КАМЕРА ФИКСИРОВАНИЯ ОБЪЕМНОГО ИЗОБРАЖЕНИЯ
CAMERA FOR RECORDING THREE-DIMENSIONAL IMAGES

A) Область техники
Данное изобретение находится в пределах аудиовизуальной области, которая включает телевидение и видеозапись, а его принципы также могут быть приспособлены для движущихся изображений и фотографии. Главные принципы фиксирования и воспроизведения изображения основаны на оптике и электронной оптике.
B) Уровень техники
Имеется большое количество патентов и устройств, которые позволяют видеть изображения объемными. В настоящее время существуют различные системы для создания у зрителя эффекта объемного изображения.
Существующие системы можно разделить на три группы:
1) системы, требующие применения очков. Эти системы можно назвать стереоскопическими системами. Сущность их состоит в совмещении двух немного различающихся изображений, полученных, например, с помощью двух фото-, видео- или кинокамер, слегка сдвинутых относительно друг друга в горизонтальном направлении и проецирующих изображения с одним и тем же относительным смещением. Использование зрителем очков заставляет каждое из двух совмещаемых изображений достигать левого и правого глаза отдельно, создавая пространственный эффект.
2) Системы, создающие эффект за счет использования относительного положения глаза и экрана, с двумя изображениями, которые также различны, что вызывает различное видение в зависимости от бокового смещения глаза. Недостатком этих систем является то, что имеются пространственные положения, в которых объемный эффект не создается и изображение не приобретает ясности.
3) Голографические системы, в которых изображение изменяется от одной точки наблюдения к другой из пространства зрителя точно так же, как если бы оно перемещалось в пространстве, окружающем объект. Эти системы обычно являются монохроматическими голограммами, создаваемыми с помощью лазерной технологии.
Первые две системы дают лишь практические возможности, которые можно использовать для передачи с помощью телевизионных систем.
Первым известным устройством является игрушка, состоящая из пары очков, оборудованных линзами, и диска, на котором диаметрально противоположно располагаются пары слайдов, полученных с помощью стереоскопической фотографии.
Все эти устройства основываются на стереоскопическом эффекте, для которого используются два различных изображения, по одному для каждого глаза, чтобы передать подлинное ощущение расстояния.
В других системах, давно созданных и очень хорошо известных в технике движущихся изображений, используются очки для поляризованного света, так что изображение проецируется на экран с двух снятых кадров, сделанных с небольшим горизонтальным сдвигом объектива, и с фильтром для света, поляризованного под углами, различающимися на 90°, так что каждый глаз воспринимает только одно из изображений. В других подобных системах движущихся картин и фотографии, а позднее видеосистемах, использовались красные и синие фильтры для одного и другого глаза, которые также создавали различное восприятие изображения от каждой одной из камер или оптических систем.
Следующий перечень заключает результаты поиска для определения современного состояния опубликованных патентов, относящихся к тому же самому предмету, что и данное изобретение:
JP 2004077778. Автостереоскопический информационный дисплей. Это дисплей или экран. Какая-либо специфика создания показываемого изображения отсутствует.
US 2003039031. Приспосабливающийся к зрителю автостереоскопический дисплей. Это дисплей или экран. Какая-либо специфика создания показываемого изображения отсутствует.
JP 2001045521. Оптическая система стереоскопического фотографирования и устройство для ее использования. Устройство для получения фотографий с одиночным объективом для показа со смещением. Не сравнимо по функции с предлагаемым устройством.
JP 2000206460. Стереоскопический видеоэкран без использования очков. Экран для показа стереоскопических изображений, который позволяет одновременный просмотр их множеством зрителей, причем все зрители видят одно и то же изображение с различных точек наблюдения, но с одинаковым восприятием. Вмещает различные концепции и различные целевые функции, а также позволяет показ различными способами.
JP 2000267045. Стереоскопический видеодисплей. Стереоскопический дисплей, в котором используются линзы Френеля. Эта система не сравнима с предлагаемой, поскольку она требует иных устройств для получения изображения, не образующих часть данного изобретения, и не предназначена для передачи или приема.
JP 2000224614. Способ и устройство для показа пространственного изображения. Для восприятия определенных пространственных эффектов при воспроизведении используются аспекты сенсорного восприятия; отсутствуют какие-либо подробности, касающиеся фиксирования изображения.
JP 2000162545. Пространственный видеодисплей для множества точек просмотра. Это стереоскопическая система для множества зрителей (одно изображение для каждого глаза). Не включает фиксирование изображения.
JP 2000039588. Устройство для проецирования видеоизображения на стереоскопический экран. Система для проецирования стереоскопических изображений с помощью зеркала. Не включает ничего, относящегося к фиксированию изображения.
DE 19252830. Автостереоскопическое переходное устройство для плоскопанельного дисплея, включает блок электронных датчиков со схемным решением, соответствующим конфигурации телевизионного растра. Экран для показа стереоскопических изображений, позволяющий одновременный просмотр их множеством зрителей, причем все зрители видят одно и то же изображение с различных точек просмотра, но с одинаковым восприятием. Вмещает различные концепции и различные целевые функции, а также позволяет показ различными способами.
US 2003234909. Способ и устройство для показа стереоскопического изображения. Система проецирования стереоскопических изображений для получения движущихся картин.
US 2003076407. Стереоскопическое линзовое устройство для получения изображений, стереоскопическая система получения изображений и устройство для получения изображений. Камера для получения стереоскопических видеоизображений.
US 2004218037. Дисплей трехмерного отображения с микрозеркальной матрицей. Проекционная система с множеством микрозеркал.
ES 8608697. Усовершенствования камер для формирования пространственных изображений. Используется щелевой объектив и сложные цилиндры.
Приведенный перечень охватывает все описания, выявленные в национальной и мировой базах данных, которые имеют отношение к показу пространственных изображений. Большинство из них основывается на стереоскопии и некоторых дополнительных способах настройки со смещением.
Преимущество предлагаемого изобретения над более ранними техническими решениями состоит в том, что оно решает проблему получения и воспроизведения изображений из множества точек наблюдения, используя свойства простых немногогранных линз. Различные изображения объединяются с помощью последовательного мультиплексирования во времени, используя высокоскоростные обтюраторы. Объемное восприятие создается во всех точках в пределах дуги приблизительно 50° вокруг центральной вертикальной оси экрана.
С) Подробное описание
Данное изобретение заключается в системе фиксирования и воспроизведения объемных изображений, которые можно видеть без применения очков.
Объяснение функций
Чтобы лучше всего понять, как эти функции осуществляются, нужно представить себе окно. Когда вы смотрите через стекло окна, вы получаете изображение в объемном восприятии. Допустим, что вы смотрите в окно комнаты; лучи света достигают окна снаружи и входят в комнату. Если вы можете сделать так, чтобы световые лучи, входящие в окно комнаты, выходили через окошко проектора или экран таким образом, чтобы тысячи световых лучей, приходящих со всех направлений на окно снаружи, проходили через него со световой информацией, соответствующей каждой точке оконного стекла, сохраняя те же самые интенсивность и цвет каждого луча в каждой точке, в зависимости от направления вы получите истинное и идентичное воспроизведение действительности.
Когда фотограф пытается фокусировать изображение камерой-обскурой с объективом, последний перемещается ближе или дальше от плоскости проекции до тех пор, пока не будет найдено расстояние, при котором изображение становится наиболее четким для объектов, которые находятся на определенном расстоянии от объектива.
Если вы представите себе объектив с диаметром, например, два метра в гигантской камере-обскуре, здесь также должно быть расстояние, на котором определенная плоскость объекта может быть оптимально сфокусирована. Различные лучи света от точки на плоскости объекта, которые проходят через объектив, через все точки на его поверхности, сосредоточиваются в единственной точке, которая соответствует плоскости воспринимающего элемента камеры.
Если вы покроете объектив непрозрачным экраном с небольшим отверстием, фокусируемое изображение поступит только через это небольшое отверстие. Если отверстие перемещается по линии, параллельной горизонтальному диаметру объектива, чуть-чуть впереди объектива, изображение, которое проецируется на плоскость камеры, является тем изображением, которое должно быть видно глазу наблюдателя практически из той же точки, где находится перемещаемое отверстие.
Поскольку фокусируется изображение объекта, который не подвергается какому-либо смещению, на поверхности пластины в камере-обскуре, где формируется изображение, когда отверстие перемещается слева направо или справа налево, при фокусировании объекта все лучи, проходящие через объектив из точки на фокусируемом объекте, совпадают в единственной точке изображения. Это показано на фиг.1.
Однако объекты, изображения которых подвижны, когда отверстие перемещается справа налево, являются нефокусированными объектами, которые, следовательно, размыты (см. фиг.1, нефокусированная фигура человека впереди дома).
Для воспроизведения объемного изображения световые лучи от фокусированного объекта должны произвести действительное или мнимое изображение впереди наблюдателя на экране, а нефокусированные объекты должны показываться в различных точках в зависимости от того, откуда они наблюдаются.
Для создания ощущения объемности проекционное устройство должно иметь два объектива, как показано на фиг.2.
- Во-первых, для того чтобы получить ощущение полной объемности, изображение должно быть сформировано на определенном расстоянии от наблюдателя, примерно таком же, что и действительное расстояние, которое может быть меньше расстояния до экрана и создаваться в пространстве ближе к наблюдателю, а также дальше, 10, 20 метров или несколько километров.
- Во-вторых, нефокусированное окружение, то есть оба элемента, расположенные позади фокусированного объекта и ближе, чем фокусированный объект, должны изменяться, когда глаз наблюдателя смещается, так что каждый глаз получает несколько отличающуюся информацию, которая зависит от положения наблюдателя.
Для уменьшения объема информации, которое начинается в момент получения сигнала камерой, является полезным делать сокращения, которые упрощают визуальную информацию до минимума, сохраняющего выразительность восприятия. Принципы этих упрощений являются общими для воспроизведения как звука, так и изображения:
- использование двух громкоговорителей для передачи стереофонического сигнала.
- Из множества цветов, существующих в природе, только три используются в качестве основных, и они сочетаются для передачи ощущения цвета.
- Из множества моментов в действительности только 20 или 30 кадров в секунду передаются для изображения перемещения.
- Количество информации на единицу площади поверхности экрана составляет одну четвертую как плотности трехцветных сигналов, так и черно-белого сигнала в цветном телевидении.
Таким образом, не вся информация от "окна" необходима, чтобы передать "истинное объемное изображение". При получении изображения и воспроизведении его для зрителя используются следующие упрощения:
1. Вместо передачи всего окна мы "опускаем бленды " и оставляем только горизонтальную щель. Изменение изображения вследствие вертикального смещения наблюдателя игнорируется.
2. Вместо передачи четкого и точного изображения всех объектов четко передаются только фокусированные объекты. Мы используем то, что нефокусированные объекты дают размытое изображение с пониженной резкостью.
3. Предлагаемая система добавляет тот факт, что сфокусированное изображение практически одинаково для всех точек наблюдения, которые передает камера, причем изображение от одной точки до другой отличается от нефокусированных объектов (которые не находятся на "фокусном" расстоянии). Различные изображения, которые получаются при боковом смещении наблюдателя, различаются положением более и менее отдаленных объектов относительно сфокусированного объекта. Если мы считаем, что сфокусированный объект фиксируется на плоскости фокуса, другими словами, что на плоскости, параллельной светочувствительной поверхности камеры, которая смотрится с максимальной ясностью, соответствующее изображение не смещается, когда имеет место перемещение слева направо, наиболее удаленные объекты кажутся передвигающимися слева направо, а объекты наиболее близкие кажутся передвигающимися справа налево.
Предлагаемая система является системой, в которой изображение изменяется от одной точки к другой, когда глаз наблюдателя перемещается горизонтально, так что изображение, которое достигает каждого глаза, является различным, как если бы это было в действительности, очки не требуются, и отсутствуют промежуточные зоны, в которых изображение является неясным. Это система, в которой проекционное устройство создает продолжения световых траекторий, которые достигают камеры, так что функционирование обоих в комплекте позволяет получение и воспроизведение изображений в трех измерениях, другими словами, проекционное устройство может выработать объемное изображение, которое поступает от сигналов, подготовленных камерой. Имеются другие системы воспроизведения, например, стереоскопические системы для одиночного зрителя или для множества зрителей, с очками или без очков, в которых изображения могут быть получены из изображений, которые создаются камерой, предлагаемой в этом изобретении, с помощью специальной обработки, в процессе которой выбираются два местоположения или пары местоположений в щели. Также, рассуждая логически, можно генерировать сигналы с помощью компьютера без использования камеры, но они не будут изображениями "действительности".
Наиболее характерными элементами данного изобретения являются щелевая линза, ряд обтюраторов и высокоскоростной фотодатчик.
Щель обеспечивает линейный диапазон возможных положений глаза зрителя. Все изображения фокусированного объекта совпадают с одиночным изображением, так что даже если выбор положений является дискретным, а не непрерывным, это не ощущается в изображении фокусированного объекта. Однако нефокусированные объекты находятся в различных положениях в зависимости от точки на щели, из которой они наблюдаются. Эти объекты имеют размытые контуры, поскольку они не фокусируются, так что дискретные положения не производят ощутимого эффекта.
В отношении ряда обтюраторов это позволяет выбор дискретных положений на щели с помощью избирательного открытия обтюраторов. Чтобы обеспечить быстрое, гибкое и надежное регулирование, переключатели должны быть оптико-электронными. Имеется ряд обтюраторов, действие которого основано на магнито-оптических и оптико-электрических явлениях, и эти обтюраторы можно приспособить для требуемой функции.
Высокоскоростной светочувствительный элемент должен обладать способностью получения изображения в течение апертурного интервала оптико-электронного обтюратора.
В следующем разделе описываются компоненты данного изобретения - камера и проектор.
Камера, фиг.3
Камера включает щель и объектив. Объектив может быть уменьшен до отрезка в объективе между двумя плоскостями, параллельными друг другу и параллельными оси объектива. Объектив должен также иметь длинное фокусное расстояние, чтобы устранить аберрацию изображения, создаваемую кромками объектива. Однако поскольку высота объектива является небольшой, так как через него проходит только свет, пропускаемый щелью, фокусное расстояние по сравнению с высотой является явно большим. По этой причине требования к кривизне поверхности в вертикальном направлении являются менее строгими, чем в горизонтальном направлении, и поэтому можно снизить стоимость изготовления, используя горизонтальные образующие на передней поверхности и круговые или параболические директрисы; хотя в этом случае на задней поверхности образующие должны быть вертикальными со сферической или параболической директрисой.
Обтюратор располагается перед объективом, открывая зазор в непрозрачном экране, который осуществляет вход света и который перемещается от одного конца щели до другого и обратно. В каждом одном из этих положений создаваемое изображение будет слегка отличаться от предыдущего, когда проецируется свет, проходящий через отверстие в экране устройства, на котором фокусируется изображение. Изображение, которое обрабатывается, является изображением, фокусируемым на плоскости обнаружения, которая соответствует определенному расстоянию от камеры до фокусированного объекта. Информация на фокусном расстоянии должна быть передана на контроллер устройства проецирования для позиционирования изображения, а также угловой апертуры или трансфокатора. Камера должна быть оборудована устройством для приема высокоскоростных изображений порядка 1000 - 100000 кадров в секунду в зависимости от размера щели и желаемой прецизионности эффекта объемности.
Проектор
Система воспроизведения содержит экран для создания изображений (например, "видеомонитор"), группу линз, систему регулирования фокуса, а также сервомеханизм для регулирования фокусного положения и угловой апертуры и линейную группу обтюраторов. Плоское изображение, воспроизводимое на видеоустройстве или экране электронно-лучевой трубки, должно теоретически воспроизводиться столько же раз, сколько раз повторяются кадры, фиксируемые камерой, то есть от 1000 до 100000 кадров в секунду, в большинстве случаев с изображениями, очень схожими от одного кадра к следующему. Однако количество кадров в секунду может быть большим, если используется интерполяция, или меньшим, если информация теряется. Изображение собирается и инвертируется линзой, которая формирует действительное изображение экрана. Это действительное изображение собирается второй линзой и образует мнимое изображение, которое в зависимости от относительного расстояния между линзами и экраном располагается в бесконечности или в любой плоскости на любом расстоянии от зрителя. Когда световые лучи прошли через вторую линзу, они восстанавливают ориентацию, которую они имели, когда достигли щели в камере, но только для малого окошка входного окна. Для того чтобы изображение, видимое одним глазом, отличалось от изображения, видимого другим, причем так, чтобы при перемещении зрителей они видели различные картины, как это происходит в действительности, когда мы перемещаемся из стороны в сторону и видим изменяющееся расположение объектов, для каждого положения открытого обтюратора камеры должна существовать различная проекция. Это достигается с помощью обтюратора, который открывает зазор, позволяющий только одному изображению проходить из точки, то есть отверстия в непрозрачной пластине, которое перемещается в горизонтальном направлении в соответствии с перемещением отверстия обтюратора камеры. Отличие заключается теперь в том, что вместо отверстия с высотой и шириной в несколько сантиметров имеет место вертикальная щель, так что то же самое изображение можно наблюдать с различной высоты в пределах конуса видимости. В пределах этого конуса изображение не модифицируется при изменении положения зрителя по высоте, а модифицируется, когда его положение изменяется влево или вправо. Если зрители перемещаются вперед или назад, они будут ощущать, что они приближают изображение, которое кажется им действительным.
Варианты
Вместо линз могут быть применены параболические зеркала, которые должны обеспечивать фокусирование различных изображений в фиксированном положении.
Размещение ряда обтюраторов с последовательно изменяющейся апертурой допускает несколько вариантов. Наиболее выгодным расположением является указанное ранее: впереди первой линзы, справа от щели, в камере и соответственно справа от следующей линзы и ближе к зрителю в случае проектора. Другие альтернативные местоположения: в фокальной плоскости первой линзы, в камере; в случае проектора - в фокальной плоскости последней линзы и в некотором промежуточном положении, например между фокальной точкой и экраном, а также в середине наружной линзы. Результаты расположения обтюраторов в различных местоположениях показаны на фиг.8.
Если ряд обтюраторов располагается в фокальной плоскости наружной линзы (фиг.8, В), функционирование проектора можно анализировать другим путем. Фокальная плоскость соответствует совокупности точек, действительное изображение которой находится в бесконечности. Если мы рассматриваем отдаленный пейзаж, например горную цепь, луну или ночное небо, изображение должно появляться на фокальной плоскости таким образом, что оно будет казаться при воспроизведении отстоящим на большое расстояние, в бесконечность. В действительности в этом случае не имеется заметных изменений фокусированного изображения от одной точки щели камеры к другой. То, что мы находим на фокальной плоскости, является угловыми фрагментами, каждый из которых идентичен его изображению. Если мы используем фокальную плоскость для расположения ряда обтюраторов, это должно создать впечатление ряда вертикальных линий, существующих на расстоянии. Обтюраторы, следовательно, не используются в фокальной плоскости наружной линзы, когда фокусируются отдаленные объекты. Если проектор или камера оборудованы обтюраторами в фокальной плоскости, они должны быть смещены из фокальной плоскости при фокусировании объектов, находящемся на более отдаленном расстоянии, чем заданное.
Однако когда фокусируются близкие объекты, обтюраторы наружной линзы также должны быть близки к фокальному расстоянию глаза зрителя, и могут быть видимы ряды нежелательных вертикальных линий, которые могут появляться как результат использования сочетания проектора и камеры. Может быть целесообразным использовать ряд обтюраторов в фокальной плоскости, так как они не фокусированы и не могут быть легко различимы зрителем. Интерпретацию функционирования ряда обтюраторов в фокальной плоскости можно понимать таким образом, что нет положения щели, которое выбирается в камере, но скорее выбираются главные угловые направления, подобно разверткам, производимым с помощью вращения антенны радиолокатора в аэропортах и на кораблях.
Когда фокусируемые объекты находятся очень близко, много крупных изменений происходит в изображениях, которые получаются из положений, очень близких с точки зрения бокового смещения, что требует увеличения количества обтюраторов. Совместное использование обтюраторов в фокальной плоскости и на наружной линзе упрощает конструкцию устройств, поскольку становится возможным иметь эквивалент n×m обтюраторов с n обтюраторами в фокальной плоскости наружной линзы и m обтюраторами рядом с наружной линзой.
Обработка и передача изображения
Обработка изображения требует таких способов сжатия информации, чтобы не требовался поток информации, соответствующий сумме порций информации от каждого из ее источников (количеству используемых обтюраторов).
Применение цифровых способов сжатия, кроме того, уменьшает количество информации на единицу времени, основанное на однородности (uniformity) по времени, или на определенном направлении, или на повторении кадров, или на иных принципах.
Свойства изображения, получаемого с помощью предлагаемой камеры, делают возможным упрощение информации по следующим причинам:
- изображение, соответствующее плоской поверхности, параллельной камере (перпендикулярной оси линзы), когда оно располагается точно на фокальной плоскости, не изменяется от одного положения апертуры прохождения света через обтюратор к другому (совмещение сфокусированных объектов).
- Изображения объекта на близкой плоскости, но не совмещенной с фокальной плоскостью, для двух положений открытых обтюраторов показывает небольшой сдвиг между ними, причем сдвиг тем больше, чем больше расстояние между двумя положениями открытых обтюраторов (явное смещение вблизи фокальной плоскости).
- Изображение объекта, который не близок к фокальной плоскости, является изображением без ясных контуров и может изменять положение относительно изображения, когда сравниваются изображения от двух отдельных обтюраторов. Различие в этих относительных положениях тем больше, чем больше расстояние от объекта до фокальной плоскости, и тем больше, чем больше расстояние между двумя положениями открытия открытого обтюратора, причем приблизительно пропорционально обоим. Если объект дальше, чем фокальная плоскость, относительное смещение происходит в одном направлении, а если он ближе, то в противоположном направлении (нечеткое смещение).
D) Описание чертежей
На фиг.1 схематически показан дом с человеком перед ним. Изображена камера с последовательным рядом обтюраторов, линзой и сигнальной пластиной. Можно видеть, что фокусированным объектом является дом и что человек находится ближе к камере, чем дом. Можно видеть, как лучи света, приходящие от одной из точек дома, конька крыши, сходятся в одной точке пластины, когда они проходят через два различных обтюратора. Однако фигура человека перед домом создает два различных изображения для двух различных обтюраторов, другими словами, для двух различных точек вида.
Фиг.2 имеет две части, А и В. В части А изображены три объекта 1, 2 и 3, объектив 4, который образует изображение на пластине 5, и возможное расположение двух глаз 6 и 7. Объект 1 с помощью объектива 4 создает изображение в точке 8, расположенной на самой пластине 5. Объект 3 создает изображение в точке 10, которая не находится на пластине 5; это значит, что двумя различными обтюраторами на пластине могут быть созданы два различных изображения. Таким образом, объект 2 создает действительное изображение в точке 9, и с помощью двух различных обтюраторов пересечение с пластиной должно создавать два различных изображения.
Если мы теперь переместимся в часть В, то увидим изображение, полученное, когда зритель 16 и 17 смотрит на проектор изображения. Видны две линзы 21 и 14. В точке 18 ясное изображение образуется на экране 15. Оно является тем изображением, которое создается с помощью передачи информации с пластины 5. Линза 21 создает действительное инвертированное изображение. С помощью линзы 14 создается мнимое изображение для зрителей 16 и 17 с помощью распространения лучей между 14 и 17. Мы видим мнимое изображение 18 в точке 11, которое в свою очередь соответствует действительному объекту 1. Другие точки, которые показываются в 15, создают действительное изображение с помощью линзы 21 на 20 и 19. Эти изображения являются двойными и не одновременными, и с помощью линзы 14 они дают мнимые изображения на плоскости, на которой изображением является 11. Изображение на 23 появляется, когда обтюратор, соответствующий зрителю 17, открыт; таким образом, изображение на 25 появляется, когда открывается обтюратор для зрителя 16. Визуальным впечатлением зрителя с глазами 16 и 17 является то, что 23 и 25 являются восприятием 13 из двух точек вида.
Это также происходит с изображениями 24 и 22, которые видимы только из 16 и 17 и производят у зрителя впечатление, что они соответствуют объекту 12. Мы видим, что мнимые объекты 11, 12 и 13 соответствуют действительным объектам 1, 2 и 3.
На фиг.3 представлена камера в двух поперечных сечениях. Заметим, что длина линз и щелей здесь намного превышает высоту. Виден ряд обтюраторов 1, расположенных между линзами 2 и 3. Линза 4 с двигателем 6 служит для фокусирования. Видна пластина 5 для получения изображения.
На фиг.4 показан проектор изображения. Через 5 обозначен плоский двухмерный экран. Линза 4 создает действительное инвертированное изображение, которое видно снаружи через линзы 2 и 3. Позиционирование визуального изображения регулируется двигателями 6, которые перемещают экран 5.
На фиг.5 виден ряд обтюраторов камеры, а на фиг.6 - ряд обтюраторов проектора.
1
1
1
1
z
1
На фиг.7 показано действие камеры и различных проекторов. В правой части чертежа видны глаза зрителя, правый глаз Re и левый глаз Le. Ряд обтюраторов камеры обозначен буквой L. Буквами N и М обозначены окна двух проекторов. Римскими цифрами I, II, III, IV и IV' обозначены различные возможные положения создаваемых изображений. Местоположение, обозначенное через I, обозначает в то же время объект, наблюдаемый камерой L. Можно видеть объект A, расположенный на расстоянии d от камеры, который является фокусированным объектом. Можно видеть, что точка B, поскольку она не является фокусированным объектом, будет иметь изображение, которое изменяется в зависимости от того, какой обтюратор открыт. На чертеже показаны размытые проекции видов от двух обтюраторов на линии точки A, которая представляет фокальную плоскость. Следовательно, видимое положение B, которое обозначено как B, не является точным, поскольку B не является фокусированным объектом.
1
1
1
1
1
1
1
Точки A и B также представляют изображения, которые можно видеть с помощью проектора М, изображения, которые находятся вне проектора, между проектором и зрителем Re-Le. A является действительным изображением, создаваемым линзами проектора из изображения на мониторе. Изображение B также появляется на плоскости A, но поскольку оно появляется в различном положении для каждого открытого обтюратора, оно достигает каждого глаза Re-Le в различных положениях, появляясь также в виде размытого объекта в немного неточном местоположении, но давая хорошее впечатление объемности. Для того чтобы изображения, создаваемые проектором М, оказались ближе, чем проектор, обтюраторы проектора должны располагаться таким образом, чтобы их изображение, иными словами, изображение обтюраторов, созданное наружной линзой проектора М, располагалось на L. Обтюраторы проектора не могут располагаться на L, поскольку они находятся вне проектора, но они могут располагаться в таком положении, что его изображением является L. В этой зоне I изображение A может наблюдаться только из области, ограниченной линией k. Глаз Re может видеть A, но другой глаз Le не может его видеть.
2
2
Изображение в зоне II является изображением, создаваемым проектором М в масштабе 1/2, в котором расстояние е составляет половину d. Зритель находится в той же самой позиции Re-Le. Обтюраторы распределяются по длине М, равной половине длины L. Как и в предшествующем случае, действительным изображением является А, a B воспринимается в этом положении как результат различных изображений, которые достигают глаз Re-Le. В этом случае обтюраторы проектора должны располагаться вблизи наружной линзы проектора с наружной стороны.
3
3
Обратимся теперь к изображению в зоне III. Это изображение, создаваемое проектором М в масштабе 1:1, в котором расстояние с равно d. Зритель находится в той же самой позиции Re-Le. Обтюраторы распределяются по длине М, равной половине длины L, но с той же самой плотностью распределения или длиной отдельного обтюратора, так что здесь будет присутствовать только половина количества обтюраторов длины L. Как и в предшествующем случае, действительным изображением является А, а В воспринимается в этом положении как результат различных изображений, которые достигают глаз Re-Le. В этом случае обтюраторы проектора должны также располагаться вблизи наружной линзы с наружной стороны. Но это изображение в зоне III может быть также создано проектором N, обусловливающим расположение обтюраторов проектора в одну линию, так что действительное изображение от обтюраторов, создаваемое с помощью последней линзы в проекторе N, располагается на линии М.
4
4
Теперь обратимся к изображению в зоне IV, которое является изображением, создаваемым проектором N в масштабе 1:1, в котором расстояние b равно d. Зритель находится в той же самой позиции Re-Le. Обтюраторы распределяются по длине N при той же самой длине отдельного обтюратора, что и в L. Как и в предшествующем случае, действительным изображением является А, а В воспринимается в этом положении как результат различных изображений, которые достигают глаз Re-Le. В этом случае обтюраторы проектора должны располагаться вблизи наружной линзы проектора с наружной стороны.
Но это изображение в зоне IV может также создаваться проектором N, обусловливая расположение обтюраторов проектора в одну линию, так что мнимое изображение от обтюраторов, создаваемое последней линзой проектора М, располагается на линии N.
1
В зоне IV' показывается меньшее изображение, создаваемое проектором N. Оно уменьшено с помощью масштабного коэффициента. Положение A определяется мнимым изображением, создаваемым наружной линзой проектора N. Изображение В" меняется на В', так как различие изображений, которые проходят через каждый обтюратор, также подвергается влиянию того же самого масштабного коэффициента.
На фиг.8 показано влияние размещения обтюраторов на положения проектора. В части А показан ряд обтюраторов Sh на расстоянии d>f, где f - фокальное расстояние наружной линзы проектора. Открытый обтюратор создает изображение в Sh', так что если камера только позволяет вход света через тот же самый обтюратор, что показан, только световые лучи, которые сводятся в точку, соответствующую действительному изображению открытого обтюратора Sh, Sh', будут проходить через экран S. Расположение обтюраторов, как представлено на этом изображении, адекватно видению объекта "снаружи" экрана проектора, ближе к зрителю, чем сам проектор.
В части В показан случай, в котором плоскость, которая содержит ряд обтюраторов, располагается точно на фокальной плоскости наружной линзы проектора. В этом случае мы видим, что только свет, который выходит из экрана S в определенном направлении, проходит насквозь. Следовательно, если плоское изображение, фокусированное проектором, располагается в бесконечности, только один цвет и интенсивность в этом направлении будут видимы, и когда она изменяется от одного открытого обтюратора к другому, будет наблюдаться диапазон направлений. Если плоское изображение не располагается в бесконечности для зрителя, другими словами, если на фокальной плоскости последней линзы проектора нет действительного фокусированного изображения, изображение будет изменяться в зависимости от того, какое изображение соответствует открытому обтюратору.
Наконец, С показывает первое из возможных расположений, которые имеют место с наружной или внутренней стороны самой наружной линзы.
На фиг.9 показан перспективный вид щелевой линзы.
Е) Подробное описание, по крайней мере, одного способа выполнения
F1. - Камера (щель)
Наиболее простая камера может быть устроена следующим образом.
Камера-обскура имеет ширину более 85 см, глубину 1,5 метра и высоту 45 см. Передняя часть ее снабжена горизонтальной щелью шириной 80 см от одной до другой стороны корпуса, высотой 5 см, образующей прямоугольник 5×80 см. Позади щели внутри корпуса имеется блок обтюраторов, состоящий из 30 обтюраторов размером 2,67×5 см каждый, близко отстоящих друг от друга и покрывающих всю щель. Обтюраторы открываются и закрываются таким образом, что отверстие перемещается вдоль щели, хотя два или несколько обтюраторов могут быть открыты одновременно. Позади обтюраторов находится собирающая положительная линза диаметром 1 метр, обрезанная до прямоугольных размеров корпуса. Поскольку для света имеется лишь одна щель, необходим только фрагмент линзы, соответствующий границам из двух горизонтальных параллельных плоскостей, расположенных симметрично относительно фокальной оси линзы. Линза имеет фокусное расстояние 1 метр и экран 0,4 м высоты на 0,71 м ширины для формирования инвертированного изображения. Изображение, формируемое на экране, считывается высокоскоростной камерой, которая принимает приблизительно 750 изображений в секунду, причем каждое изображение соответствует открытому обтюратору с ограниченной задержкой. Устройство измеряет фокусное расстояние от камеры до фокусируемого объекта.
F2. - Проектор (окно)
Проектор изображения состоит из электронно-лучевой трубки высотой 0,43 м и шириной 0,71 м, которая проецирует 750 изображений в секунду, соответствующих 30 кадрам, сдвигаемым на 2,67 см, причем все кадры фокусируются на экране с частотой 25 кадров в секунду. Изображение проецируется инвертированным с верха до низа и с левой стороны до правой. Впереди монитора ЭЛТ имеются обтюратор и линза. Блок обтюраторов в свою очередь составляется из 30 обтюраторов, которые открываются и закрываются по одному, так что не более двух обтюраторов могут быть открыты одновременно. Отдельные обтюраторы все одинаковы, и высота их приблизительно равна высоте монитора; они располагаются от одной стороны до другой и занимают в длину по горизонтали 80 см. Блок обтюраторов обрамлен и обеспечивает прохождение света, исходящего из монитора, только через открытый обтюратор. Позади обтюраторов имеется линза приблизительно двух метров в диаметре. Ее фокусное расстояние составляет 1 метр, так что линза создает фокусированное изображение монитора того же самого размера на расстоянии приблизительно одного метра от линзы. Это изображение будет неинвертированным, поскольку инвертируется изображение от экрана ЭЛТ, которое проецировалось инвертированным. Вторая линза приблизительно двух метров в диаметре с фокусным расстоянием 5 м делает возможным видение действительного изображения монитора на расстоянии, которое зависит от положения неинвертированного изображения, сформированного первой линзой. Линзы позиционируются, используя сигнал расстояния от фокальной плоскости, который испускается камерой.
F) Возможные применения
Предлагаемое устройство может найти применение в телевизионных передачах и при просмотре видеофильмов, в программах с крупными планами, в которых предметы находятся внутри помещения зрителя, и с пейзажами и открытыми пространствами, которые смотрятся издали. Изображение, получаемое камерой, может рассматриваться с помощью существующей стереоскопической системы, тем самым игнорируется дополнительная информация.