УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПРОЕЦИРОВАНИЯ ПСЕВДООБЪЕМНЫХ ИЗОБРАЖЕНИЙ

Полезная модель относится к области оптики, а именно к устройствам для проецирования изображений, и может быть использована для демонстрационных, рекламных носителей, с целью обучения и т.д.
Из уровня техники известно множество устройств для проецирования изображений, принцип работы которых основан на законе отражения (угол падения светового луча равен его углу отражения). Идея таких устройств заключается в том, что при взгляде на хорошо отражающую поверхность (например, обычное зеркало) человек видит предметы, отражающиеся в нем так, как будто эти предметы находятся за ним
Например, из уровня техники известно устройство для проецирования изображений, содержащее плоский экран, обеспечивающий воспроизведение на нем изображения и две треугольные зеркальные пластины, плоскости которых размещены под углом меньше 180° к плоскости экрана и примыкающие друг другу по боковым граням (см. US 6062698 А, 16.05.2000). Недостатками такого устройства является то, что проецируемое изображение является плоским и недостаточно реалистичным.
Задачей заявленной полезной модели является создание устройства, позволяющего проецировать "псевдообъемные" изображения, т.е. с эффектом трехмерности.
Техническим результатом заявленной полезной модели является создание объемного эффекта получаемого изображения (эффекта трехмерности), а также получения такого изображения большого размера (несколько метров). Кроме того, дополнительный технический результат заключается в возможности визуального совмещения реальных объектов и проецируемых изображений.
Технический результат достигается за счет того, что устройство для проецирования изображений содержит один плоский проекционный экран или несколько плоских проекционных экранов, установленных в одной плоскости, по крайней мере, одно отражающее зеркало, по крайней мере, один проектор, и, по крайней мере, три треугольные или трапецеидальные пластины из полупрозрачного стекла, установленные примыкающими друг к другу по боковым граням, причем плоскости пластин размещены под углом 45° к плоскости экрана или экранов и пересекаются в точке, лежащей в ней, а проектор установлен с возможностью проецирования изображения через, по крайней мере, одно отражающее зеркало на упомянутый экран или экраны с последующим отражением изображения в плоскостях пластин.
Кроме того, технический результат достигается за счет того, что:
- устройство содержит один экран, одно отражающее зеркало и один проектор,
- количество проекторов, отражающих зеркал и экранов соответствует количеству пластин, при этом каждое отражающее зеркало установлено под углом к плоскости экранов, а каждый из проекторов установлен с возможностью проецирования изображения через соответствующее зеркало на соответствующий экран с последующим отражением изображения в плоскости соответствующей пластины.
- количество отражающих зеркал и экранов соответствует количеству пластин, отражающие зеркала установлены в плоскости, параллельной плоскости экранов, при этом устройство содержит один короткофокусный проектор, установленный с возможностью проецирования изображения через соответствующие зеркала на соответствующие экраны с последующим отражением изображения в плоскостях соответствующих пластин.
- количество проекторов, и экранов соответствует количеству пластин, при этом устройство содержит одно отражающее зеркало, а каждый из проекторов установлен с возможностью проецирования изображения через отражающее зеркало на соответствующий экран с последующим отражением изображения в плоскости соответствующей пластины.
- количество экранов соответствует количеству пластин, при этом устройство содержит одно отражающее зеркало, и один короткофокусный проектор, установленный с возможностью проецирования изображения через отражающее зеркало на экраны с последующим отражением изображения в плоскостях пластин.
- устройство выполнено с возможностью размещения реального объекта между плоскостями пластин и визуального совмещения проецируемого изображения с упомянутым реальным объектом.
На фиг.1 показан общий принцип формирования проекционного изображения, реализуемый в данном устройстве. Для проецирования изображения необходимо наличие горизонтального экрана 1, и полупрозрачной стеклянной пластины 2 (стекла) с высоким коэффициентом отражения, размещенной под углом 45є к этому экрану. При взгляде на эту пластину, благодаря упомянутому выше закону оптики, человек видит отражение 3 экранного изображения, располагающееся на плоскости, перпендикулярной экрану и выходящей из точки соприкосновения экрана и стекла (далее - плоскость отражения). Если изображение представляет собой некий яркий объект на черном фоне, то человек увидит этот объект как будто висящим в воздухе (поскольку черный фон не отражается). При этом это отраженное изображение тем реалистичнее, чем оно контрастней и детальней (а также чем лучше обработана отражающая поверхность стекла), поскольку глаз может с большей точностью и достоверностью определить его положение.
Однако, даже находясь как бы в воздухе, изображению объекта может недоставать реалистичности, поскольку экран с отражающимся изображением плоский, что в принципе достаточно хорошо видно человеку с нормальным зрением. Для усиления эффекта реализма объекта необходимо дополнительно «обмануть» зрителя, добавив к изображению иллюзию трехмерности. Для этого необходимо наличие не одной отражающей пластины, а двух или более.
Главное требование - чтобы плоскости указанных пластин были размещены под углом 45° к экрану, и чтобы они пересекались в одной точке (точке стыка), лежащей в плоскости экрана. Каждое из этих стекол будет отражать свою часть экрана, причем все соответствующие плоскости отражений будут пересекаться по оси, перпендикулярной экрану, опущенной из точки стыка плоскостей с экраном (далее центральная ось).
В заявленном устройстве для усиления эффекта трехмерности изображения и также для увеличения жесткости конструкции устройство содержит три или более треугольные или трапецеидальные пластины.
В качестве экрана, транслирующего изображение, выбран проекционный экран, поскольку остальные типы экранов (плазменные, жидкокристаллические дисплеи) имеют достаточно жесткие ограничения по размерам. В случае использования проекционного экрана размер изображения ограничивается только возможностями проектора.
Для материала экрана может быть использован специальный пластик темного цвета, применяемый в экранах обратной проекции. Для проецирования изображения в устройстве могут использоваться профессиональные проекторы со сменной оптикой. В случае наличия фонового освещения применяются проекторы с высокой мощностью (10000 ansi lumen и более).
Для визуального совмещения реальных объектов и проецируемого изображений устройство выполнено с возможностью размещения этих объектов между плоскостями пластин. Эта возможность может быть реализована с помощью дополнительной подставки или держателя, закрепляющего объект.
Примеры расположения элементов в заявленном устройстве показаны на фиг.2 и 3.
Пример 1.
На фиг.2 показан «поперечный разрез» устройства в вертикальной плоскости. Заявленное устройство содержит проекционные экраны 4, лежащие в одной плоскости, размещенные под экранами отражающие зеркала 5, установленные под углом к плоскости экранов и проекторы 6, установленные с возможностью проецирования изображения на экраны через соответствующие отражающие зеркала 5. Кроме того, под экранами размещены треугольные пластины 7 из полупрозрачного стекла, установленные примыкающими друг к другу по боковым граням. Количество экранов, зеркал и проекторов, соответствует количеству пластин (n). Таким образом, каждый проектор передает свою часть общего изображения через соответствующее зеркало, на соответствующий экран, после чего каждая часть изображения с соответствующего экрана отражается в соответствующей плоскости пластины.
Плоскости пластин образуют n-угольную правильную пирамиду «без основания». Наиболее предпочтительное число граней (пластин) - четыре. При этом плоскости пластин размещены под углом 45° к плоскости экранов и пересекаются в точке, лежащей в упомянутой плоскости экрана. «Пирамида» может иметь конструктивное основание (подставку) 8 для придания устройству необходимой жесткости. Кроме того, в устройство содержит шторки 9, установленные перпендикулярно плоскости экранов, для предотвращения попадания постороннего света на экраны, и с целью закрытия экранов от зрителя, поскольку наблюдение источника изображения может разрушить используемую оптическую иллюзию.
Пример 2.
В данном примере расположения элементов (см. фиг.3) устройство содержит экраны 4, один короткофокусный проектор 6, имеющий высокое разрешение, и отражающие зеркала 5, установленные в плоскости, параллельной плоскости экранов. При этом зеркала 5 и пластины 7, установлены по разные стороны от экранов. При такой схеме каждое из зеркал отражает свою часть изображения, передаваемого проектором, а каждая часть изображения отражается в плоскости соответствующей пластины.
Пример 3 и 4 (на чертежах не показаны).
По данным примерам схемы расположения аналогичны примеру 1 или 2, но вместо нескольких отражающих зеркал, установлено одно большое зеркало. При таких схемах расположения используется только часть поверхности зеркала.
Кроме того, возможно использование одного большого зеркала и одного большого проекционного экрана. В этом случае также функционально используется только часть их поверхности.
Следует отметить, что при любой схеме расположения часть устройства, содержащая проекторы, зеркала и экраны, должна быть светоизолирована, чтобы исключить попадание постороннего света в оптический путь от проекторов до экранов.
Устройство работает следующим образом.
С помощью проекторов и соответствующих зеркал на экране или экранах формируют изображение, которое затем отражается в плоскостях полупрозрачных пластин. Для этого на экране или экранах располагают несколько изображений объекта (по одному на каждую отражающую плоскость пластины) следующим образом: вертикаль изображения должна совпадать с проекцией нормали к отражающей плоскости на плоскость экрана, причем «верх» изображения будет находиться в точке стыка отражающих плоскостей, а низ, соответственно, на периферии экрана.. При таких условиях возможно наблюдение "висящего в воздухе" отражения не с одной стороны, а с двух или более, что создаст гораздо большую иллюзию его трехмерности.
Для совмещения реального объекта и изображения между пластинами размещают какой-либо предмет, например, бокал. В случае необходимости предмет может быть закреплен в нужном положении с помощью любых доступных средств. Для определения точного места установки объекта (бокала), проецируют изображение указанного бокала, размеры которого совпадают с реальными. Производят совмещение реального объекта и его изображения, после чего изображение объекта убирают. Далее проецируют другое изображение, которое будет визуально совмещаться с реальным объектом, например, изображения текущей жидкости. При этом зритель видит общую картину: трехмерное изображение наливаемой в бокал жидкости. Таким образом, появляется возможность визуального совмещения реального объекта (бокала) и виртуального (наливаемая в бокал жидкость).
При этом имеется возможность наблюдения не отдельного отражения со стороны плоскости одной пластины (стекла), а сразу двух - со стороны стыка двух стекол. В этом случае в левом стекле зритель увидит левую часть левого изображения (относительно своего положения), а в правом - правую часть правого. Если изображения на экране для каждой из видимых отражающих поверхностей идентичны, то эти отраженные части состыкуются в единое целое, создавая иллюзию трехмерности объекта (поскольку зритель может наблюдать его с разных сторон).
Идеальная стыковка изображения на стыке стекол наблюдается только при выполнении двух условий:
1) Ось взгляда зрителя параллельна плоскости экрана. Если это не так, то отражения приобретут трапециевидные искажения, которые можно компенсировать лишь, точно зная угол наклона взгляда зрителя к плоскости экрана. В реальном времени для произвольно движущегося зрителя это сделать весьма затруднительно, поэтому в большинстве случаев изображение на стыке будет выглядеть слегка «надломленным».
2) Зритель смотрит строго со стороны стыка стекол, т.е. с его точки зрения этот стык совпадает с центральной осью (ось взгляда является биссектрисой угла между стеклами). При этом отраженное изображение делится стыком стекол ровно пополам, т.е. видимые части плоскостей отражения стыкуются по центральной оси, где эти плоскости в действительности пересекаются. При смещении зрителя в сторону от этого идеального положения два стыкующихся отражения «срезаются» стыком по линиям, физически не совпадающим в пространстве - одна из этих линий ближе к зрителю, другая дальше. Как следствие, видимые (угловые) размеры этих двух отражений вдоль линии стыка будут различны и части изображения не совпадут.
Отметим также, что вследствие законов перспективы части изображения, более удаленные от центральной оси, будут казаться меньше, чем приближенные к ней, и параллельные горизонтальные линии изображения (предполагаемые или действительно присутствующие) будут выглядеть сходящимися при удалении от центральной оси. Из этого следует, что добиться соблюдения видимой параллельности подобных линий объекта при переходе через стык можно только опять же соответствующими трапециевидными искажениями изображения, для расчета которых нужно знать точное расстояние от глаза зрителя до центральной оси (что весьма сложно определить в реальном времени). Однако при наблюдении изображения с дистанции, заметно большей размеров изображения, этой погрешностью в большинстве случаев можно пренебречь.
Помимо описанных проблем со стыковкой отражений в двух соседних плоскостях пластин, необходимо отметить, что при подобном подходе при взгляде с разных сторон мы увидим одно и то же изображение объекта (а вовсе не несколько разных видов, как должно быть в реальности). Эту неувязку можно компенсировать демонстрацией вращающихся предметов, вращение которых будет отвлекать зрителя от осознавания некорректности подобной «трехмерности».
Учитывая описанные выше ограничения, можно заметить, что наилучшим образом при взгляде с разных сторон на стыки граней будут смотреться изображения объектов с присутствующей осевой симметрией, ориентированные максимально вертикально (т.е. горизонтальные размеры невелики по сравнению с вертикальными) и без прямых горизонтальных или слегка наклонных линий.
Следует отметить, что заявленная полезная модель не ограничивается приведенными примерами ее реализации, поскольку может содержать более трех проекторов и отражающих зеркал, а также более трех пластин из полупрозрачного стекла.
Таким образом, заявленное устройство позволяет создавать изображения с эффектом трехмерности большого размера (в обычных условиях - до нескольких метров), что может использоваться для привлечения дополнительного внимания зрителей в рекламных, демонстрационных или обучающих целях.