УСТРОЙСТВО ДЛЯ ДЕМОНСТРАЦИИ РАСТРОВОГО СТЕРЕОСКОПИЧЕСКОГО ИЗОБРАЖЕНИЯ С ВЫСОКИМ РАЗРЕШЕНИЕМ
DEVICE FOR DEMONSTRATING RASTER STEREOSCOPIC IMAGE WITH HIGH RESOLUTION

Предлагаемое устройство относится к области кинотехники и предназначено для просмотра стереокино и видеофильмов.
Для сепарации ракурсов при демонстрации автостереоскопического изображения применяются щелевые или линзовые растры, установленные рядом с рассеивающим экраном [1]. Растр представляет собой либо решетку с щелевыми отверстиями, либо состоит из большого числа малых сферических или цилиндрических линз. В первом случае растр загораживает изображение для левого глаза от правого глаза, а изображения для правого глаза - от левого глаза, а во втором - осуществляет аналогичное разделение ракурсов оптически. Таким образом, каждый глаз может беспрепятственно наблюдать только «свое» изображение. Каждое изображение стереограммы представляет собой ряд узких полосок (параллакс-стереограмма), причем полоски правого и левого изображений стереограммы последовательно чередуются друг с другом [1, 2, 3].
В настоящее время использование современной вычислительной и видеопроекционной техники обеспечивают возможность создания параллакс-стереограммы в цифровом виде.
Как пример можно привести растровые дисплеи, сочетающие в себе классический растровый метод с жидкокристаллическими (ЖК) экранами. Перед ЖК-дисплеем размещают панель, в которой есть множество миниатюрных вертикальных заслонок такого размера, что они разделяют ряды пикселов, представляющих правый и левый кадры изображения [4]. Единственная проблема связана с полем зрения - образуется целый набор прилегающих друг к другу зон трехмерного видения, однако лишь в половине из них правый и левый кадры попадают в соответствующие глаза. Стоит пользователю переместиться в соседнюю зону, и он получает "инвертированную" трехмерную картину. Поэтому подобные системы всегда снабжают устройством слежения за положением головы, по сигналу которого происходит смена порядка следования кадров либо осуществляется синтез новых ракурсов, соответствующих данному положению глаз наблюдателя. В сочетании с ЖК-дисплеями вместо щелевого (поглощающего) можно также использовать линзовый растр [4].
Одной из трудностей данного метода является правильное воспроизведение цветов, т.к. требуется соответствующее расположение полос цветных светофильтров ЖК панели. Как и системы с щелевым растром, линзово-растровые дисплеи обычно снабжаются устройством слежения за положением головы зрителя. Преимущество линзового растра перед щелевым заключается в том, что изображение формируется без потери светового потока вследствие поглощения части лучей непрозрачными элементами щелевого растра. Также яркость изображения в линзово-растровых системах выше за счет более плотной фокусировки света на меньшей площади [1].
Снизить требования к фиксации головы наблюдателя можно при помощи многоракурсной автостереоскопии. Многоракурсное изображение (параллакс-панорамограмма), сформированное посредством цифровой обработки, состоит из некоторого числа изображений (ракурсов), любые два из которых составляют стереопару. При перемещении головы наблюдателя внутри зоны наблюдения происходит плавный переход глаз из зоны видения одного ракурса в зону соседнего ракурса, и наблюдатель воспринимает это как естественное оглядывание предметов сцены. Сепарация ракурсов, так же как и в случае демонстрации двухракурсного изображения, производится посредством щелевого или линзового растра.
Ближайшим аналогом предлагаемого здесь устройства является устройство с автостереоскопическим дисплеем, разработанное фирмой Philips [5], включающее в себя матричную панель, состоящую из массива дисплейных пикселей, организованных в ряды и колонки; проекционный объектив; просветный экран; массив цилиндрических параллельных друг другу линзовых элементов, расположенных перед экраном (цилиндрический линзовый растр).
1
2
1
2
1
2
1
1
2
2
Существенным недостатком многоракурсного автостереоскопического метода является падение разрешения изображения с увеличением числа ракурсов. Например, матрица дисплея обладает разрешением Р×Р точек на дюйм (по горизонтали и по вертикали соответственно). Если изображение M ракурсов приходится на горизонтальные ряды пикселов, а М ракурсов - на вертикальные, то разрешение наблюдаемого объемного изображения по горизонтали уменьшится в M раз, а по вертикали - в М раз. В результате разрешение объемного изображения составит (P/M)×(P/M) точек на дюйм.
Предлагаемое устройство предназначено для демонстрации многоракурсного стерео кино- и видеофильмов автостереоскопическим (безочковым) методом с неограниченно высоким разрешением.
1
2
1
2
1
1
2
2
1
2
1
1
1
2
2
2
Указанный технический результат достигается тем, что устройство для демонстрации стереоизображения включает в себя проекционную систему; просветный экран; цилиндрический линзовый растр, расположенный перед экраном; проекционную систему из нескольких проекторов и блок формирования фрагментов стереоизображения. Посредством блока формирования стереоизображение разбивается на фрагменты, количество которых соответствует числу проекторов. Выходы блока формирования соединены с входами проекционных устройств, выполненных с возможностью объединения этих фрагментов на экране как целого многоракурсного стереоскопического изображения с общими зонами видения каждого ракурса. Как было описано выше, при многоракурсной автостереоскопической проекции, где M ракурсов приходятся на горизонтальные ряды пикселов, а М ракурсов - на вертикальные, посредством одного проектора с разрешением Р×Р точек на дюйм разрешение объемного изображения составляет (P/M)×(P/M) точек на дюйм. При разбиении изображения на фрагменты для его демонстрации с помощью матрицы из N проекторов по горизонтали и N проекторов по вертикали разрешение объемного изображения увеличивается кратно количеству проекторов по горизонтали и вертикали соответственно и становится равным (PN/M)×(PN/М). Таким образом, компенсируется неизбежное при демонстрации посредством одного проектора (как в прототипе) падение разрешения наблюдаемого стереоизображения. Увеличение количества проекторов и соответственно фрагментов изображения дает неограниченные возможности для роста разрешения.
Отличительными признаками предлагаемого устройства от прототипа является то, что устройство состоит более чем из одного проекционного устройства, включающего в себя матричную панель и проекционный объектив, что позволяет бороться со снижением разрешения изображения, характерным для многоракурсных растровых систем.
В процессе проведенного поиска по источникам научно-технической и патентной информации не было обнаружено решений, совокупность существенных признаков которых обеспечивала бы возможность повышения разрешения растрового стереоизображения до любого желаемого значения.
На фиг.1(a) (вид сверху) и 1(б) (вид сбоку) приведен вариант схемы устройства с шестью матричными панелями и проекционными объективами. Устройство состоит из просветного экрана - 1, цилиндрического линзового растра - 2, шести проекторов с разрешением 1024×768 точек на дюйм, расположенных в виде матрицы 3×2 по горизонтали и вертикали соответственно - 3. Зритель - 4 наблюдает на экране стереоскопическое изображение.
С помощью цифровой обработки изображение разбивается на фрагменты (фиг.2), и каждый проектор демонстрирует соответствующий ему фрагмент на просветный экран с линзовым растром, где все фрагменты изображения пространственно совмещаются. При этом для каждого ракурса формируется общая зона видения от всех проекторов. Этого добиваются юстировкой положения проекторов относительно экрана таким образом, что в зоне наблюдения, содержащей 15 ракурсов (фиг.3) (5×3 - один элемент объемного изображения задают 5 рядов пикселей по горизонтали и 3 ряда - по вертикали), при расположении глаза в общей зоне видения ракурса 1 от всех шести проекторов в глаз попадает изображение, соответствующее первому ракурсу. При перемещении глаза в зону ракурса 2 от всех проекторов в глаз попадает изображение, соответствующее второму ракурсу, и т.д. при наблюдении из общей зоны видения 15-го ракурса от всех проекторов в глаз попадает изображение, соответствующее ракурсу 15. В случае использования одного проектора (как в прототипе) разрешение наблюдаемого стереоскопического изображения было бы меньше разрешения проектора по горизонтали в 5 раз, а по вертикали - в 3 раза и составило бы 204×256 точек на дюйм. В рассматриваемой нами системе из шести проекторов разрешение наблюдаемого изображения увеличится по сравнению с прототипом по горизонтали в 3 раза, а по вертикали - в 2 раза и составит 612×512 точек на дюйм.
Как было показано выше, при увеличении количества проекторов в предлагаемой системе и соответственно фрагментов изображения растет и его разрешение. Таким образом, разработанное устройство позволяет демонстрировать растровое стереоскопическое изображение с каким угодно высоким разрешением. Это дает возможность просмотра стерео кино- и видеофильмов (в том числе мультипликационных) с высоким качеством, а также использовать устройство в учебных и тренировочных процессах при наличии жестких требований к разрешению изображения.
Источники информации
1. Валюс Н.А. Стереофотография. Стереокино. Стереотелевидение. М.: Искусство, 1986 г.
2. Ю.А.Дудников, Б.К.Рожков. Растровые системы для получения объемных изображений. Л.: Машиностроение, Ленинградское отделение, 1986 г.
3. Валюс Н.А. Растровые оптические приборы. М.: Машиностроение, 1966.
4. http://itc.ua:8101. С.Митилино. Трехмерные дисплеи. Обзор технологий.
5. Cornelis van Berkel et al., "Autoctereoscopic display apparatus", U.S. Patent 6064424, 2000.