаимно комплементарными свойствами поляризационной фильтрации, выходы которых оптически сопряжены с двумя окнами наблюдения, причем поляризационные декодеры выполнены в виде двух пар поляризационно-декодирующих оптических затворов, снабженных поляризационными фильтрами на своих оптических входах и блоками управления на своих электронных входах, при этом первой и второй парам поляризационно-декодирующих оптических затворов соответствуют первая и вторая пары окон наблюдения стереоизображений соответственно первой и второй трехмерных сцен. 2 н. и 7 з.п. ф-лы, 1 табл., 22 ил.

1. Способ стереоскопического отображения с воспроизведением пар полноэкранных ракурсных изображений, заключающийся в том, что в каждом рабочем цикле в mn-м пикселе матрично-адресуемого по М строкам и N столбцам амплитудно-поляризационного экрана модулируют интенсивность светового потока в соответствии с суммой величин яркости по меньшей мере одной пары mn-х элементов (m=1, 2, …, M; n=1, 2, …, N) ракурсных изображений трехмерных сцен, кодируют поляризацию светового потока в соответствии с отношением величин яркости по меньшей мере одной пары mn-х элементов ракурсных изображений трехмерных сцен и с помощью по меньшей мере одной пары поляризационных декодеров с взаимно комплементарными свойствами поляризационной фильтрации осуществляют поляризационное декодирование светового потока по меньшей мере в одной паре окон наблюдения, выделяя пару парциальных световых потоков с величинами интенсивности, равными величинам яркости пары mn-х элементов ракурсных изображений трехмерных сцен, отличающийся тем, что каждый рабочий цикл разбивают на два последовательных такта, за общее время которых интенсивность светового потока модулируют в соответствии с суммами величин яркости двух пар mn-х элементов ракурсных изображений двух разных трехмерных сцен, поляризацию светового потока кодируют в соответствии с отношениями величин яркости двух пар mn-х элементов ракурсных изображений двух разных трехмерных сцен и, открывая в каждом такте соответствующую пару поляризационно-декодирующих оптических затворов с взаимно комплементарными свойствами поляризационной фильтрации на их оптических входах, выделяют в первой и второй парах окон наблюдения первую и вторую пары mn-х элементов парциальных световых потоков с величинами интенсивности, равными величинам яркости первой и второй пар mn-х элементов ракурсных изображений первой и второй разных трехмерных сцен.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что взаимно комплементарные свойства поляризационной фильтрации соответствуют взаимно ортогональным направлениям линейно- поляризационной фильтрации.

3. Стереоскопическое устройство с воспроизведением пар полноэкранных ракурсных изображений, содержащее источник стереовидеосигнала, функциональный блок и последовательно оптически связанные источник светового потока, матрично-адресуемый по М строкам и N столбцам амплитудно-поляризационный экран и по крайней мере одну пару поляризационных декодеров с взаимно комплементарными свойствами поляризационной фильтрации, выходы которых оптически сопряжены с двумя окнами наблюдения, при этом информационный выход источника стереовидеосигнала соединен с входом функционального блока, выход которого подключен к электронному входу матрично-адресуемого амплитудно-поляризационного экрана, причем входом функционального блока являются соединенные вместе входы его суммирующей и делительной секций, отличающееся тем, что поляризационные декодеры выполнены в виде по меньшей мере двух пар поляризационно-декодирующих оптических затворов, снабженных поляризационными фильтрами на своих оптических входах и блоками управления на своих электронных входах, при этом первой и второй парам поляризационно-декодирующих оптических затворов соответствуют первая и вторая пары окон наблюдения стереоизображений соответственно первой и второй трехмерных сцен, а источник стереовидеосигнала выполнен с выходом синхронизации, подключенным к входу синхронизации блоков управления поляризационно-декодирующих оптических затворов.

4. Устройство по п. 3, отличающееся тем, что матрично-адресуемый амплитудно-поляризационный экран выполнен в виде оптически связанных матрично-адресуемых амплитудного сумматора изображений и поляризационного кодировщика отношения изображений, электронные входы которых подключены к выходам соответственно суммирующей и делительной секций функционального блока.

5. Устройство по п. 3 или 4, отличающееся тем, что поляризационно-декодирующие оптические затворы в обеих парах выполнены в виде поляризационно-декодирующих жидкокристаллических затворов, снабженных линейными входными поляризаторами с одинаковыми направлениями осей поляризации в каждой паре и с взаимно ортогональными направлениями осей поляризации между двумя парами.

6. Устройство по п. 3 или 4, отличающееся тем, что поляризационно-декодирующие оптические затворы в обеих парах выполнены в виде поляризационно-декодирующих жидкокристаллических затворов, снабженных линейными входными поляризаторами с взаимно ортогональными направлениями осей поляризации в каждой паре и с взаимно ортогональными направлениями осей поляризации между жидкокристаллическими затворами разных пар.

7. Устройство по п. 6, отличающееся тем, что первый и второй поляризационно-декодирующие жидкокристаллические затворы в каждой паре выполнены с первым и вторым раздельными жидкокристаллическими слоями, снабженными первым и вторым прозрачными адресными электродами, апертуры которых равны апертурам первой и второй зон сепарации.

8. Устройство по п. 6, отличающееся тем, что поляризационно-декодирующие жидкокристаллические затворы в каждой паре выполнены с общим жидкокристаллическим слоем, снабженным первым и вторым смежными адресными прозрачными электродами, апертуры которых равны апертурам первой и второй зон сепарации.

9. Устройство по п. 8, отличающееся тем, что блок управления выполнен с позиционным сенсором, поляризационно-декодирующие жидкокристаллические затворы в каждой паре выполнены с общим жидкокристаллическим слоем, снабженным рядом смежных столбцовых адресных прозрачных электродов, суммарная апертура которых равна общей апертуре двух зон сепарации, а период расположения столбцовых прозрачных электродов равен минимальному шагу позиционирования вертикальной границы между двумя зонами сепарации.