ГОЛОГРАФИЧЕСКИЙ ПРОЕКТОР-Б
HOLOGRAPHIC PROJECTOR-B

Изобретение относится к области отображения информации и касается устройства формирования трехмерных изображений, наблюдаемых человеком вкруговую (360°) без применения индивидуальных средств визуализации.
Технологии 3D бурно развиваются во всем мире. Однако на сегодняшний день еще нет единой технологии или единого формата для 3D-изображений, которая могла бы стать стандартом для всех способов формирования трехмерной информации. Ниже представлены некоторые технологии наиболее близкие к данному изобретению, однако они имеют не только преимущества, но и свои недостатки, для решения которых и было предложено данное устройство.
Из уровня техники известны одноракурсные автостереоскопические дисплеи с параллаксным барьером, использующие вертикальный или горизонтальный полосовой поляризационный фильтр, а также дисплеи с линзовым растровым фильтром. Оптические фильтры этих устройств используются для пространственного разделения стереопар по зонам видения. Стереоскопическое изображение человек наблюдает только в том случае, когда оба его глаза расположены в соответствующих зонах, где их ширина не превышает межзрачкового расстояния, при этом смещение глаз относительно центра зоны на несколько сантиметров в любую сторону приводит к существенному искажению наблюдаемого изображения. Если зритель меняет положение и выходит из зоны видения, стереоэффект теряется. Такая строгая фиксация головы относительно данных зон обычно вызывает дискомфорт и утомляемость глаз, таким образом, основным недостатком при использовании этих устройств является необходимость неподвижного удержания головы зрителя в зонах избирательного стереоскопического видения. В данной области существуют много различных патентов, например в РФ: №99106816/28, №2002112530/28 и №2009113551/28.
Из существующего уровня техники известно устройство - голографический стол NettleBox2. Человек надевает 3D-очки с инфракрасными маркерами, по ним система отслеживает положение глаз человека (угол зрения, поворот, дальность от стола) за счет четырех инфракрасных камер по углам стола. Каждая из камер снимает 300 кадров в секунду и отправляет данные во встроенный компьютер, на котором информация обрабатывается и передается на экран, показывающий измененную 2D-проекцию, а 3D-очки достраивают их до нужного размера и объема в 3D объект. На устройстве можно просматривать разные объекты (машины и архитектуру, карты и города) как сверху, так и сбоку. Недостатками данного технического решения являются: работа только с одним пользователем, при наличии 3D-очков, также минусом является психологическая усталость человека при длительном использовании очков.
Известен способ и устройство по созданию трехмерного изображения при использовании излучения лазера. Сфокусированный поток лучей лазера ионизирует газ и генерирует свет в заданной точке. Светорассеивающее тело двигается с частотой, превышающей видимую для человека частоту световых мельканий, поэтому для наблюдателя происходит усреднение последовательно освещаемых точек и из их совокупности формируется объемное изображение. Быстрое сканирование инициирующим лучом плоскости позволяет сформировать светящуюся точку в заданном месте, что обеспечивает две координаты, а движение самой проекции обеспечивает третью координату светового объекта. Движение самого объекта может быть вращательным или возвратно-поступательным, что достигается благодаря быстрому перемещению лазера и остаточным свечениям (за счет появления/исчезновения световых точек). Однако реализация сопряжена со множеством технических трудностей, в частности скоростной обработкой данных и быстрой записи. Решение таких задач требует сверхмощных вычислительных средств и больших энергетических затрат. С помощью данного подхода можно создавать небольшие предметы, но только в сочетании из множества ярких точек. Скорость формирования изображения достигает величины 1 Тб/с (1012 бит в секунду), что приводит к быстрому износу некоторых деталей. Устройство сделано и продемонстрировано в Японии, Токийским университетом и компанией Burton. Также известны и другие работы по данному направлению, например в США патенты №4359758 и №4484219, или патент в РФ №2115148.
Из существующего уровня техники известно устройство Displair - это интерактивный без экранный дисплей, который накладывает на воздушный поток любое изображение, проницаемое для физических объектов. Устройство оснащено оптической системой multi-touch. Устройство является компьютером с воздушным дисплеем, изображение создается за счет наложения проекции проектора на воздушно-газовый поток (образуемый за счет равномерного испарения сухого льда). Недостатками данного технического решения являются: слабое качество изображения, экран не стабилен на открытом воздухе (допустимая скорость ветра до 5 км/ч), невозможно использовать при освещении солнца, 3D-эффект достигается только в программном виде.
Известен способ формирования трехмерных изображений за счет последовательного отображения 2D-кадров на быстро вращающемся экране (вокруг одной оси) и вращение мультизеркального отражателя (вокруг второй оси) со скоростью вдвое меньше от скорости вращения дисплея. Проецирование происходит вначале через средства компенсации проекционного пути, а затем путем отражения их от мультизеркал на дисплей (US №6302542 В1). К недостаткам данного способа относится последовательный вывод двумерных кадров на панель создания изображения, что влечет за собой повышенные требования к скорости их отображения. Попытки ускорить процесс вывода кадров ведет к снижению яркости, разрешения и в целом снижению качества выводного трехмерного объекта. Другим недостатком является полная закрытость системы (под толстым стеклом) для обеспечения должного уровня безопасности зрителя.
Наиболее близким к заявленному техническому решению является пленка Musion Eyeliner (патент №5865519). Это система голографического проецирования видео высокой четкости, позволяющая создавать движущиеся трехмерные объекты в реальном времени. Тонкая металлизированная пленка помещается непосредственно перед наблюдателем под наклоном 45 градусов, ниже пленки расположен светодиодный экран и мощные прожекторы. Проецирование людей с помощью данной пленки называется Pepper's ghost. Недостатками данного технического решения являются: вибрация и деформация пленки от внешних воздействий (на открытом воздухе из-за ветра, в закрытом помещении из-за звуковой вибрации); занимаемый объем пленки для нормальной работы большой по площади.
Другим наиболее близким к заявленному техническому решению является система Dreamoc (патент USD617361 S1). Состоит из трех/четырех голографических 3D-дисплеев, одного жидкокристаллического экрана (который расположен ниже уровня глаз наблюдателя) и трех (образующих пирамиду) прозрачных зеркал, разработанных компанией Realfiction. Отраженные от зеркал проекции изображений формируют внутри пирамиды трехмерное изображение, которое просматривается со всех сторон. Известны несколько разновидностей данного решения: Dreamoc Small, Dreamoc Middle, Dreamoc Big и другие - они отличаются друг от друга размером, весом, разрешением и стоимостью. Недостатками данного технического решения являются: наблюдение небольших (до 50 см в диаметре) трехмерных проекций и угол обзора всего 270°.
Задачами, на решение которых направлено заявляемое изобретение, являются: 1) формирование трехмерных изображений, не требующих применения различных средств стереонаблюдения и не ограничивающих зрителей в выборе позиции наблюдения; 2) обеспечение безопасного уровня эксплуатации зрителя на физическом и психологическом уровне; 3) использование небольших энергетических и вычислительных ресурсов; 4) формирование четкого выходного изображения; 5) работа сразу с несколькими пользователями (под разными углами наблюдения); 6) использование как статичных, так и динамичных моделей; 7) возможность (при изменении конструкции) масштабировать голографическое изображение как в 2, так и в 3 раза от исходного размера; 8) сочетание 3D-изображения с реальными объектами.
Данные задачи решаются за счет того, что заявленный голографический проектор предназначен для формирования трехмерной проекции в 360°; он включает в себя корпус, который состоит из частей, соединенных друг с другом с помощью винтов, пайки и шарниров; в нижней части корпуса расположено устройство управления, где хранятся изображения в электронном виде; на другой части корпуса установлены 4 устройства вывода (проекторы и держателей под них); верхняя часть корпуса содержит 4 фиксатора (расположенные друг напротив друга), в каждый из которых вставляется по одной прозрачной пластиковой трапециевидной пластине, они в свою очередь скреплены между собой небольшими прозрачными поясами (в месте соприкосновения).
Техническим результатом, обеспечиваемым приведенной совокупностью признаков, является воспроизведение объемных изображений (как статичных схем, так и динамичных видео) с круговым обзором (360°) в реальном масштабе без применения индивидуальных средств стереонаблюдения, обеспечивающее безопасность зрителя, а также не требующее больших объемов электроэнергии и сверхскоростной обработки данных. Для достижения трехмерного эффекта необходимо, чтобы пластины располагались относительно проектора под углом в 45°, а также чтобы все изображения, воспроизводимые 4-я проекторами, отображались синхронно друг напротив друга, в одно время. Два ближайших прототипа (Musion Eyeliner и Dreamoc) так же пользуются данным эффектом, но другими способами.
Данная конструкция, основанная на отражательной способности, позволяет сократить общие энергетические и вычислительные ресурсы в сравнении с использованием лазерного или вращательного устройства, так как в данном случае энергия тратится только проекторами, а вычислительные ресурсы представлены в виде хранения изображения, его передачи и обработки. Такой способ наблюдения позволит обеспечить безопасность наблюдателю как физического плана (ничего не может поранить), так и психического (нет усталости от просмотра). Четкость выходного изображения формируется за счет мощности проекторов, качества исходного изображения и освещенности в помещении.
Научная новизна данного технического решения по сравнению с аналогами заключается в следующем: во-первых, сочетание выходной проекцию с реальным предметом, во-вторых, есть возможность производить масштабирование голографической проекции (в несколько раз) и, в-третьих, есть возможность выровнять проекционное изображение, с помощью шарниров изменяя угол попадания кадров на пластину.
Голографический проектор способен сочетать выходную проекцию с реальным предметом (при совместном показе), для этого объект должен быть помещен внутрь усеченной пирамиды, при этом он не должен занимать весь внутренний объем (чтобы осталось место для проекции). Верхняя часть соединенных пластин не имеет основания, это позволяет производить масштабирование голографической проекции, которое достигается путем увеличения размера пластин, для их выравнивания допустимо использовать дополнительные крепежи с фиксаторами на потолке (они будут крепиться к верхним частям пластин), количество поясов (на стыке пластин) также может быть увеличено в несколько раз. В ходе эксплуатации может возникнуть необходимость изменить угол одного из проекторов на определенное количество градусов (для выравнивания трехмерной проекции), такая необходимость связана как с неправильным крепежом, так и с неровной поверхностью, на которую установили устройство - это достигается за счет использования шарниров (между держателем проектора и корпусом).
Устройство поясняется тремя чертежами, на Фиг. 1 изображен голографический проектор спереди, на Фиг. 2 в разрезе и на Фиг. 3 чертеже представлен способ масштабирования голографической проекции.
Голографический проектор включает в себя детали корпуса (1), в качестве материала использован пластик (но кроме него корпус может быть сделан из метала или дерева), четыре проектора (2), четыре прозрачные пластмассовые пластины (3) трапециевидной формы (кроме пластика в качестве материала также могут быть использованы стекло или оргстекло), скрепляемые между собой четырьмя небольшими прозрачными поясами (4), они находятся в верхней части и скрепляют 2 пластины между собой в месте соприкосновения.
В нижней части корпуса расположено устройство управления (5), оно представляет собой встроенный компьютер. Детали корпуса соединены с помощью винтов (6). Пластины соединены с корпусом посредством фиксаторов (7), которые представляют собой пазы с прокладками, между которыми вставляются сами пластины. Проекторы скреплены со своими держателями (8) с помощью пайки в соответствии со стандартом ГОСТ 2.313-82. На корпусе есть четыре шарнира (9), каждый из них вставляется в полость (10) внутри держателя проектора. Каждый шарнир имеет борозду, в которую входят 2 стержня на держателе, движение держателя происходит по 2 осям (вверх и низ), при этом угол меняется от 45° (в рабочем состоянии) до 135° (в сложенном состоянии).
Для масштабирования голографической проекции необходимо заменить пластины (3) на более крупные, а также прикрепить дополнительные фиксаторы к потолку (11) с помощью винтов (или других крепежей), для дополнительной устойчивости количество поясов (4) может быть увеличено в несколько раз.
На чертежах штрих-пунктир показывает площадь, которую занимает изображение на трапециевидной пластине. Размеры всех четырех зон формируются таким образом, чтобы они были симметричны относительно друг друга с четырех сторон. Размеры этих зон зависят от модели проектора, от размера пластин и угла наклона шарнира.
Устройство действует следующим образом. На начало работы оно должно находится в скрепленном состоянии, а держатели проекторов насажаны на шарниры, причем угол между пластиной и проектором должен быть 45°. Из компонента управления поступает информация (в виде картинок или видео) на четыре проектора, которые проецируют их на пластины (каждый со своей стороны). Пластины должны быть расположены на уровне глаз зрителя и выше. Благодаря углу попадания в 45° отраженные изображения с поверхности пластины воспринимаются человеческим мозгом как один трехмерный объект, это позволяет человеку наблюдать голограмму с любого ракурса. При совместном показе трехмерной проекции и предмета объект должен быть помещен внутрь усеченной пирамиды (не закрывая весь объем). Переключение воспроизводимых изображений происходит как с помощью таймера (в компоненте управления), так и с помощью компьютера, подключенного к устройству USB-кабелем.
Изобретение может использоваться в сфере образования как учебное наглядное пособие в школах и Вузах, также оно может быть применено в музеях для создания 3D-модели экспоната. Данный продукт, скорее всего, пригодится компаниям, занимающимся различным производством (навигация, топография, машинное проектирование, геологоразведка, поддержка при проведении сложных операций в медицине, использование в компьютерных тренажерах и играх, в рекламе, в искусстве и т.д.), так как голографический проектор работает с объектами в трехмерном виде, что обеспечит удобство и простоту использования. Устройство можно использовать в домашних коллекциях для: объемных фотографий, виртуальных скульптур, просмотра фильмов и т.д.