СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ СТЕРЕООТОБРАЖЕНИЙ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ
METHOD OF PRODUCING STEREO IMAGES AND DEVICE FOR REALISING SAID METHOD

Изобретение относится к области построения оптических и телевизионных стереоскопических отображений, которые могут быть использованы при создании стереоскопических дисплеев.
Сущность стереоскопии заключается в получении отображений объектов, подобных тем, что мы видим. Общепринято считать, что стереоскопический эффект является бинокулярным свойством зрительного аппарата наблюдателя, который описывается на основе использованных средств его технической реализации [1]. Стереоскопический эффект проявляется при наблюдении объекта с двух точек в пространстве, когда каждый глаз (фотоаппарат) «наблюдает» отдельный плоскостной снимок, а угол, под которым пересекаются соответственные лучи, не превышает 16° [1]. Такое описание стереоскопического эффекта связано с разделением процесса наблюдения на две части: получение информации об объекте в виде двух плоскостных отображений с двух точек в пространстве и их обратном преобразовании в пространственное отображение. Указанные отображения на каждом этапе должны обладать свойством подобия.
Преобразование информации об объекте в плоскостные отображения выполняется с использованием метода центрального проектирования (являющегося основой проективной геометрии [2]) при использовании двух устройств, находящихся на базе. Плоскостное отображение объекта располагается в евклидовой плоскости - плоскости измерений, ортогональной направлению на объект, в котором плоскостное отображение получают на основе модельного построения хода лучей в плоскости проектирования (в терминологии проективной геометрии), движение лучей в которой не наблюдаемо. Затем полученные отображения «поворачивают», если это необходимо, располагая в одной плоскости. Их обратное преобразование выполняется построчным синхронным проектированием плоскостных отображений на один экран.
Основную роль в модельном описании процесса превращения пространственного объекта в плоскостные отображения и из плоскостных отображений в стереоотображение играет первая часть действий. Процесс превращения двух плоскостных отображений в стереоотображение модельно зеркально процессу превращения пространственного объекта в плоскостные отображения. Поэтому рассматривать придется первый процесс для обоснования действий во втором.
Известен способ получения стереоскопических отображений объекта, выбранный в качестве прототипа, включающий построчное синхронное проектирование подготовленных плоскостных отображений объекта двумя проекторами, расположенных на известной базе, оптические оси которых направлены в совпадающую точку на экране, путем модельного построения проективных пирамид, проходящих через точки проектирования и граничные точки подготовленных плоскостных отображений объекта к его отображению на экране, парные треугольные плоскости которых, связанные с точками проектирования, подобны.
Используемый методический подход обусловил способ создания стереоскопических отображений на дисплеях, которые образуются отдельными отображениями для каждого глаза, разделяя их по спектру или поляризации. Для просмотра отображений используют очки со специальными фильтрами (светофильтрами, поляризационными, затворными фильтрами) или другими дополнениями, например тонкими линзами на передней стороне дисплея. Это существенно снижает потребительские качества стереоскопических дисплеев из-за ограничения ракурса наблюдений: узкий угол просмотра, зона «безопасного просмотра» и другие [3].
Известно также стереоскопическое устройство, выбранное в качестве прототипа, состоящее из двух оптических проекторов, разнесенных на известной базе, оптические оси которых направлены в совпадающую точку на экране, обеспечивающих одновременное построчное проектирование плоскостных отображений объекта с матриц с записями подготовленных его плоскостных отображений, синхронизатора считывания информации с генераторами строчной и кадровой разверток, который подключен к матрицам, а сигналы с них поступают на оптические проекторы.
Однако стереоскопический эффект объектов сохраняется для человека и при наблюдении одним глазом, и кроме того, художники на одной картине добиваются эффекта перспективы или «движения» элементов картины за движением наблюдателя. Это свидетельствует о том, что перспектива отображений связана как со стереоскопическим эффектом, так и с неточностью используемой модели для описания стереоскопического эффекта.
Стереоскопический процесс является чисто физическим, при котором информация передается методом центрального проектирования в проективной системе координат, отображаясь на ее евклидовой плоскости [2] - плоскости измерений. Обработку информации необходимо выполнять тем же методом центрального проектирования, только в этом случае происходит их адекватное преобразование, которое имеет эквивалентное прямое и обратное решения. Практическая реализация метода центрального проектирования и является физико-геометрической основой предлагаемого способа получения стереоскопических отображений.
Целью заявляемого изобретения является упрощение способа получения стереоскопических отображений и повышение потребительских качеств стереоскопических дисплеев путем исключения влияния пространственных факторов в положении наблюдателя.
Указанная цель достигается тем, что в известном способе получения стереоотображения объекта, включающем построчное синхронное проектирование подготовленных плоскостных отображений объекта двумя проекторами, расположенными на известной базе, оптические оси которых направлены в совпадающую точку на экране, путем модельного построения проективных пирамид, проходящих через точки проектирования и граничные точки подготовленных плоскостных отображений объекта к его отображению на экране, парные треугольные плоскости которых, связанные с точками проектирования, подобны, но при этом устанавливают оптические оси проекторов по одному направлению и обеспечивают получение равных объемов проективных пирамид, опирающихся на стереоотображение объекта на экране.
Указанная цель достигается также тем, что в приведенном способе при проектировании отображений на экран второе плоскостное отображение получают путем трансформирования первого коэффициентом подобия треугольных поверхностей проективных пирамид, зависящим от размеров базы и отстояния проекторов от экрана.
Указанная цель достигается также тем, что в устройстве, обеспечивающем получение стереоотображений, состоящем из двух оптических проекторов, разнесенных на известной базе, оптические оси которых направлены в совпадающую точку на экране, обеспечивающем одновременное построчное проектирование плоскостных отображений объекта с матриц с записями подготовленных его плоскостных отображений, синхронизатора считывания информации с генераторами строчной и кадровой разверток, который подключен к матрицам, а сигналы с матриц поступают на оптические проекторы, при этом оптические оси проекторов направлены по одному направлению, а выход матриц подключен к оптическим проекторам через анализатор сигналов.
Преобразование объектов в плоскостные отображения, а их в стереоотображения выполняется методом построчного проектирования, при котором любой объект при сечении плоскостью наблюдений ГY представляется в виде отрезков прямых на плоскости измерений ГΩ. Поэтому рассмотрим преобразования объекта в плоскостные отображения и «обратно» в стереоотображение при представлении объекта в виде прямой линии.
1
2
На фиг.1А приведен общепринятый плоскостной процесс построчного проектирования двумя оптическими преобразователями S и S объекта в виде линии, имеющими оптические оси, направленные в одну точку пространства, расположенные в одной плоскости ГY, которую будем называть плоскостью проектирования. Плоскость, на которую проектируются отображения объекта ГΩ, будем называть плоскостью измерений. При этом в плоскостном отображении на фиг.1А ось Ω ортогональна к плоскости фигуры и наблюдается в виде точки. Объект наблюдений - прямая линия В может быть расположен в пространстве произвольно, но его отображение на плоскости ГΩ всегда будет подобно его проекции на плоскость, параллельную ГΩ. Поэтому на фиг.1 объект и его отображение будем рассматривать на параллельных плоскостях.
1
2
На фиг.1В приведен предлагаемый способ, в котором оптические преобразователи S и S имеют оптические оси, направленные по одной прямой.
На фиг.1C приведен пространственный процесс получения плоскостных отображений объекта при расположении преобразователей по одному направлению.
На фиг.2 приведена блок-схема устройства для получения стереоотображений.
1
2
1
2
Г
0
Рассмотрим общепринятый способ получения стереоотображения объектов. Для получения плоскостных стереоотображений используют два оптических преобразователя S и S, имеющих равные фокусные расстояния f=f (расстояния от линзы до экрана), расположенные на одной плоскости на известной базе d. При этом экран расположим параллельно базе, а параллактический угол, под которым пересекаются соответственные лучи, не превышает 16, в соответствии с [1].
1
2
Из точек проектирования, которые совмещены с преобразователями S и S, построим две пары совмещенных пирамид, опирающихся на объект и его полученное отображение. В плоскостном представлении - это треугольники. Каждая совмещенная пара пирамид состоит из пирамиды, опирающейся на проекцию объекта на плоскость, параллельную плоскости измерений, и пирамиды, опирающейся на отображение объекта на плоскости измерений ГΩ.
Пирамиды, опирающиеся на объект или его стереоотображение, будем называть пирамидами наблюдений, а пирамиды, опирающиеся на плоскостные отображения объекта, - пирамидами измерений.
Сравним свойства пар пирамид, показанных на фиг.1А, в их проекциях на плоскость наблюдений ГY.
1
2
Пирамиды наблюдений имеют общее основание и равные высоты L=L, следовательно, они обладают равным объемом (W)
На плоскости ГY пирамиды наблюдений отображаются треугольниками, которые обладают равной площадью поверхности.
Сочлененная пара пирамид измерений - наблюдений обладает свойством подобия
Они отображаются на плоскости ГY парными подобными треугольниками, связанными с точкой проектирования,
где W - объемы проективных пирамид наблюдений;
w - объемы проективных пирамид измерений;
1
L - отстояние первого центра проектирования от объекта;
n
B - длина проекции объекта по оси Г;
n
H - высота проекции объекта по оси Ω.
Плоскостные отображения объекта, обладающие указанными свойствами, обеспечивают при проектировании с заданной базы получение стереоотображения, если объемы их проективных пирамид наблюдений равны, а треугольники, образованные сечением пирамид проективными плоскостями, подобны.
Плоскостные отображения проективных пирамид при расположении оптических осей проекторов по одной прямой на объект, показанные на фиг.1В, обладают теми же свойствами. Но учитывая, что точки проектирования расположены по одной прямой, то из равенства объемов пирамид наблюдений следует
Из подобия пирамид измерений - наблюдений следует
Из выражений (3) и (4) следует, что при расположении оптических осей проекторов по одной прямой на объект плоскостные отображения проективных пирамид, показанные на фиг.1В и 1C, обладают свойством линейных преобразований размеров в пирамидах, которым не обладает преобразование при любом другом расположении преобразователей.
Рассмотренные свойства при использовании оптических преобразователей, расположенных по направлению оптических осей, действуют и при использовании аналогично расположенных оптических проекторов.
1
2
1
2
Устройство, обеспечивающее получение стереоотображений и показанное на фиг.2, состоит из экрана 1, двух оптических проекторов S и S, разнесенных на известной базе d, оптические оси которых направлены на одну совпадающую точку на экране, двух матриц 2 и 3 с записями подготовленных плоскостных отображений объекта, синхронизатора считывания информации 4, включающего генераторы строчной 4а и кадровой разверток 4б, обеспечивающего одновременное построчное считывание плоскостных отображений объекта, которые поступают на оптические проекторы S и S, при этом проекторы расположены на базе, совпадающей с направлением их оптических осей, а выход матриц с записями плоскостных отображений объекта подключен к оптическим проекторам через анализатор сигналов 5.
Устройство работает следующим образом.
1
2
1
На матрицах 2 и 3 записаны плоскостные отображения объекта, удовлетворяющие предъявляемым требованиям для получения стереоотображений. В соответствии с заданной частотой синхронизатор считывания информации 4 обеспечивает синхронное построчное считывание плоскостных отображений объекта с матриц 2 и 3. Информация с матриц 2 и 3 поступает в анализатор 5, в котором выполняется ее анализ на предмет соответствия заданной базе и отстоянию проекторов от экрана. При соответствии информации выражениям (3-4) она поступает на проекторы S и S. Если информация у одного из каналов отсутствует или не соответствует выражениям (3-4), то анализатор 5 преобразует информацию или использует информацию с другого канала под установленные значения базы d и ее отстояние от экрана L. Устройство позволяет превратить плоскостные отображения в стереоотображения.
Предлагаемое техническое решение является новым, поскольку из общедоступных сведений оно не известно.
Способ получения стереоотображения объекта, включающий построчное синхронное проектирование подготовленных плоскостных отображений объекта двумя проекторами, расположенными на известной базе, оптические оси которых направлены в совпадающую точку на экране, путем модельного построения проективных пирамид, проходящих через точки проектирования и граничные точки подготовленных плоскостных отображений объекта к его отображению на экране, парные треугольные плоскости которых, связанные с точками проектирования, подобны, отличающийся тем, что устанавливают оптические оси проекторов по одному направлению и обеспечивают получение равных объемов проективных пирамид, опирающихся на стереоотображение объекта на экране.
Указанная цель достигается также тем, что в приведенном способе при проектировании отображений на экран второе плоскостное отображение получают путем трансформирования первого коэффициентом подобия треугольных поверхностей проективных пирамид, зависящим от размеров базы и отстояния проекторов от экрана.
Устройство для получение стереоотображений, состоящее из двух оптических проекторов, разнесенных на известной базе, оптические оси которых направлены в совпадающую точку на экране, обеспечивающих одновременное построчное проектирование плоскостных отображений объекта с матриц с записями подготовленных его плоскостных отображений, синхронизатора считывания информации с генераторами строчной и кадровой разверток, который подключен к матрицам, а сигналы с них поступают на оптические проекторы, отличающееся тем, что оптические оси проекторов направлены по одному направлению, а выход матриц подключен к оптическим проекторам через анализатор сигналов.
Предлагаемые технические решения имеют изобретательский уровень, поскольку из опубликованных научных данных и известных технических решений явным образом не следует, что заявленная последовательность операций упрощает задачу получения стереоотображений.
Предлагаемое техническое решение промышленно применимо, так как для его реализации могут быть использованы устройства, оборудование и приспособления, широко применяемые на практике.
Технико-экономическая эффективность заявленного способа и реализующего его устройства заключается в существенном упрощении способа получения стереоотображений, повышении их качества, а также получения стереоотображений из одного плоскостного отображения.
Список используемой литературы
1. Физический энциклопедический словарь. - М.: Научное издательство "Советская энциклопедия". - 1983. - 928 с.
2. Математический энциклопедический словарь. - М.: Научное издательство "Советская энциклопедия". - 1985. - 970 с.
3. Мухин И.А. Автостереоскопические дисплеи - журнал «Broadcasting Телевидение и радиовещание" - 2004, №7, С.79-81