УСТРОЙСТВО ФОРМИРОВАНИЯ ИЗОБРАЖЕНИЯ
IMAGE FORMING APPARATUS

Изобретение относится к устройствам формирования изображения, основанным на принципе пространственной механической развертки, и может быть использовано в информационных устройствах различного назначения для отображения трехмерного изображения с помощью вращающихся светоизлучающих элементов (светоизлучателей).
Известно устройство формирования изображения - 3D светодиодный дисплей с широким углом обзора (А. Самарин. Современные технологии дисплеев объемного изображения. Журнал Современная электроника, №2, 2005, с. 18-19), состоящий из поворотной платформы, схемы управления и 12 вертикальных сканирующих светодиодных линеек, расположенных на платформе в виде двух дуг с интервалом по глубине 7 мм и на угловом расстоянии 8 градусов. При движении линеек светодиодов по кругу можно наблюдать трехмерное изображение, разделенное на 12 плоскостей по глубине. Каждая плоскость имеет разрешение по вертикали 16 элементов, а по горизонтали 48 элементов. Данное трехмерное изображение синтезируется программой персонального компьютера. Видеоданные по последовательному интерфейсу передаются в двенадцать микроконтроллеров, которые размещаются на вращающейся платформе. Каждый микроконтроллер управляет одной светодиодной линейкой с каждой стороны платформы. Контроллеры работают синхронно и управляют через свои порты светодиодными массивами.
Недостатком известного устройства следует считать отсутствие возможности наблюдения кругового обзора объемного изображения с внутренней стороны круговой развертки изображения, что ограничивает информационные и функциональные возможности данного устройства.
Наиболее близким к предлагаемому устройству является устройство формирования изображения (патент RU №2434309 C1, МПК 7 G09F 13/30, опубл. 20.11.2011, бюл. №32), включающее корпус с установленным на него верх дном прозрачным первым стаканообразным кожухом (экраном), второй стаканообразный кожух, источник сигнала стереоскопического изображения (видеосигнала), содержащего нечетное поле для левого глаза и четное поле для правого глаза, подключенный к видеокодеру и селектору синхроимпульсов видеосигнала, бесконтактный электродвигатель с системой автоматического регулирования скорости вращения вала. Система автоматического регулирования содержит фазовый и частотный каналы, датчик оборотов электродвигателя и частотный датчик, установленные на электродвигателе. На валу электродвигателя, имеющего полость, установлено сбалансированное основание, содержащее печатную плату, на которой размещены вращающий блок индикации, включающий первый и второй кронштейны крепления светоизлучателей, установленные диаметрально противоположно между собой на основании, коммутатор, блок управления излучением светоизлучателей, имеющий раздельные схемы управления для каждого светоизлучателя, формирователь сигнала изображения, блок питания электронных вращающихся устройств, вращающийся трансформатор, содержащий соосно установленные роторный и статорный магнитные сердечники броневого типа с осевыми отверстиями, кольцеобразными полостями, обращенными друг к другу с малым воздушным зазором, в первом из которых установлена роторная обмотка, а во втором - статорная. Роторный сердечник расположен на верхнем конце вала электродвигателя, а статорный - во втором стаканообразном кожухе. Обмотка роторного сердечника подключена к входу блока питания электронных вращающихся устройств, а обмотка статорного сердечника - к внешнему источнику электропитания переменного напряжения. Устройство также содержит блок оптических пар, состоящий из внутренней и внешней втулок, соосно вставленных друг в друга с воздушным зазором. Внутренняя втулка состоит из прозрачных цилиндрически полых секций, содержащих светоизлучатели с круговой диаграммой излучения, подключенные к выходу видеокодера и экраны от излучения. Внешняя втулка содержит пазы с фотоприемниками, расположенными напротив соответствующих прозрачных секций со светоизлучателями. Выход каждого фотоприемника подключен к соответствующему входу формирователя сигнала изображения, выход которого подключен к входу блока управления излучением светоизлучателей, в свою очередь, выход которого соединен с коммутатором. К его коммутационному входу подключен датчик оборотов электродвигателя, а выходы подключены, соответственно, к блоку индикации для поочередного переключения светоизлучателей первого и второго кронштейнов. Светоизлучатели первого кронштейна смещены по вертикали относительно светоизлучателей второго кронштейна, таким образом, что при вращении вала электродвигателя излучение светоизлучателей обеспечивает возможность образования пространственной чересстрочной развертки изображения. При этом в данное устройство введены третий стаканообразный кожух с отверстием в центре дна, соосно и верх дном установленный на прозрачном экране, разъем с выводами для подключения источника питания переменного напряжения и источника электропитания электродвигателя, установленный в дне второго кожуха, который, в свою очередь, установлен сверху третьего кожуха, на котором установлен электродвигатель с валом, нижний конец которого проходит через отверстие и содержит сбалансированное основание, разъем с выводами для подключения источника видеосигнала, установленный в дне прозрачного экрана, в имеющейся кольцевой полости стенок которого помещены вращающиеся кронштейны со светоизлучателями, а между нижней частью каждого кронштейна и внешней стенкой кольцевой полости прозрачного экрана установлен подшипник. Кроме того, нижний конец внутренней втулки с излучателями блока оптических пар закреплен в центре дна прозрачного экрана.
Недостатком данного устройства является необходимость использования наблюдателем стереоскопических очков, обеспечивающих эффект объемного изображения, что по сравнению с наблюдением реальных объемных изображений существенно снижает достоверность зрительного восприятия.
Задачей изобретения является создание устройства, позволяющего формировать объемное изображение, наблюдаемое с внутренней стороны круговой развертки без дополнительных стереоскопических приспособлений, например очков.
Технический результат состоит в расширении информационных и функциональных возможностей устройства, включая возможность его работы в качестве панорамного монитора с внутрикруговым обзором объемного изображения, например для тренажеров различного назначения.
Технический результат решается тем, что в устройство формирования изображения, содержащее корпус - нижнее кольцевое основание с установленным на него верх дном прозрачным первым стаканообразным кожухом - экраном, второй и третий стаканообразные кожухи, источник сигнала трехмерного изображения - видеосигнала, содержащего наборы из нечетных и четных полей, подключенный к видеокодеру и селектору синхроимпульсов видеосигнала, разъемы подключения внешних источников электропитания и видеосигнала, установленных соответственно в стенках третьего и второго кожухов, бесконтактный электродвигатель с системой автоматического регулирования скорости вращения вала, выполненного полым, на нижней части которого установлено сбалансированное круговое основание - платформа, содержащая печатную плату электронных вращающихся блоков, блок индикации, содержащий светоизлучатели, коммутатор, блок управления излучением светоизлучателей, имеющий раздельные схемы управления для каждого светоизлучателя, формирователь сигнала изображения, блок питания электронных вращающихся блоков, содержащий выпрямитель и вращающийся трансформатор, роторная обмотка которого подключена к выпрямителю, а статорная - к внешнему источнику переменного напряжения, блок оптических пар передачи видеоданных, содержащий статорную и роторную части, статорная часть устройства содержит излучатели оптического диапазона электромагнитных волн с круговой диаграммой направленности, подключенные через коммутатор к видеокодеру, а роторная часть содержит фотоприемники, подключенные к формирователю сигнала объемного изображения, выход которого подключен к входу блока управления излучением светоизлучателей, в свою очередь, выход которого соединен с коммутатором, к его коммутационному входу подключен датчик оборотов электродвигателя, а выходы подключены, соответственно, к блоку индикации, второй стаканообразный кожух содержит отверстие в центре дна и установлен вверх дном на нижнее кольцевое основание, поверх прозрачного кожуха с воздушным зазором и соосно с ним, третий стаканообразный кожух установлен сверху второго кожуха, на котором также установлен электродвигатель с валом, проходящим через его отверстие, роторный сердечник вращающегося трансформатора установлен на поворотной платформе, соосно валу электродвигателя, а статорный сердечник - на внутренней поверхности дна второго кожуха, роторная часть блока оптических пар передачи видеоданных установлена на верхнем конце вала электродвигателя, а статорная - в центре дна внутренней поверхности третьего кожуха, при этом блок индикации выполнен в виде двух диаметрально противоположно установленных между собой на поворотной платформе первой (нечетной) и второй (четной) светоизлучающих матриц, светоизлучатели которых размещены, соответственно, в ячейках первой и второй, сдвинутых горизонтально в глубину многоступенчатых, дугообразных, вертикальных, прямоугольных решеток, и обращены излучающей поверхностью к центру поворотной платформы.
Дополнительным отличительным признаком предлагаемого устройства формирования объемного изображения является то, что прозрачный экран, второй и третий кожухи, а также разъемы образуют герметичную полость, в одной из стенок которой установлен вакуумный клапан с возможностью откачки воздуха.
Другим дополнительным отличительным признаком предлагаемого устройства является то, что светоизлучатели каждой матрицы размещены в ячейках решеток в «шахматном» порядке.
Введение в устройство формирования изображения первой и второй светоизлучающих матриц, установленных на поворотной платформе диаметрально противоположно между собой, светоизлучатели которых размещены, соответственно, в ячейках первой и второй, сдвинутых в глубину многоступенчатых, дугообразных, вертикальных, прямоугольных решеток и обращенных излучающей поверхностью к центру платформы, позволяет формировать многослойные круговые развертки изображений, как от независимых источников видеосигналов, так и взаимосвязанных между собой, например, с помощью нескольких видеокамер, размещенных вокруг снимаемого объекта по периметру, либо в соответствии с алгоритмом объемной компьютерной графики, образуя при этом объемное многослойное изображение.
Расположение излучающей поверхности каждого светоизлучателя матриц в сторону центра поворотной платформы (где обычно расположены наблюдатели), повышает качество воспроизводимого объемного изображения.
Введение в предлагаемое устройство герметичной полости, образованной кожухами и разъемами, а также установка в ее стенке вакуумного клапана для откачки воздуха и создания вакуума позволяет исключить влияние сопротивления воздуха на вращающиеся матрицы, что повышает эффективность работы устройства, особенно при больших его габаритах.
Размещение в ячейках первой (нечетной) и второй (четной) светоизлучающих матриц светоизлучателей в «шахматном порядке» обеспечивает при вращении режим, когда «шахматное» излучение одной матрицы содержит объемное изображение, сформированное из набора нечетных полей видеосигнала, а «шахматное» излучение другой матрицы содержит объемное изображение, сформированное из четных полей видеосигнала, что позволяет исключить взаимный заслон излучений соседних светоизлучателей и повысить тем самым  достоверность воспроизводимого изображения.
Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежами.
На фиг. 1 показана в разрезе упрощенная конструкция предложенного устройства формирования трехмерного изображения по п. 1; на фиг. 2 и фиг. 3 показаны в упрощенном виде соответственно фрагмент решетки светоизлучающей матрицы и светоизлучатель (например, RGB-светодиод); на фиг. 4 (а, б, в) показаны варианты расположения светоизлучателей в ячейках решеток матриц; на фиг. 5 и фиг. 6 показаны в разрезе (вид сверху) дугообразное расположение светоизлучающих матриц относительно оси вращения вала электродвигателя; на фиг. 7 представлена упрощенная структурная схема предлагаемого устройства.
Устройство формирования изображения 1 (фиг. 1-7) содержит корпус 2 (нижнее кольцевое основание 2) с установленным на него верх дном прозрачным первым стаканообразным кожухом 3 - экраном 3, второй 4 и третий 5 стаканообразные кожухи, источник 6 сигнала трехмерного изображения 7 - видеосигнала 7, состоящего из наборов нечетных и четных полей, подключенный к видеокодеру 8 и селектору 9 синхроимпульсов 10 видеосигнала 7 (фиг. 7), разъемы 11 и 12 подключения внешних источников электропитания (не  показано) и видеосигнала 7, установленных соответственно, в стенках третьего 5 и второго 4 кожухов, бесконтактный электродвигатель 13 с системой автоматического регулирования 14 скорости вращения вала 15, выполненного полым, на нижней части которого установлено сбалансированное круговое основание 16 (поворотная платформа 16), содержащая печатную плату 17 электронных вращающихся блоков, на которой размещены вращающий блок индикации 18 со светоизлучателями 19, коммутатор 20, блок управления излучением 21 светоизлучателей 19, имеющий раздельные схемы управления для каждого светоизлучателя 19 (не показано), формирователь сигнала объемного изображения 22, блок питания 23 электронных вращающихся устройств, содержащий выпрямитель 24 и вращающийся трансформатор 25, роторная обмотка 26 которого подключена к выпрямителю 24, а статорная 27 - к внешнему источнику переменного напряжения (не показан), блок оптических пар 28 передачи видеоданных, содержащий статорную 29 и роторную 30 части, статорная часть 29 устройства 28 содержит излучатели 31 оптического диапазона электромагнитных волн с круговой диаграммой направленности, подключенные через коммутатор 20 к видеокодеру 8, а роторная часть 30 содержит фотоприемники 32, подключенные к формирователю объемного изображения 24, выход которого подключен к входу блока управления излучением 21 светоизлучателей 19, в свою очередь, выход которого соединен с коммутатором 20, к его коммутационному входу подключен датчик оборотов электродвигателя 13 (не показан), а выходы подключены, соответственно, к блоку индикации 18 для поочередного переключения светоизлучателей 19 нечетного и четного полей сигнала изображения 7, второй стаканообразный кожух 4 установлен вверх дном на нижнее кольцевое основание 2, поверх прозрачного кожуха 3 с воздушным зазором 33 и соосно с ним, третий стаканообразный кожух 5 установлен сверху второго кожуха 4, на котором также установлен электродвигатель 13 с валом 15, проходящим через его отверстие 34, роторный сердечник 35 вращающегося трансформатора 25 установлен на поворотной платформе 16 соосно валу 15 электродвигателя 13, а статорный сердечник 36 - на внутренней поверхности дна второго кожуха 4, роторная часть 30 блока оптических пар 28 передачи видеоданных установлена на верхнем конце вала 15 электродвигателя 13, а статорная 29 - в центре дна внутренней поверхности третьего кожуха 5. При этом блок индикации 18 выполнен в виде двух диаметрально противоположно установленных между собой на платформе 16 первой 37 (нечетной) и второй 38 (четной) светоизлучающих матриц, светоизлучатели 19 которых размещены, соответственно, в ячейках 39 первой 40 и второй 41, сдвинутых по горизонтали в глубину многоступенчатых, дугообразных, вертикальных, прямоугольных решеток (фиг. 5, 6) и обращены, каждая из них, излучающей поверхностью 42 к центру платформы 16.
В зависимости от поставленной задачи, например, при наличии в устройстве 1 развертки объемного изображения большого диаметра, прозрачный экран 3, второй 4 и третий кожухи 5, а также разъемы 11 и 12, герметично установлены между собой, образуя герметичную полость 43 (фиг. 1). При этом в одной из стенок, образованной полости 43, установлен вакуумный клапан 44 с возможностью откачки воздуха.
На фиг. 4 представлены три варианта (а), (б) и (в) размещения светоизлучателей 19 в решетках 40, 41 матриц 37, 38 устройства 1. В первом варианте (а) нечетная матрица 37 содержит светоизлучатели 19 в нечетных столбцах 45, а четная матрица 38 содержит светоизлучатели в четных столбцах 46 (фиг.). Во втором варианте (б) нечетная матрица 37 содержит светоизлучатели 19 в нечетных строках 47, а четная матрица 38 содержит светоизлучатели 19 в четных строках 48 (фиг.). В третьем варианте (в) светоизлучатели 19 каждой матрицы 37, 38 размещены в ячейках 39 решеток 40, 41 в «шахматном» порядке с учетом вышеуказанного в вариантах 1 и 2 их размещения.
Устройство формирования объемного изображения 1 (фиг. 7) работает следующим образом.
Сигнал трехмерного изображения 7, предварительно сформированный от нескольких взаимосвязанных, либо независимых источников, либо сформированный как продукт программы компьютерной графики, поступает на вход видеокодера 8, где происходит его мультиплексирование и разделение по определенному алгоритму на параллельные потоки видеоданных, поступающие далее на соответствующие входы излучателей 31 блока оптических пар 28 с круговой диаграммой излучения. Количество оптических пар блока 28 зависит от скорости общего потока видеоданных. Вращающиеся фотоприемники 32 блока оптических пар 28, расположенные напротив соответствующих излучателей 31, принимают потоки видеоданных и далее подают в формирователь сигнала объемного изображения 22. В формирователе сигнала изображения 22 происходит их декодирование, мультиплексирование и разделение видеоданных в соответствии с заданным алгоритмом каждого поля на ряд блоков видеоданных (не показано), равных количеству столбцов 45, 46 (вертикальных ступенек 45, 46 матриц 37, 38) светоизлучателей 19 блока индикации 18. Затем с выхода формирователя сигнала изображения 22 блоки видеоданных каждого поля одновременно (параллельно) подаются на соответствующие входы блока управления 21 излучения светоизлучателей 19, имеющего раздельные схемы управления для каждого светоизлучателя 19 (не показано). В блоке управления излучением 21, в соответствии с заданным алгоритмом, происходит включение конкретных светоизлучателей 19 с определенной яркостью и цветопередачей. Коммутатор 20, управляемый синхроимпульсами 10, поочередно передает видеосигнал 7 нечетных и четных полей на светоизлучатели 19 первой 37 и второй 38 матриц для образования многослойных круговых разверток изображений внутреннего обзора.
Стабилизация скорости вращения вала электродвигателя для электромеханической развертки изображения широко приведена в литературе (например, книга - Афанасьев А.П., Самохин В.П. Бытовые видеомагнитофоны. - М.: Радио и связь, 1989, с. 78-94), осуществляется следующим образом.
Видеосигнал 7 (фиг. 7), одновременно с подачей его в канал формирования разверток изображения, подается на вход селектора 9, на выходе которого выделяются синхроимпульсы 10. Далее синхроимпульсы 10 подаются в систему автоматического регулирования 14 скорости вращения вала 15 электродвигателя 13, где сравниваются с сигналами датчика оборотов по фазе и частоте в схеме сравнения (не показано). С выхода схемы сравнения сигнал ошибки рассогласования в виде напряжения подается в обмотку электродвигателя 13.
Формирование постоянного напряжения электропитания для вращающихся электронных устройств происходит следующим образом. Переменное напряжение, подаваемое от внешнего источника электропитания в статорную обмотку 27 вращающегося трансформатора 25, индуцирует ЭДС в роторной обмотке 26. При подключении к роторной обмотке 26 выпрямителя 24 на его выходе формируется стабилизированное напряжение постоянного тока, которое подается для электропитания вращающихся электронных блоков.
Количество оптических пар блока 28, определяющее разрядность кодируемого видеосигнала 7, зависит от скорости потоков видеоданных.
Предлагаемое устройство может найти применение в качестве монитора с круговым обзором трехмерных изображений, например в авиационных тренажерах для подготовки летного состава и диспетчеров управления воздушным движением, в компьютерном конструировании и моделировании и др.