Устройство для формирования объёмного изображения в трёхмерном пространстве с реальными объектами
DEVICE FOR FORMING A STEREOSCOPIC IMAGE IN THREE-DIMENSIONAL SPACE WITH REAL OBJECTS

Область техники
Изобретение относится к области оптики и электроники, а именно к устройствам для создания объемного изображения и может быть использовано для отображения полноцветных трехмерных объектов и сцен, в которых демонстрируются и совмещаются воспроизводимое движущееся объемное изображение в реальном физическом пространстве с расположенными в нем реальными объектами и предметами.
Изобретение может найти применение, в частности, для моделирования трехмерных процессов и задач в науке и технике; получения специальных эффектов на сценах, в цирках, кинематографе; в музейных и выставочных экспозициях; для создания устройств виртуальной и дополненной реальности; в медицине для визуализации томографической информации и проведения сложных операций; для создания разного рода тренажеров; в искусстве и рекламе; в компьютерных играх; для создания оптических игрушек и демонстрации фокусов; в сфере развлекательной индустрии и т.д.
Уровень техники
Устройства объемного отображения получили широкое распространение и востребованы в самых разных областях науки, техники, образования, индустрии развлечений и т.д. Разработано и производится большое количество разнообразных систем и аппаратов демонстрации объемных изображений основанных на различных технических принципах. Постоянно осуществляется поиск новых решений, проводится их систематизация (см. Чекалин Д.Г. Особенности восприятия, способы демонстрации и современные технологии воспроизведения объемных изображений. // Мир техники кино. 2017-1 (11), с. 19-28).
Для решения ряда практических задач требуется совмещение воспроизводимых объемных изображений и реальных физических объектов в одном общем пространстве для их одновременного совместного наблюдения.
Существует несколько основных видов устройств, отличающихся по технологии создания объемного изображения.
К первой и наиболее многочисленной по разнообразию технических решений разновидности можно отнести «объемные дисплеи» или волюметрические (см. Самарин А. Современные технологии дисплеев объемного изображения. // Современная электроника, №2, 2005 г., с. 16-20). К этой категории относятся устройства, в которых изображение образуется в определенном ограниченном объеме множеством светящихся точек или вокселей, результат может достигаться разными техническими способами (см. патент США US 6554430 В2, G03B 21/28, 29.04.2003, патент РФ RU 2429513, G02F 1/13, 20.09.2011): жестко зафиксированные равномерно распределенные в пространстве воксели; набор параллельных плоскостей, равномерно заполняющих рабочий объем, на которые послойно выводится объемное изображение; использующие эффект зрительной инерции быстро движущиеся в рабочем пространстве (вращаясь вокруг оси или совершая возвратно-поступательные движения) поверхности со светящимися точками или с проецируемым на них изображением; создание изображения сканирующим сфокусированным лазерным лучом в специальной физической среде и др. Существенным недостатком устройств данного типа является возможность создания изображения только внутри устройства, из-за чего размер устройства должен быть больше отображаемых им объектов. Все пространство, в котором формируется изображение, заполнено рабочими элементами конструкции и размещение в нем каких-либо дополнительных объектов для их совмещения с демонстрируемым изображением по этой причине не возможно.
Ко второй разновидности можно отнести широко распространенные стереоскопические (с применением сепарационных очков) и автостереоскопические устройства (Валюс Н.А. Стереофотография. Стереокино. Стереотелевидение. М.: Искусство, 1986 г.). Само стереоскопическое изображение отображается на плоском экране, а его объемный образ формируется и может восприниматься зрителем объемным в пространстве и перед экраном и за ним. Изображение можно получать на светоизлучающих видеопанелях или способом проекции на отражательный или просветный экран. Возможно создание многоракурсного стереоизображения, в том числе и на больших просветных экранах с высоким разрешением (см. Патент РФ RU 2391689, G03B 27/22, 10.06.2010). Размещение реальных физических объектов конструктивно возможно в пространстве и перед экраном и за ним, однако, размещение их за экраном не имеет смысла, так как зритель не сможет их видеть. Использование устройств проекционного типа с отражающим экраном не применимо по причине тени, которую будет отбрасывать объект на экран. В случае светоизлучающей видеопанели или просветного проекционного экрана возможно размещение объекта в зоне предэкранного пространства, однако эта схема не может работать, если какая-либо часть воспроизводимого изображения должна находиться перед реальным объектом -между зрителем и объектом, так как объект перекроет часть экрана, которая формирует нужное изображение. В случае, когда реальный объект имеет значительные размеры, такая схема становится полностью неработоспособной.
К третьей разновидности относятся голографические способы получения изображения, такие технологии очень сложны и пока находятся в стадии экспериментальных разработок, но, тем не менее, создано уже несколько принципиально разных прототипов таких устройств (см. Комар В.Г., Серов О.Б. Изобразительная голография и голографический кинематограф. М. Искусство, 1987 г.; N. Peyghambarian et al. Holographic three-dimensional telepresence using large-area photorefractive polymer. Nature, vol. 468, pp 80-83, 2010; S. Tay et al. An updateable holographic 3D display. Nature, vol. 451, pp 694-698, 2008). Применительно к рассматриваемому вопросу совместимости воспроизводимого изображения с реальными физическими объектами голографические способы по своим свойствам можно разделить на две подгруппы, которые аналогичны двум уже рассмотренным выше разновидностям.
Таким образом, в рассмотренном современном уровне техники устройств воспроизведения объемного изображения, удовлетворяющих нужному критерию в должной мере, не обнаружено. Однако существует вид устройств, которые не являются устройствами объемного изображения, но позволяют совмещать воспроизводимое изображение с реальными физическими объектами. Это устройства для воспроизведения «псевдообъемного» изображения по методу скрытого экрана. К псевдообъемным относятся способы воспроизведения плоского изображения, в которых используются психофизические особенности и возможности нашего восприятия для создания иллюзии объемности, основанные на статических и динамических монокулярных факторах пространственного зрения, и создается дополнительный эффект объемности; ощущение пространственности изображения усиливается с помощью специально подготовленного демонстрируемого контента и размещения плоских изображений с помощью прозрачных (или скрытых) экранов в реальном физическом пространстве с реальными объемными предметами (элементами сценического пространства или интерьера), за счет чего наше сознание воспринимает их тоже как объемные. При этом зритель наблюдает именно плоское изображение и оба глаза одномоментно видят один и тот же ракурс.
Одним из примеров реализации такого вида устройств является «Проекционное устройство и способ создания иллюзии по методике "PEPPER' S GHOST"», раскрытые в Евразийском патенте ЕА 008990 В1, 26.10.2007 г. В решении применяется способ создания псевдообъемного изображения в основе которого лежит технология скрытого экрана или «peppers ghost» эффект, позволяющий с помощью частично отражающего экрана создавать иллюзорное изображение. Согласно способу видеопроектор проецирует изображение через зеркало на отражательную панель (проекционный экран), расположенную в горизонтальной плоскости, под углом к которой на специальной раме натянут частично прозрачный экран. Зрители, стоящие перед экраном, видят отражение изображения отражательной панели в пространстве за ним. В пространстве за экраном может находиться актер, в этом случае зрители смогут наблюдать одновременно и актера и мнимое отраженное изображение проецируемое проектором.
Устройство, описанное в патенте-аналоге, представляет собой стоящую на сцене несущую конструкцию в виде параллелепипеда или коробки, внутри которой на нижней плоскости на полу размещена отражательная панель, под углом 45 градусов, к которой снизу вверх по диагонали параллелепипеда по направлению к зрителям на специальной раме натянута пленка частично прозрачного экрана. Проектор расположен над экраном в верхней части конструкции и через промежуточное зеркало проецирует изображение на отражательную панель. Зрители, находящиеся перед сценой, изображение на отражательной панели не видят, но зато видят в частично прозрачном экране его отражение, расположенное на сцене в пространстве за пленкой экрана, где в это же самое время на этой же части сцены могут находиться и живые актеры. Также в патенте-аналоге описано устройство рамы для натяжения частично прозрачного экрана и некоторые дополнительные технические элементы. Устройство, описанное в патенте-аналоге, специально создавалось для применения в зрелищных мероприятиях на концертах и в театрах, и разрабатывалось именно для этих целей, в силу чего имеет узкое специализированное назначение и ограниченные возможности.
У данного аналога есть ряд существенных технологических и технических ограничений. Наиболее существенным и принципиальным недостатком является возможность отображения только плоского изображения. Формируемое изображение визуализируется и локализовано только в одной вертикальной плоскости, расстояние до которой фиксировано и определяется и однозначно задается взаимным расположением «отражательного элемента» проекционного экрана и «частично прозрачного экрана» формирующего «мнимое изображение». Таким образом, формируемое изображение является плоским и позволяет получить, как указано в патенте-аналоге, только «ложное восприятие глубины» на основе «способа создания иллюзии», а при размещении в одном пространстве рядом с реальными объемными трехмерными предметами или совмещении с ними отличие проецируемого изображения от реальных объектов и его иллюзорность становятся особенно заметными.
Другим важным недостатком устройства является принципиальная невозможность распределения или перемещения создаваемых изображений по глубине пространства и жесткая привязка к одной единственной плоскости. Невозможно заполнение пространства по глубине или размещение объектов на разных планах по глубине. По этой же причине отсутствует возможность для формируемого изображения при его перемещении «обходить» с разных сторон реальные физические объекты и перемещаться в пространстве по свободным траекториям.
Данное устройство также не позволяет визуализировать сцены, объекты или набор объектов разнесенных по глубине. Это значительно ограничивает реалистичность и сферу применения предлагаемого метода.
Кроме этого предложенное устройство предполагает применение в качестве «частично прозрачного экрана» пленки и специальной конструкции для ее натяжения, что позволяет делать установки большого размера, но для малогабаритных устройств это решение слишком сложно и малоприменимо - в ряде случаев более предпочтительным является использование жестких частично прозрачных поверхностей. Также к недостаткам можно отнести и то обстоятельство, что предложенное решение основано на использовании только проекционной технологии получения изображения с фиксированной оптической схемой и предназначено для решения узкого класса специализированных задач, что накладывает дополнительные ограничения, связанные с возможностями и сферой его применения.
В публикации заявки США US 20030085866, 08.05.2003 описано устройство для формирования объемного цветного изображения, направленное на решение задачи совмещения воспроизводимых объемных изображений и реальных физических объектов в одном общем пространстве для их одновременного совместного наблюдения с помощью средств виртуальной (VR) и дополненной (AR) реальности.
Устройство содержит корпус; блок воспроизведения стереоскопического изображения, формирующий статичное или движущееся объемное изображение со стереоскопическими затворными очками для разделения стереоизображений для обоих глаз и обеспечения возможности стереоскопического просмотра; электромагнитное устройство слежения для поддержки отслеживания положения головы зрителя, необходимое для правильного расчета и построения стереоскопического изображения; частично отражающую прозрачную оптическую поверхность, установленную под углом к блоку воспроизведения с возможностью отображения формируемого в блоке воспроизведения изображения в зону предметного пространства, в которой могут размещаться реальные физические трехмерные объекты, и источник света для освещения зоны предметного пространства. Частично отражающая прозрачная оптическая поверхность формирует мнимое изображение, которое зритель в зоне этого пространства может наблюдать оптически совмещенным по трем координатам (высоте, ширине и глубине) с реальными размещенными в этом же объеме физическими объектами в виде совмещенного комбинированного объемного изображения.
В данном устройстве формируемое изображение является не псевдообъемным, а стереоскопическим. Объемное изображение создается стереоскопическим методом) при котором с помощью специальных датчиков (трекеров) определяется расположение глаз зрителя, на основании чего компьютер генерирует два плоских изображения или стереопару соответствующих этому положению ракурсов, которые выводятся на плоский экран и наблюдаются зрителем раздельно левым и правым глазом через сепарационные стереоскопические очки. Стереоскопическое изображение состоит из двух плоских изображений объекта, собственно, объемное изображение синтезируется и создается мозгом на основе анализа плоских изображений стереопары. При смещении положения глаз мы должны увидеть объект с другого ракурса и компьютер должен это отследить и сгенерировать новые изображения (стереопару) для двух новых ракурсов соответствующих новому положению глаз зрителя и вывести это изображение в виде стереопары на экран.
Отдельной проблемой является совмещение виртуального изображения с реальными объектами. При каждом смещении глаз зрителя и направления его взгляда это фиксируется устройством слежения, затем рассчитывается положение виртуального объекта в пространстве относительно нового положения глаз наблюдателя и положения реальных физических объектов, после чего специальной программой генерируется корректное изображение виртуального объекта соответствующего этой точке наблюдения.
Таким образом, данный метод требует дополнительного оборудования для постоянного динамического отслеживания положения наблюдателя в пространстве, достаточно мощного и сложного компьютерного оборудования и специализированного программного обеспечения. Работать с такой системой одновременно может только один наблюдатель и он должен быть в сепарационных очках. Кроме этого система может строить нужные стереоскопические изображения только методом вычислений на основе компьютерной 3D модели воспроизводимого изображения и не предназначена для работы с изображениями реального мира, которые можно получать при съемке видеокамерой.
Еще один существенный недостаток, характерный для устройств с полупрозрачным зеркалом, связан с «прозрачностью» формируемых мнимых (виртуальных) отраженных частично отражающей оптической поверхностью объектов, в случае их расположения перед подсвеченными реальными объектами на линии наблюдения зрителем. Так как реальные объекты физически размещены для зрителя после полупрозрачного зеркала, то в случае их пересечения виртуальными объектами отраженными в этом же зеркале, последние будут просвечивать и сквозь них будут видны реальные объекты заднего плана, а заметность этого явления зависит от степени их яркости и освещенности.
Наиболее близким аналогом рассматриваемого решения является устройство для формирования объемного изображения, раскрытое в публикации заявки США US 2017109938, 20.04.2017. Данное устройство является аналогичным описанному выше и содержит корпус (основание), образующий предметное пространство для размещения в нем реальных объектов, блок воспроизведения объемного изображения, частично отражающую прозрачную оптическую панель, установленную под углом к блоку воспроизведения с возможностью отражения формируемого в блоке воспроизведения изображения в зону предметного пространства, камеру, которая захватывает изображения реального объекта в области взаимодействия, датчика для отслеживания положения глаз и блок освещения зоны предметного пространства с реальными объектами. Блок освещения выполнен в виде проектора, который обеспечивает выборочное подсвечивание некоторых областей зоны предметного пространства.
В качестве блока воспроизведения могут применяться различные типы дисплеев, в дополнительном пункте формулы изобретения оговаривается возможность применения наряду с другими типами дисплеев также и стереоскопических, автостереоскопических и волюметрических типов дисплеев. Однако эти разновидности указаны в общем перечислении всего ряда и всех видов существующих сейчас на рынке дисплеев вместе с обычными необъемными видами без указания и раскрытия особенностей формирования объемного изображения, при этом в патенте приведено описание датчика (tracking sensor) для отслеживания и определения положения головы и глаз пользователя и возможности построения с помощью процессора изображения виртуальной среды с учетом положения пользователя и объекта, что свидетельствует о применимости и возможности работы устройства одновременно только для одного наблюдателя, как и в предыдущем рассмотренном устройстве.
Необходимость применения систем слежения и возможность наблюдать корректное совмещенное изображение только для одного пользователя определяется ограничением, связанным с воспроизведением объемного изображения, расположенного за реальным объектом при его наблюдении несколькими пользователями. В частности, если для одного из наблюдателей (пользователей) изображение виртуального объекта будет находиться в прямой видимости, а для второго наблюдателя будет перекрыто реальным объектом и поэтому не должно им наблюдаться, то при отображении виртуального объекта блоком воспроизведения через частично отражающую прозрачную оптическую поверхность указанный виртуальный объект все равно будут видеть оба наблюдателя, т.к. отражающая поверхность расположена до реального объекта и отражение в ней видно со всех точек наблюдения. При этом изображение виртуального объекта для второго наблюдателя будет «просвечивать» сквозь реальный объект. Устраняются эти негативные эффекты в рассмотренных выше технологических решениях методом вычисления и синтеза скорректированного изображения на основе данных от датчиков для одной точки наблюдения. Однако это существенное ограничение не позволяет применять устройство одновременно более чем одним пользователем и требует значительного технического усложнения устройства.
Таким образом, известные из современного уровня техники устройства для формирования объемного цветного изображения совмещенного с реальными физическими объектами в трехмерном пространстве имеют следующие принципиальные недостатки:
1) Устройства обеспечивают возможность наблюдения объемного изображения при совмещении в одном объеме виртуальных и реальных объектов одновременно только для одного пользователя (зрителя). При этом для обеспечения корректного отображения применяются специальные системы слежения и контроля за положением глаз зрителя, на основании чего вычисляется и генерируется изображение.
2) Необходимо применение специальных систем слежения и контроля за положением глаз пользователя для обеспечения корректного отображения объемных виртуальных объектов и специализированных алгоритмов вычисления и генерирования изображения.
3) В силу необходимости генерировать изображение методами компьютерного моделирования в соответствии с положением глаз наблюдателя невозможна демонстрация предварительно записанных видеозаписей или прямая трансляция объемных изображений с видеокамер.
4) Существенной проблемой является «прозрачность» формируемых мнимых (виртуальных) отраженных частично отражающей оптической поверхностью объектов, в случае их расположения перед подсвеченными реальными объектами на линии наблюдения зрителем. Так как реальные объекты физически размещены для зрителя после полупрозрачного зеркала, то в случае их пересечения виртуальными объектами, отраженными в этом же зеркале, последние будут просвечивать и сквозь них будут видны реальные объекты заднего плана.
Раскрытие сущности изобретения
Задачей заявленного изобретения является устранение недостатков аналогов и обеспечении возможности воспроизведения и визуализации полноцветных объемных изображений в трехмерном физическом объеме предметного пространства и возможность их пространственного совмещения с реальными физическими объектами и предметами размещенными в этом же объеме с получением единой реалистичной картины для одновременного наблюдения нескольким пользователями с нескольких точек наблюдения.
Технический результат изобретения заключается в улучшении качества оптического совмещения формируемых объемных изображений с реальными объектами в трехмерном объеме, обеспечении условий для наблюдения совмещенного объемного изображения одновременно несколькими пользователями с разных ракурсов и упрощении конструкции устройства за счет отказа от устройств отслеживания взгляда пользователя.
Указанный технический результат достигается за счет того, что устройство для формирования объемного изображения в трехмерном пространстве с реальными объектами содержит: первый блок воспроизведения объемного изображения, частично отражающую прозрачную оптическую панель, установленную с возможностью отображения объемного изображения, формируемого в первом блоке воспроизведения, в область предметного пространства, обеспечивающего размещение в нем по меньшей мере одного реального объекта, а также второй блок воспроизведения объемного изображения, установленный в задней части предметного пространства по отношению к направлению взгляда пользователя, при этом первый блок воспроизведения объемного изображения и частично отражающая прозрачная оптическая панель установлены с возможностью отображения по меньшей мере одного основного виртуального объекта в зону предметного пространства перед реальным объектом относительно направления взгляда пользователя, а второй блок воспроизведения объемного изображения установлен с возможностью отображения по меньшей мере одного дополнительного виртуального объекта в зону предметного пространства за реальным объектом относительно направления взгляда пользователя. Кроме того, согласно частным вариантам реализации изобретения:
- в качестве первого и второго блоков воспроизведения объемного изображения может быть использован стереоскопический дисплей и/или волюметрический дисплей, и/или голографический дисплей, и/или проекционная система демонстрации объемного изображения с по меньшей мере одним проектором и просветным или отражательным проекционным экраном.
- в качестве первого блока воспроизведения объемного изображения наиболее предпочтительно использование автостереоскопического или волюметрического, или голографического дисплея.
- в качестве второго блока воспроизведения объемного изображения наиболее предпочтительно использование стереоскопического или голографического дисплея;
- первый блок воспроизведения объемного изображения установлен вне поля зрения пользователя, выше или ниже, или сбоку относительно оси зрения пользователя;
- устройство может дополнительно содержать блок освещения предметного пространства, выполненный с возможностью зонированного освещения предметного пространства;
- блок освещения предметного пространства может содержать направленные источники света и/или по меньшей мере один проектор для проецирования света в предметное пространство;
- блок освещения предметного пространства может содержать средство управления, выполненное с возможностью управления положением и/или направлением светового потока, и/или цветностью, и/или яркостью каждого из направленных источников света и/или каждого из проекторов;
- блок освещения предметного пространства может дополнительно содержать видеокамеру для отслеживания положения по меньшей мере одного реального объекта и формирования соответствующего освещения предметного пространства на основании указанного положения.
В отличие от ближайшего аналога в рассматриваемом устройстве применяется решение, в котором используется два блока воспроизведения на основе стереоскопической, объемной волюметрической или голографической технологии отображения объемного изображения и усовершенствованная система освещения. Такое решение обеспечивает возможность наблюдения изображения несколькими пользователями с разных ракурсов без применения специальных устройств отслеживающих положение глаз пользователя. При этом второй блок воспроизведения объемного изображения, расположен в задней части предметного пространства относительно взгляда пользователей и формирует виртуальные объекты, расположенные за перекрывающими их реальными объектами, для устранения эффекта «просвечивания» виртуальных объектов сквозь находящиеся перед ними реальные, что может быть особенно заметно с некоторых ракурсов наблюдения. Усовершенствованная система освещения, позволяет исключить или уменьшить эффект «прозрачности» формируемых первым блоком воспроизведения виртуальных отраженных частично отражающей оптической поверхностью объектов и «просвечивания» размещенных за ними реальных объектов.
Указанные особенности позволяют обеспечить получение более реалистичной картины при наблюдении несколькими пользователями, за счет улучшения качества оптического совмещения формируемых объемных изображений с реальными объектами в трехмерном объеме.
Краткое описание чертежей
Изобретение поясняется чертежами, где:
на фиг. 1 схематично показан общий вид заявленного устройства;
на фиг. 2 показана схема наблюдения изображений несколькими пользователями;
Осуществление изобретения
Заявленное устройство содержит набор конструктивных элементов, которые могут быть объединены основанием (1) в виде единого корпуса или несущей конструкции, или устанавливаться независимо, но в строго определенных зафиксированных относительно друг друга положениях. Конструктивные элементы формируют предметное пространство (2) для размещения в нем реальных физических объектов (3), в том числе подвижных и живых (например актеров). В состав устройства входят: первый блок (4) воспроизведения объемного изображения, второй блок (5) воспроизведения объемного изображения, частично отражающая прозрачная оптическая панель (6), а также, необязательно, блок (7) освещения предметного пространства (2).
Первый блок (4) воспроизведения обеспечивает получение объемного изображения (8). В качестве первого блока (4) могут применяться стереоскопические дисплеи (дисплеи с 3D очками, автостереоскопические, многоракурсные и т.д.), волюметрические (объемные) дисплеи с различным принципом формирования изображения, а также голографические дисплеи. По способу формирования самого изображения могут применяться различные типы дисплеев: жидкокристаллический, плазменный, светодиодный, электронно-лучевой, лазерный, проекционный и т.д.
Также возможны различные варианты применения проекционных многокомпонентных систем, состоящих из одного или нескольких проекторов и проекционного экрана (отражательного или просветного типов), что существенно расширяет разнообразие возможных конфигураций системы и позволяет значительно увеличить возможные размеры воспроизводимого изображения.
Однако наиболее предпочтительно использование в качестве первого блока воспроизведения дисплеев, позволяющих наблюдать объемные изображения без применения носимых оптических средств (3D очков и т.д.), а именно автостереоскопических (многоракурсных), волюметрических и голографических дисплеев.
Существенным требованием к воспроизводимому изображению является его объемность, наблюдаемая и различаемая зрителем в трех пространственных координатах, в том числе и по глубине изображения. Возможность применения в блоке воспроизведения систем разного типа позволяет существенно расширить область применения с учетом возможных требований к качеству и размерам изображения, сложности и стоимости оборудования, другим технологическим характеристикам и эксплуатационным требованиям.
Первый блок (4) воспроизведения объемного изображения размещается скрытым от зрителя образом вне поля его зрения так, чтобы наблюдатель не мог видеть воспроизводимое непосредственно на нем изображение. В частности, первый блок (4) может быть размещен выше или ниже оси зрения пользователей или сбоку от пользователей.
Полупрозрачная панель (6) (или полупрозрачное зеркало) с оптической поверхностью предназначена для отображения (отражения) объемного изображения (8), создаваемого первым блоком (4), в область предметного пространства (2) в виде основного виртуального объекта (9) или нескольких объектов, расположенных перед реальным объектом (3) (или объектами). Панель (6), как правило, ориентирована под углом к первому блоку (4) воспроизведения изображения или направлению создаваемого первым блоком (4) светового потока таким образом, чтобы пользователь (зритель) (10) видел в ней отраженное объемное изображение. Оптическая поверхность панели (6) должна обладать свойством частичного отражения для изображения находящегося под углом к ней и оставаться частично прозрачной для проходящего сквозь нее света, чтобы было видно изображение и пространство, находящееся относительно зрителя за этой поверхностью в области предметного пространства (2). Существенным требованием к панели (6) является отсутствие искажений (геометрическое искажение формы, световое рассеяние, эффект раздвоения изображения и др.) отраженного и проходящего сквозь нее изображения.
Размещаемые в области предметного пространства (2) реальные физические объекты (3), пользователь (8) также может видеть сквозь панель (6). Чтобы обеспечить визуальное перекрытие реальным объектом (3) виртуальных, применяется второй блок (5) воспроизведения объемного изображения, устанавливаемый на задней границе объема зоны предметного пространства (2). Указанный второй блок (5) формирует объемное изображение в виде дополнительного виртуального объекта (11) или объектов, располагаемых за реальным объектом (3). В этом случае виртуальные изображения, находящиеся после реальных объектов (3) (относительно пользователя), воспроизводимые вторым блоком (5) будут перекрываться реальными объектами в соответствии с законами геометрической оптики и, что принципиально важно, несколько зрителей могут одновременно наблюдать их из разных точек зоны наблюдения с перекрытием соответствующим их положению.
Ко второму блоку (5) воспроизведения объемного изображения, как правило, предъявляются более строгие технические требования, чем к первому (4). Изображения, предпочтительно, должны формироваться указанным блоком (5) в зоне предметного пространства (2), поэтому желательно, чтобы они располагались за пределами его физического корпуса, т.е. перед экраном. Это могут обеспечить устройства со стереоскопической или голографической технологией создания изображения. Волюметрические дисплеи также могут быть применены в заявленном устройстве, однако они формируют изображение только внутри своего корпуса и могут иметь ограниченное применение без выхода изображения непосредственно в зону предметного пространства (2), обеспечивая объемное изображение только за ее границей в пределах объема своего корпуса.
Таким образом, все основные виртуальные объекты (9), расположенные перед реальными объектами (3) и не перекрывающиеся ими, должны формироваться первым блоком (5) воспроизведения и отражаться в сторону наблюдателя панелью (6), а дополнительные виртуальные объекты (11), перекрывающиеся реальными объектами (3) и находящиеся сзади них формируются вторым блоком (5) воспроизведения объемного изображения.
Для улучшения качества оптического совмещения виртуальных и реальных объектов может быть предусмотрен блок (7) освещения предметного пространства (2). Указанный блок (7) может содержать направленные источники света (12) или по меньшей мере один видеопроектор (13) или их комбинацию.
В качестве направленных источников света (12) могут применяться, например, светодиодные RGB светильники.
В одном из вариантов реализации изобретения источники направленного света (12) и/или видеопроекторы (13) могут быть установлены неподвижно таким образом, что каждый элемент или группа элементов направлена на определенную область в предметном пространстве. В другом варианте реализации изобретения указанные элементы могут иметь возможность изменения своего положения и/или направления их освещения.
Для управления работой источников света (12) и видеопроекторов (13) может применяться средство управления (14), которое задает режим освещения предметного пространства (2) путем регулировки яркости, цветности каждого источника света (12) или подает модулированный видеосигнал, обеспечивающий управление яркостью и цветностью каждого пиксела видеопроектора (13), а также контролирует локализацию и направление освещения каждого элемента.
Указанные направленные источники света (12) и проекторы (13) обеспечивают зонированное освещение области предметного пространства, которое позволяет решить или свести к минимуму проблему «прозрачности» формируемых мнимых (виртуальных) отраженных частично отражающей оптической поверхностью панели (5) объектов, при их положении на линии взора между наблюдателем и подсвеченным реальным объектом.
Чтобы избежать просвечивания реальных объектов (3) сквозь виртуальные (изображение 7) достаточно с помощью управляемой системы освещения убрать с «просвечивающих» объектов или их элементов свет. Если объекты (3) перемещаются, то управление освещением осуществляется по специальному составленному сценарию, или предполагает наличие устройства с видеокамерой (на чертежах не показана), фиксирующей положение и перемещение реальных объектов в области предметного пространства, которое в режиме реального времени выдает необходимую информацию для обеспечения управления системой освещения.
Заявленное устройство работает следующим образом.
В первом блоке (4) воспроизведения изображения генерируется объемное изображение (8), виртуальные объекты (9), которого отражаются поверхностью частично отражающей оптической панели (6) в сторону пользователей (10а и 10b), таким образом, что они визуально расположены перед реальными объектами (3). (см. фиг. 2)
В случае наблюдения картины двумя пользователями (10а и 10b) они оба наблюдает этот основной виртуальный объект (9) (или несколько объектов) и воспринимают его в качестве мнимого виртуального изображения за оптической панелью (6) в объеме предметного пространства (2) удаленным от панели на такое же расстояние, на каком от этой панели находится изображение (8) в первом блоке (4) воспроизведения.
Посредством второго блока (5) воспроизведения формируют дополнительный виртуальный объект (11) (или объекты), расположенный за реальным объектом (3).
Первый пользователь (10а) наблюдает указанный дополнительный виртуальный объект (11), поскольку он находится в прямой видимости для данного пользователя (фиг. 2). Для второго пользователя (10b) видимость указанного виртуального объекта (11) ограничена, поскольку виртуальные изображения, находящиеся после реальных объектов (3) (относительно пользователя), воспроизводимые вторым блоком (5) воспроизведения объемного изображения будут перекрываться реальными объектами (3) в соответствии с законами геометрической оптики.
Таким образом реализуется корректное отображение совмещенного объемного изображения во всем объеме зоны предметного пространства.
Для улучшения оптического совмещения виртуальных и реальных объектов, посредством блока (7) осуществляется зонирование подсветки предметного пространства (2) с формированием освещенных и неосвещенных зон. В процессе демонстрации режим освещения может изменяться. Возможно применение синхронизации режима освещения с формируемым блоками (4, 5) изображениями, что может быть полезно в случае движения воспроизводимых изображений в области предметного пространства и геометрического перекрытия ими реальных физических объектов, которые в этот момент не должны освещаться.
Заявленное устройство позволяет формировать движущееся цветное объемное цифровое изображение в реальном физическом объеме рабочего пространства и обеспечивать возможность его пространственного оптического совмещения с реальными физическими объектами, расположенными в этом же объеме. Создаваемое изображение наблюдается зрителем действительно объемным, а не «псевдообъемным» плоским с иллюзией объема достигаемой за счет психофизиологических механизмов восприятия человека.
Элементы изображения обладают наблюдаемым рельефом и протяженностью, могут занимать пространственные места во всех точках заданного объема и свободно в нем перемещаться. Изображение наблюдается глазами зрителя с разных ракурсов, а расстояние до элементов изображения определяется на основе механизмов бинокулярного зрения, в результате чего зритель может наблюдать и с большой точностью оценивать степень рельефности и относительную разницу расстояний между объектами (в том числе и по глубине).
Объемное изображение могут наблюдать одновременно несколько зрителей из разных точек, располагающихся в зоне предназначенной для наблюдения.
Для подтверждения промышленной применимости предлагаемого изобретения был изготовлен экспериментальный полнофункциональный действующий образец устройства.
В образце применены блоки воспроизведения объемного изображения с многоракурсными (9 ракурсов) линзо-растровыми автостереоскопическими дисплеями с диагональю экрана 39 дюймов. Размер рабочей зоны предметного пространства (ШхВхГ) 800×400×260 мм. Блок освещения зоны предметного пространства выполнен на светодиодах. Данный экспериментальный образец позволяет воспроизвести объемное подвижное цветное изображение и обеспечить его совмещение с реальными физическими трехмерными объектами в объеме всей зоны предметного пространства.
Зрители могут наблюдать полностью объемное совмещенное изображение и имеют возможность, в пределах многоракурсной зоны наблюдения, оглядывать его непосредственно без применения специальных оптических устройств с нескольких разных ракурсов.
В зависимости от требуемых потребительских характеристик возможны различные варианты реализации и компоновки устройства, но функциональные свойства его элементов и их взаимодействие при этом не меняются. Целесообразность выбора того или иного варианта реализации и компоновки устройства зависит от условий эксплуатации и возможностей по размещению зрителей.
Предлагаемое устройство является перспективным и имеет обширную сферу применения, что обеспечивается возможностями использования вариантов с различной компоновкой, доступностью и применимостью нескольких разных технологий отображения объемного изображения в соответствии с целевым назначением устройства и возможными специальными требованиями пользователей.
Возможно создание устройств самых разнообразных размеров - от нескольких сантиметров до десятков метров.
Предлагаемое устройство формирования объемного цветного изображения в трехмерном пространстве с реальными физическими объектами обеспечивает решение поставленной задачи и достижение заявленного технического результата, может найти широкое применение и быть востребовано в сфере образования и науки, музейных и выставочных экспозициях, для создания разного рода тренажеров, при моделировании трехмерных задач в науке и технике, для машинного проектирования и конструирования, в рекламе, развлекательной индустрии и т.п.
Таким образом, заявленное устройство имеет следующие основные преимущества:
1) Устройство обеспечивает демонстрацию действительно объемного изображения в выделенном пространстве, а не псевдообъемную иллюзию.
2) Устройство позволяет демонстрируемое объемное изображение оптически совмещать с реальными объектами, в том числе макетами или объемными сценами в одном выделенном пространстве, при этом совмещение возможно во всех точках объема этого пространства, а наблюдаемое зрителем совмещенное комбинированное изображение будет действительно объемным воспринимаемым на основе механизмов бинокулярного зрения.
3) Устройство обеспечивает возможность наблюдения совмещенного комбинированного объемного изображения одновременно для нескольких наблюдателей из разных точек зоны наблюдения;
4) Устройство позволяет обеспечить возможность наблюдения объемного изображения без применения специальных дополнительных систем слежения и контроля за положением глаз зрителя (специальные датчики, трекеры и т.д.).
5) Устройство обеспечивает возможность движения объектов или элементов демонстрируемого объемного изображения по любым пространственным траекториям внутри объема выделенного пространства.
6) Устройство позволяет исключить эффект «прозрачности» формируемых мнимых (виртуальных) отраженных объектов и «просвечивания» реальных объектов сквозь виртуальные при их размещении перед (по направлению к наблюдателю) реальными объектами на линии взора наблюдателя и добиться отсутствия нежелательных теней от реальных объектов.
7) Устройство позволяет использовать для демонстрации не только изображение генерируемое методами 3D компьютерного моделирования, но также и отснятое и записанное реальное объемное изображение.
8) Устройство допускает изготовление панели с частично отражающей прозрачной оптической поверхностью из различных материалов и по разным технологиям, в том числе на основе упруго растянутых пленочных или жестких (стеклянных, пластиковых и т.п.) подложек;
9) В зависимости от целевого назначения и требующихся технических параметров устройство предполагает возможность применения в блоке воспроизведения объемного изображения различных систем отображения объемного изображения по способу создания изображения и по виду технологии создаваемого объемного изображения.
10) Устройство предполагает разные варианты оптической и геометрической компоновки узлов и возможность применения различных сочетаний основных узлов и их конструктивного размещения с целью модификации и оптимизации устройства для разных целевых назначений и учитывающей такие факторы, как: условия наблюдения зрителями и их расположение, размеры изображения, качество объемного изображения, стоимость и технологическая сложность и т.д.