Brevet FR2980661A1 — publié le 20130329

Jusqu'à présent, les produits commerciaux pour visualisation stéréoscopique comportent des lunettes. La présente invention porte sur un système de vision stéréoscopique sans lunettes. Ce système comporte cinq parties principales: _ un écran plat créateur de colonnes verticales d'éclairage de couleur blanche _ un réseau lenticulaire formé de colonnes verticales de lentilles optiques accolées un autre écran plat support de l'image à montrer au spectateur _ un dispositif de détection de la position des yeux du spectateur _ une électronique de traitement qui commande en synchronisme l'écran des colonnes d'éclairage et l'écran support de l'image. Il comporte une interface avec la source de l'image stéréoscopique à visualiser; cette source est extérieure au système présenté Chaque lentille du réseau lenticulaire recouvre plusieurs colonnes d'éclairage, dont, par principe, une seule est éclairante en lumière blanche. L'écran d'éclairage est positionné au foyer du réseau lenticulaire. Il en résulte qu 'à chaque position de la colonne blanche éclairante correspond, après traversée de la lentille associée, un faisceau d'éclairage dans une direction donnée, faisceau en forme de colonne verticale et de largeur initiale égale à celle de la lentille. Ce faisceau va traverser et éclairer une colonne de l'écran image. A partir de la position de l'oeil gauche de l'observateur, fournie par k dispositif de détection adéquat, l'électronique de traitement indique et commande la présence, sous chaque lentille, de k colonne blanche dont l'éclairage vise l'oeil gauche. En synchronisme, l'écran support image présente l'image prévue pour l'oeil gauche. Il s'agit d'un écran transmissif, capable de moduler la lumière blanche pour donner une image couleurs. Cet écran image est donc traversé, colonne par colonne, par l'éclairage adéquat indiqué ci-dessus, et le spectateur reçoit donc toute l'image éclairée sur son oeil gauche. Ceci se passe de façon identique et en alternance pour l'oeil droit du spectateur. Chaque oeil est ainsi éclairé la moitié du temps et k spectateur perçoit une image 30. Avec une cadence suffisante, ces alternances ne sont pas perçues par l'observateur et il n'en résulte aucune gêne. En effet, la vision stéréoscopique, ou la perception du relief pour l'être humain, résulte de la superposition, dans k cerveau, de deux images différentes reçues par les deux yeux du spectateur. Pour imiter la perception du relief lors d'une vision naturelle dans k cas d'une image, c'est-à-dire d'une surface plane, il faut créer deux images différentes du même sujet, prises à partir de deux points de vue, éloignés sensiblement de l'écartement des yeux d'un spectateur; puis d'afficher 2980661' 2/10 ces deux images et permettre leur vision séparée à chaque fois par l'oeil auquel l'image est destinée; car pour obtenir la sensation de relief, il est nécessaire que chaque oeil ait une perception propre. 5 Dans certains systèmes de vision stéréoscopique, les deux images sont nettement séparées et ne peuvent être combinées. L'un des systèmes les plus anciens consiste à afficher les deux images dans deux couleurs différentes et d'utiliser des lunettes à verres colorés, qui ne laissent passer que la couleur destinée à l'oeil associé à cette couleur. L'image résultante perd alors ses couleurs 10 naturelles. Il existe également des systèmes de vision stéréoscopique d'images consistant à superposer les deux images et à les regarder à travers un réseau lenticulaire constitué d'une plaque formée de lentilles cylindriques verticales. Ce système utilise les lentilles pour que k spectateur, qui se trouve 15 dans une position bien déterminée, très précise, face à l'image couverte par k réseau lenticulaire, ne voit avec chaque oeil que l'image destinée à cet oeil L'inconvénient d'un tel système, surtout pour la transposition à des écrans plats, par exemple de télévision, est la nécessité qu'il y a pour k spectateur de se positionner à un endroit précis devant l'écran. Or si la recherche d'une telle 20 position, et k maintien de la tête dans une telle position, est possible pendant une courte durée, cette solution n'est plus envisageable pour une vision stéréoscopique prolongée devant un écran. Ce système présente en outre l'inconvénient d'être à spectateur unique. 25 Selon le document « 3-D Displays and video tracker ease computer operation. Dr Siegmund Pastoor de l'institut du Henrich-Hertz de Berlin. Europhotonics, octobre/novembre 99 », il existe déjà un système permettant de commander k déplacement de l'écran en fonction des mouvements de la tête. La tête, ou, plus exactement, les yeux du spectateur, sont repérés par un oculomètre 30 utilisant une lumière infrarouge, c'est-à-dire non perceptible par k spectateur, pour déterminer la position de la tête du spectateur, même lorsque celle-ci bouge, et asservir la position de l'écran en fonction de la position instantanée de la tête du spectateur. Cette solution, la rotation de l'écran, envisageable en théorie, est d'une mise en oeuvre pratique relativement compliquée, limitant son utilisation à des 35 essais de laboratoire mais ne permettant pas la réalisation de ce système pour une diffusion publique. De plus, cet asservissement associe k mouvement de l'écran aux mouvements de la tête du spectateur, ce qui exclut la multiplicité des spectateurs. /10 Dans la grande majorité des cas, on affiche alternativement une image pour l'oeil droit et une image pour l'oeil gauche. Ces deux images doivent être nettement séparées et ne pas se combiner avant d'arriver sur les yeux du spectateur. Le système k plus usité actuellement, pour la télévision domestique ou au cinéma, présente alternativement l'image pour l'oeil gauche puis celle pour liceil droit. Chaque spectateur porte des lunettes synchronisées avec l'image sur l'écran, obturant la vision de inadéquat et autorisant celle de l'oeil adéquat. Ces lunettes sont le plus souvent des polariseurs croisés. Ce système oblige donc chaque spectateur à porter une paire de lunettes synchronisables à distance. En dehors du prix de ces équipements, il en résulte une contrainte et une certaine gêne, notamment pour ceux qui portent déjà des lunettes de vue. Une autre version voisine rend inutile la synchronisation des lunettes: l'image, envoyée sur un écran réfléchissant, est polarisée à la sortie du projecteur, avec une polarisation différente pour l'oeil droit et pour l'oeil gauche. Les lunettes portent, elles, des polariseurs fixes perpendiculaires rectilignes ou circulaires. Cette version présente aussi l'inconvénient du port de lunettes; de plus, 20 elle n'est pas compatible d'un écran plat de type LCD, mais elle met en oeuvre un projecteur. Dans une autre invention, assez proche de la présente, et protégée par k brevet France 0110386, les 2 fonctions d'éclairage et d'imagerie étaient 25 réalisées par k même écran, ce qui obligeait notamment à tourner les pixels de couleur de 90 degrés pour que les colonnes rouge vert bleu des pixels deviennent horizontales; et la réalisation posait d'importants problèmes technologiques. La présente invention a pour but d'éviter tous les inconvénients des 30 possibilités décrites ci-dessus et indique comment réaliser un système de visualisation stéréoscopique au moyen d'un écran plat, et ce, quelle que soit la position de la tête du spectateur devant l'écran ou les mouvements qu'il peut faire pendant qu'il regarde l'écran; et sans porter des lunettes spéciales. De plus, ce système est capable de servir plusieurs spectateurs. 35 L'image 3D à visualiser provient d'une source extérieure au système proposé. A cet effet, l'invention concerne donc un système, qui recevant cette source, est caractérisé en ce que - deux oculomètres repèrent la position en 30 des yeux du spectateur et 2980661 ' 4/10 fournissent les informations de position par rapport à l'écran, une électronique de traitement reçoit ces informations de position des oculomètres. L'électronique de traitement calcule et génère alors les signaux de commande de position des colonnes blanches d'éclairage en fonction de la 5 position instantanée du spectateur. Elle s'interface également avec la source de l'image annoncée ci-dessus et alimente en synchronisme l'écran image, sur l'écran d'éclairage, les colonnes blanches d'éclairage sont orientées verticalement, elles sont commandées électroniquement comme une image spéciale constituée uniquement de colonnes verticales blanches, et synchronisée 10 avec l'écran image grâce à l'électronique de traitement, k réseau lenticulaire totalement passif, porte des lentilles également verticales sur l'écran image apparaît alternativement l'image complète pour l'oeil gauche et puis celle pour l'oeil droit, à partir du signal vidéo fourni par la source de l'image. 15 Le système de vision stéréoscopique selon l'invention permet de diriger de manière précise et quasi instantanée, l'image gauche exactement sur l'oeil gauche du spectateur, puis alternativement, l'image droite sur l'oeil droit, et ce, quels que soient les mouvements du spectateur et de sa tête. Ce système peut également être généralisé à plusieurs spectateurs placés devant l'écran. La position des têtes des spectateurs peut se détecter avec k même système de deux oculomètres, détectant la position des têtes avec une certaine périodicité. Il suffit de commander l'ouverture d'autres colonnes blanches, l'écran image restant lui inchangé Les colonnes d'éclairage associées à chaque oeil de spectateur sont différentes puisque en principe les positions angulaires des yeux des spectateurs ne coiiicident pas. L'écran d'éclairage peut utiliser un afficheur standard, mais aussi, un afficheur simplifié pour générer uniquement des colonnes blanches. Quand k ou les spectateurs sont à distance élevée, il peut être 30 intéressant d'augmenter la précision de positionnement de chaque faisceau lumineux. Ce qui peut être fait au moyen d'un décalage horizontal périodique dans la réalisation des pixels de l'écran d'éclairage. Par exemple, en prenant la colonne n comme référence, en décalant la colonne ni-1 de 4 de pixel la colonne n#2 de / pixel, et la colonne n#3 de 4 de pixel Ceci multiplie par 4 la résolution angulaire du 35 pointage des secteurs adressables, mais au prix d'une perte de lumière dans k même rapport (voir figure 5). Il faut également introduire un diffuseur pour maintenir l'éclairage complet et uniforme de la colonne. 2 9 8 0 6 6 1 ' 5/10 L'écran d'éclairage peut aussi utiliser d'autres technologies, pourvu qu'il puisse émettre une lumière blanche. Par exemple, la technologie OLED, qui ne met pas en oeuvre un éclairage par l'arrière. 5 La vision stéréoscopique selon l'invention est intéressante non seulement pour les applications de loisirs, telles que la présentation de films, de jeux ou de reportages, mais également pour des applications professionnelles, comme la conception mécanique sur ordinateur, le pilotage de véhicules ou des avions au sol, ou les centres de navigation aérienne. Elle permet de bien percevoir la 10 forme d'un objet ou la position relative d'objets dans l'espace. La vision en relief permet également d'améliorer l'interface homme/machine en informatique, grâce à la facilité qu'elle offre pour la vision de l'empilage de dossiers ou de documents sur un écran, avec la vision en trois dimensions. De plus, dans k cas de la conception assistée par ordinateur, comme toutes les images sont calculables par l'ordinateur, 15 il est possible de présenter une image différente en fonction de la position de l'opérateur, donc une vision réellement à trois dimensions. L'opérateur voit alors réellement une partie différente de l'objet quand il déplace sa tête, comme dans la réalité Ce n'est plus une vision stéréoscopique, mais une réalité virtuelle effective. 20 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 lesquels : - la figure 1 est un schéma synoptique du système de vision stéréoscopique selon l'invention, 25 - la figure 2 est une vue schématique montrant comment l'ensemble de l'image est envoyée différemment vers l'oeil gauche et vers l'oeil droit du spectateur, - la figure 3 est une vue montrant comment k système opère pour 2 spectateurs. - la figure 4 explique k rôle d'uniformisation de lumière du diffuseur - la figure 5 montre comment réaliser les décalages d'éclairage pour augmenter la résolution de l'adressage des secteurs. Les explications qui suivent reprennent ces mêmes figures dans l'ordre. - La figure 1 montre k schéma synoptique du système de vision stéréoscopique selon l'invention. /10 - Ce système est destiné à donner une vision stéréoscopique d'une image affichée sur un écran plat transmissif. Il peut s'agir d'une image fixe ou d'une séquence vidéo. Elle est destinée à être regardée par un spectateur placé devant l'écran dans une position relativement quelconque, et à aucun emplacement précis ou fixe. - Le système de vision stéréoscopique se compose d'un d'une source de lumière blanche (1) et d'un écran plat (2), sur lequel sont réalisées les colonnes verticales d'éclairage. Cet écran est situé dans le plan focal d'un réseau lenticulaire (3). Ainsi les colonnes blanches vont éclairer en faisceaux parallèles l'écran image transmissif (4), avant d'aller en direction de l'oeil du spectateur (6). L'électronique de traitement (8) reçoit d'une part la vidéo de la source image stéréoscopique (9), laquelle est extérieure au système proposé Pour cela, l'électronique de traitement s'interface avec cette source. - L'électronique de traitement reçoit d'autre part la position des yeux du spectateur du système oculométrique (7). L'oculomètre, composant du système proposé, détermine la position des yeux gauche et droit du spectateur, en les localisant par exemple dans un système de coordonnées représenté schématiquement par k système ox, oy. Cet oculomètre (7) détermine les coordonnées x06, y06 de l'oeil gauche 06 et les coordonnées x00, yOD de l'oeil droit OD. Ces informations sont transmises à l'électronique de traitement (8) qui calcule la position des colonnes blanches d'éclairage. Il commande alors l'écran (2), en synchronisme avec k signal vidéo externe, pour permettre l'envoi des rayons lumineux respectivement vers l'oeil droit OD et l'oeil gauche 06. - D'autre part, il génère la vidéo alternée gauche droite, toujours en synchronisme, qu'il transmet à l'écran image (4). - Comme source d'éclairage, il est préférable de se servir d'un écran plat noir et blanc. Mais, actuellement, les écrans noir et blanc commercialisés n'atteignent pas la fréquence de commutation nécessaire au bon fonctionnement du système proposé Donc, en attendant k développement d'un écran noir et blanc approprié, l'écran (2) est un écran couleur, formé par des triplets de sous-pixels. Ces sous-pixels sont répartis suivant des colonnes verticales de couleur, rouge, vert, bleu, juxtaposés. Mais l'effet grossissant des lentilles du réseau sépare ces 3 couleurs, contrairement à la confusion au niveau de l'oeil Donc, pour obtenir une couleur blanche, au foyer des lentilles, s'offrent deux possibilités: _soit un petit diffuseur est positionné, à la distance appropriée, avec k champ recouvrant exactement un triplet. _soit on tourne physiquement l'écran 1 de 90 degrés. Les triplets de couleur sont alors horizontaux et l'effet grossissant de la lentille /10 verticale ne perturbe plus. - La lumière à la sortie de l'écran (2) est généralement polarisée. Or elle doit traverser l'écran image lui aussi polarisé (4). Pour rendre ce second écran transmissif, il faut, soit k faire tourner de 90°, soit faire tourner la polarisation de la lumière incidente de 90 degrés. Ceci peut se faire simplement, par exemple au moyen d'un film transparent quart d'onde. - Pour simplifier la compréhension de la figure 2, on suppose que l'écran image est vertical. Cette figure 2 est alors une coupe dans un plan horizontal L'écran d'éclairage est coupé suivant la ligne horizontale (2), représentée par un trait avec des points ou pixels identifiés par les références Ai, 61 et Dn, 6n. Devant l'écran d'éclairage est placé k réseau vertical de lentilles Ll et Ln, coupé par k même plan suivant la ligne (3), représentée par un trait avec les lentilles correspondantes. Les faisceaux lumineux, sortant des lentilles, traversent et éclairent l'écran image transparent, représenté en coupe par la ligne d'intersection (4). Enfin, regardant l'ensemble, à une distance plus conséquente, se trouve placé k spectateur, représenté par son oeil gauche (11) et son oeil droit (10) Le principe de la vision stéréoscopique repose sur la réception d'une image différente par l'oeil gauche et par l'oeil droit. L'image est préparée pour une vision stéréoscopique et, pour cela, elle est décomposée en deux images droite et gauche, visualisées alternativement, l'une est éclairée par les points d'éclairage Di, destinée à être vue par l'oeil droit (10) et l'autre, par les points d'éclairage 6i , destinée à être vue par l'oeil gauche (11). Pour permettre cette séparation et n'envoyer à chaque oeil que les images qui lui sont destinées, l'éclairage traverse un réseau de lentilles L. Ces lentilles sont schématisées par des sections elliptiques. La direction de la génératrice est perpendiculaire au plan de la figure. Ces lentilles sont orientées verticalement. L'écran d'éclairage (2) se situe au foyer des lentilles. Pour une position précise du spectateur devant l'écran, celui-ci percevra l'image en relief, puisque dans cette position, son oeil gauche ne recevra que l'image gauche et son oeil droit, que l'image droite. Pendant que gauche reçoit l'image gauche, l'oeil droit n'est pas éclairé; et inversement. Mais, grâce à la fréquence élevée de rafraichissement des 2 images gauche et droite le cerveau n'est pas gêné par k papillotement pour recréer k relief, ni pour recréer la continuité du mouvement 2980661' 8/10 pour des images mobiles. Dans toute autre position que celle pour laquelle les faisceaux ont été calculés et dirigés, i1 y aura chevauchement et k relief sera moins prononcé ou annulé ou même l'image deviendra illisible. Ce principe général de vision 5 stéréoscopique d'une image nécessite donc que k spectateur se trouve dans la position correspondant aux colonnes éclairées. Toute autre position ne lui permet pas de percevoir k relief Comme déjà indiqué ci-dessus, l'invention permet de positionner en permanence ces colonnes pour diriger la lumière vers les yeux du spectateur ; ce 10 qui lui permet de voir l'image stéréoscopique quelle que soit sa position devant l'écran, et même s'il change de position. En effet, quand ceci se produit, k système oculométrique envoie cette nouvelle position à l'électronique de traitement, lequel modifie alors la sélection des colonnes blanches d'éclairage, pour maintenir la visée correcte des 2 yeux du ou des spectateurs. La figure 2 montre cette capacité du 15 système. La figure 2 montre comment l'éclairage de la colonne 61 va traverser l'écran puis aller vers l'oeil gauche du spectateur; et D1 vers l'oeil droit, pour ce même spectateur, situé en face de la lentille correspondante. L'orientation des 2 faisceaux lumineux dépend de k distance et de la position du spectateur données par l'oculomètre. 20 - la figure 3, également une coupe dans k plan horizontal, montre comment k système opère pour les 2 spectateurs (6) et (12). Plus précisément, les rayons tracés visent l'oeil gauche des 2 spectateurs. Pour plus de réalisme, ce sont les rayons extrêmes, haut et bas, passant par la même lentille qui 25 sont dessinés. Évidemment, la figure serait analogue pour l'oeil droit. Le réalisme de la figure impose un changement d'échelle, qui est indiqué sur k figure: à gauche, le dessin comporte un grossissement; à droite, un rapetissement. - la figure 4 explique k rôle d'uniformisation de lumière du 30 diffuseur L'uniformisation de la lumière permet de faire disparaître les colonnes sombres (13) générées par les jonctions entre les lentilles du réseau. Pour réaliser cette uniformisation, on découpe le réseau lenticulaire en bandes de sous lentilles de même hauteur. La bande horizontale du haut (14) sert de référence. On 35 décale la bande jointive du dessous d'une fraction du pas des lentilles. Par exemple un quart du pas. La bande suivante est décalée de un demi pas; la suivante (15) de trois quarts de pas. La cinquième revient à l'alignement avec la première. Et on continue jusqu'en bas de l'écran. tin diffuseur à grand champ vertical noté (5) dans 2980661. 9/10 la figure 1, crée l'uniformisation grâce à son positionnement par rapport au réseau, Le champ horizontal couvre 41 du pas du réseau et k champ vertical couvre 4 bandes du réseau. Donc la luminosité est constante en tout point, comme k montre la zone (16) autour du point A où la zone sombre de la bande inférieure a été diluée. 5 L'éclairage est donc uniforme. - la figure 5 montre comment améliorer la résolution du positionnement des colonnes d'éclairage en décalant les éléments d'éclairage. Le pixel (18) est décalé de 4 de pixel par rapport au pixel (17), et ainsi de suite pour 10 les pixels suivants (en dessous). Les pixels éclairés (19) permettent d'obtenir la colonne éclairée (20) du fait du diffuseur. La partie gauche de la figure montre la direction de référence de la visée. La partie droite montre comment obtenir une visée d'éclairage décalée de I- de pixel De même on peut générer un décalage de / ou e' de pixel 15 Ceci permet d'augmenter la distance ou k nombre des spectateurs, au détriment de la luminosité. La synchronisation 20 Le système proposé met en oeuvre 2 écrans, qui apparaissent à l'oeil comme statiques ou fixes. Mais la réalité est différente. Ces écrans s'écrivent ligne après ligne. Une fois écrite, une ligne reste dans son état jusqu'à l'écriture suivante, soit pendant toute la durée d'une trame. Ceci est différent de ce qui se passe avec un tube à rayons cathodiques, où, après excitation par k passage du faisceau 25 d'électrons, k phosphore s'éteint tout seul avec une certaine constante de temps. La question de la synchronisation se pose ici parce que, comme indiqué tout au long du document, l'éclairage de l'oeil gauche doit éclairer l'image pour l'oeil gauche; et idem pour l'oeil droit. Si l'éclairage de l'oeil gauche éclaire l'image de l'oeil droit, k relief sera perturbé, diminué voire annulé 30 C'est pourquoi, il n'est pas envisageable que les 2 écrans ne soit pas balayés en synchronisme et avec k même type de balayage. La position du réseau lenticulaire doit impérativement être verticale, comme la tête du spectateur. Mois k balayage des écrans peut être soit horizontal, de façon classique, soit vertical, c'est-à-dire tourné de 90 degrés. 35 Comparons les 2 possibilités. Écrans classiques (balayage horizontal) Supposons qu'on soit à l'instant du démarrage de l'écriture des 2 écrans pour l'oeil gauche. Cela revient à dire que l'éclairage présent est tout entier pointé vers l'oeil 2980661' 10/10 droit et l'écran image porte toute l'image pour l'oeil droit. Pendant l'écriture des premières lignes, celles du haut, l'éclairage et l'image constituent un bandeau destiné à l'oeil gauche. Si k spectateur est plus bas, l'éclairage de l'oeil gauche peut passer en dessous du bandeau et éclairer l'image destinée à l'oeil droit tout en 5 arrivant sur l'oeil gauche. Cette situation, bien que transitoire, vient mélanger les images gauche et droite et donc perturber l'effet de relief Ce phénomène perturbateur augmente quand k spectateur est plus bas et plus près. Ce désagrément est beaucoup accentué par l'introduction d'un diffuseur vertical, dont le rôle est décrit ailleurs. 10 Pour éliminer cet inconvénient, on peut écrire et éclairer l'image gauche, puis effacer l'image gauche et éteindre son éclairage; ensuite écrire et éclairer l'image droite, puis effacer l'image droite et éteindre son éclairage. Il faut alors utiliser une mémoire d'image et un écran qui va 2 fois plus vite; de plus, on perd la moitié de l'éclairage. 15 Écrans spécifiques (balayage vertical) Le balayage vertical simultané des 2 écrans présente un gros avantage: en partant de la même situation initiale que ci-dessus, si l'éclairage gauche va vers l'image 20 droite, cela ne peut se faire qu'en passant à travers la ou les lentilles voisines. Hors passer par la lentille la plus voisine conduit à une déviation des rayons lumineux d'un angle égal au champ optique de la lentille, qui est k champ optique du système lui-même. Donc aucune perturbation, aucun phénomène parasite dans k champ utile. Autre avantage par rapport au cas précédent, comme les 2 balayages se font à la 25 même fréquence, sans séquence d'effacement, il n'y a aucune perte de flux lumineux. Il n'y a pas, non plus de besoin de mémoire d'image, ni d'écran deux fois plus rapide.