Brevet FR2769449A1 — publié le 19990409

La présente invention concerne un système de prise de vues et de reproduction stéréoscopique Selon le document DE 296 12 054 on connaît un système de reproduction autostéréoscopique comportant un moyen d'affichage et une plaque à réseau comportant, du côté visible du moyen d'affichage, un grand nombre de lentilles cylindriques. Un système de poursuite de tête détermine la position réelle de l'observateur devant le système de reproduction et déplace la plaque à réseau par rapport au moyen10 d'affichage pour que l'observateur perçoive une image stéréo- scopique à partir de sa position instantanée. Le mouvement de la plaque à réseau se fait ainsi par rapport au moyen d'affichage pour que l'oeil droit de l'observateur ne voit que les colonnes d'image associées à la partie d'image droite15 et que son oeil gauche ne voit que les colonnes d'image asso- ciées à l'image partielle gauche. Selon le document US-A-5 457 574, on connaît un système de reproduction autostéréoscopique analogue dans le- quel un dispositif de poursuite de tête détermine également la position de l'observateur devant le système de reproduc- tion. Toutefois, on ne déplace pas ici la position de la pla- que à réseau par rapport au moyen d'affichage suivant la position actuelle de l'observateur mais les sources lumineu- ses derrière le moyen d'affichage sont commutées pour que l'observateur perçoive une image autostéréoscopique à partir de sa position d'observation actuelle. De plus, ce document propose d'utiliser le signal de sortie du dispositif de pour- suite de tête également pour sélectionner la vue représen- tée; et à cet effet on déplace par exemple deux caméras vidéo qui donnent les vues partielles stéréoscopiques en fonction des mouvements de la tête de l'observateur. Ce docu- ment ne comporte pas d'autres détails concernant le mouvement de la caméra en fonction de la position de l'observateur ou de celle de la tête de l'observateur. Selon le document US-A-4 818 858, on connaît un système de caméras pour un robot qui comporte deux caméras vidéo effectuant, par rapport à une base, des mouvements de rotation de sens opposé mais de même amplitude angulaire. Un système de triangulation intégré à la caméra commande en même temps la mise au point des deux caméras et la convergence des axes optiques des deux caméras pour que l'objet observé se trouve au point d'intersection des axes5 optiques des deux caméras et qu'en même temps les deux came- ras sont mises au point sur ce point d'intersection. L'image stéréographique enregistrée par les deux caméras est offerte à un observateur dans un système de reproduction stéréoscopi- que. L'observateur porte un casque équipé de capteurs détec- tant les mouvements de sa tête et les signaux de sortie de ces capteurs sont utilisés pour commander le robot avec le système de caméras stéréoscopiques. Une propriété importante de la vision humaine stéréoscopique est le couplage de l'angle de convergence des deux yeux en fonction de l'éloignement souhaité pour l'observation. Pour un éloignement d'observation important, les axes optiques des deux yeux sont pratiquement parallèles si bien que l'observateur observe en vision stéréoscopique les objets plus éloignés. Pour la vision proche, les deux globes oculaires sont tournés l'un vers l'autre de sorte que les axes optiques des deux yeux sont fortement convergents et permettent la perception stéréoscopique d'objets proches. La présente invention a pour but de développer un système de prise de vues et de reproduction stéréoscopique dans lequel le contenu d'images, stéréoscopiques, à l'intérieur de la scène enregistrée par la caméra stéréosco- pique, peut se commander de manière simple par l'observateur. A cet effet, l'invention concerne un système sté- réoscopique du type défini ci-dessus, caractérisé en ce qu'il comprend: * un dispositif portant deux caméras tournant l'une par rap- port à l'autre, focalisées chacune sur le point d'intersection des axes optiques des deux caméras, * un système de reproduction stéréoscopique, un système de poursuite de tête qui détecte la position d'un observateur devant le système de reproduction stéréoscopique et * une commande qui modifie la convergence des axes optiques des deux caméras en fonction de l'éloignement de l'observateur par rapport au système de reproduction sté- réoscopique. Suivant des développements avantageux de l'invention: * la commande en cas de rapprochement de l'observateur par rapport au système de reproduction produit une plus forte convergence et en cas d'éloignement de l'observateur par rapport au système de reproduction une convergence plus faible des axes optiques des deux caméras. * le système de reproduction stéréoscopique comporte un moyen d'affichage avec devant celui-ci une plaque à réseau. * la plaque à réseau-est montée mobile devant le moyen d'affichage et la commande du mouvement de la plaque à ré- seau par rapport au moyen d'affichage se fait en fonction de la position de l'observateur par rapport au système de reproduction, position déterminée par le système de pour- suite de tête. * le dispositif à deux caméras est rotatif autour d'un axe perpendiculaire au plan des axes optiques des caméras. e au moins une caméra peut tourner autour d'un axe perpendi- culaire au plan des axes optiques des deux caméras. * les deux caméras tournent chaque fois autour d'un axe dres- sé dans le plan des axes optiques des deux caméras. * la rotation des deux caméras est telle que le point d'intersection des axes optiques se situe sur la médiatrice des deux axes autour desquels les caméras peuvent tourner. * un seul entraînement à moteur électrique pour assurer le mouvement de rotation des deux caméras. Le système de prise de vues et de reproduction stéréoscopique selon l'invention comporte un dispositif à deux caméras montées à rotation l'une par rapport à l'autre et mises au point sur le point d'intersection des axes opti- ques des deux caméras. De plus, le système de prise de vues et de reproduction selon l'invention comporte un système de reproduction stéréoscopique et un dispositif de poursuite de tête détectant la position d'un observateur devant le système de reproduction stéréoscopique. Une commande faite à l'aide des données de position fournies par le système de poursuite de tête assure, par l'intermédiaire d'un entraînement à mo- teur, la rotation des caméras l'une vers l'autre en fonction de l'éloignement entre l'observateur et le système de repro- duction stéréoscopique; cet éloignement étant déterminé à l'aide du dispositif de poursuite de tête. La rotation des caméras l'une par rapport à l'autre est telle que si l'observateur se rapproche du système de représentation, il y aura une plus forte convergence et, s'il s'éloigne du système de représentation, il y aura une convergence plus atténuée des axes optiques des deux caméras. En même temps, les came- ras sont mises au point par une mise au point à moteur sur le point d'intersection de l'axe optique des deux caméras, qui dépend de l'éloignement de l'observateur par rapport au sys- tème de reproduction stéréoscopique. Si la distance entre l'observateur et le système de reproduction stéréoscopique est importante, du fait de la faible convergence des deux axes optiques des caméras, le contenu de l'image éloignée des caméras apparaît stéréoscopi- que. Lorsque l'observateur se rapproche du moyen d'affichage, ce qui se fait en général pratiquement par réflexe pour une observation de détail, la convergence des axes optiques des deux caméras augmente si bien que le contenu de l'image si- tuée à proximité de la caméra apparaît comme stéréoscopique. Grâce à la mise au point simultanée sur le point d'intersection des axes optiques qui se situent maintenant plus près des caméras, le contenu de l'image plus éloignée sera représenté en même temps de façon moins nette. Cela est parfaitement équivalent à la physiologie de la vision hu- maine. Le système de reproduction stéréoscopique est réalisé de préférence comme un système de reproduction autos- téréoscopique avec un moyen d'affichage et une plaque à ré- seau en amont du moyen d'affichage, du côté de l'observateur. Avec un tel moyen d'affichage autostéréoscopique on utilise en général un dispositif de poursuite de tête pour adapter les conditions d'une vision autostéréoscopique à la position d'observation actuelle. Les informations nécessaires pour ré- gler l'angle de convergence concernant l'éloignement actuel de l'observateur existent de toute façon dans un tel système autostéréoscopique si bien que l'on peut utiliser plusieurs fois l'information fournie par le dispositif de poursuite de tête.5 Le réglage d'angles de convergence, différente, c'est-à-dire la rotation des caméras l'une par rapport à l'autre, peut se réaliser de différentes manières. On peut par exemple utiliser un montage de caméras comme celui décrit dans le document US-A-4 818 858 selon lequel deux pignons dentés en prise assurent la rotation en sens opposé, simulta- née, des mêmes valeurs d'angles. Dans ce cas, le dispositif portant les deux caméras peut être installé globalement dans un espace. En variante, on peut également envisager de ne tourner que l'une des deux caméras par rapport au dispositif portant les caméras et de tourner en même temps les deux ca- méras, ensemble avec le dispositif portant les caméras. Dans ce cas, le dispositif portant les caméras modifie l'angle de convergence en fonction de la rotation dans un sens de rota- tion et la caméra, montée à rotation sur le dispositif, ef- fectue une rotation en sens opposé d'un angle double. Toutefois, un dispositif dans lequel les deux ca- méras peuvent tourner sur un dispositif qui les reçoit est particulièrement avantageux et en même temps l'ensemble du dispositif et les deux caméras peuvent à leur tour tourner autour d'un axe perpendiculaire au plan des axes optiques des deux caméras. Dans une telle disposition des caméras, le si- gnal d'éloignement fourni par le dispositif de poursuite de tête de l'observateur du système de reproduction peut servir pour régler la convergence en faisant tourner les deux camé- ras en même temps des mêmes valeurs d'angles par rapport au dispositif portant les caméras. En plus, le signal, fourni également par le système de tête de poursuite, est utilisé dans la position horizontale de l'observateur pour commander un mouvement de rotation du dispositif global portant la ca- méra. Lors d'un mouvement horizontal de l'observateur, la di- rection de visée des caméras change également si bien que l'observateur voit apparaître une information d'image dépen- dant de la position horizontale devant le système de repro- duction. Toutefois, il vaut mieux que le casque d'asservissement saisisse non seulement la position de l'observateur mais également en même temps qu'il effectue le5 mouvement de rotation pour l'observateur. Dans ce cas, la ro- tation du dispositif portant les caméras doit se faire en fonction d'une rotation de la tête détectée par le dispositif de poursuite de tête. Dans tous les modes de réalisation de l'invention, la rotation des deux caméras l'une par rapport à l'autre se fait pour que le point d'intersection des axes op- tiques des deux caméras-se trouve sur la médiatrice entre les axes autour desquels tourne la caméra. La présente invention sera décrite ci-après de manière plus détaillée à l'aide d'un exemple de réalisation représenté schématiquement dans les dessins annexés dans les- quels: - la figure 1 montre un schéma de principe d'un premier exemple de réalisation d'un système de prise de vues et de reproduction stéréoscopique selon l'invention, - la figure 2 montre le schéma de principe d'une variante d'exemple de réalisation d'un système de prise de vues et de reproduction selon l'invention. Le système de reproduction selon la figure 1 est un système de reproduction autostéréoscopique connu selon le document DE 296 12 054. Il comporte un moyen d'affichage LCD 1 avec une plaque à réseau 2 placée devant le dispositif, du côté de l'observateur. La plaque à réseau 2 comporte un grand nombre de lentilles cylindriques réparties verticalement et dont la distance dans la direction horizontale est adaptée à l'intervalle séparant les colonnes du dispositif d'affichage LCD 1. Cela permet une observation autostéréoscopique dans l'espace d'observation. La plaque à réseau 2 est une plaque mobile de manière motorisée par rapport au moyen d'affichage LCD 1 à la fois verticalement par rapport au plan de la pla- que 2 et dans la direction horizontale (perpendiculairement au plan du dessin de la figure 1). Pour des raisons de clar- té, la figure 1 montre uniquement l'entraînement assurant le mouvement perpendiculairement à la plaque à réseau à l'aide d'un moteur électrique 3 et d'une broche filetée 4. Au- dessus du système de reproduction autostéréo- scopique se trouve le dispositif de poursuite de tête 5. Ce dispositif de poursuite de tête 5 est en principe un système de positionnement électro-optique déterminant les coordonnées tridimensionnelles d'un observateur placé devant le système de reproduction. De tels dispositifs de poursuite de tête sont par exemple fournis par la Société " Origin Instru- ments ", USA, sous la dénomination " Dyna Sight Sensor ". Les coordonnées spatiales de l'observateur, dé- terminées par le dispositif de poursuite de tête 5, sont ap- pliquées à une installation de commande 6, par exemple à un ordinateur personnel. A l'aide des coordonnées spatiales de l'observateur, un entraînement correspondant du moteur 3 dé- place, en ligne, la plaque à réseau 2 pour que l'observateur perçoive une image autostéréoscopique de sa position d'observation instantanée. De telles relations fonctionnelles sont par exemple décrites dans le document DE 296 12 054 au- quel on se reportera. Le système de prise de vues stéréoscopique 7 com- porte un dispositif formé de deux disques à couronne dentée 8, 9 qui engrènent l'un avec l'autre. Chaque disque porte une caméra vidéo 10, 11 avec une mise au point usuelle motorisée. Les caméras 10, 11 sont montées sur chaque disque à couronne dentée 8, 9 pour que l'axe de rotation 8a, 9a du disque à couronne dentée se trouve dans le plan du capteur de la camé- ra 10, 11 respective. Chacune des deux caméras 10, 11 enre- gistre une image stéréoscopique partielle dont la composition donne l'image autostéréoscopique présentée par le système de reproduction. La réaction entre les sorties de caméra et le système de réaction est représentée à la figure 1 de manière simplifiée par des flèches D. Les signaux de sortie du dispositif de poursuite de tête 5 du système de prise de vues et de reproduction se- lon l'invention sont utilisés non seulement pour la commande du mouvement de la plaque à réseau 2 mais en même temps pour régler l'angle de convergence des axes optiques des deux ca- méras 10, 11. Un moteur électrique 13 assure ce réglage en entraînant une roue dentée engrenant avec l'un des deux dis- ques dentés 8, 9. Ce moteur électrique 13 est commandé par un circuit de commande de rotation 12 en fonction de la distance5 entre l'observateur et le système de reproduction. Le prin- cipe de la commande est tel que si l'observateur se rapproche du système de reproduction, l'angle de convergence des axes optiques des deux caméras augmente. Lorsque l'observateur se trouve dans la position F' éloignée du système de reproduc- tion, les axes optiques en pointillés des deux caméras 10, 11 sont inclinés l'un par rapport à l'autre pour se couper en un point F, éloigné du système de prise de vues 7. Lorsqu'on se rapproche du système de reproduc- tion, le moteur 13 commande un mouvement de rotation opposé des deux caméras 10, 11 pour que le point d'intersection des deux axes optiques des deux caméras se rapproche des caméras. Le point d'intersection des deux axes optiques des caméras , 11 se déplace ainsi le long d'une ligne également repré- sentée qui se situe dans le plan médian, parallèlement aux deux axes de rotation des disques à couronne crantée 8, 9 et dans le plan des axes optiques des deux caméras 10, 11. En même temps que la variation de l'angle de convergence, la mise au point des deux caméras 10, 11 varie également si bien que les deux caméras 10, 11 sont toujours focalisées sur le point d'intersection des axes optiques. Pour cela, on appli- que les données de distance de l'observateur par une commande de mise au point 14 aux entrées de mise au point des caméras , 11. Lorsque l'observateur se trouve en un point proche N', par rapport au système de reproduction, les deux caméras sont par exemple mises au point sur un point proche A sur la ligne médiane. Le rapport de démultiplication entre une varia- tion de l'éloignement de l'observateur par rapport au système de reproduction et la variation de l'angle de convergence qui en résulte pour les deux caméras 10, 11 se choisit librement pour tenir compte des différentes applications du système. En particulier, si le système est utilisé en liaison avec des opérations télécommandées, l'observateur effectuant simulta- nément à l'observation des manipulations télécommandées par un terminal d'entrée à l'intérieur de l'espace d'observations prises en vue par les caméras 10, 11, on préférera un coeffi- cient de démultiplication surproportionnel, accentué, que5 même pour de très faibles variations d'éloignement de l'observateur, par exemple s'il incline légèrement la tête, cela commande une variation de la convergence des axes opti- ques des deux caméras passant du point éloigné au point pro- che. Dans la variante de réalisation représentée à la figure 2, les deux caméras 20, 21 sont montées sur une plaque 17 tournant autour d'un axe perpendiculaire à l'axe optique des caméras. La plaque 17 comporte en outre le moyen d'entraînement modifiant l'angle de convergence des deux ca- méras 20, 21. Ce moyen d'entraînement se compose d'une broche filetée 24 entraînée par un moteur électrique 23; cette bro- che est montée à rotation sur la plaque 17. Un écrou 25 est en prise avec la broche filetée 24. Cet écrou comporte une broche 26. A chacune des deux caméras 20, 21 est associée une tige d'entraînement 27, 28 solidaire, et chaque tige comporte une fente longitudinale 27a, 28) dans laquelle vient prendre la broche 26 de l'écrou 25. Lorsque la broche filetée 24 est entraînée en rotation, cette rotation entraîne l'écrou 25 le long de la broche filetée 24 si bien que les tiges d'entraînement 27, 28 orientent les caméras 20, 21 en les tournant l'une vers l'autre. Lorsque la tige 26 occupe la po- sition A, les axes optiques des deux caméras 20, 21 sont pra- tiquement parallèles ce qui donne une information d'image stéréoscopique d'objets très éloignés. Lorsque par contre la tige 26 se trouve dans la position B, les axes optiques des deux caméras sont alignés de manière fortement convergente, donnant une information d'image stéréoscopique d'objets si- tués à proximité des caméras 20, 21. Dans cet exemple de réalisation, la mise au point des caméras est assurée simultanément à la variation de con- vergence des deux caméras 20, 21 si bien que les deux caméras sont toujours mises au point sur le point d'intersection des deux axes optiques. L'application du signal de commande de mise au point nécessaire pour cela vers la caméra est indi- quée par les flèches portant la référence F. Les flèches por- tant la référence D désignent le retour des signaux d'image de la caméra au système de reproduction stéréoscopique.5 A la fois dans l'exemple de réalisation de la fi- gure 1 et dans celui de la figure 2, il n'y a qu'un seul mo- teur 23 pour assurer le mouvement réciproque des deux caméras. Par rapport à l'exemple de réalisation de la figure 1, celui de la figure 2 présente une particularité supplémen- taire. La plaque de support 17 des deux caméras 20, 21 est elle-même rotative autour d'un axe non représenté aligné pa- rallèlement aux axes de rotation des deux caméras 20, 21. Pour entraîner le mouvement de rotation de l'ensemble du sys- tème de prise de vues, la plaque de support 17 comporte une couronne dentée 29 engrenant avec une roue dentée 30 d'un se- cond moteur 31. L'entraînement par le moteur 31 assure la ro- tation de l'ensemble du système de prise de vues autour de l'axe de rotation du système de prise de vues, ce qui permet d'enregistrer de manière stéréoscopique des scènes différen- tes. Le second moteur 31 n'est pas entraîné en fonction de l'éloignement entre l'observateur et le système de reproduc- tion mais suivant la position horizontale de l'observateur par rapport au milieu du système de reproduction. Si l'observateur se déplace par exemple vers la droite, le se- cond moteur 31 sera entraîné pour faire tourner la plaque 17 vers la droite, si bien que les caméras 20, 21 enregistreront une scène située plus à droite qui apparaîtra sur le système de reproduction. En principe, on peut envisager d'utiliser en plus l'information fournie par le dispositif de poursuite de tête concernant la hauteur de la tête de l'observateur. Dans ce cas il faudrait prévoir un troisième moteur qui fait tourner l'ensemble du système de prise de vues de la figure 2 autour d'un axe parallèle au plan des axes optiques des deux camé- ras. Dans ce cas, la scène enregistrée par les caméras, lors- que la tête se relève, se déplace vers le haut et cette scène se déplace vers le bas lorsque la tête s'abaisse. Dans les exemples de réalisation décrits à l'aide des figures, la rotation des deux caméras est toujours telle que le point d'intersection des axes optiques se fasse le long de la médiatrice des deux caméras, dans le plan des axes optiques. En principe, on peut également envisager de faire tourner l'une par rapport à l'autre les deux caméras, pour que le point d'intersection des axes optiques ne se déplace pas sur la médiatrice. Cela correspondrait sensiblement à un regard de côté pour les yeux humains, sans rotation simulta- née de la tête. Pour un tel mouvement, la base stéréoscopique active est toutefois plus faible, ce qui réduit la profondeur stéréoscopique, c'està-dire la plage dans laquelle on a une vision stéréoscopique. C'est pourquoi il faut prévoir que si pour le regard de côté, dans la scène de l'objet, l'ensemble du système de prise de vues est tourné dans l'exemple de réa- lisation de la figure 2, on a toujours une base stéréoscopi- que maximale. Selon un développement de l'invention, le signal d'éloignement fourni par le dispositif de poursuite de la tête peut en outre être couplé sélectivement au zoom équipant généralement une caméra vidéo, de façon que lorsqu'on rappro- che l'observateur on assure en même temps une variation de la convergence des axes optiques des caméras et de la mise au point à un point plus rapproché tout en augmentant la dis- tance focale efficace de l'objectif de la caméra. Le coeffi- cient de transmission doit pouvoir être modifié par l'utilisateur. Suivant le réglage de ce coefficient, pour un rapprochement de l'observateur, par rapport au système de re- production, on aura alors un effet de loupe d'intensité dif- férente. A la place d'un coefficient multiplicateur constant on peut également utiliser un coefficient variable correspon- dant à une fonction linéaire ou non linéaire quelconque de la distance entre l'observateur et le système de reproduction. Une fonction de loupe appropriée pour une vision proche est par exemple avantageuse si l'on utilise le système pour des applications chirurgicales si par exemple on veut examiner un petit vaisseau sanguin à l'aide d'un champ d'observation par ailleurs important, pour vérifier que le vaisseau sanguin est intact. L'activation du couplage du signal éloigné au réglage du zoom peut se faire alors par exemple à l'aide d'une pédale de commande. R E V E N D I C A T I O NS 1 ) Système de prise de vues et de reproduction stéréoscopi- que caractérisé en ce qu' il comprend: ò un dispositif (7, 17) portant deux caméras (10, 11; 20, 21) tournant l'une par rapport à l'autre, focalisées cha- cune sur le point d'intersection (N, F) des axes optiques des deux caméras, e un système de reproduction stéréoscopique (1, 2), un sys- tème de poursuite de tête (5) qui détecte la position d'un observateur devant le. système de reproduction stéréoscopi- que et * une commande (6, 12, 13) qui modifie la convergence des axes optiques des deux caméras (10, 11; 20, 21) en fonc- tion de l'éloignement de l'observateur par rapport au sys- tème de reproduction stéréoscopique (1, 2). 2 ) Système de prise de vues et de reproduction stéréoscopi- que selon la revendication 1, caractérisé en ce que la commande en cas de rapprochement de l'observateur par rap- port au système de reproduction (1, 2) produit une plus forte convergence et en cas d'éloignement de l'observateur par rap- port au système de reproduction (1, 2) une convergence plus faible des axes optiques des deux caméras. 3 ) Système de prise de vues et de reproduction stéréoscopi- que selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que le système de reproduction stéréoscopique comporte un moyen d'affichage (1) avec devant celui-ci une plaque à réseau (2). 4 ) Système de prise de vues et de reproduction stéréoscopi- que selon la revendication 3, caractérisé en ce que la plaque à réseau (2) est montée mobile devant le moyen d'affichage (1) et la commande du mouvement de la plaque à réseau (2) par rapport au moyen d'affichage (1) se fait en fonction de la position de l'observateur par rapport au système de reproduction (1, 2), position déterminée par le sys- tème de poursuite de tête (5).5 ) Système de prise de vues et de reproduction stéréoscopi- que selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le dispositif (17) à deux caméras (20, 21) est rotatif autour10 d'un axe perpendiculaire au plan des axes optiques des camé- ras. 6 ) Système de prise de vues et de reproduction stéréoscopi- que selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu' au moins une caméra (10, 11; 20, 21) peut tourner autour d'un axe (8a, 9a) perpendiculaire au plan des axes optiques des deux caméras. 7 ) Système de prise de vues et de reproduction stéréoscopi- que selon la revendication 6, caractérisé en ce que les deux caméras (10, 11; 20, 21) tournent chaque fois au- tour d'un axe dressé dans le plan des axes optiques des deux caméras. 8 ) Système de prise de vues et de reproduction stéréoscopi- que selon la revendication 7, caractérisé en ce que la rotation des deux caméras est telle que le point d'intersection des axes optiques se situe sur la médiatrice des deux axes (8a, 9a) autour desquels les caméras peuvent tourner. 9 ) Système de prise de vues et de reproduction stéréoscopi- que selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé par un seul entraînement à moteur électrique (13; 23) pour assu- rer le mouvement de rotation des deux caméras (10, 11; 20, 21).