Brevet FR2765761A1 — publié le 19990108

Dispositif et procédé de projection d'images numériques haute résolution couleurs sur écran hémisphérique La présente invention concerne un dispositif de projection d'images numériques haute résolution couleurs sur écran hémisphérique. Le dispositif selon l'invention est particulièrement destiné aux salles de spectacles publiques ou privées possédant un écran hémisphérique. On peut citer à titre d'exemple non limitatif les salles de type planétarium ou cinéma. Etat de la technique antérieure Cinéma: Pour projeter des images sur un dôme hémisphérique, on a traditionnellement recours à des projecteurs de type cinéma. Ces projecteurs utilisent des films tournés à l'aide de caméras grand champ dont les objectifs sont fabriqués de telle sorte que l'image restituée par le projecteur ne soit pas déformée. Ainsi, il est impossible, avec un tel système, de projeter directement des images numériques ou vidéo. Pour rester compatibles avec les qualités optiques de l'oeil humain, les images numériques doivent être de très grande résolution. Ce problème ne se pose pas dans le cas d'une projection de type cinématographique. II est en particulier impossible à ce jour de transposer en images numériques les systèmes applicables pour le cinéma, car on se heurte à l'exigence d'une résolution très élevée, de l'ordre de cinq à plusieurs dizaines de millions de pixels, selon la surface de la voûte. Planétarium Actuellement, les projecteurs pour salles de planétariums comportent un projecteur qui illumine de l'intérieur une sphère dont la paroi est percée d'orifices reproduisant la voûte céleste. Ces projecteurs, basés sur une technologie de type robotique, ne sont capables de projeter que des points lumineux ou des diapositives. Ils sont donc incapables de projeter des images numériques. Selon l'invention, on découpe l'image en n fragments d'image, puis on reconstitue l'image pour la projection. Cette solution a posé à son tour deux problèmes dont la solution n'était pas évidente, à savoir la reconstruction et la projection d'une image non déformée à partir de n sources, et la construction d'une matrice de transfert. II n'était notamment pas évident de parvenir à éviter un chevauchement des fragments d'image, ou au contraire un espacement des fragments entre eux, lors de la projection par une seule optique. Le dispositif selon l'invention permet d'éviter cet inconvénient majeur. II comporte en effet plusieurs sources numériques mises en parallèle et reconstituant une image unique permettant une haute résolution des images projetées. Le système possède plusieurs calculateurs de déformation et de synthèse d'images en temps réel ainsi que des moyens de stockage et d'acquisition de données et éventuellement un mélangeur de ces différentes sources. Ainsi, les fragments d'images numériques sont déformés suivant un algorithme particulier, puis projetés via une seule optique grand angle sur l'écran hémisphérique. L'invention comporte cinq éléments principaux - un générateur d'images (banque de données d'images, moyen d'acquisition ou moteur de synthèse d'images, et éventuellement un mélangeur de ces sources) totalement numérique, - un système de fractionnement de l'image produite en n fragments d'image, - un ensemble de n calculateurs de déformation inverse de chaque fragment d'images produit, générant n sources d'images ou de fragments d'images ; un moyen de chargement direct des images contenues dans le système de stockage local aux calculateurs pouvant être substitué ou ajouté aux éléments de déformation précités, - un système de reconstruction de l'image globale déformée inverse, à partir des n sources d'images, - un système optique unique grand angle de projection hémisphérique de l'image déformée inverse reconstruite. Les calculateurs de déformation ont pour fonction de déformer l'image de façon à contrer les déformations générées par l'optique grand angle et par la forme de l'écran. On obtient ainsi au niveau de l'écran hémisphérique une image de qualité numérique non déformée malgré le projecteur optique et l'écran. Les calculateurs de déformation intègrent une matrice de transfert qui est obtenue par simulation informatique des déformations. Cette simulation permet de déterminer la " déformation inverse " à appliquer pour obtenir une image projetée non déformée. Par " déformation inverse", on entend dans tout le texte la déformation à appliquer à l'image initiale afin que, projetée sur l'écran, elle ne présente plus aucune déformation induite par l'optique grand angle et la forme de l'écran. L'invention se comporte comme un projecteur numérique haute résolution capable de réaliser une projection sur une voûte hémisphérique. Ce projecteur peut effectuer une projection sur un champ hémisphérique. Le système selon l'invention inclut la déformation, en temps réel, des images en entrée pour obtenir une image projetée sur la voûte non déformée. La haute résolution est obtenue par mise en parallèle de différentes sources numériques basse résolution. Chaque source numérique est associée à un algorithme propre de déformation d'images. Art antérieur Déformation de Limage Les articles suivants décrivent certains calculs optiques que l'on peut utiliser pour la synthèse d'images 0 Craig Kolb, Don Mitchell, Pat Hanrahan : " A realistic camera model for computer graphics " SIGGRAPH 95 proceeding, p. 317-324, Michale Potmesil, Indranil Chakravarty :" A lens and aperture camera model for synthetic image generation " Computer Graphics, Vol. 15 N" 3 p. 297-305, L'ensemble étant basé sur les lois de Descartes d'optique. Ces documents ne décrivent et ne suggèrent pas la détermination d'algorithmes de déformation d'image, ni la possibilité de parvenir à un algorithme permettant une projection hémisphérique de très haute résolution par une seule optique de projection. Le brevet français FR 2 714 503 traite des déformations d'images par changement de perspectives. Son enseignement reste cependant du domaine de la théorie ou de la méthode mathématique ; il ne suggère pas non plus comment réaliser un algorithme pour projection hémisphérique, ni la fragmentation d'images. Projection hémisphérique II existe un certain nombre de brevets liés à la projection hémisphérique (Projection hémisphérique IMAX) mais ce sont des brevets pour une application " cinéma " qui ne peuvent pas être transposables à une application " tout numérique ". De plus, on remarque que ces brevets décrivent des moyens qui sont mis en oeuvre pour obtenir une image très lumineuse, très contrastée ou en relief mais sans rapport avec les problèmes liés à la projection hémisphérique. On citera les brevets suivants (IMAX) : W0 9013849 Al; EP 0416941 A2; EP 0416940 A2. Pour ce qui est des perspectives sphériques (déformation due à la forme de l'écran), l'ouvrage suivant fournit une étude mathématique des déformations d'éléments géométriques simples projetés sur une sphère Bernard L. Bonbon : " La géométrie sphérique tridimensionnelle, perspective sphérique " Éditions Eyrolles 1985. Reconstruction de l'imaçle . Pour reconstruire une image grand format, de nombreux systèmes ont été proposés. Le premier type de système est un " mur d'image conçu par assemblage de modules de projection et ayant comme source une source vidéo ou une source numérique. Ce type de spectacle est très différent et les machines décrites n'incluent pas de déformation temps réel de l'image. Quelques brevets concernant ce type de systèmes peuvent être cités : EP 0331847 A2 ; EP 0540380 Al. Le brevet européen EP 0522204 Al décrit un projecteur dodécaédrique projetant une image sur 1800. Ce système ne résout pas le problème de chevauchement car il possède plusieurs optiques de projection. Sources de projection: Les sources de projection sont connues, et notamment toutes les matrices de type LCD ou DLP. Quelques exemples de brevets sont les suivants Matrices: W0 9524798; W0 9514351 Ai ; W0 9513683 Al. Montage optiques : EP 0734184 A2 ; EP 0363767 Al EP 0372568 A2 ; W0 9423540 Al. Des sources de projections laser ont été décrites sous les références suivantes : W0 9418802 Ai ; WO 9510159 A2. Écran de projection: L'amélioration des écrans de projection est un thème courant et l'on peut citer les brevets suivants : EP 0712030 Ai ; W0 9635141 Ai EP 0421809 A2 ; FR2667701; Fur 2663448 W0 9322709 Al. On connaît encore un dispositif très récent de projection d'images vidéo dénommé "VlRTUARlUM " et décrit dans le document de Kimberley Ayers GOTO OPTICAL MFG CO. disponible sur Purnamadah&commat;aol.com. Ce dispositif utilise une banque de données permettant la génération directe de fragments d'images qui sont ensuite projetés par des projecteurs multiples. C'est un système " tout virtuel " qui présente deux inconvénients principaux. L'un est de requérir la présence de plusieurs projecteurs qui doivent être très soigneusement positionnés et " calés " pour que les fragments d'images projetés en "quartiers d'orange " sur l'écran hémisphérique se chevauchent le moins possible. L'ensemble est encombrant et de mise en oeuvre fastidieuse et très délicate. Le second est que ce système ne permet pas d'éviter totalement les chevauchements ou "jointures" entre les fragments d'images projetés. Le concepteur a donc dû prévoir des bords d'image en " flou " pour que les jointures soient les plus discrètes possibles. La résolution d'ensemble est donc médiocre et le système n'est guère pratique. On connaît encore le " SkyRider " qui utilise plusieurs projecteurs vidéo positionnés de façon à recouvrir toute la voûte. Bien que visant le même but que l'invention, ce système ne suggère pas l'emploi d'une source de projection unique, et confirme au contraire la voie à projecteurs multiples. Un dernier type de projecteur dénommé " DIGISTAR " autorise la projection d'images filaires basse résolution. Ces projecteurs sont par définition incapable de projeter des images pleines. Aucun des documents cités, considéré seul ou en combinaison, ne décrit et ne suggère le concept général qui consiste à fractionner l'image, à former plusieurs fragments d'images déformés selon une matrice de "déformation inverse " telle que définie dans la présente demande, à reconstruire une image ainsi déformée, et à la projeter sous sa forme reconstruite et déformée par un seul projecteur grand angle. En particulier, I'art antérieur ne décrit et ne suggère pas la recombinaison de fragments d'images puis la projection à l'état " déformé inverse n par une seule optique grand angle, le tout avec une très haute résolution. Modes particuliers de réalisation: Selon des modes particuliers de réalisation de l'invention - Les sources numériques peuvent être de différents types. Par exemple non limitatif, ces sources peuvent être des puces à micromiroirs, à cristaux liquides ou encore à diodes laser. - Les optiques de reconstitution de l'image globale peuvent être réalisées, par exemple non limitatif, à l'aide de fibres optiques, de miroirs de renvoi ou de prismes. - Les calculateurs de déformation d'images peuvent être réalisés avec des électroniques dédiées ou de processeurs du commerce. - Les calculateurs de synthèse d'images peuvent être réalisés à l'aide de processeurs graphiques du commerce ou à l'aide d'électroniques spécialisées. - Les moyens d'acquisition de données peuvent être mises en oeuvre, à titre d'exemple non limitatif, à l'aide de scanners ou de caméras CCD. - Les moyens de stockage de données peuvent être de type disque numérique ( à titre d'exemple non limitatif "compact disc" ou disque compact, disques durs, mémoires électroniques). Description des figures annexées L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, et en se référant aux dessins annexés, sur lesquels La Figure 1 montre les constituants de la partie numérique du projecteur, La Figure 2 montre les grands constituants de la partie optique du projecteur, Les Figures 3 et 4 illustrent deux moyens particuliers et non limitatifs de réalisation du dispositif de reconstitution de l'image globale, La Figure 5 est une vue d'ensemble regroupant les figures 1 et 2. En référence à ces dessins, et notamment aux figures 1 et 2, le dispositif comporte un générateur d'images (1), qui est soit un moyen de stockage (1-1) des données, soit un moteur de calcul d'images de synthèse (1-2), soit un moyen d'acquisition (1-3), envoyant aux différents calculateurs (3) des morceaux ou fragments de l'image totale par le biais d'un réseau de communication (2). Les différentes sources d'images (1-1), (1-2), (1-3) peuvent être mélangées à l'aide du mélangeur (1-4). Les calculateurs (3) déforment suivant un algorithme propre l'image reçue en temps réel et l'envoient aux sources numériques (5) par le biais de liaisons numériques (4). Les différentes sources d'images (5) sont recombinées par un système optique (6) et (7) pour recréer une image globale de haute résolution, à déformation inverse. Une optique unique de type grand champ ou grand angle (8) projette sur l'écran hémisphérique l'image obtenue (9). A noter que chaque calculateur possède son propre système de stockage (Sx, x étant la référence de chaque calculateur sur les figures annexées) lui permettant, entre autres, une réception d'images en différé. Le résultat est une image projetée unique, sans jointures ou chevauchements, et présentant une très haute résolution. En référence à la figure 3, qui représente un exemple non limitatif de réalisation, les sources numériques (10) projettent leurs images sur des miroirs de renvoi (11). Les optiques de transport de l'image des sources vers les miroirs ne sont pas représentées pour un souci de clarté de la figure. Sur la figure, le projecteur utilise uniquement quatre sources numériques ; L'image reconstituée est donc constituée, dans ce cas particulier non limitatif, de deux images en ligne et de deux images en colonne. Les deux niveaux correspondent aux deux lignes et les deux sources (10) par niveau aux deux colonnes. L'image reconstituée est ensuite envoyée à travers l'optique unique de projection (12). En référence à la figure 4, les sources numériques (13) projettent leurs images à travers un faisceau de fibres optiques (14). Ces fibres optiques sont rassemblées pour recréer l'image globale (15). L'image obtenue est envoyée à travers les optiques de projection (16). Composants du projecteur Le système est constitué de cinq parties distinctes un générateur d'images des calculateurs de déformation dédiés des sources numériques des optiques de reformation de l'image une optique de projection On trouvera ci-dessous la description des composants. Générateur d'images Sources ordinaires Etant donné le caractère hautement parallèle du montage (les algorithmes de déformations sont propres à chacun des calculateurs), il est possible d'envoyer des images différentes vers les calculateurs. Il est aussi possible d'envoyer une image couvrant la totalité de l'écran. Ces sources peuvent être des images informatiques issues de calcul ou des images vidéo traduites en numérique " au vol Ainsi le générateur d'images pourra intégrer un convertisseur analogique/numérique temps réel d'image. Synthèse d'étoiles Pour le cas d'une application de type planétarium, les étoiles formant la voûte céleste pourront être obtenues en synthèse d'images par calculs astronomiques. Ces images pourront être stockées et associées pour une utilisation ultérieure, ou directement projetées. Calculateurs: Réception directe d'imaaes. Les calculateurs peuvent recevoir directement les images depuis leurs systèmes de stockage locaux. Calculs des déformations: Les algorithmes de déformations sont implantés au niveau des calculateurs. Le calcul des déformations est réalisé par des algorithmes spécifiques à chaque source de projection. Ces algorithmes sont issus d'une simulation optique, et dépendent des paramètres suivants dimensions du système optique taille de la voûte résolution du projecteur type de source numérique Source de Droiections numériques Cas des matrices de type "DLP ": Des matrices de technologie DLP (constructeur Texas Instruments) peuvent être utilisées en raison de leur fort contraste et du grand nombre de couleurs affichables. Cas des matrices de type a LAD : Des matrices de types LCD peuvent être aussi utilisées en raison du grand nombre de couleurs affichables. Cas des autres types matrices II n'y a aucune restriction en ce qui concerne le choix des matrices de projection. La seule contrainte est de pouvoir les piloter à l'aide d'une source numérique. C'est pourquoi il est possible et souhaitable de changer de type de matrice au fur et à mesure de l'amélioration des technologies. Cas des systèmes de projection laser: Ce genre de système semble très bien adapté en raison de sa capacité lumineuse et de sa qualité de noir. Montage optique Chaque source numérique possède une optique de transport. A la sortie de celle-ci, L'image globale est soit reconstruite et envoyée à travers l'optique de projection (cas des fibres optiques, figure 4), soit envoyée vers un système collecteur (cas des miroirs collecteurs, figure 3). Montage avec miroir collecteur: Le synoptique de la figure 3 montre un système de miroirs (sous forme de prisme ou autre) permettant de reconstruire l'image globale. Montaae par fibres optiques: Le principe de reconstruction de l'image globale à l'aide de fibres optiques est sensiblement le même. Le schéma de la figure 4 montre l'agencement des différents éléments mis en jeu. Voûte hémisphérique: Écran actif: Pour améliorer le contraste, un écran actif pourra être utilisé. On entend ici par écran actif un écran qui, lorsqu'il reçoit de la lumière, la concentre ou la filtre. Écran passif: Un écran passif du type de celui utilisé à l'heure actuelle sur les planétariums de la société Demanderesse peut bien entendu être utilisé. Domaines particuliers couverts par l'invention: L'invention concerne également un procédé pour la projection d'images numériques couleurs haute résolution sur écran hémisphérique, caractérisé en ce qu'il comporte une étape de recombinaison ou reconstruction de fragments d'images puis la projection de l'image reconstruite à l'état de " déformé inverse " par une seule optique grand angle, le tout avec une très haute résolution. Selon une réalisation, I'invention concerne un procédé pour la projection d'images numériques couleurs haute résolution sur un écran hémisphérique, caractérisé en ce qu'il comporte une étape de fractionnement ou fragmentation de l'image, une étape de déformation des fragments d'image selon une matrice de " déformation inverse", une étape de reconstruction ou recombinaison d'une image unique ainsi déformée, et la projection de cette image unique sous sa forme reconstruite et déformée par un seul projecteur grand angle ou grand champ. L'invention concerne encore plus particulièrement un procédé pour la projection d'images numériques couleurs haute résolution sur un écran hémisphérique, caractérisé en ce qu'il comporte cinq étapes principales - une étape de génération d'images (par banque de données d'images ou moteur de synthèse ou moyen d'acquisition et éventuellement mélangeur de ces sources ) totalement numérique, - une étape de fractionnement de l'image produite en n fragments d'image, - une étape de déformations en parallèle des n fragments par un ensemble de n calculateurs de "déformation inverse" de chaque fragment d'images produit, générant n sources d'images ou de fragments d'images. On peut substituer ou ajouter aux étapes de déformation un chargement direct des images contenues dans le système de stockage local aux calculateurs, - une étape de recombinaison ou reconstruction d'image par un système de reconstruction de l'image globale déformée " inverse ", à partir des n sources d'images, - une étape de projection par un système optique unique grand angle de projection hémisphérique de l'image déformée reconstruite. L'invention couvre également les perfectionnements, modifications, et optimisations qui apparaîtront clairement à l'homme de métier à la lecture de la présente demande et des exemples non limitatifs donnés. REVENDICATIONS 1. - Dispositif de projection d'images numériques couleurs haute résolution pour écran hémisphérique, caractérisé en ce qu'il comporte un moyen de recombinaison ou reconstruction de fragments d'images puis la projection de l'image globale à l'état " déformé inverse " par une seule optique grand angle, le tout avec une très haute résolution. 2. - Dispositif de projection d'images numériques couleurs haute résolution pour écran hémisphérique selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens pour fractionner l'image, former plusieurs fragments d'images déformés selon une matrice de " déformation inverse ", reconstruire une image unique ainsi déformée, et la projeter sous sa forme reconstruite et "déformée inverse" par un seul projecteur optique grand angle ou grand champ. 3. - Dispositif de projection d'images numériques couleurs haute résolution pour écran hémisphérique selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il comporte cinq éléments principaux - un générateur d'images (1) (banque de données d'images (1-1) ou moteur de synthèse (1-2) ou moyen d'acquisition (1-3), et éventuellement mélangeur (1-4) de ces sources) totalement numérique, - un système de fractionnement de l'image produite en n fragments d'image, - un ensemble de n calculateurs (3) de "déformation inverse " de chaque fragment d'images produit, générant n sources d'images ou de fragments d'images ; un moyen de chargement direct des images contenues dans le système de stockage local aux calculateurs pouvant être substitué ou ajouté aux éléments de déformation précités, - un système de reconstruction (6) et (7) de l'image globale " déformée inverse " à partir des n sources d'images, - un système optique unique grand angle (8) de projection hémisphérique de l'image déformée inverse ainsi reconstruite. 4. - Dispositif de projection d'images numériques couleurs haute résolution pour écran hémisphérique selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'll comporte un générateur d'images (1), un réseau de communication (2) depuis ce générateur vers des calculateurs de déformations d'images (3) possédant éventuellement des moyens de stockages locaux (Sx), des liaisons numériques (4) depuis ces calculateurs vers des sources numériques d'affichage (5), un système optique de transport (6) et de reconstitution de l'image globale (7) et une optique de projection grand angle (8) adaptée à la projection sur une voûte ou écran hémisphérique (9). 5. - Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que le générateur d'images (1) peut être soit un moyen de stockage de données soit un moteur de synthèse d'images soit un moyen d'acquisition, et peut comporter un mélangeur (1-4) de sources d'images. 6. - Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que l'image globale initiale est découpée ou fragmentée dans le générateur d'images (1) puis envoyée vers des calculateurs de déformation d'images (3) via le réseau de communication (2). 7. - Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que les calculateurs (3) ont pour rôle de déformer l'image afin d'obtenir une image non déformée sur l'écran hémisphérique, après la projection. 8. - Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que les différentes images déformées obtenues en sortie des sources numériques (5) sont recombinées par un système optique (6) et (7) pour obtenir l'image globale déformée en entrée de l'optique de projection (8). 9. - Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que l'optique de projection (8) est une optique grand angle adaptée à la projection sur voûte ou écran hémisphérique (9). 10 - Procédé pour la projection d'images numériques couleurs haute résolution sur un écran hémisphérique, caractérisé en ce qu'il comporte une étape de recombinaison ou reconstruction de fragments d'images puis la projection de l'image reconstruite à l'état "déformé inverse " par une seule optique grand angle, le tout avec une très haute résolution. 11. - Procédé pour la projection d'images numériques couleurs haute résolution sur un écran hémisphérique selon la revendication 10, caractérisé en ce qu'il comporte une étape de fractionnement ou fragmentation de l'image, une étape de déformation d'images pour former plusieurs fragments d'images déformés selon une matrice de " déformation inverse", une étape de reconstruction ou recombinaison d'une image unique ainsi déformée, et une étape de projection de cette image unique sous sa forme reconstruite et " déformée inverse " par un seul projecteur optique grand angle ou grand champ. 12. - Procédé pour la projection d'images numériques couleurs haute résolution sur un écran hémisphérique selon la revendication 10 ou 11, caractérisé en ce qu'il comporte cinq étapes principales - une étape de génération d'images (par banque de données d'images ou moteur de synthèse ou moyen d'acquisition et éventuellement mélangeur de sources d'images) totalement numérique, - une étape de fractionnement de l'image produite en n fragments d'image, - une étape de déformations en parallèle des n fragments par un ensemble de n calculateurs de "déformation inverse" de chaque fragment d'images produit, générant n sources d'images ou de fragments d'images ; un chargement direct des images contenues dans le système de stockage local aux calculateurs pouvant se substituer ou s'ajouter à l'étape de déformations, - une étape de recombinaison ou reconstruction d'image par un système de reconstruction de l'image globale déformée " inverse ", à partir des n sources d'images, - une étape de projection par un système optique unique grand angle de projection hémisphérique de l'image déformée reconstruite.