АВТОСТЕРЕОСКОПИЧЕСКАЯ СИСТЕМА
AUTOSTEROSCOPIC SYSTEM

Область техники
Изобретение относится к технике демонстрации стереоскопических изображений и может быть использовано в телевидении, в компьютинге, в системах контроля и управления, САПР, игровой технике, для создания тренажеров, в авионике и приборостроении, в науке, образовании, медицине и т.д., для объемного моделирования и визуального представления статических и динамических процессов в 3D-формате для произвольного количества свободно расположенных зрителей.
Предшествующий уровень техники
Создание трехмерного изображения продолжает оставаться серьезной технической проблемой. Известен метод цветных анаглифов, который заключается в получении стереоскопического изображения с использованием двух окрашенных в дополнительные (комплементарные) цвета изображений-ракурсов, составляющих стереопару, которая затем просматривается с помощью очков со светофильтрами разного цвета. При рассмотрении стереопары через такие очки каждый глаз воспринимает только свой ракурс/изображение. При этом благодаря эффекту бинокулярного смешения ракурсов формируется объемное изображение. Развитие этого метода ограничено дискомфортом пользователя в части необходимости использования очков и наличия цветовых искажений.
В 1908 году Габриэль Липпман предложил технологию записи и воспроизведения трехмерного изображения с использованием рельефных оптических пластин, состоящих из упорядоченно размещенных микролинз, и положил начало развитию многокомпонентного подхода к трехмерной графике. Идею Липпмана на растровой основе развил Морис Бонне. Дальнейшее развитие данного подхода включает технические решения с вариациями линзовых рельефов или решетчатых структур для получения стереоизображений с помощью специально подготовленной для сепарации стереопары. Указанная подготовка заключается в графическом преобразовании ракурсов стереопары так, чтобы при совмещении изображения и растра, с учетом преломления в нем лучей, оба ракурса восстановились раздельно для каждого глаза так называемая диаграмма Липпмана-Боне.
Известно техническое решение согласно заявке WO 99/09750 от 25.02.1999 г., МПК 7 G02B 27/22, H04N 13/00 «Стереоскопическая система просмотра». Данное решение включает подготовку исходной стереопары методом Липпмана-Бонне, который заключается в том, что ракурсы стереопары перемежаются инвертированными вертикальными полосами с сохранением порядка их следования по числу линзовых элементов лентикулярного растра, который при наложении на сжатое полосовое изображение раздельно восстанавливает оба ракурса - для левого и правого глаз. Практическая реализации данной стереоскопической системы просмотра требует прецизионного позиционирования оптических элементов лентикулярного растра относительно полосок подготовленного изображения.
Известна автостереоскопическая система согласно патенту RU №2168192 от 27.05.2001 г., МПК 7 G02B 27/22, H04N 13/00 «Визуальное устройство отображения и способ формирования трехмерного изображения». Данное техническое решение основано на применении решетчатой маски, состоящей из отдельных оптических элементов с переменным фокусным расстоянием, установленной поверх поля дискретных микрографических элементов - пикселей (изображения) так, что каждый пиксель позиционирован на оптической оси отдельного оптического элемента. Внешнее управление фокусным расстоянием отдельных оптических элементов позволяет имитировать различия в глубине зрительного восприятия соответствующих пикселей, т.е. проявлять стереоэффект от изображения в целом. Данное техническое решение является сложным и громоздким по числу составляющих элементов и их организации в единую конструкцию. Техническая сложность понижает надежность устройства и неминуемо скажется на его стоимости.
Главной проблемой реализации вышерассмотренных технических решений является неустранимое требование прецизионного позиционирования оптических элементов относительно элементов специально подготовленного изображения на поверхности визуализации. Практическое использование таких систем обеспечивается жестким закреплением их оптических элементов относительно пикселей изображения, исключающим взаимный дрейф (смещение) оптических/графических элементов; поэтому подобные решения практически исключают съемность 2D/3D-конверторов.
Поскольку в настоящее время основные производители и потребители видеопродукции используют 2D-формат ее визуализации, возможность совместимости и использования имеющихся 2D-ресурсов для их трансформации в 3D-формат является актуальной технической задачей.
Известно техническое решение автостереоскопической системы согласно патенту US №4729017 от 25.02.1986 г., МПК H04N 13/00. Данное техническое решение включает дисплейную поверхность визуализации со специально подготовленным изображением, которое делится на пиксели. Элементы оптической решетки позиционированы относительно пикселей изображения и объединены в автономную решетчатую пластину. При рассмотрении изображения на поверхности визуализации через решетчатую пластину проявляется стереоскопическое изображение. Таким образом, съемная решетчатая пластина обеспечивает 2D/3D-конвертацию изображения. Однако практическое сохранение положения решетчатой пластины на дисплее относительно пикселей изображения является сложной оптико-механической задачей, решаемой с помощью специальных приспособлений, в противном случае неизбежны искажения проецируемой сквозь пластину графики и потеря стереоэффекта.
Известно техническое решение автостереоскопической системы согласно патенту US 2004263970 от 30.12.2004 г., МПК G02N 27/22 "Convertible autostereoscopic flat panel display". Данная система включает плоский экран монитора - поверхность визуализации, на которой находится пиксельное изображение стереопары, подготовленной к сепарации методом Липпмана-Бонне, а также съемный экран в виде лентикулярного растра, расположенного плоскопараллельно поверхности визуализации. Данная автостереоскопическая система включает средства (оптический тест в виде ориентированного щелевого растра на экране монитора вместе с устройством механического смещения съемного экрана на мониторе) для юстирования (сдвиг/поворот) положения съемного экрана/его оптических элементов относительно подготовленного изображения на поверхности визуализации. Очевидным ограничением данной системы являются дискомфортность от специальных действий зрителя по подстройке положения съемного экрана, требующей времени и сопровождающейся неизбежной потерей видеоинформации. Кроме того, аппаратурное обеспечение точности юстировки (по горизонтали и вертикали) значительно повышает стоимость изделий при использовании известного решения.
Известно техническое решение автостереоскопической системы согласно патенту UA №14885 U, МПК G02B 27/22, H04N 13/00 «Автостереоскопическая система "Stereo-Step"» которая включает поверхность визуализации с подготовленным к сепарации стереопарой в виде анаглифа, съемный экран с растровой оптической структурой, расположенный перед поверхностью визуализации. Съемный экран состоит из двух растров, расположенных по разные стороны общей фокальной плоскости, которая рассеивает световой поток. Каждый растр состоит из линзовых элементов, расположенных на поверхности без промежутков с образованием соосных пар, каждая из которых содержит анаглифический фильтр. В известном техническом решении сепарация анаглифически подготовленной стереопары осуществляется бирастровой структурой, которая не требует прецизионного позиционирования относительно поверхности визуализации. Это обеспечивает стойкий стереоэффект с качеством анаглифической технологии, при этом конвертация 2D/3D для зрителя сводится только к присоединению съемного экрана к поверхности визуализации, исключая процесс прецизионной подстройки положения съемного экрана, поскольку бирастровая оптическая структура имеет свойство автоматической настройки стереоизображения. Кроме того, анаглифическое представление стереопары в силу особенностей формирования обеспечивает размещение каждого ракурса на всей поверхности визуализации, что обеспечивает высокое качество представления каждого ракурса стереоизображения и, как следствие, высокую точность, четкость и контрастность стереоизображения. Однако в силу тех же особенностей анаглифического представления стереопары для стереоизображения, полученного известным техническим решением, характерны цветовые искажения. Это существенный недостаток известного технического решения автостереоскопической системы.
Известна автостереоскопическая система «StereoStep-EclipsMethod» согласно UA №22927 U, МПК G02в 27/22, H04N 13/00 от 24.01.2007 г. (ближайший аналог), которая включает поверхность визуализации с подготовленным к сепарации изображением и расположенный перед поверхностью визуализации съемный экран, состоящий из двух растров, расположенных по разные стороны относительно общей фокальной плоскости, которая рассеивает световой поток, каждый из которых состоит из линзовых элементов, расположенных по поверхности без промежутков с образованием соосных пар, притом изображения состоят из последовательности m ракурсов, а частота их следования составляет не менее физиологически обусловленным чувствительностью глаза человека (с целью исключения мерцания изображения), а каждая пара снабжена m эклипсными затворами, каждый из которых открывает каждый из соответствующих ему ракурсов синхронно с частотой их следования. Суть известного технического решения заключается в том, что для сепарации ракурсов изображения используется эклипсный метод, для реализации которого необходимы m эклипсных затворов (по количеству ракурсов изображения) для каждой пары линзовых элементов, каждый из которых открывает последовательно каждый из ракурсов, оставляя остальные ракурсы в затемненном состоянии. При этом синхронность открытия ракурсов с частотой их следования является обязательным условием реализации метода. Частота следования должна составлять не меньше нижней границы чувствительности глаза зрителя к скорости изменения образов. Бирастровая структура как многокомпонентный носитель интегрального изображения не требует прецизионного позиционирования относительно возможности сдвига по поверхности визуализации. Это обеспечивает системе 2D-совместимость и исключает необходимость дорогостоящей точной юстировки экрана при устойчивом качестве воспроизведения стереоэффекта. Эклипсный метод предполагает последовательное использование каждого ракурса с размещением его на всей поверхности визуализации, тем самым обеспечивается полнота, четкость, контрастность и передача всей гаммы цветов изображения. Одновременно обеспечивается для многих зрителей воспроизведение стереоэффекта с устойчивым качеством, которое можно сравнить с прямым наблюдением экрана. При этом для пользователя все необходимые преобразования 2D устройства в 3D устройство сводятся только к присоединению (приложению) съемного экрана к поверхности визуализации, где транслируется видеоконтент в структурированном формате, т.е. в форме последовательности ракурсов, которые следуют с частотой, не менее физиологически обусловленной чувствительностью глаза человека. Однако в известном техническом решении не учтена чувствительность дистантного размещения бирастрового экрана относительно 2D-поверхности визуализации, что может привести к снижению качества стереоизображения. Расстояние между бирастровым экраном и поверхностью визуализации - демонстрационным 2D-экраном - зависит от оптических характеристик растровой оптической структуры и количества ракурсов, формирующих стереоизображение. Без учета этих параметров смежные полосы каждого ракурса в диаграмме Липпмана-Бонне могут включать части своей графики и части графики смежных ракурсов или терять часть своей графики. Оба возможных дефекта дистантности приводят в итоге к ухудшению стереоэффекта. Это обстоятельство особенно следует учитывать при выполнении поверхности визуализации и бирастрового экрана в форме одной жестко фиксированной конструкции
Раскрытие изобретения
В основу изобретения поставлена задача создания комфортной автостереоскопической системы, обеспечивающей высокое качество стереоскопии и 2D-совместимость.
m
Поставленная задача решается тем, что в автостереоскопической системе, включающей поверхность визуализации с подготовленным к сепарации изображением, которое состоит из последовательности m ракурсов, каждый из которых чередуется с частотой, не менее физиологически обусловленной чувствительностью глаза человека и расположенный перед поверхностью визуализации бирастровый экран, состоящий из двух растров, расположенных по разные стороны относительно общей фокальной плоскости, которая рассеивает световой поток, каждый растр состоит из линзовых элементов, расположенных по поверхности без промежутков с образованием соосных пар, при этом каждая пара снабжена m эклипсными затворами, каждый из которых открывается синхронно с последовательностью ракурсов, согласно заявляемому техническому решению, бирастровый экран расположен перед поверхностью визуализации на расстоянии, при котором оптическая проекция части шага растра h=h/m из общей фокальной плоскости бирастра на поверхность визуализации равна шагу растра h.
Суть изобретения заключается в том, что на основе учета взаимосвязи параметров оптической структуры автостереоскопической системы определяется обусловленной этими параметрами расстояние между бирастровым экраном и поверхностью визуализации, в результате чего обеспечивается устранение всех возможных дефектов, связанных с нарушением дистантности, и, таким образом, надежно обеспечивается высокое качество стереоизображения.
m
При выполнении условия, когда оптическая проекция части шага растра h=h/m с общей фокальной плоскости бирастра на поверхность визуализации равна шагу растра h, автоматически определяется расстояние d между бирастровым экраном и поверхностью визуализации как d=f(h, m), при которой параметры оптической структуры автостереоскопической системы таковы, что исключаются ухудшение стереоэффекта, когда смежные полосы каждого ракурса в диаграмме Липпмана-Бонне могут включать пересекающиеся части своей графики или терять часть своей графики.
Таким образом, совокупность существенных признаков технического решения, что заявляется, решает поставленную задачу - создание комфортной автостереоскопической системы, обеспечивающей высокое качество стереоскопии и 2D-совместимость.
В результате расширенного поиска в патентной и научно-технической литературе по соответствующим рубрикам МГЖ и УДК совокупность существенных отличий, которые полностью или частично совпадает с заявленной и позволяет решать поставленную изобретательскую задачу, не была найдена ни в одном из технических решений.
Следовательно, заявляемое техническое решение отвечает критерию «новизна».
Из известного уровня техники совокупность признаков заявляемого технического решения с очевидностью не вытекает. Следовательно, заявляемое техническое решение отвечает критерию «изобретательский уровень».
Описание вариантов осуществления изобретения
Заявляемая автостереоскопическая система прошла модельные и лабораторные испытания в Инженерном агентстве «АнтенНет», что подтверждается примерами конкретного выполнения.
На фиг. 1 показана автостереоскопическая система (общий вид).
На фиг. 2 показана конструкция бирастрового экрана (вариант лентикулярных растров), (а) - бирастровая конструкция в сборе, (б) - компоненты бирастрового экрана.
m
На фиг. 3 показана оптическая структура автостереоскопической системы, при которой оптическая проекция части шага растра h=h/m с общей фокальной плоскости бирастра на поверхность визуализации равна шагу растра h.
m
На фиг. 4 показана оптическая структура автостереоскопической системы, при которой оптическая проекция части шага растра h=h/m с общей фокальной плоскости бирастра на поверхность визуализации меньше шага растра h.
m
На фиг. 5 показана оптическая структура автостереоскопической системы, при которой оптическая проекция части шага растра h=h/m с общей фокальной плоскости бирастра на поверхность визуализации больше шага растра h.
Автостереоскопическая система включает поверхность (1) визуализации с подготовленным к сепарации изображением и экран (2) с растровой оптической системой, расположенный перед поверхностью (1) визуализации. Экран (2) состоит из двух растров (3), (4), расположенных по разные стороны относительно общей рассеивающей световой поток фокальной плоскости (5). Каждый из двух растров (3), (4) состоит из линзовых элементов (6), уложенных на поверхности без промежутков, с образованием пар линзовых элементов с общей оптической осью. Частота смены кадров последовательности m ракурсов составляет не меньше физиологически обусловленной чувствительности глаза человека (12 Гц). Каждая пара соосных линзовых элементов снабжена m эклипсными затворами, объединенными в матрицу, и управляется электронной схемой (7), которая обеспечивает последовательность и синхронность ее работы со сменой кадров и ракурсов. Матрица эклипсных затворов размещена в общей фокальной плоскости (5) бирастровой системы. Фокусировку и ориентацию каждого ракурса осуществляет оптическая растровая система, а эклипсный затвор обеспечивает то, чтобы соответствующие ракурсы появлялись в соответствующих участках растровой системы. Управление матрицей эклипсных затворов осуществляется с помощью любого известного способа, например, если в качестве матрицы эклипсных затворов использована матрица жидкокристаллических элементов, управление осуществляется электрическим напряжением.
Автостереоскопическая система работает следующим образом.
Управляющий сигнал, синхронизированный со сменой кадра-ракурса, включает одновременно режим прозрачности для выбранных эклипсных затворов в каждой паре соосных линзовых элементов. При этом невыбранные эклипсные затворы непрозрачны. Через прозрачные затворы сфокусированные фрагменты изображения от соответствующих линзовых элементов объектного растра восстанавливаются линзовыми элементами окулярного растра и объединяются для зрителя в единое зрительное поле - текущее полноценное экранное изображение ракурса, которое ориентировано для соответствующего (правого или левого) глаза. Следующий управляющий сигнал включает одновременно режим прозрачности другой выделенной группе эклипсных затворов (количество групп зависит от количества ракурсов), а все остальные эклипсные затворы становятся/остаются непрозрачными. При этом формируется полноценное изображение для второго глаза зрителя при условии выполнения требований к частоте следования кадров-ракурсов. Таким образом формируется стереопара стереоскопического изображения, и зритель видит объемную картину в кадре.
Расстояние d между бирастровым экраном и поверхностью визуализации как функция d=f (h, m) рассчитывается на основании геометрической оптики в соответствии с конкретными линзами - например, когда в качестве растров применяются лентикуляр:
d=(0,0254/2ℓ)[(m-n+1)/(n-1)]
где ℓ - число линз на 1 дюйм растра,
m - количество ракурсов,
n - коэффициент преломления материала растра.
Со стороны поверхности визуализации бирастровая пластина обеспечивается калибрующим упором, который определяет это расстояние. Калибрующий упор может быть выполнен из любого оптически нейтрального материала в виде пластины заданной толщины, в виде локальных упоров из того же материала, в том числе в качестве ребер жесткости для бирастра.
m
В результате оптическая структура автостереоскопической системы имеет взаимосвязь параметров, при которой оптическая проекция части шага растра h=h/m с общей фокальной плоскости бирастра на поверхность визуализации равна шагу растра h, чем обеспечивается надежно высокое качество стереоизображения.