ТЕЛЕВИЗИОННОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ФОРМИРОВАНИЯ СТЕРЕОСКОПИЧЕСКОГО ИЗОБРАЖЕНИЯ
TELEVISION DEVICE FOR STEREOSCOPIC IMAGE FORMATION

Изобретение относится к системам формирования и представления стереоскопических изображений и предназначено для удаленного визуального исследования объектов, например, морских подводных объектов, доступ к которым затруднен.
Известны телевизионные устройства для формирования стереоскопических изображений, которые используют для получения на приемной стороне стереоизображения два идентичных канала передачи двух изображений, см. Шмаков П.В. Стереотелевизионная установка шагающего экскаватора // Стереотелевидение - М., «Связь», 1968. - С. 193.
Преимущества использования стереотелевизионных устройств отображения визуальной информации заключаются в следующем, см. Мамчев Г.В. Стереотелевидение - М., «Энергия», 1979. - С. 66:
1. Для оператора появляется принципиально новая возможность оценивать относительное расположение отдельных деталей в трехмерном физическом пространстве, т.е. осуществлять контроль по всем трем координатам.
2. При стереоскопическом восприятии латентный период, т.е. время реакции оператора в 1,1-1,2 раза меньше по сравнению с восприятием двумерных изображений и составляет около 0,17 секунды, см. Бойко Е.И. Время реакции человека - М.: «Медицина», 1964 - С. 440.
3. При передаче объемного изображения, вместо двумерного, точность оценки абсолютной удаленности наблюдаемых деталей, по сравнению с восприятием двумерных изображений, оказывается в 3 раза выше, см. Барановский В.В. К вопросу об оценке изменений в абсолютной удаленности // Проблемы физиологической оптики- М., 1958, т. 12, С. 239-245.
4. Увеличивается скорость и надежность распознавания объектов рассматривания.
5. Повышается наглядность воспринимаемых изображений.
6. При воспроизведении в стереотелевизионных системах эффекта оглядывания острота глубинного зрения наблюдателей возрастает приблизительно в 1,5 раза, см. Белостоцкий Е.М. Глубинное зрение при движении головой // Проблемы физиологической оптики. - М.: 1953, т. 8, С. 341-345.
Однако недостатком таких устройств является трудность изменения угла обзора наблюдаемого объекта и, соответственно, масштаба стереоскопического изображения в том случае, когда у оператора возникает потребность более детально рассмотреть определенный фрагмент наблюдаемой сцены или ее отдельные элементы. Этот недостаток обусловлен тем обстоятельством, что для сохранения стереоэффекта при рассматривании различных предметов необходимо сложными механическими средствами одновременно сохранять выполнение условия фокусировки объективов на рассматриваемый предмет и условия конвергенции оптических осей телевизионных камер в той области, где находится рассматриваемый предмет.
Указанный недостаток устраняется устройствами, предназначенными для стереоскопического наблюдения изображений и предусматривающими определенную механическую настройку, например, изменение масштаба и других параметров наблюдаемого изображения при изменении условий наблюдения, см., например, RU 2128354 С1, опубл. 27.03.1999. В указанном устройстве процесс формирования изображений стереопары осуществляется благодаря сложной механической конструкции, обеспечивающей одновременно изменение угла конвергенции осей стереоскопических изображений и изменение расстояния рассматривания путем дополнительной фокусировки. При этом ужесточение механических требований к оптической схеме съемки стереоизображения усложняет и удорожает устройство, а также делает практически невозможным применение методов стереосъемки в труднодоступных местах, например, под водой, где крайне сложно обеспечить наличие механических средств для поддержания требуемых параметров оптической схемы стереосъемки при возникновении оперативной необходимости изменить область наблюдения.
Еще одним недостатком стереотелевизионных устройств отображения визуальной информации является определенная информационная избыточность, обусловленная тем фактом, что наблюдатель воспринимает все элементы изображения в телевизионном кадре в стереоскопическом виде, в то время как объектом наблюдения, как правило, является лишь объект, находящийся в центральной чести кадра, и именно этот объект должен наблюдаться с наличием стереоскопического эффекта.
Известно телевизионное устройство для формирования стереоскопического изображения, см. Мамчев Г.В. Стереотелевидение - М., «Энергия», 1979 - 66 С, С. 21 рис. 13, фиг. 4-6. Устройство содержит две передающие телевизионные камеры и коммутатор воспроизводимых сигналов с целью обеспечить попеременное воспроизведение на экране воспроизводящего устройства обоих изображений стереопары с коммутацией по телевизионным полям, осуществляя эту коммутацию синхронно с работой светокоммутирующих очков. Из описания устройства, приведенного в указанном источнике, а также из физики работы подобных стереоскопических телевизионных систем следует, что описанному выше устройству свойственны недостатки:
- необходимость иметь на передающей стороне две идентичные телевизионные камеры и, следовательно, воспроизводить на приемной стороне в стереоскопическом виде все точки телевизионного кадра, что, как правило, не всегда нужно;
- относительная сложность конструкции передающей части, что неудобно, например, для подводных систем видеонаблюдения.
Вместе с тем, из теории стереоскопического зрения известен ряд фактов, позволяющих значительно упростить схему стереосъемки и сохранить при этом качество стереоскопического изображения на требуемом уровне. Стереоскопические телевизионные устройства предполагают воспроизведение на приемной стороне обоих изображений стереопары наблюдаемого объекта, при этом идентичность изображений стереопары рассматривается как условие неискаженной передачи пространственных соотношений и соблюдения физиологических требований зрения оператора. Однако при рассматривании объектов, протяженных в пространстве, рассматриваемый объект, как правило, помещается в центральную часть телевизионного кадра, поэтому наибольшую детальность передаваемого телевизионного изображения необходимо обеспечить именно в центральной части телевизионного кадра.
Кроме того, из теории стереоскопического зрения, см. Валюс Н.А. Стереоскопия - М, Изд. АН СССР, 1962, 380 С, С. 219, известен тот факт, что при рассматривании стереоскопического изображения, образованного двумя изображениями стереопары с различной четкостью, четкость воспринимаемого изображения определяется четкостью наилучшего изображения. Этот же факт подтверждается другими исследователями, см. Джакония В.Е. Опытная установка цветного объемного телевидения // Радио - 1960,- №4.
Таким образом, перед настоящим изобретением стоит задача расширения возможностей телевизионного устройства путем обеспечения возможности двух режимов работы:
- воспроизведение обычного двумерного телевизионного изображения при широком угле обзора объектива передающей камеры,
- воспроизведение стереоскопического телевизионного изображения, образованного из двух изображений стереопары, полученных от обеих передающих телевизионных камер путем выравнивания масштабов передаваемых ими изображений.
Поставленная задача решается за счет того, что телевизионное устройство для формирования стереоскопического изображения, содержащее две телевизионные камеры, каждая из которых выполнена с возможностью вырабатывания одного из сигналов изображений стереопары, канал передачи, устройство воспроизведения, коммутатор и светокоммутирующие стереоочки, выполненные с возможностью попеременного воспроизведения и восприятия обоих изображений стереопары, причем выход каждой камеры через соответствующий канал передачи и соответствующий вход коммутатора связан со входом устройства воспроизведения, а коммутатор выполнен с возможностью попеременной передачи сигналов стереопары на устройство воспроизведения синхронно с работой светокоммутирующих стереоочков, согласно изобретению, телевизионное устройство снабжено устройством выравнивания масштабов изображений, причем телевизионные камеры имеют разные углы обзора - первая узкоугольная, вторая широкоугольная, а каждая камера выполнена со встроенным синхрогенератором, при этом выход узкоугольной камеры соединен с первым входом коммутатора непосредственно, а выход широкоугольной камеры связан со вторым входом коммутатора через устройство выравнивания масштабов изображений, причем выход узкоугольной камеры соединен со входом селектора сигналов синхронизации, выход которого соединен с управляющим входом коммутатора, с синхронизирующим входом устройства выравнивания масштабов изображений и с синхронизирующим входом светокоммутирующих стереоочков, при этом выход коммутатора соединен со входом устройства воспроизведения, причем телевизионное устройство снабжено переключателем режима работы, первый вход которого соединен с выходом коммутатора, второй вход соединен с выходом широкоугольной камеры, а выход соединен со входом устройства воспроизведения. Устройство выравнивания масштабов изображений может содержать устройство формирования изображения центральной части телевизионного кадра, интерполятор и синхронизатор, синхронизирующий вход которого соединен с выходом селектора сигналов синхронизации.
Сущность изобретения поясняется чертежами, на которых изображено:
- на Фиг. 1 - структурная схема телевизионного устройства для формирования стереоскопического изображения;
- на Фиг. 2 - принцип получения изображения объекта.
Передающая часть телевизионного устройства содержит две телевизионные камеры, имеющие разные углы обзора - узкоугольную телевизионную камеру 1 и широкоугольную телевизионную камеру 2, ориентированные в направлении объекта 3 передачи, канал 4 для передачи телевизионных сигналов 5 и 6 соответственно от узкоугольной и широкоугольной телевизионных камер в приемную часть телевизионного устройства. Обе телевизионные камеры 1 и 2 выполнены с возможностью вырабатывания одного из сигналов изображений стереопары, каждая камера 1 и 2 выполнена со встроенным синхрогенератором.
Приемная часть телевизионного устройства содержит устройство 7 воспроизведения, светокоммутирующие стереоочки 8, селектор 9 сигналов синхронизации, устройство 10 выравнивания масштабов изображений, а также коммутатор 11 и переключатель 12 режима работы. Светокоммутирующие стереоочки 8 выполнены с возможностью попеременного воспроизведения и восприятия обоих изображений стереопары.
Выход каждой камеры 1 и 2 через соответствующий канал передачи и соответствующий вход коммутатора 11 связан со входом устройства 7 воспроизведения, а коммутатор 11 выполнен с возможностью попеременной передачи сигналов 5 и 6 стереопары на устройство 7 воспроизведения синхронно с работой светокоммутирующих стереоочков 8. Выход узкоугольной камеры 1 соединен с первым входом коммутатора 11 непосредственно, а выход широкоугольной камеры 2 связан со вторым.входом коммутатора 11 через устройство 10 выравнивания масштабов изображений. Выход коммутатора 11 через переключатель 12 режима работы соединен со входом устройства 7 воспроизведения.
Выход узкоугольной камеры 1 соединен также со входом селектора 9 сигналов синхронизации, выход которого соединен с управляющим входом коммутатора 11, с синхронизирующим входом устройства 10 выравнивания масштабов изображений и с синхронизирующим входом светокоммутирующих стереоочков 8.
Первый вход переключателя 12 режима работы соединен с выходом коммутатора 11, второй вход соединен непосредственно с выходом широкоугольной камеры 2, а выход соединен со входом устройства 7 воспроизведения.
Устройство 10 выравнивания масштабов изображений содержит устройство 13 формирования изображения центральной части телевизионного кадра, интерполятор 14 и синхронизатор,
синхронизирующий вход которого соединен с выходом селектора 9 сигналов синхронизации. Синхронизатор представляет собой матричное устройство 15 памяти на телевизионный кадр. Устройство 13 формирования изображения центральной части телевизионного кадра предназначено для осуществления записи телевизионного кадра в матричное устройство 15 памяти в полном формате, на выходе же матричного устройства 15 памяти считывание производится лишь центральной части телевизионного кадра при синхронизации от телевизионного сигнала узкоугольной телевизионной камеры 1. Размер центральной части телевизионного кадра, выраженный количеством элементов изображения, отличается от размера полного телевизионного кадра пропорционально соотношению углов обзора двух передающих телевизионных камер 1 и 2 (фиг. 2 поз. 17).
Устройство 10 выравнивания масштабов изображений содержит также интерполятор 14 для увеличения путем интерполяции количества элементов изображения центральной части телевизионного кадра до количества элементов полного телевизионного кадра. Устройство 10 выравнивания масштабов изображений известно в телевизионной технике в качестве цифрового видеомикшера и инструмента для создания спецэффектов, см. Кривошеев М.И. Цифровое телевидение. Кривошеев М.И., Виленчик Л.С.и др. - М. 1980 - 264 с, С. 134 рис. 6.6, фиг. 7-9.
Коммутатор 11 и светокоммутирующие стереоочки 8 служат для коммутации сигналов телевизионных изображений по полям и синхронизируются сигналами телевизионной синхронизации от узкоугольной телевизионной камеры 1. Переключатель 12 режима работы предназначен для управления оператором по управляющему входу 16 и служит для переключения режимов работы телевизионного устройства, в левом по схеме положении выключая стереоскопический режим отображения и переводя работу устройства 7 воспроизведения в моноскопический режим воспроизведения телевизионного сигнала от широкополосной телевизионной камеры 2. Светокоммутирующие очки 8 в этом моноскопическом режиме не используются, и наблюдатель воспринимает обычное двумерное изображение, но при широком угле обзора наблюдаемого объекта, определяемом широкоугольной телевизионной камерой 2.
Телевизионное устройство для формирования стереоскопического изображения работает следующим образом.
Телевизионные камеры 1 и 2 фиксируют изображение наблюдаемого объекта с двух позиций, соответствующих выбранным левой и правой позициям стереосъемки, и ориентированы таким образом, что оптические оси их объективов пересекаются в точке, расположенной возможно ближе к наблюдаемому объекту. Сигнал 5 изображения от узкоугольной телевизионной камеры 1 и сигнал 6 от широкоугольной телевизионной камеры 2 поступают по каналу 4 в приемную часть устройства.
В приемной части устройства сигнал 6 изображения от широкоугольной телевизионной камеры 2 (фиг. 2 поз. 19) поступает в устройство 13 формирования изображения центральной части телевизионного кадра устройства 10 выравнивания масштабов изображений; устройством 13 формирования изображения центральной части телевизионного кадра он записывается в матричное устройство 15 памяти на телевизионный кадр в полном формате, а считывается на его выходе лишь в виде центральной части телевизионного кадра (фиг. 3 поз. 18). Размер центральной части телевизионного кадра, выраженный количеством элементов изображения, отличается от размера полного телевизионного кадра пропорционально соотношению углов обзора узкоугольной и широкоугольной передающих телевизионных камер 1 и 2. Сигнал изображения центральной части телевизионного кадра, содержащий меньшее количество элементов изображения, чем полный телевизионный кадр, поступает в интерполятор 14, который осуществляет преобразование форматов изображения и доводит изображение центральной части кадра до формата полного телевизионного кадра, восстанавливая путем интерполяции значения недостающих элементов изображения и увеличивая таким образом размер центральной части кадра до размера полного кадра (фиг. 2 поз. 18). Полученное таким образом изображение центральной части кадра записывается в матричное устройство 15 памяти на телевизионный кадр, предназначенное для синхронизации сигналов от обеих телевизионных камер. Синхронизация достигается благодаря тому обстоятельству, что считывание изображения, записанного в память матричного устройства 15 памяти на телевизионный кадр, происходит под управлением сигналов синхронизации от узкоугольной телевизионной камеры 1, выделенных из ее сигнала селектором 9 сигналов телевизионной синхронизации. В результате на выходе матричного устройства 15 памяти на телевизионный кадр формируется сигнал изображения, соответствующего центральной части изображения от широкоугольной телевизионной камеры 2, которое, таким образом, может быть использовано как одно из изображений стереопары, в которой вторым изображением является изображение от узкоугольной телевизионной камеры 1. Сигналы изображений указанной стереопары таким образом синхронизированы между собой и поступают на входы коммутатора 11, управляемого сигналом синхронизации, поступающим с частотой телевизионных полей от селектора 9 телевизионных сигналов синхронизации. Этот же сигнал управляет работой светокоммутирующих стереоочков 8, позволяющих глазам наблюдателя (левым и правым попеременно) наблюдать стереоскопическое изображение на экране воспроизводящего устройства 7. Приемная часть устройства содержит также переключатель 12 режима работы, предназначенный для переключения режимов работы воспроизводящего устройства 7 и, тем самым, для изменения характера изображения на его экране. При установке оператором через вход 16 переключателя 12 режима работы в левое по схеме положение воспроизводящее устройство 7 работает в обычном нестереоскопическом режиме и позволяет наблюдать обычное моноскопическое (двумерное) полноформатное телевизионное изображение от широкоугольной телевизионной камеры 2. При установке переключателя 12 режима работы в правое положение воспроизводящее устройство 7 работает в стереоскопическом режиме, на экране воспроизводятся попеременно оба изображения стереопары от передающих телевизионных камер 1 и 2 с одинаковым масштабом обоих изображений, с их коммутацией и чередованием на экране с частотой телевизионных полей 50 Гц (при использовании стандартного телевизионного сигнала).
Принцип получения изображения объекта показан на фиг. 2.
- поз. 17 поясняет условное расположение зон наблюдения узкоугольной и широкоугольной телевизионных камер 1 и 2;
- поз. 18 показывает расположение объекта наблюдения в кадре узкоугольной телевизионной камеры 1. В таком же масштабе выглядит изображение от широкоугольной телевизионной камеры 2 после обработки в устройстве 13 формирования изображения центральной части телевизионного кадра, а также на входе интерполятора 14. На выходе интерполятора 14 изображение выглядит так же, но состоит уже из большего числа элементов, увеличенного до формата полного телевизионного кадра путем интрерполяции;
- поз. 19 показывает расположение объекта наблюдения в кадре широкоугольной телевизионной камеры 2.
Как следует из структурной схемы приемной части устройства (фиг. 1), информационные характеристики наблюдаемых изображений, обычного и стереоскопического, определяются исключительно свойствами сигнала от телевизионных камер 1 и 2 и особенностями стереоскопического зрения. Таким образом, в стереоскопическом режиме работы телевизионного устройства (правое по схеме положение переключателя 12 режимов работы) форматы изображений стереопары оказываются одинаковыми, а детальность воспринимаемого стереоскопического объекта определяется детальностью изображения с наиболее высокой четкостью, а именно - определяется четкостью изображения от узкоугольной телевизионной камеры 1. Это обстоятельство соответствует указанному выше свойству зрения, позволяющему воспринимать стереоскопическое изображение при наблюдении стереопары с неидентичными характеристиками изображений таким образом, что качество наблюдаемого стереоизображения определяется качеством наилучшего из обоих изображений стереопары.
Данное устройство обеспечивает технический результат, состоящий в расширении возможностей телевизионного устройства путем обеспечения возможности двух режимов работы: воспроизведение обычного двумерного телевизионного изображения при широком угле обзора объектива передающей камеры, а также воспроизведение стереоскопического телевизионного изображения, образованного из двух изображений стереопары, полученных от обеих передающих телевизионных камер путем выравнивания масштабов передаваемых ими изображений.