Защитное устройство для проецирования набора синтетических изображений
PROTECTIVE DEVICE FOR PROJECTING SET OF SYNTHETIC IMAGES

РОДСТВЕННАЯ ЗАЯВКА
Эта заявка испрашивает приоритет для предварительной патентной заявки США №61/637990, поданной 25 апреля 2012 года, включенной в это описание в полном объеме путем ссылки.
ОБЛАСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Настоящее изобретение в целом касается защитного устройства для проецирования набора синтетических изображений и компьютерно-реализуемого способа изготовления такого защитного устройства.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ И КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Микрооптические пленочные материалы, проецирующие синтетические изображения в целом включают (a) светопроводную полимерную подложку, (b) ряд упорядоченных пиктограмм микроскопического размера, расположенных на/в полимерной подложке, и (c) ряд упорядоченных фокусирующих элементов (например, микролинза). Упорядоченные пиктограммы и фокусирующие элементы сконфигурированы таким образом, чтобы при наблюдении ряда пиктограмм сквозь ряд фокусирующих элементов проецировались одно или несколько синтетических изображений. Эти спроецированные изображения могут демонстрировать много различных оптических эффектов.
Конструкции материалов, способные создавать такие эффекты, описываются в Патенте США №7333268, выданном Steenblik et al., Патенте США №7468842, выданном Steenblik et al., Патенте США №7,738,175, выданном Steenblik et al., Патенте США №7830627, выданном Commander et al., Патенте США №8,149,511, выданном Kaule et al.; Публикации патентной заявки США №2010/0177094 на имя Kaule et al.; Публикации патентной заявки США №2010/0182221 на имя Kaule et al.; Европейском патенте №2162294, выданном Kaule et al.; и Европейской патентной заявке №08759342.2 (или Европейской публикации №2164713) на имя Kaule et al.
Эти пленочные материалы могут применяться в качестве защитных устройств для удостоверения подлинности банкнот, защищенных документов и продуктов. Для банкнот и защищенных документов эти материалы обычно применяют в форме полоски или нити и либо частично вставляют в банкноту или документ, либо наносят на их поверхность. Для паспортов или других удостоверяющих (ID) документов эти материалы могут применяться в качестве полного слоя или могут быть вставлены как средство защиты от подделки в поликарбонатные паспорта.
Описанные выше пленочные материалы существующего уровня техники, известные как муаровые увеличители, как правило, начинаются с двухмерной (2D) матрицы идентичных пиктограмм. Однако они также могут начинаться с пиктограмм, изменяемых или модулируемых с применением способов, обеспечивающих различные эффекты, такие, как изменение медленно вращающихся изображений и т.п. Для трехмерных (3D) эффектов эти пленочные материалы монтируются с применением "опрокинутого" подхода в том смысле, что вид статического объекта с точки обзора каждой отдельной линзы пространственно рассчитывают по модели статического 3D-объекта, и соответствующая пиктограмма образуется из набора видов линзы. При применении этого подхода каждую пиктограмму рассчитывают отдельно на основе статической модели 3D-объекта. Этот подход имеет как минимум следующие ограничения:
(a) готовое синтетическое изображение является лишь статическим 3D-объектом;
(b) готовое синтетическое изображение имеет "разрыв" в поле обзора; и
(c) готовое синтетическое изображение ограничено палитрой из не более, чем одного цвета, причем одного тона этого цвета. Оно представляет собой двухуровневое изображение и не имеет оттенков или полутонов.
Термин "разрыв", более подробно описываемый ниже, означает значительное нарушение целостности наблюдаемого изображения, когда наблюдающий перемещается за пределами диапазона наблюдения устройства (но в пределах его поля обзора) и смотрит на устройство.
Отмеченные выше недостатки устраняются с применением типичных вариантов осуществления настоящего изобретения, в которых используется "опрокинутый" подход в том смысле, что определяется каждое требуемое полное синтетическое изображение, наблюдаемое со всех данных точек обзора, а затем каждое из этих отдельных изображений (отличных от пространственной информации), которые соответствуют различным точкам обзора, обрабатывается, а затем используется для определения объекта, часть которого наблюдается через каждую линзу. Общая сумма всех этих изображений с разных точек обзора в конечном итоге определяет значительную часть плоскости изображения, которая обычно должна содержать только пиктограммы ("слой изображения"). Этот подход позволяет обеспечивать следующие значительные усовершенствования относительно существующего уровня техники:
(a) готовое синтетическое изображение может представлять собой, помимо прочего: движущийся 3D-объект; динамический (анимационный или трансформирующийся) 3D-объект; динамический дизайн из кривых, абстрактных рисунков, форм, фотографий, 3D-объектов и изображений;
(b) готовое синтетическое изображение может быть построено таким образом, чтобы отсутствовал "разрыв" в поле обзора;
(c) готовые синтетические изображения могут включать эффекты "полутонов", подобные полутоновому сглаживанию. Кроме того, этот способ способствует координации нескольких слоев для окончательного создания синтетических изображений, включающих полноцветные динамические схемы и 3D-изображения; и
(d) источником готовых синтетических изображений не обязательно должны быть модели 3D-объектов. Синтетические изображения могут быть образованы из любого типа цифрового изображения (например, фотографий, рисунков, математических диаграмм и кривых и т.п.).
В частности, настоящее изобретение обеспечивает защитное устройство для проецирования набора синтетических изображений, включающее: набор фокусирующих элементов, причем каждый фокусирующий элемент имеет оптический отпечаток; и по меньшей мере один слой изображения, фокусирующие элементы и слой(и) изображения вместе проецируют другое изображение, поскольку устройство наблюдается с различных углов,
причем слой(и) изображения состоит(ят) из множества отдельных оцифрованных областей, причем каждая область составляет идентичное или по сути идентичное подмножество оптических отпечатков каждого фокусирующего элемента, и области являются отдельными, то есть, накладывание любых двух подмножеств исключается, и каждая точка в каждом подмножестве является ближайшей к соответствующему фокусирующему элементу, причем каждая область разделяется на множество отдельных пикселей, равных количеству изображений,
причем каждое изображение подвергается цифровой обработке, количество пикселей в каждом подвергнутом цифровой обработке изображении является равным или пропорциональным общему количеству фокусирующих элементов, пиксели в каждом подвергнутом цифровой обработке изображении распределяются по одному месторасположению в пределах каждой оцифрованной области, таким образом, чтобы каждое месторасположение в пределах одной оцифрованной области было отмечено цветом пикселя из другого подвергнутого цифровой обработке изображения, что позволяет устройству проецировать другое изображение, поскольку устройство наблюдается с различных углов.
В представленном далее описании устройство согласно изобретению описывается как устройство, проецирующее синтетические изображения, которые видны наблюдающему. Существует соответствие между местоположением наблюдающего относительно устройства и синтетического изображения, которое наблюдающий видит с конкретной точки обзора. Например, синтетические изображения могут представлять различные точки обзора заданного объекта или изображения, которые меняются от одного определяемого точкой обзора изображения до другого определяемого точкой обзора изображения с изменением местоположения наблюдающего относительно устройства. Однако характер каждого синтетического изображения может быть полностью произвольным, подобно изображениям, обеспечиваемым визуальным устройством отображения, таким, как телевизор или монитор компьютера. Кроме того, в типичном варианте осуществления применяют особую симметрию для создания синтетических изображений, что позволяет изготавливать устройство без учета приводки, которая может быть проблематичной для устройств существующего уровня техники.
В отличие от муарового увеличителя, имеющего множество из большего или меньшего количества "непрерывных" изображений, типичный вариант осуществления слоя(ев) изображения в защитном устройстве согласно настоящему изобретению представляет собой двойную решетку распределенных цифровых изображений, где каждый пиксель в решетке "включен или выключен" (т.е., окрашен или не окрашен).
На первом типичном варианте осуществления защитное устройство согласно изобретению проецирует набор синтетических изображений в градации серого или полутонах. В этом варианте осуществления оттенки серого выполняются с использованием изображений в оттенках серого с сокращенной цветовой палитрой (например, четыре оттенка серого) и группирования фокусирующих элементов (т.е., применяется группа фокусирующих элементов вместо одного фокусирующего элемента для каждого пикселя определяемого точкой обзора изображения).
Во втором типичном варианте осуществления защитное устройство согласно изобретению проецирует набор синтетических 3D-изображений. В этом варианте осуществления определяемые точкой обзора изображения соотносятся таким образом, что наблюдающий видит по меньшей мере два разных 2D-изображения за раз, что создает у него бинокулярное стереоскопическое восприятие изображений.
В третьем типичном варианте осуществления защитное устройство согласно изобретению проецирует набор синтетических изображений, которые не имеют разрыва. То есть, каждое распределенное определяемое точкой обзора изображение является составным определяемым точкой обзора изображением, образуемым путем применения одной или нескольких непрерывных математических скалярных функций для определения или изменения количественного параметра в определяемом точкой обзора изображении.
Настоящее изобретение также обеспечивает компьютерно-реализуемый способ изготовления защитного устройства для проецирования набора синтетических изображений, причем защитное устройство состоит из набора фокусирующих элементов в форме листа фокусирующих элементов, причем каждый фокусирующий элемент имеет оптический отпечаток; и по меньшей мере один слой изображения, фокусирующие элементы и слой(и) изображения вместе проецируют свое определяемое точкой обзора изображение, поскольку устройство наблюдается с различных углов, причем способ включает:
(a) формирование слоя(ев) изображения путем:
(i) составления набора разных необработанных определяемых точкой обзора изображений, причем каждое необработанное определяемое точкой обзора изображение определяет, что наблюдающий должен видеть, глядя на защитное устройство с данного угла;
(ii) выбора области для каждого фокусирующего элемента в листе фокусирующих элементов и расположение областей в форме решетки на/в слое(ях) изображения, причем области составляют идентичные подмножества оптических отпечатков каждого фокусирующего элемента, таким образом, что накладывание любых двух подмножеств исключается, и каждая точка в каждом подмножестве является ближайшей к соответствующему фокусирующему элементу, как только слой(и) изображения помещаются в фокальную плоскость набора фокусирующих элементов, причем точная приводка между областями и фокусирующими элементами не требуется;
(iii) оцифровывания каждой выбранной области путем разделения каждой области на множество отдельных пикселей, каждый из которых представляет часть отдельного определяемого точкой обзора изображения, причем количество пикселей в каждой оцифрованной области равняется количеству различных определяемых точкой обзора изображений, и оцифрованные области образуют растровую сетку;
(iv) цифровой обработки каждого из различных необработанных определяемых точкой обзора изображений для образования двухуровневых изображений, причем количество пикселей в каждом подвергнутом цифровой обработке определяемом точкой обзора изображении равняется (или пропорционально) общему количеству фокусирующих элементов в листе фокусирующих элементов, которые должны использоваться для представления требуемого полного изображения;
(v) распределения набора различных обработанных определяемых точкой обзора изображений на растровую сетку путем окрашивания каждого пикселя оцифрованной области цветом соответствующего пикселя определяемого точкой обзора изображения с применением процесса под названием "распределение", который включает назначение адреса для каждого пикселя в каждой оцифрованной области с последующим назначением одного изображения для каждого пикселя, имеющего одинаковый адрес в каждой оцифрованной области, таким образом, чтобы каждое месторасположение в пределах одной оцифрованной области окрашивалось цветом пикселя из другого обработанного определяемого точкой обзора изображения; и
(b) помещения образованного(ых) слоя(ев) изображения в фокальную плоскость листа фокусирующих элементов.
Настоящее изобретение также обеспечивает защитное устройство, изготавливаемое в соответствии с этим способом.
На первом типичном варианте осуществления способ согласно изобретению обеспечивает защитное устройство, проецирующее набор синтетических изображений в градации серого или полутонах. То есть, этап "составления" при формировании слоя(ев) изображения с применением способа согласно изобретению направлен на составление различных необработанных выполняемых в градации серого или в полутонах определяемых точкой обзора изображений, тогда как этап "обработки" включает модификацию необработанных определяемых точкой обзора изображений путем сокращения количества оттенков серого в цветовой палитре каждого изображения, необязательно - смешивания остальных оттенков серого в цветовой палитре каждого изображения с последующим представлением каждого такого обработанного определяемого точкой обзора изображения в качестве готового двухуровневого изображения. После распределения набора различных готовых двухуровневых изображений по растровой сетке способ согласно изобретению в этом типичном варианте осуществления также включает с использованием группы фокусирующих элементов (например, группы линз 2×2) для каждого пикселя определяемого точкой обзора изображения.
На втором типичном варианте осуществления способ согласно изобретению обеспечивает защитное устройство, проецирующее набор синтетических 3D-изображений. То есть, этап "составления" при формировании слоя(ев) изображения с применением способа согласно изобретению включает моделирование объекта в обеспечивающей трехмерную графику программе и получение различных необработанных определяемых точкой обзора изображения объекта путем обеспечения видов объекта с применением (виртуальной или реальной) камеры в множестве позиций, и существует точное соответствие между количеством видов, обеспечиваемых камерой, и количеством пикселей в каждой оцифрованной области.
В третьем типичном варианте осуществления способ согласно изобретению обеспечивает защитное устройство, проецирующее набор синтетических изображений, которые не имеют разрыва. Более конкретно, способ согласно изобретению также включает: определение математических скалярных функций x и y, которые являются непрерывными; применение одной или нескольких подобных математических скалярных функций к копиям области для получения одного или нескольких скалярных значений, причем область составляет участок координатной плоскости, повторяющийся в пространственно-периодическом отношении; и использование одного или нескольких скалярных значений для определения или изменения количественного параметра в наборе определяемых точкой обзора изображений, распределенных по областям, с образованием, таким образом, составных определяемых точкой обзора изображений.
Настоящее изобретение также обеспечивает листовые материалы и базовые платформы, выполненные из защитного устройства согласно изобретению или с его применением, а также документы, выполненные из этих материалов. Термин "документы" в контексте данного описания означает документы любого типа, обладающие финансовой ценностью, такие как банкноты или валюта и т.п., или удостоверяющие документы, такие, как паспорта, идентификационные карточки, водительские права, и т.п., или другие документы, такие, как бирки или ярлыки. Защитное устройство согласно изобретению также предусмотрено для применения с потребительскими товарами, а также сумками или упаковками, используемыми с потребительскими товарами, такими, как пакеты для картофельных чипсов.
Другие особенности и преимущества изобретения станут понятны специалистам в данной области по ознакомлении с представленными ниже подробным описанием и прилагаемыми фигурами.
Если нет иного определения, все употребляемые авторами технические и научные термины имеют значения, которые являются общепринятыми в области, к которой относится это изобретение. Все публикации, патентные заявки, патенты и другие упомянутые в описании источники включены путем ссылки в полном объеме. В случае противоречия данное описание, включая определения, имеет приоритетную силу. Кроме того, материалы, способы и примеры являются лишь иллюстративными и не ограничивают объем изобретения.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ФИГУР
Настоящее изобретение станет более понятным со ссылкой на представленные ниже фигуры. Компоненты, представленные на фигурах, не обязательно показаны с соблюдением масштаба, но при этом основное внимание уделяется четкому пояснению принципов данного изобретения. Хотя типичные варианты осуществления описываются в связи с фигурами, не ставится цели ограничить настоящее изобретение описанным авторами вариантом или вариантами осуществления. Напротив, задача состоит в том, чтобы охватить все альтернативные варианты, модификации и эквиваленты.
Конкретные особенности раскрываемого изобретения поясняются путем ссылки на прилагаемые фигуры, среди которых:
ФИГ. 1 показывает линзу с ее оптическим отпечатком;
ФИГ. 2 показывает восприятие неподвижных наблюдающих относительно оптического отпечатка линзы, показанного на ФИГ. 1;
ФИГ. 3 показывает дискретизацию линз, в частности, на первом рисунке показывает оптический отпечаток линзы с цветной частью A изображения и с бесцветной частью B изображения, а на втором рисунке - что наблюдающий видит, когда находится в двух разных местах, показанных на ФИГ. 2;
ФИГ. 4 показывает на первом рисунке множество линз в комбинации с их оптическими отпечатками, с наблюдающим, находящимся "очень далеко" под первым углом относительно устройства согласно изобретению, на втором рисунке - рисунок в слое изображения, нарисованном среди оптических отпечатков линзы, и на третьем рисунке - то, что наблюдающий должен видеть, глядя на устройство;
ФИГ. 5 показывает на первом рисунке множество линз в комбинации с их оптическими отпечатками, с наблюдающим, находящимся "очень далеко" под другим углом относительно позиции наблюдающего на ФИГ. 4, на втором рисунке - а рисунок в слое изображения, нарисованном среди оптических отпечатков линзы, и на третьем рисунке - то, что наблюдающий должен видеть, глядя на устройство;
ФИГ. 6 показывает слои изображения с ФИГУР 4 и 5, наложенные один на другой;
ФИГ. 7 показывает на первом рисунке линзу с ее оптическим отпечатком, на втором рисунке - множество линз, на третьем рисунке - множество линз из второй рамки с множеством оптических отпечатков каждой линзы, лежащих на слое изображения, на четвертом рисунке - линза из третьей рамки с областью в форме оцифрованной области, на пятом рисунке - множество линз из второй и третьей рамок, показанных с множеством оцифрованных областей, и на шестом рисунке - множество оцифрованных областей или растровая сетка;
ФИГ. 8 показывает, на первом рисунке линзу и оцифрованную область линзы, причем каждый пиксель в оцифрованной области имеет назначенный адрес, а на втором рисунке - набор из девяти разных определяемых точкой обзора изображений, каждому из которых был назначен адрес, соответствующий адресу пикселей в оцифрованной области, показанной на первом рисунке;
ФИГ. 9 показывает, каким образом изображение, соответствующее адресу (1,1), распределяется по множеству оцифрованных областей или растровой сетке, показанной на шестом рисунке с ФИГ. 7;
ФИГ. 10 показывает, каким образом изображения, соответствующие адресам (1,1) и (1,2), распределяются по множеству оцифрованных областей или растровой сетке, показанной на шестом рисунке с ФИГ. 7;
ФИГ. 11 показывает растровую сетку после распределения девяти разных определяемых точкой обзора изображения, показанных на втором рисунке с ФИГ. 8, по решетке;
ФИГ. 12 показывает на первом рисунке поперечный разрез типичного варианта осуществления защитного устройства согласно настоящему изобретению, в котором используется заполненная растровая сетка, показанная на ФИГ. 11, на втором рисунке показано, что может видеть, глядя на устройство, наблюдающий, находящийся ближе всего к верхнему левому углу устройства, и на третьем рисунке показано, что может видеть, глядя на устройство, наблюдающий, находящийся ближе всего к нижнему правому углу устройства;
ФИГ. 13 является видом в перспективе необработанного изображения чайника Юты или чайника Ньюэлла, который используется в качестве определяемого точкой обзора изображения в типичном варианте осуществления настоящего изобретения;
ФИГ. 14 является видом в перспективе обработанного изображения чайника, показанного на ФИГ. 13, в котором применялось сглаживание с использованием четырех оттенков серого;
ФИГ. 15 является графическим представлением схемы группирования линз для четырех уровней полутонов, используемых в типичном варианте осуществления настоящего изобретения;
ФИГ. 16 является видом в перспективе готового двойного спроецированного изображения чайника, показанного на ФИГ. 13;
ФИГ. 17 является графическим представлением множества виртуальных камер, производящих снимки объекта в форме чайника Юты или чайника Ньюэлла;
ФИГ. 18 является видом в перспективе шести необработанных определяемых точкой обзора изображений, обеспечиваемых множеством виртуальных камер, показанных на ФИГ. 17;
ФИГ. 19 представляет упрощенный поперечный разрез типичного варианта осуществления защитного устройства согласно настоящему изобретению, а также набор полей обзора определяемых точкой обзора изображений (2,3), (2,2) и (2,1), которые таким образом проецируются;
ФИГ. 20 показывает на первом рисунке линзу с оцифрованной областью 12×12, на втором рисунке - графическое представление множества виртуальных камер 12×12, производящих снимки чайника Юты или чайника Ньюэлла, и на третьем рисунке -упрощенный поперечный разрез типичного варианта осуществления защитного устройства согласно настоящему изобретению, а также набор полей обзора двенадцати определяемых точкой обзора изображений, которые таким образом проецируются;
ФИГ. 21 показывает на первом рисунке линзу с ее оптическим отпечатком, на втором рисунке - поле обзора типичного варианта осуществления защитного устройства согласно изобретению, на третьем рисунке - линзу, показанную на первом рисунке, с ее оцифрованной областью, и на четвертом рисунке - диапазон типичного варианта осуществления защитного устройства согласно изобретению, показанного на втором рисунке;
ФИГ. 22 показывает диапазон устройства согласно изобретению в виде подмножества поля обзора устройства;
ФИГ. 23 показывает, что наблюдающий видит, находясь в пределах поля обзора устройства, диапазона наблюдения устройства;
ФИГ. 24 показывает на первом рисунке вариант осуществления устройства согласно изобретению, в котором множество линз и множество оцифрованных областей показаны с приводкой, и на втором рисунке - вариант осуществления, в котором множества показаны без приводки;
На ФИГ. 25 указывается, что точка обзора наблюдающего (выраженная как (θ,ϕ)) определяет место, которое линзы выбирают в пределах области (выраженное как (x,y)), и проецируемое определяемое точкой обзора изображение, которое видит наблюдающий (выраженное как матрично- (или изображение-) значная функция места дискретизации, называемого изображением (x,y));
ФИГ. 26 показывает, каким образом в случае, когда наблюдающий видит устройство согласно изобретению с достаточно высокого угла (т.е., ϕ увеличивается), все линзы имеют точки дискретизации, находящиеся в области соседней линзы;
ФИГ. 27 показывает еще один вариант осуществления защитного устройства согласно изобретению, в котором каждая область из множества оцифрованных областей представляет собой перекошенный шестисторонний многоугольник или шестиугольник;
ФИГ. 28 представляет вид в плане одного из шестиугольников, показанных на ФИГ. 27, в котором края обозначены стрелками для указания краев, которые "встречаются", когда слой изображения выкладывается этими шестиугольниками;
ФИГ. 29 на первом рисунке представляет вид в плане оцифрованной шестиугольной области и на втором рисунке - шестиугольную область "свернутую" вокруг оси x таким образом, что верхняя сторона встречается с нижней стороной, образуя трубу;
ФИГ. 30 представляет ряд изображений, на которых шестиугольная область образует скрученный тор, демонстрируя, что шестиугольная область топографически равноценна тору;
ФИГ. 31 представляет вид в плане области в форме правильного шестиугольника с центром в (0,0), с шестью вершинами, расположенными на одну единицу длины от источника;
ФИГ. 32 на первом рисунке представляет вид в плане области, показанной на ФИГ. 31, после применения непрерывной скалярной функции, а на втором рисунке эта область показана после повторения в пространстве;
ФИГ. 33 показывает общий процесс, в котором на области может определяться множество функций; каждая из этих функций предусматривает независимое изменение или определение изображения;
ФИГ. 34 показывает вид в перспективе примера рисунка в форме набора идентичных кубов, которые поворачиваются со сменой точки обзора наблюдающего, причем кубы имеют отражения, "мультипликационные" очертания, оттенки, и т.п.;
ФИГ. 35 показывает, каким образом кубы, показанные на ФИГ. 34, перемещаются с перемещением наблюдающего слева направо, а ФИГ. 36 показывает, каким образом кубы перемещаются с перемещением наблюдающего вверх и вниз;
ФИГ. 37 представляет оцифрованную область, образуемую набором из 360 квадратов, расположенных в форме, приближенной к шестиугольнику;
ФИГ. 38 показывает, каким образом оцифрованная область с ФИГ. 37 может использоваться для полного выкладывания плоскость слоя изображения, без зазоров между пикселями оцифрованной области и без наложения пикселей оцифрованной области;
ФИГ. 39 представляет множество оцифрованных областей, показанных на ФИГ. 38, после применения линейной функции, f1, к каждой шестиугольной области, причем эта функция охватывает от 0 (белый) до 60 (черный) при перемещении наблюдающего справа налево по шестиугольным областям; и
ФИГ. 40 представляет множество оцифрованных областей, показанных на ФИГ. 38 после применения линейной функции, f2, к каждой шестиугольной области, причем эта функция охватывает от 0 (белый) до 60 (черный) дважды при перемещении наблюдающего от верха шестиугольника до низа шестиугольника.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Фокусирующие элементы, применяемые согласно настоящему изобретению, служат для выделения, увеличения, высвечивания или подчеркивания небольшой точки в слое(ях) изображения. Подходящими фокусирующими элементами, помимо прочих, являются линзы (например, микролинзы), отверстия в точечном экране, фокусирующие отражатели, линзы с зонными пластинками, утопленные линзы, объекты со световыми бликами и т.п.
Согласно существующему уровню техники, в типичных вариантах осуществления защитного устройства согласно изобретению, в котором применяются микролинзы, каждая линза способна проецировать полное изображение, содержащееся в его так называемом "оптическом отпечатке". Как можно наилучшим образом увидеть на ФИГ. 1, оптический отпечаток отдельной линзы определяется как набор каждой точки на слое(ях) изображения, на которые линзами может быть наведен фокус. Этот оптический отпечаток ограничивается по размеру, помимо прочего, комой, геометрией и f-числом линзы (т.е., фокусным расстоянием, деленным на диаметр линзы), свойствами материала линзы, наличием оптического разделителя (или его отсутствием) и толщиной слоя(ев) изображения.
Восприятие неподвижного наблюдающего относительно оптического отпечатка линзы показано на ФИГ. 2, причем неподвижный наблюдающий видит линзу так, как будто она представляет очень увеличенный вариант очень мелкого подмножества его оптического отпечатка (например, бесцветного подмножества "B" или цветного подмножества "A"). В частности, наблюдающий не видит полного изображения в линзе, а вместо него видит части изображения, находящиеся в фокальной точке линзы. Как можно наилучшим образом увидеть на ФИГ. 3, наблюдаемое подмножество, а значит, и цвет зависит от местоположения наблюдающего и, следовательно, от того, какой пучок направленного света получает глаз наблюдающего. Действие или процесс, при помощи которого наблюдаются малые части оптического отпечатка линзы меняется местоположение наблюдающего, называется "дискретизацией".
В целом, если линзы достаточно малы, и наблюдающий находится достаточно далеко, защитное устройство согласно настоящему изобретению может быть охарактеризовано следующим утверждением:
Наблюдающий, глядя сквозь набор линз, сфокусированный на слое(ях) изображения, со статичной точки обзора, видит, что каждая линза дискретизирует одно и то же место в каждом из соответствующих оптических отпечатков линзы одновременно.
ФИГ. 4 показывает описанную выше идею. Крайний левый или первый рисунок этой фигуры показывает множество линз в комбинации с их оптическими отпечатками, которые здесь показаны круглыми. Наблюдающий показан как находящийся очень далеко от линз относительно размера линз, что означает, что угол от перпендикуляра к плоскости линзы до наблюдающего по сути одинаков для каждой линзы. В результате наблюдающий видит каждую линзу, дискретизирующую то же место в ее оптическом отпечатке (т.е., точку на середине пути между крайней правой частью круглого оптического отпечатка и центром круга). В середине второго рисунка этой фигуры показан рисунок в слое изображения, нарисованный среди оптических отпечатков линзы. Крайний правый или третий рисунок этой фигуры показывает, что фактически видит наблюдающий, который смотрит на устройство.
ФИГ. 5 также показывает описанную выше идею. На первом рисунке наблюдающий показан под другим углом относительно позиции наблюдающего с ФИГ. 4, что означает, что наблюдающий видит точку дискретизации, сдвинутую влево. Второй рисунок этой фигуры показывает другой рисунок в слое изображения, а третий рисунок этой фигуры показывает, что фактически видит наблюдающий, который смотрит на устройство.
Как можно наилучшим образом увидеть на ФИГ. 6, различные рисунки, показанные на ФИГУРАХ 4 и 5, могут накладываться один на другой для образования слоя изображения, причем наблюдающий, который смотрит на него сквозь набор линз, видит изображение "A" с одного угла и изображение "B" с другого угла. Изображение, которое наблюдающий видит с данного угла, далее называется определяемым точкой обзора изображением. Набор из всех определяемых точкой обзора изображений, которые может видеть наблюдающий от слоя изображения, может быть скоординирован для создания многих эффектов, воспринимаемых объектов и движений, которые имеют преимущества перед оптическими эффектами, демонстрируемыми микрооптическими защитными устройствами существующего уровня техники.
Как видно из представленного выше описания, предмет изобретения позволяет образовывать слой изображения, который, будучи помещенным в фокальную плоскость линз в надлежащей ориентации, проецирует набор определяемых точкой обзора изображений. Как упоминалось ранее, эти определяемые точкой обзора изображения могут представлять, неподвижные или статические, подвижные или динамические (например, анимационные или трансформирующиеся) 3D-объекты или изображения, динамический дизайн из кривых, абстрактных рисунков, форм, фотографий и т.п. Эти определяемые точкой обзора изображения не обязательно должны быть взяты из моделей 3D-объектов или изображений, а могут быть образованы из любого типа цифрового изображения, например, фотографий, рисунков, математических диаграмм и кривых и т.п. Определяемые точкой обзора изображения могут включать эффекты "полутонов", подобные полутоновому сглаживанию, и могут быть построены таким образом, чтобы отсутствовал "разрыв" в поле обзора.
Также, как было упомянуто выше, защитное устройство согласно настоящему изобретению включает: набор фокусирующих элементов; и по меньшей мере один слой изображения, фокусирующие элементы и слой(и) изображения вместе проецируют свое определяемое точкой обзора изображение, поскольку устройство наблюдается с различных углов.
Слой(и) изображения состоит(ят) из множества отдельных оцифрованных областей, причем каждая область составляет идентичное или по сути идентичное подмножество оптических отпечатков каждого фокусирующего элемента, и области являются отдельными, то есть, накладывание любых двух подмножеств исключается, и каждая точка в каждом подмножестве является ближайшей к соответствующему фокусирующему элементу. Каждая область разделяется на множество отдельных пикселей, равное количеству определяемых точкой обзора изображений.
Каждое определяемое точкой обзора изображение подвергается цифровой обработке, количество пикселей в каждом подвергнутом цифровой обработке определяемом точкой обзора изображении является равным или пропорциональным общему количеству фокусирующих элементов, зарезервированных для этой части устройства. Пиксели в каждом подвергнутом цифровой обработке определяемом точкой обзора изображении распределяются по одному местоположению в пределах каждой оцифрованной области, таким образом, чтобы каждое месторасположение в пределах каждой оцифрованной области было отмечено цветом пикселя из подвергнутого цифровой обработке определяемого точкой обзора изображения, что позволяет устройству проецировать другое определяемое точкой обзора изображение, поскольку устройство наблюдается с различных углов.
Рабочий пример способа изготовления защитного устройства согласно настоящему изобретению описывается ниже и показывается на ФИГУРАХ 7-12. На первом рисунке ФИГ. 7 показаны одна линза и ее оптический отпечаток. На втором рисунке показана группа таких линз шесть линз в высоту на пять линз в ширину, а на третьем рисунке показано то же множество линз в комбинации с оптическим отпечатком каждой линзы, причем оптические отпечатки находятся в накладывающейся позиции на слое изображения. Как было отмечено выше, термин "область" определяется подмножеством каждого оптического отпечатка, который находится ближе к соответствующей линзе, чем к любой другой линзе. В соответствии с идеей настоящего изобретения, область, которая в этом рабочем примере по сути имеет квадратную форму, является оцифрованной. Четвертый рисунок ФИГ. 7 показывает одну линзу с оцифрованной областью, причем оцифрованная область насчитывает три пикселя оцифрованной области (DD-пикселя) в высоту и три DD-пикселя в ширину. Образовавшееся в результате множество оцифрованных областей показано с расположенным над ним множеством линз на пятом рисунке ФИГ. 7 и отдельно на шестом рисунке ФИГ. 7. Множество оцифрованных областей, которое в этом рабочем примере насчитывает шесть DD-пикселей в высоту и пять DD-пикселей в ширину, также называется растровой сеткой.
Наличие девяти пикселей в каждой оцифрованной области означает, что для каждой области всего может быть назначено девять изображений. Каждое из этих девяти изображений, которые указываются как определяемые точкой обзора изображения, можно наблюдать с отдельного угла зрения или точки обзора. В этом рабочем примере каждое определяемое точкой обзора изображение представляет собой двухуровневое изображение (т.е., только черное или белое). При наличии тридцати линз во множестве линз и тридцати оцифрованных областей в слое изображения в этом рабочем примере каждое определяемое точкой обзора изображение содержит ровно тридцать пикселей.
Способ распределения определяемых точкой обзора изображений по растровой сетке показан на ФИГУРАХ 8-12. На первом рисунке ФИГ. 8 показана одна линза и ее оцифрованная область, причем оцифрованная область указывает адрес для каждого DD-пикселя (например, (2,1) означает 2-й ряд 1-ю колонку, (3,3) означает 3-й ряд 3-ю колонку). Набор определяемых точкой обзора изображений, каждому из которых назначен адрес, соответствующий адресу DD-пикселей в оцифрованной области, показан на втором рисунке с ФИГ. 8. Например, число 9 назначается по адресу (1,1) оцифрованной области, а число 8 назначается по адресу (1,2) оцифрованной области.
На ФИГ. 9 показано изображение, соответствующее адресу (1,1) (т.е., числу 9), распределенное по растровой сетке, которое лежит на слое изображения. Подобным образом на ФИГ. 10 показаны изображения, соответствующие адресам (1,1) и (1,2) (т.е., числам 8 и 9), распределенные по растровой сетке. На ФИГ. 11 слой изображения после того, как все девять определяемых точкой обзора изображений были распределены по растровой сетке.
После надлежащего размещения множества линз на слое изображения (т.е., без непреднамеренного косого угла во множестве линз, используемом для указания растровой сетки) образовавшееся в результате защитное устройство проецирует одно или несколько определяемых точкой обзора изображений в зависимости от угла обзора. В частности, при перемещении наблюдающего от одного угла зрения до другого относительно защитного устройства различные определяемые точкой обзора изображения становятся видимыми. ФИГ. 12 на первом рисунке показывает двоих наблюдающих, которые смотрят на устройство согласно изобретению с разных мест, а также их относительные наблюдения на втором и третьем рисунках. В частности, в этом примере 1-й наблюдающий находится далеко, но ближе всего к верхнему левому углу устройства. Благодаря этому, свет, проецируемый от DD-пикселя по адресу (3,3) в каждой из оцифрованных областей, достигает 1-го наблюдающего. Следовательно, 1-й наблюдающий видит определяемое точкой обзора изображение, связанное с адресом (3,3), то есть, изображение числа 1. Подобным образом 2-й наблюдающий находится далеко, но ближе всего к нижнему правому углу устройства. Благодаря этому, свет, проецируемый от DD-пикселя по адресу (1,1) в каждой из оцифрованных областей достигает 2-го наблюдающего. Следовательно, 2-й наблюдающий видит определяемое точкой обзора изображение, связанное с адресом (1,1), то есть, изображение числа 9.
Как станет понятно специалистам в данной области, разрешение определяемых точкой обзора изображений может быть увеличено с увеличением количества линз благодаря пропорциональному соответствию между количеством пикселей определяемого точкой обзора изображения и количеством линз. Подобным образом количество определяемых точкой обзора изображений может быть увеличено, если увеличить количество пикселей определяемого точкой обзора изображения в оцифрованных областях.
Полутона
В предыдущем разделе простые определяемые точкой обзора изображения, которые были двойными в том смысле, что определяемые точкой обзора пиксели были либо черными, либо белыми, распределялись по слою(ям) изображения. Однако защитное устройство согласно изобретению также имеет возможность проецировать очень сложные и подробные определяемые точкой обзора изображения, включая абстрактные рисунки, 3D-модели с тенями, фотографии, и т.п. Способность к проецированию таких определяемых точкой обзора изображений становится возможной благодаря распределению определяемых точкой обзора изображений с оттенками серого (полутонами) в слое(ях) изображения.
В одном таком типичном варианте осуществления настоящего изобретения грубое или необработанное изображение чайника Юты или чайника Ньюэлла, показанное на ФИГ. 13, используют в качестве определяемого точкой обзора изображения. Это конкретное изображение имеет 160 пикселей в ширину и 100 пикселей в высоту, и в нем использованы 255 оттенков серого, для чего требуется множество линз, то есть 160 линз в ширину и 100 линз в высоту. Однако если одна линза проецирует оттенок серого, отличающийся от проецируемого соседней линзой, они должны иметь различные оттенки серого в их оцифрованных областях. Это означает, что для правильного проецирования всех 255 оттенков серого необходимо поместить правильный оттенок серого в правильный пиксель оцифрованной области в каждой из оцифрованных областей линз. Отсюда возникает проблема, поскольку обычно за один раз "печатается" только один цвет на слое(ях) изображения. Если используется много цветов (или оттенков серого), каждый из этих цветов должны быть с приводкой, чтобы напечатанные пиксели заканчивались в одном пикселе оцифрованной области в оптическом отпечатке каждой линзы. Соблюдать приводку для такой ультра-микропечати трудно, поэтому это представляет проблему.
Настоящее изобретение позволяет избегать необходимости этого типа приводки благодаря применению таких способов, как, например, сглаживание и передача полутонов. В частности, для представления изображения чайника с применением описанного выше алгоритма необходимую цветовую палитру сокращают, применяя такие технологии, как определение порогов, сглаживание и субдискретизация, помимо прочих технологий, известных специалистам в данной области. Образованное в результате изображение, показанное на ФИГ. 14, представляет собой изображение чайника 160×100 пикселей, в котором использованы лишь четыре оттенка серого (не включая белый).
Четыре оттенка серого затем могут быть сглажены для повышения в изображении плавности перехода от одного уровня серого к другому. В частности, вместо использования одной линзы на каждый пиксель определяемого точкой обзора изображения, группу линз применяют для каждого пикселя определяемого точкой обзора изображения. ФИГ. 15 показывает один способ, позволяющий представить четыре уровня серого (плюс белый) группой линз (2×2).
Обработанное изображение чайника показано на ФИГ. 16 в виде готового двухуровневого изображения, которое представляет конечный вид изображения чайника и того, что фактически должно быть спроецировано в направлении указанной точки обзора. Для изображения 160×100 пикселей теперь используется не множество линз размером 160×100, а матрица 160×100 групп линз, где каждая группа линз представляет множество линз 2×2. В сумме это составляет 320×200 линз, представляющих изображение чайника.
Следует заметить, что может применяться любое количество известных алгоритмов (распределение ошибки, различные алгоритмы сглаживания, подчеркивание контуров, затенение тонов и т.п.) для изменения необработанного изображения с целью получения обработанного изображения. Кроме того, схема, используемая для выполнения полутонов путем группирования линз, не обязательно должна быть постоянной. Например, существует четыре способа размещения четырех линз в квадрате для достижения 25% полутонов, и для каждого 25% серого пикселя из обработанного изображения может независимо использоваться одна из этих четырех схем. Как было упомянуто выше, предпочтительной целью является двухуровневое изображение, которое может использоваться для выполнения одного печатного прогона для слоя(ев) изображения. Конечное двухуровневое изображение затем должно распределяться по соответствующей растровой сетке, как было описано выше.
Как явствует из вышеизложенного, для защитных устройств с одним слоем изображения определяемые точкой обзора изображения могут быть чем угодно, что может быть представлено как двухуровневое изображение. Для защитных устройств, которые могут иметь несколько слоев изображения (например, несколько цветов), определяемые точкой обзора изображения могут представлять любую сумму различных цветных двухуровневых изображений.
3D-изображения
Помимо возможности проецирования любого произвольного двухуровневого изображения как определяемого точкой обзора изображения, защитное устройство согласно изобретению также позволяет проецировать полностью объемные изображения.
Как хорошо известно специалистам в данной области, бинокулярная диспаратность означает разницу в расположении изображения объекта, наблюдаемого правым и левым глазами, которая является результатом расстояния между глазами по горизонтали. Головной мозг использует бинокулярную диспаратность для получения информации о глубине от 2D-изображений в процессе, называемом стереоскопическим зрением.
Как станет очевидным для читателя, множество оцифрованных областей или растровая сетка согласно настоящему изобретению требует как минимум двух различных изображений, распределенных по ней, для того, чтобы левый и правый глаза видели разные определяемые точкой обзора изображения. Согласно настоящему изобретению, эти изображения предусмотрены как "связанные" таким образом, что когда головной мозг принимает два разных 2D-изображения от левого и правого глаз, он синтезирует информацию о глубине и формирует в мозгу окончательное 3D-изображение.
Связь между этими определяемые точкой обзора изображениями может достигаться путем моделирования объекта с применением одной или нескольких реальных камер или путем моделирования объекта в программе 3D-графики (например, компьютерной программе SKETCHUP, 3DS MAX, MAYA, Blender и DAZ Studio™ и т.п.) с последующим получением различных необработанных определяемых точкой обзора изображений путем визуализации объекта при помощи (виртуальной) камеры с нескольких позиций. Например, на ФИГ. 17 показано применение матрицы 3×3 виртуальных камер, которая соответствует соотношению "один к одному" с матрицей 3×3 пикселей для каждой оцифрованной области, показанной на четвертом рисунке с ФИГ. 7, для получения снимка чайника Юты или чайника Ньюэлла с каждой собственной точки обзора камеры. Полученные в результате необработанные определяемые точкой обзора изображения показаны на ФИГ. 18. Благодаря соответствию "один к одному" между матрицей 3×3 виртуальных камер и матрицей 3×3 пикселей для каждой оцифрованной области, каждое из этих необработанных определяемых точкой обзора изображений связывается с местонахождением конкретного пикселя оцифрованной области в каждой оцифрованной области.
Изображения, показанные на ФИГ. 18, пронумерованы "вверх ногами и задом наперед". Это было сделано для того, чтобы наблюдающий гарантированно видел предусмотренное изображение, наблюдая устройство с указанной точки обзора. Например, предположим, что наблюдающий смотрит прямо на устройство, и желательно, чтобы устройство проецировало изображение (2,2) для наблюдающего. Если наблюдающий перемещается вправо, можно ожидать, что он увидит нечто подобное тому, что мы видим на изображении (2,1). Таким образом, при перемещении наблюдающего вправо изображение, которое он видит, меняется с (2,2) на (2,1). Однако фокальная точка выпуклой рефракционной линзы, применяемой в предыдущих примерах, должна смещаться влево, когда наблюдающий перемещается вправо. Поэтому система нумерация для изображений на ФИГ. 18 выглядит обратной. Это также согласуется с типичными примерами, показанными на ФИГУРАХ 8 и 12. Как станет понятно читателю, любая подобная система нумерации должна соответствовать оптическим свойствам линз.
Как можно наилучшим образом увидеть на ФИГ. 19, слой(и) изображения защитного устройства согласно изобретению дают наблюдающему информацию, необходимую для синтезирования информации о глубине. В частности, ФИГ. 19 представляет упрощенный разрез типичного варианта осуществления устройства согласно изобретению, а также набор полей обзора различных определяемых точкой обзора изображений. Наблюдающий, который видит (2,2) обоими глазами, обозначен как "Наблюдающий 1", а наблюдающий, который видит (2,2) одним глазом, а (2,1) - другим глазом, обозначен как "Наблюдающий 2". Треугольники на этой фигуре представляют поле обзора, в котором проецируется одно из определяемых точкой обзора изображений. Предполагается, что наблюдающие находятся очень далеко от устройства относительно размера линз. Если Наблюдающий 1 перемещается слегка вправо, в итоге левый глаз видит изображение (2,2), а правый глаз видит изображение (2,1). Таким образом, мозг Наблюдающего 1 получает информацию, необходимую для синтезирования информации о глубине. Подобным образом, если Наблюдающий 1 перемещается слегка влево, правый глаз видит изображение (2,2), а левый глаз видит изображение (2,3). При этом также мозг Наблюдающего 1 получает два 2D-изображения, которые могут использоваться для синтезирования информации о глубине.
Как наилучшим образом показано на ФИГ. 20, с увеличением разрешения имеющихся печатных средств для слоя(ев) изображения количество пикселей, которые могут быть помещены в оцифрованные области, также возрастает. Если вернуться к вышеупомянутому типичному примеру, это означает, что количество камер также может быть увеличено для соответствия количеству пикселей оцифрованной области, и увеличивается количество спроецированных определяемых точкой обзора изображений. ФИГ. 20 на первом рисунке показывает новую оцифрованную область в форме квадратной решетки, состоящей из матрицы 12×12 пикселей оцифрованной области. Это означает, что 144 разных определяемых точкой обзора изображения может быть представлено соответствующим множеством оцифрованных областей или растровой сеткой. На втором рисунке с ФИГ. 20 показана группа из 144 (виртуальных) камер, направленных на чайник, причем каждая из камер находится в индивидуальном месте относительно чайника. Эти камеры образуют группу из 144 определяемых точкой обзора изображений (не показаны), каждое из которых связывается с одним из адресов во множестве оцифрованных областей. На третьем рисунке ФИГ. 20 показан разрез полей обзора спроецированных изображений, подобных показанному на ФИГ. 19. На этом рисунке показано, что в случае использования одинаковых групп линз и областей, но с большим количеством пикселей оцифрованной области в оцифрованных областях поле обзора для каждого спроецированного определяемого точкой обзора изображения будет меньшим, но общее поле обзора для всей области линзы останется неизменным. В этом примере оба наблюдающих теперь видят объемное изображение. Для этого устройства 3D-разрешение является большим, чем для устройства с ФИГ. 19 с точки зрения количества определяемых точкой обзора изображений.
Одно из ограничений, характерных для приведенных выше примеров, как показано на ФИГ. 21, состоит в том, что поле обзора устройства отличается от поля обзора всех спроецированных определяемых точкой обзора изображений (т.е., его диапазона). ФИГ. 21 на первом рисунке показывает линзу и ее соответствующий оптический отпечаток, который представляет собой набор из всех точек на слое изображения, на которые линзами может быть наведен фокус. Поле обзора устройства, которое, как упомянуто выше, по существу представляет собой пространственный угол, в котором линзы проецируют все их оптические отпечатки, показано на втором рисунке ФИГ. 21. На третьем рисунке ФИГ. 21 показана оцифрованная область, причем область составляет подмножество оптического отпечатка, ближайшего к этой конкретной линзе. По определению две соседние области никогда не перекрываются. Однако оптические отпечатки могут перекрываться (см. ФИГ. 7). Как правило, область имеет форму многоугольника (например, квадрата, шестиугольник, перекошенного шестиугольника, треугольника, пятиугольника Пенроуза), а оцифрованная область приблизительно повторяет геометрическую форму области, в которой используются пиксели. На четвертом рисунке ФИГ. 21 показано поле обзора всех спроецированных определяемых точкой обзора изображений. Это называется диапазоном устройства. Диапазон не обязательно равняется полю обзора устройства. Диапазон не обязательно должен быть круглым. В этом примере диапазон разделен на много различных секций, каждая из которых представляет собой подмножество поля обзора конкретного определяемого точкой обзора изображения.
ФИГ. 22 показывает, что видит наблюдающий, находящийся за пределами диапазона наблюдения устройства, но в пределах поля обзора устройства. Такой наблюдающий, показанный справа на ФИГ. 22, видит определяемое точкой обзора изображение, которое является результатом дискретизации линз с точек, находящихся внутри областей соседних линз. Эта так называемая дискретизация показана на ФИГ. 23, с применением устройства, имеющего ту же оцифрованную область, что и на первом рисунке ФИГ. 8.
ФИГ. 23 показывает поле обзора линз и три копии диапазона. Диапазон состоит из проекций определяемых точкой обзора изображений (2,3), (2,2) и (2,1). На этой фигуре диапазон радиально повторяется, демонстрируя периодичность устройства в плане способа проецирования определяемых точкой обзора изображений. На этой фигуре Наблюдающий 1 видит определяемое точкой обзора изображение (2,1), пребывающее в диапазоне, а Наблюдающий 2 видит определяемое точкой обзора изображение (2,3), пребывающее в диапазоне соседней линзы.
Отсутствие разрыва
Как подробно описано выше, существует соответствие "один к одному" между количеством пикселей оцифрованной области и количеством определяемых точкой обзора изображений, которые может проецировать защитное устройство согласно изобретению. При сохранении неизменного размера области с увеличением количества пикселей оцифрованной области поле обзора для каждого отдельного определяемого точкой обзора изображения уменьшается, вызывая увеличение вероятности того, что левый и правый глаза наблюдающего будут видеть разные изображения. Если предусмотрено, что определяемые точкой обзора изображения должны иметь определенную связь между собой, наблюдающий должен видеть 3D-изображение. Такой тип связи может быть установлен, например, путем определения каждого определяемого точкой обзора изображения как вида объекта с места, которое должно соответствовать местоположению наблюдающего, когда он смотрит на устройство. Например, камера, направленная прямо на чайник Юты, должна сделать снимок, обеспечивающий определяемое точкой обзора изображение, которое должно быть спроецировано устройством, и которое должен видеть наблюдающий, который смотрит прямо на устройство. Подобным образом камера, направленная на чайник Юты справа, должна сделать снимок, обеспечивающий определяемое точкой обзора изображение, которое должно быть спроецировано устройством, и которое должен видеть наблюдающий, который смотрит на устройство справа. В отношении ФИГ. 20 это означает, что существует в целом 144 места, с которых камера делает снимок объекта, и в целом 144 отдельных небольших участков (сумма которых образует полный диапазон), с которых наблюдающий может видеть устройство, проецирующее уникальное определяемое точкой обзора изображение. Небольшие перемещения наблюдающего в пределах этого диапазона гарантируют, что происходило лишь небольшое перемещение камеры при создании снимков. Однако если наблюдающий перемещается за пределами диапазона и смотрит на устройство, с точки обзора камеры, которая делала эти начальные снимки, небольшое перемещение наблюдающего через границу диапазона будет соответствовать значительному перемещению камеры: камера должна переместиться на полное расстояние до другой крайней точки. Это создает значительное нарушение целостности в картине, которую видит наблюдающий, то есть, "разрыв". В отношении приводимых выше примеров разрыв является следствием того, что поле обзора устройства превышает диапазон.
Устройство согласно изобретению в типичном варианте осуществления предназначено для проецирования 3D-изображения, имеющего полный параллакс во всех направлениях. Однако в этом варианте осуществления не существует приводки "x-y" между линзами и их соответствующими областями.
В предыдущих примерах предполагалось наличие приводки "x-y" приводка между линзами и их соответствующими областями. Другими словами, когда наблюдающий смотрит на устройство с дальней точки обзора, которая перпендикулярна поверхности устройства, каждая линза должна дискретизировать точку, которая находится точно в центре оцифрованной области. В реальности множество линз и слой(и) изображения образуются отдельно и, таким образом, такую приводку обеспечить трудно. Фактически x-y-направленность множества линз по отношению к слою изображения может быть в какой-то мере случайной.
Устройство 1, показанное на ФИГ. 24, в результате обеспечивает диапазон, проецируемый в направлении, перпендикулярном поверхности устройства с разрывом, возникающим при наблюдении устройства с разных углов. Этот сценарий идеален для такого устройства, как то, которое было описано выше и которое проецирует статичный 3D-объект. Однако с такой же вероятностью ныне применяемые процессы производства могут обеспечивать нечто подобное устройству 2, в котором граница между оцифрованными областям пролегает непосредственно под каждой линзой. Результатом будет разрыв 3D-изображения, когда наблюдающий смотрит на устройство с перпендикулярного места. Диапазон (и копии диапазона) защищены в направлениях, которые видны только под неудобными углами зрения, что является нежелательным.
В описанном ниже типичном варианте осуществления защитное устройство согласно изобретению проецирует изображения, не имеющие разрывов. Для удаления разрыва больше не требуется приводка линзы к области, и технологичность таких устройств обеспечивается с применением существующих способов.
Математическое основание, использованное авторами настоящего изобретения для проектирования типичных вариантов осуществления защитных устройств согласно настоящему изобретению, имеющих 3D и другие эффекты, но без разрыва, основывалось наследующем утверждении, проиллюстрированном на ФИГ. 25:
Существует соответствие "один к одному" между точкой обзора наблюдающего, выраженной как (θ,ϕ), местом, которое линзы выбирают в пределах области, выраженным как (x,y), и спроецированным определяемым точкой обзора изображением, которое видит наблюдающий, выраженным как матрично- (или изображение-) значная функция места дискретизации, называемого изображением (x,y)-
Поскольку предполагалось, что наблюдающий находится "очень далеко" от устройства согласно изобретению, местоположение наблюдающего указывается только по его угловым сферическим координатам, а не по радиальному компоненту. В конечном итоге эта (θ,ϕ) координата отображается в (x,y) координате, которая представляет собой входной параметр изображение-значной функции, обеспечивающей определяемое точкой обзора изображение.
Как показано на ФИГ. 23, если наблюдающий смотрит на устройство согласно изобретению с достаточно высокого угла (т.е., ϕ увеличивается), все линзы имеют точки дискретизации, находящиеся в области соседней линзы. Было указано, что из-за по сути периодического характера устройства выбранная точка (x,y) просто "перескакивает" от одной стороны области до другой. Это проиллюстрировано на ФИГ. 26. Таким образом, область буквально является двухмерным многоугольным участком, на котором любая точка этого участка отображается в изображении. Такая область далее указывается как фундаментальная область.
Во всех предыдущих примерах фундаментальная область представляла собой квадрат. Однако значительно более распространенной формой является шестисторонний многоугольник или шестиугольник, как показано на ФИГ. 27. В этом типичном варианте осуществления перекошенные шестиугольники выстилают плоскость слоя(ев) изображения и представляют более универсальную фундаментальную область по сравнению с квадратами. Кроме того, возможно отображение перекошенного шестиугольника, который топографически равноценен правильному шестиугольнику, в правильном шестиугольнике без потери универсальности.
На ФИГ. 28 края этой фундаментальной области обозначены стрелками, указывающими, какие края лежат на одной прямой, когда плоскость слоя изображения покрыта этим шестиугольником для образования периодической структуры на слой(и) изображения.
Определив перекошенные шестиугольники как фундаментальные области и выстелив плоскость слоя изображения этими шестиугольниками, авторы изобретения затем определили математические функции x и y, которые являются непрерывными даже тогда, когда x и y "заворачиваются" на фундаментальную область. Чтобы проиллюстрировать такую возможность, авторы настоящего изобретения рассматривали "сворачивание" шестиугольника в трубку. В частности, на ФИГ. 29 показана шестисторонняя фундаментальная область, "свернутая" вокруг оси x, таким образом, что верхняя сторона сходится с нижней стороной, образуя "трубку". Затем трубку "сворачивали" вокруг перпендикулярной оси, таким образом, чтобы надлежащим образом сходились левая и правая стороны. В случае этой шестисторонней фундаментальной области приходилось включать "скручивание", чтобы верхний левый край сходился с нижним правым краем, а верхний правый край сходился с нижним левым краем, соответственно. Конечной формой был скрученный тор. Процесс формирования скрученного тора из шестиугольника показан на ФИГ. 30, и этот процесс помогает наглядно представить, что шестиугольная фундаментальная область топографически равноценна тору.
В ходе "непрерывного" окрашивания скрученного тора с последующим разворачиванием авторами настоящего изобретения было обнаружено, что может существовать любое количество непрерывных математических скалярных или двухмерных функций на фундаментальной области, которые остаются непрерывными, когда фундаментальная область пространственно периодически повторяется.
Изображения в таких случаях создаются или изменяются с использованием этих непрерывных математических скалярных функций. Эти изображения служат в качестве вышеописанной изображение-значной функции.
Для примера скалярная функция была применена к фундаментальной области, показанной на ФИГ. 31, которая является участком на xy-плоскости. Так, фундаментальная область представляла собой правильный шестиугольник с центром в (0,0), с шестью вершинами, расположенными на одну единицу длины от начала координат. Авторами настоящего изобретения было обнаружено, что один из способов избежания разрыва - гарантировать, что при применении такой скалярной функции к повторяющимся копиям фундаментальной области результат является непрерывным. Ниже приводится пример такой скалярной функции
На первом рисунке ФИГ. 32 показана фундаментальная область с ФИГ. 31 после применения к ней скалярной функции, а на втором рисунке - пространственно повторяемые копии фундаментальной области (после применения скалярной функции). Как можно легко увидеть на втором рисунке с ФИГ. 32, плоскость, образуемая повторяющимся покрытием фундаментальной области, охватывается непрерывной функцией. Другими словами, независимо от того, в каком направлении движется точка дискретизации, значение d никогда резко не изменяется.
В этом случае скалярная величина d используется для изменения или определения изображения. В одном типичном примере эта скалярная величина d использовалась как коэффициент масштабирования в изображении. Полученное в результате защитное устройство имело изображение, которое увеличивалось и уменьшалось при поворачивании слева направо.
Приведенный выше пример представляет собой относительно простой пример того, каким образом к фундаментальной области может быть применена скалярная функция, что обеспечивает возможность непрерывности покрытия фундаментальной области. В этом случае используются значения функции для определения или изменения изображения каким-либо образом; в этом случае значение функции использовалось для масштабирования изображения. В целом множество функций может использоваться одновременно для изменения различных аспектов изображения. К одному дизайну может применяться любое количество функций, и каждая из этих функций может влиять на дизайн любыми мысленными способами. Любой измеримый параметр в изображении может регулироваться путем использования этих функций с целью создания очень динамичного дизайна. Например, одна функция может контролировать вращение изображения, а другая влияет на освещение. Множественные объекты могут увеличиваться в размерах и сжиматься независимо друг от друга с применением множества функций. Функции могут быть горизонтальными синусоидами (как в приведенном выше примере) или вертикальными синусоидами. Функции могут определяться по полярным координатам, чтобы иметь другую функциональность. Кроме того, любая линейная комбинация этих функций может сочетаться для получения очень сложных характеристик объектов в дизайнах. Тщательное планирование этих функций и их соответствующие изменения, которые они могут вызывать для изображений/объектов, может создавать 3D-эффекты, невозможные при применении других способов.
Как отмечено на ФИГ. 33, на фундаментальной области могут определяться множественные функции. Каждая из этих функций может независимо менять или определять изображение.
В еще одном примере был создан дизайн, представленный набором идентичных кубов, вращающихся при изменении точки наблюдения для наблюдающего. Эти кубы, имеющие отражения, "мультипликационные" очертания, оттенки и т.п., показаны на ФИГ. 34.
Как показано на ФИГ. 35, с перемещением наблюдающего слева направо кубы вращаются вокруг вертикальной оси. На этой фигуре стрелки показывают направление движения для кубов с горизонтальным изменением позиции наблюдающего (поворачивании влево-вправо). При перемещении наблюдающего вверх и вниз кубы вращаются вокруг собственной оси, к центру конструкции из кубов. Это выглядит так, как будто они кувыркаются к центру и от центра конструкции. Это показано на ФИГ. 36. На этой фигуре стрелки указывают направление движения кубов с вертикальным изменением позиции наблюдающего (приближении-отдалении).
Для того, чтобы эти типы движений не имели разрывов, полный диапазон движения каждого куба должен быть цикличным в определенном визуально логическом порядке.
Если полный диапазон движений охватывает 60 градусов (360/6) для перемещения влево-вправо, каждый куб перемещается в позицию соседнего с ним, и результат в конце этого перемещения будет неотличим от начального положения. Это число 60 градусов используется, поскольку предусмотрено шесть кубов, равномерно распределенных по окружности.
Если полный диапазон движений охватывает 90 градусов для приближения-отдаления, каждый куб совершает четверть кувырка, и он будет неотличим куба, который вообще не перемещался. Это число 90 градусов используется, поскольку куб имеет вращательную симметрию 90 градусов вдоль оси, перпендикулярной одной из его граней.
Для этого типичного примера использовали оцифрованную область, показанную на ФИГ. 37. Эта область состояла из конструкции из 360 квадратов и по форме была приближенной к шестиугольнику. Другими словами, эта область имеет 360 пикселей оцифрованной области, представляя все 360 уникальных определяемых точкой обзора изображений. Как показано на ФИГ. 38, этот шестиугольник эффективно покрывает плоскость слоя изображения. Другими словами, отсутствуют зазоры между пикселями оцифрованной области и наложение пикселей оцифрованной области. На этой фигуре жирная линия проведена лишь для того, чтобы лучше показать границу между шестиугольниками. Каждый из квадратов, показанных на этой фигуре, мог бы быть преобразован в прямоугольники, таким образом, чтобы образовавшиеся в результате pitches в группе приблизительных шестиугольников точно соответствовали нужной линзе, которая должна была использоваться.
Затем выбирали две симметричных функции скрученных торов, которые могли использоваться для отображения позиции наблюдающего к параметрам на изображениях. К этим функциям, которые косвенно были определены выше, относятся первая функция f1, от 0 до 60 градусов, когда наблюдающий перемещается влево-вправо, и вторая функция f2, от 0 до 90 градусов, когда наблюдающий перемещается вверх-вниз. Обе эти две функции являются простыми линейными функциями. Первая линейная функция f1, применяемая к шестиугольнику, показана на ФИГ. 39. Эта функция охватывает от 0 (белый) до 60 (черный) при перемещении наблюдающего справа налево через шестиугольники.
Вторая функция f2, применяемая к шестиугольнику, показана на ФИГ. 40. Эта функция охватывает от 0 (белый) до 90 (черный) дважды при перемещении наблюдающего от верха шестиугольника до низа шестиугольника.
Авторами указывается, что все шестиугольники на ФИГ. 39 идентичны, и все шестиугольники на ФИГ. 40 идентичны. Кроме того, функции проходят "плавно" в горизонтальном отношении от шестиугольника к шестиугольнику вертикально на ФИГ. 39 и горизонтально на ФИГ. 40. Существует резкий "скачок" между каждой из функций f1 и f2, который можно видеть как жесткий переход от белого к черному. Однако симметрия объектов, контролируемых этими функциями, фактически скрывает эту функциональную прерывистость. Это происходит, потому что при повороте кубов (как показано на ФИГ. 35) на 60 градусов они оказываются в позиции, идентичной их начальной позиции. Подобным образом, при повороте кубов (как показано на ФИГ. 36) на 90 градусов, они оказываются в позиции, идентичной их начальной позиции.
Затем образовывали определяемые точкой обзора изображения для этого конкретного дизайна. Как было указано выше, для каждого пикселя оцифрованной области на ФИГ. 37 предусмотрено связанное с ним определяемое точкой обзора изображение, которое открывается тогда, когда наблюдающий смотрит на устройство с конкретного угла зрения. Это означает, что всего должно быть образовано 360 определяемых точкой обзора изображений (поскольку существует 360 пикселей оцифрованной области на ФИГ. 37). Для каждого из этих пикселей рассчитывалось значение для f1 и f2, причем эти значения определяют угловое положение кубов на ФИГ. 34. Величину вращения на ФИГ. 35 определяли по f1, а величину вращения на ФИГ. 36 определяли по f2. Как только кубы занимали соответствующее место для данного пикселя оцифрованной области, создавалось определяемое точкой обзора изображение (или делался снимок). В любом случае образованное в результате изображение обрабатывали с применением типичных способов обработки изображений для получения полутонового изображения с известным количеством "уровней" полутонов и количеством пикселей, равным количеству линз, деленному на количество уровней полутонов.
Примерами изображений, применимых с таким математическим определением, помимо прочих, могут быть: гипотрохоида и гипоциклоиды; эпитрохоида и эпициклоиды; кривые Лиссажу; кривые, образованные с применением гармонографов и гармонографоподобных процессов; поверхности, формируемые по заданным кривым; искусственно образованные кривые и алгоритмы, выполняемые на них; каустики и наборы прослеживаемых лучами путей; и параметрически определяемые группы кривых.
В целом защитное устройство согласно настоящему изобретению может быть получено с применением различных материалов и способов изготовления, описываемых в Патенте США №7333268, выданном Steenblik et al., Патенте США №7468842, выданном Steenblik et al., и Патенте США №7,738,175, выданном Steenblik et al., которые полностью включены в данное описание путем ссылки как изложенные в полном объеме.
Защитное устройство согласно изобретению может применяться, например, в форме листового материала для используемого, например, для изготовления банкнот, паспортов, и т.п., или могут принимать более толстую, более жесткую форму для использования, например, в качестве базовой платформы для идентификационных карточек, ценных или других защищенных документов. Устройство согласно изобретению также может применяться в форме защитной полоски, нити, наклейки или верхнего слоя и может закрепляться на поверхности или по меньшей мере частично включаться в волокнистый или неволокнистый листовой материал (например, банкноту, паспорт, идентификационную карточку, кредитную карточку, ярлык), или коммерческий продукт (например, оптические диски, CD, DVD, упаковки медицинских препаратов) и т.п., с целью удостоверения подлинности.
При применении в форме базовой платформы для идентификационной карточки, ценного или другого защищенного документа основной диаметр фокусирующих элементов, например, в форме преломляющих или отражающих линз предпочтительно составляет менее, чем приблизительно 50 микрон, предпочтительно от приблизительно 5 до приблизительно 30 микрон, более предпочтительно - от приблизительно 10 до приблизительно 25 микрон, тогда как общая толщина устройства согласно изобретению предпочтительно является меньшей или равняется приблизительно 3 миллиметрам (мм), включая следующие значения (помимо прочих) толщины: от приблизительно 1 до приблизительно 3 мм; от приблизительно 500 микрон до приблизительно 1 мм; от приблизительно 200 до приблизительно 500 микрон, от приблизительно 50 до приблизительно 199 микрон и менее, чем приблизительно 50 микрон.
При применении в форме защитной полоски, нити, наклейки или верхнего слоя основной диаметр фокусирующих элементов, например, в форме преломляющих или отражающих линз предпочтительно составляет менее, чем приблизительно 50 микрон, предпочтительно - от приблизительно 5 до приблизительно 30 микрон, более предпочтительно - от приблизительно 10 до приблизительно 25 микрон, тогда как общая толщина устройства согласно изобретению предпочтительно составляет менее, чем приблизительно 50 микрон (более предпочтительно - менее, чем приблизительно 45 микрон, и наиболее предпочтительно - от приблизительно 10 до приблизительно 40 микрон).
Защитные полоски, нити, наклейки и верхние слои могут быть частично вставлены или закреплены на поверхности документа. В случае частично вставленных полосок и нитей их части являются открытыми на поверхности документа с интервалами по длине полоски или нити в окнах или отверстиях в документе.
Устройство согласно изобретению может быть по меньшей мере частично включено в ценные бумаги во время изготовления путем применения способов, общеизвестных в области бумажного производства. Например, устройство согласно изобретению в форме полоски или нити может подаваться в листоотливную цилиндровую бумагоделательную машину, машину с ванной цилиндра или другую подобную машину известного типа, в результате чего обеспечивается полное или частичное включение полоски или нити в материал готовой бумаги.
Защитные полоски, нити, наклейки и верхние слои также могут быть приклеены или прикреплены к поверхности документа с применением адгезива или без него. Прикрепление без применения адгезива может обеспечиваться, например, термической сварки, например, ультразвуковой сварки, вибрационной сварки и лазерного склеивания. Адгезив для приклеивания устройств согласно изобретению к поверхности документа может быть одним из термоплавких адгезивов, активируемых при нагревании адгезивов, контактных клеев и полимерных ламинирующих пленок. Эти адгезивы предпочтительно являются сшиваемыми по характеру, такими, как отверждаемый ультрафиолетовыми лучами (УФ) акрил или эпоксид, причем сшивание достигается тогда, когда адгезив пребывает в фазе расплава.
В другом предпочтительном варианте осуществления устройство согласно изобретению составляет часть конструкции ярлыка, включающей прозрачный или полупрозрачный адгезив (т.е., слой прозрачного термопластического материала). Устройство согласно изобретению может быть помещено внутри упаковки, таким образом, чтобы синтетические изображения оставались видимыми. В этом варианте осуществления основной диаметр фокусирующих элементов предпочтительно составляет меньше, чем приблизительно 50 микрон, предпочтительно - от приблизительно 5 до приблизительно 30 микрон, более предпочтительно - от приблизительно 10 до приблизительно 25 микрон, тогда как общая толщина устройства согласно изобретению предпочтительно составляет меньше, чем приблизительно 200 микрон (более предпочтительно - меньше, чем приблизительно 75 микрон, и наиболее предпочтительно - от приблизительно 10 до приблизительно 50 микрон).
Хотя различные варианты осуществления настоящего изобретения были описаны выше, следует понимать, что они представлены лишь для примера и не ограничивают объема изобретения. Таким образом, широта и объем настоящего изобретения не ограничиваются какими-либо типичными вариантами осуществления.