ОБЪЕМНЫЙ ДИСПЛЕЙ И СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ ТРЕХМЕРНЫХ ИЗОБРАЖЕНИЙ
THREE-DIMENSIONAL DISPLAY AND METHOD OF FORMING THREE-DIMENSIONAL IMAGES

Группа изобретений относится к средствам отображения информации и может быть использована для вывода полноцветных трехмерных объектов и сцен, наблюдаемых вкруговую без применения индивидуальных средств визуализации. Изобретения могут найти применение, в частности, в системах навигации, машинного проектирования и конструирования, для визуализации томографической информации и проведения сложных операций в медицине, при моделировании трехмерных задач в науке и технике, в компьютерных тренажерах и играх, в искусстве, рекламе, развлекательных мероприятиях и т.п.
Разработка систем трехмерного отображения реального мира существенно влияет на все сферы деятельности человека и инициирует создание и развитие целого ряда научных направлений и технологий. Поэтому попытки разработки эффективных автостереоскопических дисплеев не прекращаются в течение многих лет.
Из уровня техники известны одноракурсные автостереоскопические дисплеи с параллаксным барьером, использующие, например, вертикальный полосовой поляризационный фильтр [1-3], а также дисплеи с линзовым растровым фильтром [4, 5]. Оптические фильтры этих устройств (параллаксный барьер или растровая линза) используются для пространственного разделения стереопар по зонам видения. Стереоскопическое изображение наблюдатель может видеть только в том случае, когда оба его глаза расположены в соответствующих зонах. Ширина каждой из зон не превышает межзрачкового расстояния, при этом смещение глаз относительно центра зоны на два и более сантиметров приводит к существенному искажению наблюдаемого изображения. Если зритель меняет положение и выходит из зоны видения, стереоэффект инвертируется или теряется. Строгая фиксация положения головы относительно зон видения обычно вызывает чувство дискомфорта и быструю утомляемость зрителя, таким образом, основным недостатком при использовании этих устройств является необходимость неподвижного удержания головы зрителя в зонах избирательного стереоскопического видения.
(Наклонный линзовый растр применяется в дисплеях SynthaGram американской фирмы StereoGraphics, дисплеях 3DWOW голландской фирмы Philips и аналогичных дисплеях других фирм, например SuperD (HDL-46))
Известны многоракурсные автостереоскопические дисплеи [6], в которых зоны видимости образованы воспроизведением шести и более ракурсов единой трехмерной сцены. Причем все смежные изображения этой группы образуют стереопары, а разделение ракурсов по зонам видимости производится использованием, например, наклонного линзового растра. При угле наклона растра около 10 градусов появляется возможность раздельного воспроизведения до девяти ракурсов объекта. В этом случае разрешение каждого из ракурсов снижается по горизонтали и по вертикали в три раза. Однако многоракурсный способ формирования изображений требует применения мощных вычислительных средств, существенно уменьшает разрешающую способность единичного изображения и не обеспечивает полного угла обзора демонстрируемой сцены [7].
(Например, патенты США №4359758 и №4484219 или патент РФ №2115148)
(Поток данных, требуемый для воссоздания полноценного образа методом голографии достигает величины порядка 1 Тб/с (1012 бит в сек). Как хранить и тем более передавать такое количество информации, пока не известно)
(Размеры обслуживающей топографию аппаратуры огромны по сравнению с размерами формируемого изображения, а необходимость применения лазеров для съемки и демонстрации привносит дополнительные неудобства и затрудняет воспроизведение биологических объектов)
Известны также способы и устройства создания объемного голографического изображения с использованием когерентного лазерного излучения [8]. Голограмма - наиболее совершенный, однако относительно сложный способ получения автостереоскопического изображения. Несмотря на обилие патентов , практическая реализация голографического дисплея сопряжена с множеством технических трудностей и, в первую очередь, с решением задачи скоростной обработки данных, быстрой записи и стирания голограмм на объемных средах. Эта задача решена только частично, обработка одного кадра голографического изображения требует сверхмощных вычислительных средств и больших временных затрат (порядка 8 мин на кадр), что существенно затрудняет вывод движущегося изображения . Причем при успешном решении этой задачи тем не менее голографический метод относительно продолжительное время останется на стадии лабораторных экспериментов. Известные голографические дисплеи воспроизводят пока только монохромное изображение и так же, как и многоракурсные дисплеи, не обеспечивают кругового обзора объектов демонстрации . Исходя из этих недостатков можно сделать вывод, что голографические дисплеи в классическом понимании, т.е. использующие явление интерференции на дифракционных решетках, не имеют реальных перспектив широкого распространения, в т.ч. и в достаточно отдаленном будущем.
Этих недостатков лишены устройства, основанные на оптико-механическом принципе, так называемые волюметрические дисплеи, в которых для отображения данных используется рассеяние излучения на быстроперемещающихся телах [9]. Если светорассеивающее тело двигается с частотой, превышающей видимую для человека частоту световых мельканий, а сканирование излучения синхронизовано с движением тела, то для наблюдателя происходит усреднение последовательно освещаемых точек и из их совокупности формируется объемное изображение. Быстрое сканирование инициирующим лучом двумерной плоскости позволяет сформировать светящуюся точку в заданном месте светорассеивающего тела, что обеспечивает две координаты, а движение собственно светорассеивающего тела обеспечивает третью координату формируемого светового макета объекта демонстрации. Движение тела может быть возвратно-поступательным, что реализуется гораздо труднее [9, 10], или вращательным [11]. Формируемый таким образом световой макет имеет все визуальные характеристики реального трехмерного изображения и потому не требует применения индивидуальных средств и не ограничивает зрителей в выборе позиции наблюдения. При этом не возникает глазной и нервной усталости, присущей использованию стереоочков, а также перескоков изображения, часто сопровождающих перемещение зрителей относительно автостереоскопических дисплеев, т.е. достигается наибольшая реалистичность восприятия объекта демонстрации.
К категории волюметрических принадлежит и известный из уровня техники цветной объемный дисплей (Патент RU 2111627 С2, кл. H04N 9/31, G09G 3/06, публ. 20.05.1998 г.), содержащий лазер, блок сканирования и модуляции лазерного излучения, а также визуализатор, представляющий собой тело сложной формы с возможностью вращения вокруг своей оси. Визуализатор дисплея выполнен в виде набора пластин, установленных наклонно к плоскости, перпендикулярной оси вращения, причем число пластин кратно числу основных цветов используемой колориметрической системы и каждая из пластин покрыта веществом, преобразующим инфракрасное излучение лазера в видимое излучение одного из основных цветов используемой колориметрической системы.
Главным условием успешной работы волюметрического дисплея является высокая скорость вывода и визуализации изображений сечений или проекций объекта. Если время визуализации одного сечения t, то для качественного воспроизведения трехмерного изображения объекта (сцены) должно выполняться соотношение t*N≤1/25 секунды, где N - число сечений, выводимых за один оборот визуализатора. Чем большее число сечений используется для воспроизведения объекта, тем более достоверным и объемным представляется этот объект наблюдателю, но тем быстрее эти сечения должны быть сформированы и отображены на визуализаторе. И наоборот, известное значение времени визуализации одного сечения устанавливает предельное число отображаемых сечений объекта N, что определяет достижимое качество визуализации объема сцены с помощью этого дисплея при работе в реальном времени.
(Стандартная система сканирования лазерного луча позволяет проецировать от 30 до 60 тысяч точек в секунду (kpps), прецизионная высокоскоростная система имеет производительность в 1.5-1.8 раза выше (www.x-light.ru))
Основным недостатком дисплея (патент RU №2111627) является недостаточное быстродействие устройства формирования изображения. Действительно, при времени позиционирования лазерного луча около 0.4 мкс  за 1/25 секунды можно визуализировать только около 100 тысяч точек. Учитывая, что для получения необходимого цвета инфракрасный лазерный луч должен высветить точки "… последовательно на каждой пластине, число которых кратно числу основных цветов используемой колориметрической системы …" (т.е. в RGB минимально три точки на трех пластинах) количество высвечиваемых цветных точек за один оборот визуализатора не превышает 34 тысяч. Это пригодно, например, для указания положения самолетов в заданных эшелонах контролируемой воздушной зоны, однако не обеспечивает визуализацию одного среза стандартного полноцветного изображения, где минимально требуется порядка полумиллиона пикселей (800×600).
(Впервые коммерческий вариант работающего в реальном времени трехмерного дисплея «Perspecta Spatial 3D Platform» с объемным экраном был продемонстрирован в 2002 г. американской компанией Actuality Systems, Inc. (www.actuality-systems.com). В дисплее использовался светорассеивающий дисковый экран диаметром около 25 см, который со скоростью 25 об/сек вращался в свободном пространстве внутри прозрачной полусферы высотой 50 см)
Существенный рывок в создании волюметрических систем совершен при разработке дисплея «Perspecta Spatial 3D». Из описания этого изобретения (Патент US 6554430 В2, кл. G03B 21/28, G09G 5/10, публ. 29.04. 2003 г.) известен трехмерный объемный дисплей, включающий передающую оптику с линзами переноса и полевыми линзами, двигатель, опорную структуру (платформу), соединенную с двигателем, плоский проекционный экран, расположенный на опорной структуре так, что ось вращения лежит в его плоскости и проекционный объектив расположен по оси вращения таким образом, чтобы ось объектива составляла с осью вращения угол от 4.9° до 5°. Во время работы дисплея линза переноса получает луч света от источника света и передает луч света на полевую линзу, полевая линза передает луч света на проекционный объектив, который проецирует луч света на проекционный экран, двигатель вращает опорную структуру, проекционный экран и проекционный объектив вокруг оси вращения.
В состав устройства могут также входить три дополнительных зеркала, закрепленных на опорной структуре так, что первое зеркало получает луч света от проекционного объектива и направляет луч света на второе зеркало, второе зеркало направляет луч света на проекционный экран или на третье зеркало (при его наличии), которое направляет луч света на проекционный экран.
Наряду с таким несомненным достоинством этого решения, как использование излучения видимого диапазона, данному устройству присущи и недостатки. Основным из них является (так же, как и в предыдущем случае) необходимость высокой скорости формирования и вывода изображения сечений объекта демонстрации. При недостаточной скорости этого процесса резко падает качество получаемого отображения из-за уменьшения количества выводимых сечений или снижения колористических характеристик изображений.
(В другой модификации выводятся две серии сечений по 198 срезов в каждой, при этом выводимое изображение сведено к 3 битной схеме)
Вывод изображения сечений демонстрируемого объекта в дисплее «Perspecta Spatial 3D» осуществлялся на основе цифрового трехчипового видеопроектора DLP фирмы Texas Instruments, Inc. [12], наиболее быстродействующего из существующих в настоящее время (производительность до 22 Гб/сек). Видеопроектор создан на основе микродисплея, представляющего матрицу легких отклоняемых микрозеркал (DMD), работающих по двоичной системе. Шкала серого и, соответственно, оттенки цветов в изображениях обеспечиваются повторением отклонений с разными частотой и скважностью. Проектор способен в реальном времени выводить до 1000 полноцветных изображений форматом 1024×748 пикселей в секунду. Однако применительно к описываемому устройству на один оборот проекционного экрана (при частоте вращения 25 об/сек) приходится только 40 полноцветных сечений объекта, что не позволяет получить его качественный объемный макет. Поэтому разработчикам устройства пришлось отказаться от градаций серого, требующих больших затрат времени, соответственно, и от цветовых оттенков, требующих 24 битного представления, и свести формируемое изображение сечений объекта к 6 битной схеме (три основных, три дополнительных цвета плюс белый и черный). Это дало возможность в три раза повысить скорость вывода и получить до 198 сечений объекта за один оборот  при скорости вращения проекционного экрана около 900 об/мин.
Для обоснованности изложения оценим скорость вывода, которую должна обеспечивать система формирования качественного объемного полноцветного изображения объекта, при использовании описанной выше схемы оптической системы устройства.
Средняя острота зрения человеческого глаза составляет примерно одну угловую минуту. При удалении наблюдателя на расстояние l от центра трехмерной сцены необходимое разрешение системы вывода изображений δ можно рассчитать согласно выражению:
<mrow><mi>δ</mi><mo>=</mo><mi>l</mi><mo>⋅</mo><mi>S</mi><mi>i</mi><mi>n</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mfrac><mrow><mn>2</mn><mo>⋅</mo><mi>π</mi></mrow><mrow><mn>360</mn><mo>⋅</mo><mn>60</mn></mrow></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow>
.
Ограничим область воспроизведения трехмерной сцены цилиндром высотой h и радиусом r и определим количество диаметральных сечений цилиндра N, необходимое для слитного восприятия объектов сцены с любого азимутального направления при круговом обзоре сцены:
<mrow><mi>N</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><mn>2</mn><mi>π</mi><mi>r</mi></mrow><mi>δ</mi></mfrac></mrow>
.
Определим количество плоскостных единиц изображения (пикселей) k, помещающихся на площади одного диаметрального сечения цилиндрической области воспроизведения:
<mrow><mi>k</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><mn>2</mn><mi>π</mi><mi>r</mi></mrow><mi>δ</mi></mfrac></mrow>
.
<mrow><mi>m</mi><mo>=</mo><mi>k</mi><mo>⋅</mo><mi>N</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><mn>2</mn><mi>r</mi><mi>h</mi></mrow><mrow><msup><mi>δ</mi><mn>2</mn></msup></mrow></mfrac><mo>⋅</mo><mfrac><mrow><mn>2</mn><mi>π</mi><mi>r</mi></mrow><mi>δ</mi></mfrac><mo>=</mo><mfrac><mrow><mn>4</mn><mi>π</mi><msup><mi>r</mi><mn>2</mn></msup><mo>⋅</mo><mi>h</mi></mrow><mrow><msup><mi>δ</mi><mn>3</mn></msup></mrow></mfrac><mo>=</mo><mfrac><mrow><mn>4</mn><mi>π</mi><msup><mi>r</mi><mn>2</mn></msup><mo>⋅</mo><mi>h</mi></mrow><mrow><msup><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>l</mi><mo>⋅</mo><mi>S</mi><mi>i</mi><mi>n</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>0.000291</mn></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mn>3</mn></msup></mrow></mfrac><mo>≈</mo><mn>5.1</mn><mo>⋅</mo><msup><mrow><mn>10</mn></mrow><mrow><mn>11</mn></mrow></msup><mo>⋅</mo><mfrac><mrow><msup><mi>r</mi><mn>2</mn></msup><mo>⋅</mo><mi>h</mi></mrow><mrow><msup><mi>l</mi><mn>3</mn></msup></mrow></mfrac></mrow>
Количество объемных единиц изображения (векселей) m, составляющих один кадр трехмерной сцены в этом случае равно:
векселей.
9
Пусть область воспроизведения трехмерной сцены имеет размеры r=0.1 и h=0.2 м. Примем расстояние от центра объема воспроизведения до наблюдателя l=1 м (разрешимый интервал в этом случае равен  δ≈0.0003 м), тогда количество векселей в одном кадре сцены равно m=1.021·10 векселей.
10
(Предельная скорость вывода DLP проектора составляет 766 Мпиксел/сек, что примерно в 30 раз ниже полученной величины)
10
При частоте вывода изображений 25 кадров/секунду объем вывода составит величину 2.55·10 векселей в секунду . Для стандартного 24 битного изображения производительность системы вывода должна быть не менее чем P=24·2.55·10=612 Гб/с.
Такая скорость вывода данных при существующем уровне техники пока недостижима и неизвестно, будет она достигнута в ближайшее время. Для сравнения напомним, что предельная производительность наиболее быстрого из существующих - трехчипового DLP проектора составляет величину порядка 22 Гб/сек, что в десятки раз меньше расчетной величины. Данная оценка проведена для весьма скромной по размерам площади сечения области воспроизведения трехмерных объектов (всего 660×660 пикселей). При увеличении размеров этой области требуемая скорость вывода изображений возрастает пропорционально третьей степени ее размеров.
Как следует из проведенного анализа, основная сложность создания 3D дисплеев кругового обзора заключается в том, что без применения специальных мер отображение трехмерных сцен даже небольшого размера требует слишком больших скоростей отображения информации, пока недоступных современной технике.
(Производительность наиболее быстродействующего из современных графических процессоров не превышает величины 76.8 Гб/с, что на порядок меньше требуемой производительности вывода, не учитывая дополнительную обработку данных на проход)
Кроме указанного выше недостатка, свойственного существующим моделям волюметрических дисплеев, решение по патенту США №6554430 обладает еще рядом недостатков, к которым относятся, в первую очередь, жесткие требования к производительности графического процессора и систем хранения и передачи данных. Последнее осложнено еще и тем, что для построения изображения объемной модели объекта рассматриваемое устройство выводит последовательную серию его двумерных азимутальных сечений, что предполагает наличие математической модели объекта и обработку данных «на проход» для расчета текущих сечений объекта демонстрации .
(Частично масштабные искажения и расфокусировка изображений, возникающие из-за неперпендикулярности экрана падающему световому потоку, компенсируются в устройстве отклонением на 5° (согласно принципу Шаймпфлюга) оси объектива от оптической оси системы. Однако полностью скомпенсировать таким образом все искажения проецируемого изображения невозможно - необходима компьютерная корректировка)
Дополнительные машинные мощности необходимы и для компенсации масштабных искажений и оптических аберраций, вносимых проекционной оптикой дисплея (например, за счет неперпендикулярности оптической оси системы и плоскости проекционного экрана ), что также следует отнести к недостаткам устройства.
(Например, применение "K"- образной системы зеркал, вращающейся вдвое медленнее подвижной части оптики и проекционного экрана (см. патент США №4943851))
К существенным недостаткам устройства относится и то, что поворот подвижной части оптики (объектив, зеркала, экран) относительно ее неподвижной части (проектор, передающая оптика) вызывает нежелательный поворот изображения в плоскости экрана (изменение ориентации изображения). Для устранения этого недостатка требуется применение специальной компенсирующей оптики с собственным приводом  либо упреждающий поворот сечений объекта еще до его вывода, что вызывает дополнителные нагрузки уже перегруженной системы подготовки изображений и влечет за собой повышенные требования к синхронности работы частей дисплея.
(Используемая в проекторе матрица DMD не отличается высокой надежностью и долговечностью (служит 2-3 года))
Резюмируя, можно утверждать, что реализация устройства требует применения дорогостоящих сложных и поэтому не всегда надежных  обслуживающих систем, выполненных на пределе возможностей современной техники, однако не обеспечивает в полной мере качество получаемого трехмерного изображения.
Недостатки, являющиеся следствием неоптимальной конфигурации оптической системы дисплея по патенту US №6554430, частично устранены в известном устройстве (патент на полезную модель RU №91646, U1, кл. G09G 3/00, H04N 3/00, публ. 20.02.2010 г.), принятом в данном описании в качестве ближайшего аналога к предлагаемому устройству.
Согласно описанию этот объемный дисплей содержит вращающийся рассеивающий экран и проектор, закрепленный на одном монтажном основании с экраном, воспроизводящий в динамике растровые образы трехмерной сцены, причем питание электроники проектора осуществляется с помощью индукционного генератора, вырабатывающего электричество из энергии механического вращения экрана, а передача графической информации в проектор осуществляется по радиоканалу (например, при помощи модулей Bluetooth).
При такой простой конфигурации оптической системы, когда источник изображения, проекционный объектив и рассеивающий экран жестко закреплены на одной платформе (монтажном основании), не возникает необходимости наклонять экран по отношению к плоскости первичного изображения в проекторе, т.е. не возникает дефокусировка и разномасштабность частей изображения, что позволяет избавиться от корректировки изображений на проход.
Оптическая длина пути луча света от матрицы проектора через проекционный объектив до рассеивающего экрана не меняется при вращении платформы, что позволяет избежать динамических изменений масштаба. При перекосах и биениях платформы не возникает смещение изображения относительно рассеивающего экрана, что позволяет избежать дрожания изображения для наблюдателя.
Вращение экрана и проекционного объектива устройства не вызывает поворот изображения на экране относительно изображения на матрице проектора, что позволяет избежать применения оптических или компьютерных систем корректировки изображений.
(Эти условия изложены в описании ниже)
Таким образом, оптическая система этого объемного дисплея для работы не требует математической обработки и корректировки данных на проход, что обеспечивает возможность использовать его не только для воспроизведения 3-мерных компьютерных объектов, но и реальных сцен и предметов. В этом случае в качестве составляющих объемного образа объекта можно использовать не только сечения предмета (или сцены) азимутальными плоскостями, а проекции объекта на эти азимутальные плоскости, т.е. кадры съемки реальной сцены вкруговую с разных сторон. Последнее существенно упрощает дополнительную математическую подготовку объекта для демонстрации и при определенных условиях  может сделать ее ненужной, что обеспечивает возможность воспроизведения 3-мерных образов реальных предметов в реальном времени. Это важное качество отсутствует практически во всех известных моделях объемных дисплеев (или в их описаниях), что и предопределило выбор прототипа для предлагаемого изобретения.
Наряду с несомненными достоинствами это устройство обладает очевидными недостатками. К ним относится недостаточная скорость передачи информации. Для передачи данных в этом устройстве предлагается использование радиоканала, в частности модулей Bluetooth. Радиочастотные модули Bluetooth производства National Semiconductor (например, LMX9820, как следует из описания патента) имеют предельную скорость передачи данных порядка 1 Мбит/с. Наиболее скоростные из известных модулей Bluetooth имеют предельную производительность около 24 Мбит/с (при работе по протоколу Wi-Fi). Причем при скорости вращения монтажного основания 20-24 об/с на один оборот экрана, т.е. на все срезы объекта в пределах 360°) придется всего 1 Мбит переданной информации, что на несколько порядков меньше, чем в дисплее "Perspecta", и существенно меньше расчетных скоростей вывода, т.е. это решение также не в состоянии обеспечить качественное воспроизведения 3-мерных объектов и сцен.
К другим недостаткам этого решения следует отнести питание проектора от индукционного генератора, что неоправданно усложняет устройство, дополнительно нагружает вращающееся монтажное основание и влечет ускоренный износ подвижных частей дисплея.
Известен способ формирования трехмерных изображений (Патент US №6302542 B1, кл. G03B 21/28, публ. 16.10.2001 г.), включающий последовательное отображение 2D кадров на панели создания изображения, быстрое вращение дисплейной плоскости (экрана) вокруг первой оси, вращение мультизеркального отражателя вокруг второй оси с половинной скоростью от скорости вращения дисплея, проецирование двумерных кадров изображения вначале через средства компенсации проекционного пути, затем путем отражения их от мультизеркал на дисплей. Компенсация проекционного пути при этом проводится по одной из следующих двух вариаций - пропускание пучка изображений от панели изображений через объектив, затем отражение его от возвратно-поступательной системы отражателей, которая совершает возвратно-поступательное движение в согласовании с угловым положением вращающихся мультизеркал или проецирование пучка изображений от панели изображений через масштабируемую оптику и изменение оптической силы этой оптики в согласовании с угловым положением вращающихся мультизеркал.
Второй вариант способа включает отображение в последовательности набора 2D кадров на панели создания изображений, быстрое вращение плоскости дисплея и тем самым определение пространства отображения, вращение ортогональной системы переключаемых отражателей со скоростью, равной половине от скорости вращения дисплея, и проецирование указанных двумерных кадров изображения на плоскость дисплея путем отражения их от указанной ортогональной системы переключаемых отражателей. При этом переключение отражателей между прозрачным и отражающим состояниями производится в соответствии с их угловым положением.
К недостаткам этого способа, в первую очередь, относится последовательный вывод двумерных кадров (представляющих собой либо сечения отображаемого объекта, либо его проекции) на панель создания изображения, что влечет за собой повышенные требования к скорости их отображения. Как уже упоминалось ранее, при последовательном выводе двумерных кадров на одном проекционном устройстве требуемая производительность этого устройства для создания качественного объемного отображения трехмерного объекта или сцены находится за пределами возможностей современной техники. Попытки ускорить процесс вывода этих кадров существующими средствами ведут к снижению либо цветности либо разрешения выводимого изображения, что неизбежно влечет за собой снижение качества отображения трехмерного объекта.
("… дисплейную плоскость" в редакции этого патента, однако во избежание путаницы с предметом изобретения в дальнейшем изложении при упоминании светорассеивающего тела будет употребляться слово "экран")
К недостаткам данного решения следует отнести и предложенный в нем способ проецирования изображения на экран  для обеспечения стабильной ориентации двумерных проекций (сечений) относительно экрана, который предполагает использование мультизеркального отражателя, либо двух переключаемых отражателей, вращаемых с половинной скоростью по отношению к скорости вращения экрана. Все это влечет за собой неоправданное усложнение оптической системы и привода дисплея и снижает надежность работы устройства.
В первом варианте способа применение мультизеркальной системы потребовало введение средств компенсации изменений проекционного пути луча на основе возвратно-поступательной системы отражателей либо масштабируемой оптикой (каждое со своим приводом), а во втором варианте - введение системы синхронного переключения ортогональных отражателей. Все это неоправданно усложняет конструкцию дисплея и приводит к возникновению дополнительных искажений в воспроизведении двумерных срезов трехмерного образа, снижая качество его воспроизведения.
(Кроме того, по мере поворота экрана будет наблюдаться горизонтальное смещение центра изображения относительно центра экрана)
Кроме того, применение мультизеркального отражателя в виде многогранника с осью вращения, смещенной относительно оси вращения экрана (фиг.10 патента US №6302542), при использовании одной панели изображений (одного проектора изображений) не обеспечивает кругового обзора отображаемого объекта . В этом случае дисплей будет отображать световую модель объекта только в азимутальном угле, не превышающем 180°.
Во втором варианте вращение двух ортогональных отражателей с половинной скоростью от скорости экрана и синхронное переключение их из зеркального состояния в прозрачное при использовании одной панели изображений (проектора) также не обеспечивает кругового обзора объекта наблюдений. Дополнительно следует отметить, что отражение лучей света от зеркала, проходящих почти параллельно его поверхности, вызывает сильные искажения отраженного изображения, вызванные неидеальностью поверхности зеркал. Однако в рассматриваемом способе отражающее зеркало переключается в режим прозрачности тогда, когда его поверхность становится параллельной оси падающего луча, т.е. непосредственно перед моментом переключения отражателей проецируемое на экран изображение подвергается сильному искажению. Последнее не может способствовать качественному воспроизведению отображаемого объекта при таком способе его формирования.
Наиболее близок по технической сущности к заявляемому решению способ формирования трехмерных изображений (патент US 6554430 В2, кл. G03B 21/28, G09G 5/10, публ. 29.04. 2003 г.), принятый в данном описании за ближайший аналог заявляемого способа.
Способ включает в себя вращение проекционной оптики и проекционного экрана вокруг оси вращения, подачу светового луча от стационарного источника света и проецирование луча света через проекционный объектив на проекционный экран, а также регулировку наклона проекционного объектива так, чтобы его оптическая ось составляла с осью вращения угол не более 10 градусов. Способ дополнительно включает вращение первого и второго зеркала вокруг оси вращения, причем проекционная оптика может являться проекционным объективом и этот объектив проецирует луч света на первое зеркало, первое зеркало направляет луч света на второе зеркало, а второе зеркало направляет луч света на проекционный экран.
В вариантах способ дополнительно включает вращение третьего зеркала вокруг оси вращения, при этом третье зеркало получает луч света от второго зеркала и направляет луч света на проекционный экран, а луч света от источника света к проекционному объективу подается при помощи передающей оптики, включающей в себя зеркало, регулируя которое центрируют луч света на проекционном экране.
Как следует из описания, для компенсации трапециедальных искажений изображения в плоскости экрана программное обеспечение дисплея предварительно вводит в него дисторсию и выполняет корректировку ориентации текущего сечения объекта. Последнее производится для устранения поворота изображения в плоскости экрана по мере вращения подвижной части дисплея.
(См. выше)
К основным недостаткам этого способа формирования объемных изображений следует отнести работу только с вычислительными моделями объектов демонстрации и требует предварительной подготовки объектов для показа (например, в виде создания трехмерной компьютерной модели объекта). В процессе демонстрации способ предполагает наличие серьезной обработки данных на проход, что подтверждается необходимостью таких операций, как вычисление текущего сечения объекта, введение корректирующей дисторсии и корректировка ориентации текущего изображения в плоскости экрана. Необходимость этих операций следует из устройства оптической системы дисплея  и последовательности действий по передаче и формированию трехмерных изображений согласно формуле и описанию данного способа.
Необходимость использования на всех стадиях процесса подготовки и формирования трехмерных изображений вычислительных средств на пределе их производительности ограничивает возможность повышения качества получаемого изображения и не позволяет воспроизводить реальные объекты и сцены в режиме реального времени.
К другим недостаткам способа относится последовательный вывод текущих сечений визуализируемого объекта при помощи только одного проектора, что предъявляет серьезные требования к его производительности, повышаемой часто путем снижения качества изображения, что серьезно ограничивает возможности применения менее скоростных, однако более надежных его аналогов и снижает надежность изделия в целом.
Приведенный анализ уровня техники свидетельствует о том, что вышеперечисленные устройства и способы, включая такие ближайшие аналоги, как устройство по патенту RU №91646 и способ по патенту US №6554430, не обеспечивают необходимой надежности и долговечности объемного дисплея и ограничивают качество формируемого трехмерного изображения. Использовать это устройство и способ для вывода реальных трехмерных изображений и сцен в режиме реального времени не представляется возможным.
Задачей, решаемой в предлагаемом изобретении, является создание надежного и объемного дисплея с круговым обзором, способного формировать и визуализировать с высоким качеством в реальном времени и при минимальном использовании средств вычислительной техники трехмерные изображения объектов и сцен, в том числе и реально существующих.
Из вышесказанного следует, что для решения этой задачи необходимо создание как собственно дисплея на основе новой более оптимальной схемы его оптической системы и более надежных и доступных проекционных средств, так и нового способа формирования и вывода изображений проекций (или сечений) трехмерного объекта, требующего существенно меньшего использования вычислительных операций.
Технический результат, который может быть получен при реализации заявленной группы изобретений, заключается в обеспечении возможности воспроизведения полноцветных объемных объектов или сцен, видимых без применения индивидуальных средств стереонаблюдения.
Поставленная задача решается тем, что в предлагаемом объемном дисплее, содержащем рассеивающий экран, закрепленный по центру оси вращения платформы, проектор, воспроизводящий растровые образы трехмерной сцены, которые передаются на экран через проекционную оптику и систему зеркал, согласно техническому решению система зеркал размещена соосно платформе и выполнена в виде неподвижного осесимметричного зеркального многогранника, в основании которого находится правильный многоугольник, причем зеркальными выполнены внешние поверхности боковых граней многогранника, проекционная оптика закреплена на вращающейся платформе, а проектор выполнен в виде многогранника, подобного зеркальному многограннику, при этом средние линии боковых граней проектора параллельны средним линиям соответствующих боковых граней зеркального многогранника и удалены от оси вращения платформы на расстояние, равное удвоенному расстоянию от нее средних линий зеркального многогранника, а внутренние поверхности боковых граней проектора выполнены с возможностью воспроизведения на них растровых образов трехмерной сцены.
(Азимутальный угол между двумя смежными боковыми гранями многогранных пирамиды или призмы определяется углом между проекциями на основание нормалей к этим граням и может быть найден исходя из количества сторон правильного многоугольника, лежащего в основаниях этих фигур)
<mrow><mi>g</mi><mo>/</mo><mi>e</mi><mo>=</mo><mfrac><mi>D</mi><mrow><mi>C</mi><mo>+</mo><mi>D</mi></mrow></mfrac></mrow>
<mrow><mi>f</mi><mo>/</mo><mi>e</mi><mo>=</mo><mfrac><mi>C</mi><mrow><mi>C</mi><mo>+</mo><mi>D</mi></mrow></mfrac></mrow>
Преимущество предложенного объемного дисплея заключается в свойстве его оптической системы формировать составные изображения из двух опорных (фиг.1) для произвольного азимутального направления "K", лежащего внутри диапазона, границами которого являются направления на эти опорные растровые образы "A" и "B", воспроизведенные на внутренних поверхностях смежных боковых граней многогранного проектора . Эти составные изображения являются комбинацией двух одинаково ориентированных и совмещенных центрами опорных растровых образов (например, "a" и "b"), представленных в составном изображении их относительными долями
и
(где "g" и "f" - части по горизонтали опорных образов "a" и "b" в составном изображении "e"), зависящими от относительного расстояния данного азимутального направления - "K" от границ диапазона - "A" и "B". Таким образом, оптическая система предлагаемого дисплея, состоящая из многогранного проектора, на гранях которого воспроизводятся опорные растровые образы, зеркального многогранника и вращающейся проекционной оптики, для каждого углового положения оптики создает свое составное изображение и по дискретным опорным изображениям равноплотно заполняет по кругу составными изображениями все азимутальные направления. Если в качестве опорных растровых образов выбрать сечения или проекции демонстрируемого объекта, взятые через равные угловые промежутки так, чтобы их количество по кругу равнялось количеству граней проектора, и воспроизвести их на этих гранях, то для любого азимутального положения подвижной части оптики будут существовать переходящие друг в друга изображения объекта, соответствующие текущему угловому положению проекционной оптики.
2
1
2
1
1
Свойство данного дисплея совмещать опорные образы их центрами можно проиллюстрировать схемой, где условно показана горизонтальная проекция элементов его оптической системы (фиг.2). Для наблюдателя, находящегося по оси "OK", отклоненной на произвольный угол |α|<90° от направления "OA" в сторону центра опорного растрового образа (точку "A"), воспроизводимого на боковой грани проектора - плоскости "P", изображение этой точки ("A"), отраженное в параллельном плоском зеркале - "P", будет совмещено с центром поворота (точкой "O"), если расстояние между плоскостями "P" и "P" равно расстоянию от точки "O" до грани зеркального многогранника "P".
Через проекционную оптику полученное изображение может быть передано на экран, закрепленный на одной платформе с этой оптикой.
Из приведенного выше описания следуют требования, предъявляемые к элементам оптической системы предлагаемого объемного дисплея. Внешний многогранный проектор должен быть подобен и соосен внутреннему зеркальному многограннику, причем параллельные основанию средние линии боковых граней этих двух многогранников должны быть соответственно параллельны между собой, а расстояние от оси до средней линии любой боковой грани проектора должно равняться удвоенному расстоянию соответствующей грани зеркального многогранника. Этому требованию удовлетворяют многогранные призмы и усеченные пирамиды с правильными многоугольниками в основаниях, как показано на фиг.3 и 4.
Эти свойства оптической системы дисплея позволяют существенно уменьшить использование вычислительных операций для формирования промежуточных изображений, заполняющих пространство между опорными растровыми образами, т.к. эти изображения формируются оптической системой дисплея и проецируются на экран проекционной оптикой, а технические средства подготовки и вывода изображения могут быть использованы для создания и вывода опорных растровых образов более высокого качества.
(Количество опорных растровых образов, необходимое для целостного восприятия демонстрируемого объекта, в основном зависит от его свойств (степени симметрии, удаленности от оси, требуемой степени подробности и т.д.) и для большинства случаев не выходит за пределы 12-36 опорных образов. Если по условиям эксплуатации требуется существенно большая детализация трехмерного изображения или дисплей предполагается использовать как выставочный комплекс, то для увеличения количества опорных растровых образов в данной схеме не выявлено серьезных технических ограничений.)
5
6
6
6
9
Оценим производительность, необходимую для формирования и вывода, например, 36 полноцветных растровых образов . Изображение одного кадра размерами 800×600 имеет 4.8·10 пикселей. Предположим, что за один оборот экрана на него проецируется 36 опорных изображений, т.е. 17.28·10 векселей, тогда за секунду проектор воспроизводит 432·10 векселей. При выводе полноцветного изображения (т.е. при 24-битной схеме) требуемая производительность графического процессора составит величину 432·10×24=10.386·10 бит/сек ≈ 10.4 Гб/с. Эта величина далека от предельных скоростей современных графических процессоров, что обеспечивает высокую вероятность развития предлагаемой системы. Следует также учесть, что при работе с готовыми проекциями объекта процессор не вычисляет их, а непосредственно передает на систему вывода дисплея.
Дополнительным положительным свойством дисплея является то, что и опорные растровые образы, и составные изображения не меняют ориентацию при вращении проекционной оптики и экрана. Вследствие этого, а также из-за малости изменений длин траекторий и проекционных углов проецируемое изображение не требует предварительной математической обработки и оптической коррекции, что также содействует достижению заявленного технического результата.
В данном устройстве не требуется жесткого согласования углов поворота экрана с выводом текущего изображения, т.е. процессы вращения экрана и вывода изображения - по сути два практически независимых процесса, что упрощает устройство и облегчает управление им, повышая при этом надежность предлагаемого дисплея и содействуя более качественному отображению трехмерных образов.
При демонстрации динамических сцен каждый из источников изображения, в комплексе составляющих многогранный проектор дисплея, должен обновлять изображение за время одного оборота платформы, что соответствует скорости вывода порядка 25 кадров/с. Такая скорость вывода может быть реализована даже самым низкоскоростным из существующих средств отображения информации, что позволяет выбрать среди них наиболее надежные и качественные. Многогранный проектор может быть составлен, например, из LCD панелей от простых бытовых устройств. Несмотря на невысокие скорости, эти экраны зарекомендовали себя как надежные устройства вывода изображения с длительными сроками эксплуатации, собственной подсветкой и хорошей цветопередачей.
Таким образом, заявляемое изобретение полностью соответствует поставленной задаче создания надежного и долговечного объемного дисплея с высоким качеством получаемого трехмерного изображения.
Повышению качества трехмерного изображения способствует также, что экран облицован световозвращающим покрытием, угол рассеяния которого в азимутальном направлении не превышает 3°.
Как следует из изложенного, объемный дисплей не требует серьезной математической обработки изображений на проход, что обеспечивает возможность использования в качестве опорных проекций видео- или фотосъемок реальных объектов или сцен с ракурсов, соответствующих расположению граней многогранного проектора дисплея. В этом случае изотропное диффузное рассеяние изображения на экране будет мешать восприятию трехмерного объекта. Наблюдателю одновременно будут видны проекции объекта, соответствующие всем азимутальным углам поворота экрана от 0° до 90° в обе стороны от линии наблюдения.
Для сохранения четкости получаемого объемного образа экран может быть облицован покрытием (или снабжен насадкой с покрытием), обладающим анизотропным рассеянием в азимутальном направлении, что резко сужает зоны видимости проецируемого изображения. Видимыми для наблюдателя остаются только изображения при положениях экрана, практически перпендикулярных направлению наблюдения. Установлено, что лучшие по четкости результаты получаются при применении покрытий с углом видимости в азимутальном направлении, не превышающим 3° от перпендикуляра к поверхности экрана. Из существующих покрытий наиболее близкими свойствами к требуемым обладают широко распространенные световозвращающие покрытия.
Азимутальная анизотропия не мешает наблюдателю видеть демонстрируемые объект или сцену объемными, так как согласно изложенному правый и левый глаза наблюдателя получают несколько отличающиеся друг от друга изображения объекта, которые мозг интерпретирует как стереоскопическую пару. Учитывая, что такая псевдостереопара существует для любого азимутального положения наблюдателя относительно дисплея, можно утверждать, что наблюдатель увидит правильный объемный образ, соответствующий взаимному положению наблюдателя и объекта демонстрации.
Этот вариант объемного дисплея позволяет наблюдать трехмерные образы реально существующих объектов, в т.ч. динамических, что повышает качество формируемого изображения, приближая его к реальному, и существенно расширяет применимость предлагаемого дисплея. Так как при использовании фото- и видеопроекций объекта демонстрации не требуется относительно трудоемкой математической обработки изображений на проход, этот вариант дисплея может быть использован для показа реально существующих объектов и сцен в режиме реального времени, в т.ч. и для проведения трансляций на массовую экстерриториальную аудиторию.
Достижению указанного технического результата способствует то, что проекционная оптика состоит из зеркала и объектива, причем зеркало установлено с возможностью получать растровые образы от неподвижных зеркал многогранника и направлять их в объектив, который размещен так, что имеет возможность проецировать растровые образы на экран (фиг.5).
Возможен вариант реализации объемного дисплея, в котором проекционная оптика состоит из объектива и зеркала, причем объектив установлен так, что он имеет возможность получать растровые образы от неподвижных зеркал многогранника и направлять их на зеркало, а зеркало размещено с возможностью направлять растровые образы на экран (фиг.6).
Достижению заявленного результата способствует также и вариант реализации дисплея, в котором проекционная оптика дополнительно снабжена размещенными оппозитно вторым объективом и вторым зеркалом, а экран выполнен двухсторонним.
Такое исполнение позволяет наблюдателю видеть объемное изображение при прохождении через линию наблюдения двух сторон экрана, что вдвое увеличивает яркость наблюдаемого трехмерного образа при одинаковой светосиле проецируемых изображений. Это соответствует задаче повышения качества получаемого изображения.
Повышению качества изображения, надежности и долговечности объемного дисплея способствует такой вариант его исполнения, в котором проекционная оптика состоит из объектива, а неподвижная система зеркал дополнена соосным платформе и охватывающим зеркальный многогранник зеркальным цилиндром с отражающей внутренней боковой поверхностью (фиг.7).
Достоинство этой модификации дисплея заключается в том, что из подвижной части проекционной оптики исключено зеркало, что снижает нагрузку на привод вращающейся части устройства и из-за статичности отражающего зеркального цилиндра уменьшает дрожание получаемого изображения при перекосах и вибрации вращающихся частей дисплея (фиг.8).
Все это способствует повышению надежности объемного дисплея и улучшению качества получаемого изображения. Искажения, вносимые в проецируемое изображение цилиндричностью зеркала, нивелируются введением в объектив корректирующей линзы.
Возможны варианты реализации объемного дисплея, в одном из которых зеркальный цилиндр установлен с возможностью получать растровые образы от зеркального многогранника и направлять их в объектив, имеющий возможность проецировать растровые образы на экран, а в другом зеркальный цилиндр установлен с возможностью получать растровые образы от объектива и направлять их на экран, а объектив имеет возможность получать растровые образы от зеркального многогранника.
(В состав которой не входит система линз переноса изображения)
Такая конфигурация оптической системы дисплея так же, как и описанные выше ее модификации, обладает свойством сохранять неизменной ориентацию изображений в плоскости экрана при вращении экрана и проекционной оптики. При использовании простой проекционной оптики , эта ориентация может не совпадать с ориентацией исходного изображения, однако она остается неизменной при вращении оптики и экрана, а несовпадение ориентации можно учесть при компоновке многогранного проектора из элементов, являющихся источниками изображений (фиг.9).
Для повышения качества получаемого трехмерного изображения проекционная оптика в этих вариантах объемного дисплея может быть дополнительно снабжена расположенным оппозитно вторым объективом, а экран может быть выполнен двухсторонним (фиг.10).
Таким образом, применение предложенного объемного дисплея обеспечивает решение поставленной задачи и достижение заявленного технического результата для всех вышеуказанных направлений его использования.
В предлагаемом объемном дисплее во всех вариантах его исполнения с дополнениями применяется способ формирования трехмерных изображений, включающий вращение проекционной оптики и рассеивающего экрана вокруг оси вращения платформы, проецирование растровых образов трехмерной сцены от проектора через систему зеркал и проекционную оптику на экран. При этом растровые образы сначала формируют на внутренней стороне каждой из боковых граней проектора, выполненного в виде многогранника, соосного и подобного неподвижному осесимметричному многограннику системы зеркал, в основании которого находится правильный многоугольник, затем растровые образы отражают от внешних боковых граней зеркального многогранника, после этого проецируют их на экран через вращающуюся проекционную оптику.
В отличие от рассмотренного выше этот способ характеризуется повышенным быстродействием, меньшим использованием скоростной вычислительной и проекционной техники, повышенными качеством изображения и надежностью. Эти свойства обеспечиваются благодаря тому, что:
(Эта скорость ограничена только скоростью обновления изображения на устройствах вывода, а она, например, для бытовых LCD панелей может быть порядка 0.01 сек)
- в предложенном способе используется один из наиболее скоростных методов формирования промежуточных изображений - совмещения световых потоков от опорных изображений, причем опорные изображения при работе дисплея могут сменяться в моменты, когда они (или полученные с их использованием составные изображения) не проецируются на экран. Последнее обеспечивает возможность увеличения скорости вращения экрана  по сравнению с рассмотренными выше способами и/или возможность осуществления проекции на обе стороны экрана, что позволяет повысить качество получаемого трехмерного изображения;
- в этом способе все промежуточные изображения формируются самостоятельно по немногочисленным опорным растровым образам объекта демонстрации и без дополнительной математической обработки, что обеспечивает возможность использовать более качественные устройства вывода, а высвобожденные вычислительные мощности - для повышения качества получаемого изображения;
- способ обеспечивает возможность использования существующих и широко распространенных устройств вывода и формирования изображений, что позволяет повысить надежность и работоспособность изделия в целом;
- данный способ формирования и проецирования изображений не требует серьезной коррекции проецируемого изображения на проход, а формирование трехмерного изображения по его проекциям не требует вычисления каких-либо ракурсов, поэтому появляется возможность демонстрации полноцветных фото- и видеосъемок реального объекта или субъекта и возможность трансляции передач в режиме реального времени.
В одном из вариантов предлагаемого способа проекционная оптика, состоящая из объектива и зеркала, расположена так, что растровые образы, отраженные от зеркального многогранника, сначала через объектив проецируют на зеркало, а затем направляют на рассеивающий экран.
В другом варианте проекционная оптика, состоящая из зеркала и объектива, расположена так, что растровые образы, отраженные от зеркального многогранника, сначала направляют на зеркало, затем отражают в объектив и через него проецируют на рассеивающий экран.
Для уменьшения дрожания получаемого трехмерного изображения при перекосах и вибрациях движущихся частей дисплея возможна такая модификация предложенного способа, в которой проекционная оптика состоит из объектива, а неподвижная система зеркал дополнена охватывающим зеркальный многогранник цилиндрическим зеркалом с отражающей внутренней боковой поверхностью, расположенным соосно платформе так, что растровые образы, отраженные от зеркального многогранника, проецируют на рассеивающий экран через объектив и цилиндрическое зеркало.
Резюмируя, можно утверждать, что предложенный способ с его модификациями полностью соответствует задаче, поставленной в этом изобретении.
Устройство и способ согласно настоящей группе изобретений поясняются на примере предпочтительного варианта их осуществления со ссылками на сопровождающие чертежи, где на фиг.1 представлена схема, поясняющая формирование составных изображений из двух опорных; на фиг.2 представлена схема, поясняющая принцип совмещения опорных образов их центрами в оптической системе дисплея; на фиг.3 и 4 приведены варианты пространственных фигур, удовлетворяющих требованиям, предъявляемым к элементам оптической системы дисплея; на фиг.5 и 6 представлены схемы компоновки объемного дисплея с подвижным зеркалом; на фиг.7 приведен пример компоновки объемного дисплея с неподвижным цилиндрическим зеркалом; фиг.8 поясняет эффект устойчивости изображения при смещении и перекосах платформы; фиг.9 поясняет особенности ориентирования изображений в плоскости экрана; на фиг.10 приведен пример компоновки объемного дисплея с двухсторонним экраном.
Объемный дисплей (фиг.5 и фиг.6) включает рассеивающий экран 1, закрепленный по центру оси вращения 2 на платформе 3, многогранный проектор 4, проекционную оптику 5 и зеркальный многогранник 6. Проекционная оптика 5 в данном варианте исполнения дисплея состоит из зеркала 7 и объектива 8, закрепленных на платформе 3 и вращающихся совместно с ней и рассеивающим экраном 1 вокруг общей оси 2. Отличие одной модификации (фиг.5) от другой заключается (фиг.6) только в последовательности расстановки объектива 8 и зеркала 7.
В одном из вариантов исполнения объемного дисплея рассеивающий экран 1 может быть облицован световозвращающим покрытием. Для увеличения яркости получаемого трехмерного изображения проекционная оптика дисплея может располагаться с обеих сторон от рассеивающего экрана 1, при этом рассеивающий экран 1 выполняется двухсторонним, а в случае использования световозвращающего покрытия облицовка также выполняется с двух сторон рассеивающего экрана 1.
Вариант исполнения объемного дисплея (фиг.7) включает все перечисленные выше части за исключением того, что проекционная оптика состоит только из объектива 8, а оптическая система дисплея дополнена соосным платформе 3 охватывающим зеркальный многогранник 6 зеркальным цилиндром 9 с отражающей поверхностью на его внутренней стороне.
В варианте исполнения данной модификации объемного дисплея (фиг.10), кроме объектива 8, используется аналогичный ему объектив 10, закрепленный на платформе 3 диаметрально противоположно объективу 8. При этом рассеивающий экран 1 объемного дисплея выполнен двухсторонним.
(Таких узлов и деталей относительно много, к ним можно отнести контроллеры согласования входов дисплея, многочисленные передаточные устройства, корпусы, кожухи и многое другое, что непосредственного отношения к предмету изобретения не имеет и в работе дисплея исполняет штатную функцию)
На перечисленных выше схемах компоновки предлагаемого объемного дисплея изображены только те основные его узлы, без детализации которых невозможно проиллюстрировать работу этого устройства и реализацию способа формирования трехмерных изображений. Второстепенные узлы и детали дисплея, особенно те, к которым в рамках данного описания не предъявляются особые требования, сознательно опущены, чтобы не загромождать чертежи. Это не означает, что они совершенно не требуются для работы предлагаемого дисплея, а свидетельствует только о том, что для успешной работы предлагаемого устройства параметры этих узлов могут быть выбраны из широкого диапазона без ущерба для работоспособности дисплея. К таким узлам, например, относятся система привода вращения платформы дисплея, источники освещения и т.д.. Кроме параметров, указанных выше, к этим узлам специфические требования не предъявляются. В частности, к системе привода предъявляется только требование обеспечения вращения платформы и закрепленных на ней узлов с частотой порядка 25 об/сек, обусловленное условием «слитного» восприятия изображений. Другие характеристики привода, такие как повышенная стабильность, синхронизация с выводом текущего изображения и т.д., для успешного функционирования предлагаемого объемного дисплея являются желательными, однако не обязательными. Аналогичное утверждение справедливо для системы освещения (подсветки) изображений, выводимых на внутренних сторонах боковых граней многогранного проектора. Априори предполагается, что такая система существует и что она достаточна для различимости изображений на экране дисплея. Однако, кроме этого, специфических требований, вызванных сущностью предлагаемого изобретения к предлагаемой системе, не предъявляется. Более того, в зависимости от используемых средств вывода изображений система освещения может изменяться, оставаясь в пределах стандартных функций для проекционной техники, т.е. эти системы не связаны с предметом предлагаемого изобретения и не находятся на изобретательском уровне, а могут быть скомпонованы с применением известных схем из известных узлов и деталей. При описании примера воплощения предлагаемого дисплея будут предложены некоторые конкретные реализации узлов такого типа, однако это не имеет непосредственного отношения к предмету изобретения. Поэтому в дальнейшем описании подразумевается, что эти устройства имеются, а их использование сводится к исполнению стандартных функций и не оказывает влияния на сущность предлагаемого изобретения.
Работу предлагаемого устройства, а также реализацию заявленного способа формирования трехмерных изображений рассмотрим на примере исполнения объемного дисплея в варианте с неподвижным цилиндрическим зеркалом (фиг.7).
Предварительно записанные или получаемые в процессе демонстрации кадры съемки демонстрируемого предмета с 12 ракурсов (например, с 12 видеокамер) выводятся на боковые грани внутренней стороны многогранного проектора 4. Для разных реализаций дисплея эти грани могут быть составлены из LCD - панелей с собственной или внешней подсветкой или LCOS - панелей, работающих на отражение. При использовании устройства для демонстрации только статичных изображений (объемных слайдов) в качестве источников опорных образов могут использоваться фотографии объекта с необходимых ракурсов, напечатанные на определенном носителе (например, на фотопленке или фотобумаге) и удерживаемые в правильном положении (т.е. по граням многогранного проектора 4) специальными направляющими или прозрачными обоймами.
Такие источники изображения в зависимости от свойств их носителя могут работать в отраженном или проходящем свете, получаемом от осветительной системы дисплея.
(Для корректировки искажений, вносимых в проецируемое изображение цилиндрическим зеркалом, в состав объектива может быть включена цилиндрическая линза)
Во время работы дисплея платформа 3, закрепленные на ней экран 1 и объектив 8 (и аналогичный ему объектив 10) проекционной оптики 5 вращаются вокруг оси 2, являющейся центром поворотной симметрии дисплея. Если плоскость экрана 1 занимает перпендикулярное положение азимуту одного из опорных растровых образов (например, как на фиг.7), данный растровый образ полностью отразится в оппозитной ему грани зеркального многогранника 6, затем, пройдя через фокусирующий объектив 8 и отразившись от цилиндрического зеркала 9 , будет спроецирован на экран 1 (ход лучей на фиг.7 показан тонкими линиями).
(Аналогичный принцип образования одного изображений из двух, однако для целей зарождавшейся анимации применялся в праксиноскопе. Праксиноскоп (англ. praxinoscope) - оптический прибор, запатентованный Эмилем Рейно (фр. Emile Reynaud) 30 августа 1877 года (Википедия))
(В зависимости от того, какие фигуры (призмы или усеченные пирамиды) использованы как формообразующие тела оптической системы дисплея)
(При использовании плоского подвижного зеркала 7 (фиг.5 или 6) в такой дополнительной коррекции не возникает необходимости)
При повороте из этого положения платформы 3 на некоторый угол (для двенадцатигранного проектора на угол α<30°) в "поле зрения" объектива 8 окажутся опорные растровые образы, находящиеся в текущий момент времени на смежных гранях многогранного проектора 4. Эти растровые образы представляют кадры съемки демонстрируемого объекта с ракурсов, развернутых один относительно другого на угол в 30°. На основе выбранных конфигураций и взаимного положения проектора 4 и зеркального многогранника 6 эти растровые образы будут совмещены в плоскости экрана 1 своими центрами (см. схему на фиг.2). Части этих опорных изображений, отраженные от смежных граней зеркального многогранника 6 (фиг.7), проходят через объектив 8 и проецируются на экран 1 в виде составного изображения . Доли опорных изображений в основном пропорциональны угловому смещению объектива 8 по отношению к азимутальным направлениям на смежные грани проектора 4 (см. схему на фиг.1), а состыковка изображений осуществляется по вертикальной границе (или по границе, проходящей под небольшим углом к вертикали ). Ширина зоны совмещения двух смежных опорных изображений на экране 1 зависит от степени округленности стыка двух смежных отражающих плоскостей зеркального многогранника 6. При перемещении объектива 8 от одного из этих растровых образов к другому происходит постепенное замещение первого изображения вторым примерно так, как замещается изображение на экране монитора компьютера, только по горизонтали, т.е. каждому текущему азимутальному положению объектива 8 соответствует собственное изображение на экране 1, которое немного отличается от предыдущего. Сформированное изображение, отразившись от зеркала 9, проецируется на экран 1, который движется вместе с платформой 3 и объективом 8 и в каждый момент времени перпендикулярен азимутальному положению объектива 8. Для корректировки искажений от зеркала 9 в состав объектива 8 вводится цилиндрическая линза , немного растягивающая изображение по горизонтали.
1
2
1
Вариант дисплея с неподвижным цилиндрическим зеркалом (фиг.7) обладает также высокой устойчивостью получаемого объемного изображения к смещениям (фиг.8а) и перекосам (фиг.8b), которые могут возникнуть в процессе вращения платформы 3. При значительном осевом и вертикальном смещениях S платформы 3 (на схеме фиг.8а смещенное положение платформы обозначено как 3a) от собственного исходного положения (на схеме - более светлые линии) из-за стационарности элементов оптической системы дисплея - проектора 4, зеркального многогранника 6 и цилиндрического зеркала 9 ход лучей до объектива 8а не изменяется. Плоскопараллельное смещение объектива 8а относительно собственного исходного положения 8 (показан более светлым) практически не вносит изменений в ход лучей (пунктир) к экрану 1a по сравнению с их исходной траекторией (показана светлыми линиями). Таким образом, для наблюдателя смещение итогового изображения S остается существенно меньшим смещения платформы S.
1
Аналогичные рассуждения можно привести и для случая перекоса σ (фиг.8b) платформы 3b относительно исходного положения 3, т.к. в параксиальном приближении изображение предмета нечувствительно к небольшому смещению и отклонению оси проецирующей линзы. Оно в значительно большей степени зависит от положения собственно предмета. Как показано выше, положение предмета и для этого случая остается статичным, что способствует статичности получаемого объемного образа.
(В действительности оно переворачивается еще и при отражении в зеркалах, но при использовании четного количества отражений эти перевороты взаимно компенсируются)
При использовании простого проекционного объектива 8 изображение в нем переворачивается сверху вниз и справа налево  (см. схему на фиг.9). Чтобы наблюдатель увидел правильное изображение на экране 1, этот факт необходимо учитывать при компоновке многогранного проектора 4 из элементарных источников изображений, т.е. либо подавать опорные изображения соответствующим образом перевернутыми (на основе чтения изображений в обратном направлении), либо перевернутыми монтировать элементарные источники изображения на гранях многогранного проектора 6.
Этого можно избежать, если в состав объектива 8 (фиг.7) ввести две линзы переноса, одна из которых создает в пространстве между ними (в промежуточной фокальной плоскости) перевернутое изображение, а вторая возвращает его в исходное положение.
(См., например, http://www.orafol.com.)
Для правильного восприятия трехмерных образов в случае, когда в качестве опорных используются фото- или видеоизображения, поверхность экрана 1 желательно покрыть материалом, отражающим (рассеивающим) свет в узком азимутальном направлении. Для этого можно использовать световозвращающие покрытия (пленки), выпускаемые в большом разнообразии, в т.ч. и с большей степенью анизотропии рассеяния , чем это необходимо для этой задачи. Важным свойством таких покрытий для данного применения является высокая эффективность использования отраженного света. При правильном выборе параметров покрытия в направлении наблюдения уходит практически весь получаемый от источника световой поток, что позволяет существенно увеличить яркость наблюдаемого изображения.
Отношение светового потока, уходящего в заданном направлении к падающему, описывается коэффициентом рассеяния по направлению. Угловое распределение этого коэффициента характеризуется индикатриссой рассеяния покрытия. Для применения в предлагаемом объемном дисплее желательно, чтобы вертикальная индикатрисса покрытия имела плоский смещенный максимум, а горизонтальная - угловую ширину порядка 3° и максимум, совпадающий с направлением на источник света. Такая характеристика может быть получена на покрытиях с использованием преломляющих стеклянных микроволокон (микронитей), ориентированных вдоль вертикальной оси экрана.
Используемые в дисплее смежные опорные образы получены с довольно близких направлений на объект демонстрации и различия между ними становятся тем меньше, чем большее их количество применяется для формирования объемного изображения. Граница между такими изображениями в смешанном изображении практически незаметна, особенно, если демонстрируемое изображение подвижное.
Учитывая, что горизонтальная индикатриса любого световозвращающего покрытия имеет конечную ширину, т.е. существует не равный нулю угол наблюдения изображений на экране с таким покрытием, то наблюдатель увидит одновременно несколько близких друг к другу (пакет) изображений, соответствующих этим углам наблюдения. Границы в изображениях пакета проходят немного по-разному, поэтому наложение этих изображений дополнительно способствует сглаживанию перехода между частями смешанного изображения. Однако, если индикатрису покрытия выбрать слишком широкой, то наблюдатель увидит нечеткое изображение объекта. Для предлагаемого дисплея оптимальным углом рассеяния покрытия является угол, не превышающий 3°.
Из-за того что правый и левый глаза наблюдателя имеют несколько разные азимутальные углы в системе координат дисплея (на расстоянии 1.2 м угловая разница положения глаз составляет примерно 3°), суммарные изображения, получаемые глазами наблюдателя, также будут несколько разные. При соблюдении правильной последовательности размещения опорных образов на гранях проектора 6 левый глаз наблюдателя получит изображения объекта немного с левой стороны, а правый - соответственно с правой. Два этих изображения, составляющих псевдостереопару, интерпретируются мозгом как объемное изображение объекта. Любому азимутальному положению наблюдателя вокруг дисплея соответствует собственная стереопара, т.е. перемещаясь по кругу, наблюдатель без применения специальных средств наблюдения увидит объемный объект с соответствующей стороны. При приближении наблюдателя к дисплею разница азимутальных положений его глаз в системе координат дисплея будет возрастать, следовательно, он будет видеть изображения с большими различиями или стереопару с большим параллаксом, что соответствует приближению наблюдателя к реальному объекту. Таким образом, при перемещении относительно изображения, формируемого предлагаемым объемным дисплеем, наблюдатель будет испытывать ощущения, аналогичные ощущениям при перемещении относительно реального объекта.
Таким образом, предлагаемый объемный дисплей и применяемый в нем способ формирования трехмерных изображений могут воспроизводить трехмерный образ демонстрируемого объекта, видимый вкруговую без использования индивидуальных средств, не налагая существенных ограничений на цветность и качество получаемого изображения. При использовании фото- и видеокадров в качестве опорных образов, применение предлагаемой группы изобретений позволяет не подвергать изображения серьезной математической обработке на проход. Если одновременно с демонстрацией реальной сцены или объекта (субъекта) осуществлять передачу текущих опорных образов в эфир (или по выделенным линиям), то для организации трансляций таких сцен на широкую экстерриториальную аудиторию ограничения практически отсутствуют.
На основании изложенного можно сделать вывод, что предлагаемое изобретение обеспечивает решение поставленной в описании задачи и достижение заявленного технического результата.
Предлагаемый объемный дисплей может быть использован для:
- демонстрации объемных полноцветных динамических реальных и виртуальных объектов для массовой неоснащенной аудитории на выставках и бьеннале;
- организации трансляций публичных выступлений и шоу в формате псевдотопографических изображений для экстерриториальных групп зрителей в режиме реального времени, а также в режиме воспроизведения записи;
- объемной визуализации обстановки в контролируемом воздушном или подводном пространстве в режиме реального времени;
- организации презентаций в форматах 3D "дополненная реальность" и 3D "дополненная виртуальность" для массовой неоснащенной аудитории;
- разработки и демонстрации дизайнерских и архитектурных решений на основе трехмерных автостереоскопических дисплеев с круговым обзором индивидуального и студийного использования;
- применения в медицине (хирургия, диагностика, магниторезонансная или рентгеновская томография) в виде круговых трехмерных дисплеев с функцией управления изображением объекта;
- школ и других учебных заведений в виде дешевого слайдпроектора с обзором 360° в качестве объемных виртуальных наглядных пособий;
- домашних коллекций объемных круговых фотографий, виртуальных скульптур и архитектурных ансамблей, изображений реальной и фантастической техники, знаковых и арт-объектов.
Из перечисленных наиболее простым по составу является объемный слайд-проектор, который может использоваться как недорогое наглядное пособие в учебных заведениях и в качестве "фоторамок" для объемных фотографий в домашних условиях.
Источником изображений для многогранного проектора 4 (фиг.5) в дисплее может являться, например, цветная слайдовая фотопленка с продольным расположением кадров (36 кадров размером 24×36 мм, промежутки - 2 мм, шаг изображения - 38 мм). Опорные изображения демонстрируемого объекта снимаются по кругу через каждые 10 градусов, пленка проявляется по процедуре E-6. Со стороны основания слайд-проектора готовая пленка вставляется в щелевую круговую кассету диаметром 436 мм так, чтобы центры кадров совпадали с центрами зеркальных граней многогранника 6. Расстояние от центра до середины зеркальной грани многогранника 6 должно быть равно 109 мм. В качестве зеркального многогранника 6 применяется полая алюминиевая призма с 36 полированными гранями, которая на стойках крепится к неподвижному основанию дисплея.
Внутри полости зеркального многогранника 6 размещаются узлы осветительной системы дисплея и приводной механизм платформы (на схеме не показаны). Вращающаяся платформа 3 служит для крепления подвижного зеркала 7, осветительного зеркала, объектива 8 (например, OP-451 или OP-452), экрана 1 и аэродинамического кожуха (не показан). Платформа 3 выполняется из легкого светонепроницаемого материала (например, дюраль). Платформа снабжена осью с двумя опорными подшипниками качения, закрепленными внутри полости многогранника 6. На оси платформы размещен шкив, связанный ременной передачей (1:2) со шкивом приводного двигателя (не показан). Приводной двигатель (например, ДАК86-40-1.5 IM3681 или ДА086-18-1,5-Д48) размещается внутри полости зеркального многогранника 6 и крепится к верхнему его торцу, на котором также закреплен верхний подшипник оси платформы 3. Ось платформы своим нижним концом проходит сквозь нижний опорный подшипник, а ее выступающая часть служит для крепления подвижных узлов осветительной системы дисплея.
Осветительная система дисплея состоит из неподвижной осветительной лампы и подвижных узлов - светоотражающего кожуха, конденсорной линзы и осветительного зеркала. Осветительная лампа (например, OSRAM POWERSTAR HQI-T 150/D) закрепляется по центру основания дисплея. Осветительное зеркало закрепляется на платформе 3 непосредственно под подвижным зеркалом 7 проекционной оптики 5 так, чтобы световой луч, сформированный светоотражающим кожухом и конденсорной линзой, попадал на осветительное зеркало, а затем проходил сквозь опорные изображения на пленке многогранного проектора 4. Светоотражающий кожух (сферический отражатель) и конденсорная линза (например, линза Френеля) закрепляются на выступающей части оси платформы 3 так, чтобы формируемый ими световой пучок был направлен в сторону осветительного зеркала. Платформа вместе с закрепленными узлами подвергается динамической балансировке.
На платформе закреплен прозрачный аэродинамический кожух (полиакрил) в виде полого усеченного конуса. Нижнее основание кожуха в нескольких местах по периметру крепится к платформе так, чтобы кожух можно было снять для перенастройки дисплея. В этот кожух вставляется рассеивающий экран 1, который для показа фотоизображений может быть оснащен специальной вставкой. Экран выполняется из листового материала (например, из стеклотекстолита), оклеивается светоусиливающей пленкой (например, Scotchcal 3635-100) и снабжается вставкой, облицованной световозвращающим покрытием (например, пленка Т-5500 «Эйвери Деннисон»). В другом варианте экран 1 может быть выполнен в двух сменных модификациях с рассеивающим и световозвращающим покрытиями. Дисплей закрывается защитным съемным корпусом (не показан), верхняя часть которого выполняется из прозрачного материала (полиакрил). Корпус крепится к основанию дисплея.
Работа слайд-проектора принципиально от работы описанного выше дисплея не отличается за исключением того, что слайд-проектор может демонстрировать только статические объемные изображения. Для быстрой смены этих изображений в слайд-проекторе может быть предусмотрен механизм перемотки пленки на 36 кадров вперед. Для демонстрации объекта со всех сторон можно предусмотреть механизм медленного поворота дисплея вокруг своей оси. Привод движений может осуществляться от приводного двигателя слайд-проектора.
Приведенный пример реализации показывает перспективность использования заявленного устройства и способа для перечисленных применений. Пример позволяет наглядно проиллюстрировать факт, что для формирования и показа трехмерных изображений в некоторых модификациях предлагаемого дисплея отсутствует необходимость использовать вычислительные мощности и скоростные устройства вывода. В остальных модификациях дисплея эти мощности существенно высвобождаются, что позволяет повысить качество изображения и надежность работы дисплея. Именно такой технический результат достигается применением предлагаемого изобретения.
Приведенные выше варианты исполнения изложены с единственной целью проиллюстрировать предлагаемую группу изобретений. Специалистам понятно, что возможны различные модификации, добавления и замены, не выходящие из объема и смысла настоящей группы изобретений, раскрытых в прилагаемой формуле изобретения.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
7
1. Пат.2164702 Российская Федерация, МПК G02B 27/26. Устройство для демонстрации стереоскопических изображений. / Никонов А.В., Долгов В.М., Долгов Ю.М., Никонов А.А. (все RU); заявитель и патентообладатель Саратовский государственный технический университет - №99106816/28; заявл. 05.04.99; опубл. 27.03.01.
7
2. Пат.2260829 Российская Федерация, МПК G02B 27/26. Устройство для демонстрации стереоскопических изображений. / Никонов А.В., Долгов В.М., Долгов Ю.М. (все RU); заявитель и патентообладатель Саратовский государственный технический университет - №2002112530/28; заявл. 13.05.02; опубл. 10.02.04.
7
3. Пат.2447467 Российская Федерация, МПК G02B 27/22. Автостереоскопический дисплей / Честак Сергей (KR), Ким Дае-Сик (KR); заявитель и патентообладатель Самсунг Электроникс Ко., ЛТД. -№2009113551/28; заявл. 10.10.07; опубл. 10.04.12, Бюл. №10.
4. Woodgate G., Harrold J., Jacobs A., Mosley R., Ezra D. Flat panel autostreoscopic displays - characterization and enhancement // Proc. SPIE. Stereoscopic Displays and Virtual Reality Systems VII. 2000. Vol.3957. P.153-164.
5. Morishima H., Nose H., Taniguchi N., Inoguchi K., Matsumura S. Rear cross lenticular 3-D display without eyeglasses // Proc. SPIE. Stereoscopic Displays and Virtual Reality Systems VII. 1998. Vol.3295. P.193-202.
6. Мухин И.А., Украинский О.В. Получение многоракурсного телевизионного изображения на матричном дисплее. // Труды учебных заведений связи. Вып.174. - СП б, 2006. - С.201-206.
7. Fans S. Novel 3-D stereoscopic imaging technology. Proc. SPIE, v. 2177, pp.180-195 (1994).
8. Hilaire P., Benton S., Lucente M. Synthetic aperture holography: a noval approach to three-demensional displays. Journal of Optical Society of America, v.9, pp.1969-1977 (1992).
9. Image Processing for 3D Information Displays (edited by V.V.Petrov). Proceedings of SPIE, v.5821 (2005).
10. I.N.Kompanets, S.A.Gonchukov. 3-D medium based displays. Proc. SPIE, v.5821, 134-145 (2005).
11. Шэндл Д. Наконец-то реальная трехмерность! Электроника. 1990,18, с.7-9.
12. www.dlp.com.