СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ ТРЕХМЕРНОГО ЦВЕТНОГО ВИРТУАЛЬНОГО ВИДЕОИЗОБРАЖЕНИЯ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ СОЗДАНИЯ ЭФФЕКТА ВИРТУАЛЬНОЙ РЕАЛЬНОСТИ У ПОЛЬЗОВАТЕЛЯ (ВАРИАНТЫ)
METHOD OF FORMING THREE-DIMENSIONAL COLOUR VIRTUAL VIDEO IMAGE AND DEVICE FOR CREATING EFFECT OF REALITY FOR USER (VERSIONS)

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к видеотехнике и предназначено для формирования трехмерного цветного виртуального видеоизображения и создания эффекта виртуальной реальности у пользователя с помощью бинокулярного сканера (двух сканеров-окуляров). Впервые пользователь видеотехники имеет возможность «входить» в виртуальное трехмерное пространство, получая иллюзию участия в виртуальных событиях. Эффект виртуальной реальности у пользователя значительно превосходит по иллюзорности объемный эффект голографии.
Изобретение предназначено для просмотра в режиме виртуальной реальности различных видеоизображений, в том числе видеофильмов, телевизионных передач, компьютерных игр и программ. Особый эффект присутствия достигается в компьютерных играх, когда у игрока создается полная иллюзия непосредственного участия в реальной игре. Использование изобретения на тренажерах при подготовке водителей, летчиков и других специалистов создает полную иллюзию действительности, ускоряя процесс обучения. Изобретение может быть использовано как прибор ночного видения или прибор видения в инфракрасном, ультрафиолетовом и других диапазонах электромагнитного излучения. Изобретение может заменять собой дисплей компьютера и телевизора, выполнено преимущественно в виде бинокулярного сканера и надевается на голову пользователя, подключая его к виртуальному пространству. Кроме того, изобретение может быть использовано для проецирования видеоизображения на плоский экран.
Уровень техники
Известны способы создания объемного голографического телевидения с использованием когерентного лазерного излучения (см. Патент США №4359758 (1982), H04N 9/54 (US Cl 358/90) и Патент США №4484219 (1984), H04N 9/54 (US Cl 358/90). Несмотря на наличие патентов, практическая реализация голографического телевидения (трехмерной движущейся цветной картинки) сопряжена с множеством технические трудностей, и в первую очередь, с решением задачи быстрой записи и стирания голограмм на специальных носителях (объемных средах). Эта задача пока технически не решена. Но даже при ее решении голографическое объемное видеоизображение не позволяет пользователю входить в виртуальное пространство, наблюдая виртуальную картину событий, как реальную.
Наиболее близким техническим решением (прототипом) предлагаемому изобретению является способ широкоформатной высокоскоростной развертки лазерного луча в телевизионном и других изображениях и устройство для его реализации (B.C.Леонов, В.Е.Пилкин «Возможность быстрого сканирования лазерным лучом с большим углом развертки». Лазер Информ. Информационный бюллетень лазерной ассоциации. Выпуск №22 (349), ноябрь 2006). Использование способа широкоформатной и высокоскоростной развертки лазерного луча позволяет проецировать видеоизображение на экран по типу сканирования экрана методом строчной и кадровой развертки телевизионного видеоизображения. Для этого необходимо иметь предварительную запись исходного видеоизображения объектов наблюдения в виде аналогового или цифрового электрического сигнала с модуляцией яркости лазерного луча.
Устройство для широкоформатной и высокоскоростной развертки лазерного луча, именуемое в дальнейшем сканер, включает два линейных механически сопряженных полосковых резонатора, причем первый резонатор снабжен возбудителем колебаний и выполнен в виде пластины, на конце которой закреплен второй резонатор в виде тонкой упругой полоски с отражающим зеркальным покрытием. При возбуждении колебаний резонаторов амплитуда колебаний второго резонатора значительно превосходит амплитуду колебаний первого резонатора и позволяет производить строчную широкоформатную и высокоскоростную развертку лазерного луча на частотах стандартного видеосигнала. При снабжении данного устройства дополнительным устройством кадровой развертки получаем прибор, именуемым в дальнейшем сканером. Сканер позволяет производить строчную и кадровую развертку лазерного луча по горизонтали и вертикали.
Однако данный способ широкоформатной и высокоскоростной развертки лазерного луча и устройство для его реализации не позволяют непосредственно формировать трехмерное цветное виртуальное видеоизображение и не позволяют пользователю «входить» в виртуальное пространство.
Сущность изобретения
Техническим решением, на достижение которого направлено изобретение, является создание условий для формирования трехмерного цветного виртуального видеоизображения и создания эффекта виртуальной реальности у пользователя с помощью бинокулярного сканера (двух сканеров-окуляров).
Реализация предлагаемого технического решения позволяет создать у пользователя иллюзию вхождения в виртуальное пространство за счет формирования трехмерного цветного виртуального видеоизображения на сетчатке глаза методом сканирования. Сканирование осуществляется двумя сканерами-окулярами, закрепленными на шлеме, который одевается на голову пользователя.
Раскрытие изобретения
Указанный технический результат достигается тем, что в способе трехмерное цветное виртуальное видеоизображение формируют методом строчного и кадрового сканирования непосредственно самой сетчатки глаза световым лучом белого цвета (смешение красного, зеленого и синего цветов). При этом компенсируют оптическую кривизну хрусталика и/или расширяют угол вхождения светового луча в глазное яблоко за счет размещения дополнительного фокуса схождения световых лучей внутри хрусталика или глазного яблока. Причем видеоизображение на сетчатке глаза формируют перевернутым сверху вниз на 180°. И таким образом, сканируют одновременно и независимо сетчатку правого и левого глаза, а изображение на каждом глазу формируют от двух различных видеосигналов, полученных при записи исходного видеоизображения объектов наблюдения под различным углом зрения.
Кроме того, строчное сканирование сетчатки глаза в кадре производят световым лучом по закону, близкому к синусоидальному, на частоте, равной половине частоты строчной развертки исходного видеосигнала, предварительно проводят селекцию видеосигнала для нечетных и четных строчек развертки на два потока прямой и обратной последовательности. Видеосигнал для нечетных строчек прямой последовательности задерживают во времени, а видеосигнал для четных строчек инвертируют во времени в видеосигнал обратной последовательности. Далее видеосигналы смешивают в единый адаптированный видеосигнал, который записывают в блок электронной памяти. Затем видеосигнал извлекают синхронно с работой сканера, обеспечивая чересстрочную развертку обратного хода луча в обратной последовательности, а время прохождения строчки ограничивают линейной частью синусоиды. Таким образом, формируют одновременно два кадра для прямой и обратной последовательности хода светового луча, а затем кадры прямой и обратной последовательности совмещают в единый кадр, управление цветом и яркостью видеоизображения осуществляют изменением мощности и длительности светового луча одновременно для каждого цвета (красного, зеленого, синего) в отдельности.
Указанный технический результат достигается тем, что при реализации способа по п.1 и 2 формулы изобретения устройство для создания эффекта виртуальной реальности у пользователя выполнено в виде бинокулярного сканера (два сканера-окуляра, разнесенные на межосевое расстояние глаз человека), состоящего из двух корпусов сканеров-окуляров, линз, шлема, устройства строчной и кадровой разверток, светодиодного трехцветного излучателя или лазера белого цвета, датчиков синхронизации, системы управления: сканерами, видеосигналом и светодиодным трехцветным излучателем, звуковой системы и системы питания. Причем корпуса сканеров-окуляров размещены внутри шлема, а внутри каждого корпуса сканера-окуляра встроены устройства строчной и кадровой разверток, трехцветный излучатель белого цвета, датчики синхронизации. Причем устройство строчной развертки дополнено жесткой отражающей пластиной, установленной на конце упругой полоски второго резонатора, а само устройство строчной развертки размещено в герметичном корпусе с прозрачным окном. Устройство кадровой развертки выполнено по типу строчной развертки или содержит отражающую пластину с виброприводом или приводом от микродвигателя, например шагового, трехцветный излучатель белого цвета включает три чипа (красный, зеленый, голубой) и снабжен оптоволоконной системой для смешивания цветов, установленных в едином корпусе.
Кроме того, устройство по п.3 формулы изобретения, отличающееся тем, что система управления сканерами-окулярами, видеосигналом и светодиодным трехцветным излучателем включает строчной селектор, блок задержки, два блока памяти (первый и второй), блок считывания, смеситель, блок синхронизации с фотодатчиками, шины соединения, генератор тактовых импульсов, блок питания. Причем строчной селектор соединен шинами с блоком задержки и первым блоком памяти, блок считывания соединен шинами с первым блоком памяти и смесителем, который соединен шинами с блоком задержки, а смеситель соединен шинами со вторым блоком памяти, который соединен шинами с блоком синхронизации с фотодатчиками, а фотодатчики установлены как концевые датчики строчной и кадровой разверток внутри сканера-окуляра.
Краткое описание чертежей
На фиг.1 представлена схема глаза человека в разрезе по вертикали и показано, что реальное изображение на сетчатке глаза перевернуто.
На фиг.2 показано, что все существующие способы формирования видеоизображения связаны с использованием экрана (дисплея).
На фиг.3 представлена схема сканирования сетчатки глаза световым (лазерным) лучом с нанесением на сетчатку видеоизображения.
На фиг.4 представлена схема компенсации оптической кривизны хрусталика глаза.
На фиг.5 представлена схема расширения угла вхождения светового луча в глазное яблоко за счет схождения световых лучей в фокусе внутри хрусталика или глазного яблока.
На фиг.6 представлена схема формирования объемного видеоизображения в трехмерном пространстве.
На фиг.7 (а, b, с) представлена схема работы сканера на различных этапах развертки светового луча.
На фиг.8 представлена гармоническая кривая, близкая к синусоидальной, по которой происходит строчная развертка светового луча сканером.
На фиг.9 представлена пилообразная кривая стандартной строчной развертки, например, электронного луча кинескопа телевизора.
На фиг.10 представлено совмещение синусоиды и пилообразной кривой.
На фиг.11 представлено ограничение времени строчки линейной частью синусоиды.
На фиг.12 представлены графики стандартного видеосигнала (а) и этапы (b, с, d) его преобразования в адаптированный видеосигнал.
На фиг.13 представлена блок-схема преобразования стандартного видеосигнала, адаптированного для прямого и обратного хода луча чересстрочной развертки.
На фиг.14 представлен растр кадра видеоизображения, полученный методом прямого и обратного хода луча чересстрочной развертки.
На фиг.15 представлена блок-схема управления цветом и яркостью видеоизображения.
На фиг.16 представлен цифровой импульс цветного видеосигнала в световом луче.
На фиг.17 представлена схема бинокулярного сканера в разрезе (вид сверху) для создания эффекта виртуальной реальности.
На фиг.18 представлен сканер-окуляр в разрезе (виды сбоку - А и сверху - В).
На фиг.19 представлено устройство строчной развертки.
На фиг.20 представлен в разрезе светодиодный трехцветный излучатель.
На фиг.21 представлена блок-схема системы управления сканерами-окулярами, видеосигналом и светодиодным трехцветным излучателем.
На фиг.22 показан бинокулярный сканер для создания эффекта виртуальной реальности у пользователя устройством по изобретению.
На фиг.23 представлено выполнение второго резонатора в виде оптического волновода.
На фиг.24 представлено выполнение сканера-окуляра с размещением в нем сканирующей вращающейся головки.
Осуществление изобретения
На фиг.1 представлена схема глаза человека в разрезе по вертикали. Глаз человека (глазное яблоко) 1 имеет сложное устройство, но для работы способа формирования трехмерного цветного виртуального видеоизображения из элементов глаза достаточно указать хрусталик 3 и сетчатку 2. Изображение реального объекта 4 (стрелка) проецируется через хрусталик 3 на сетчатку глаза 2. Хрусталик является линзой. Световые лучи, идущие от объекта, преломляются хрусталиком по законам геометрической оптики. Поэтому на сетчатке глаза изображение 5 перевернуто. Кроме того, сетчатка представляет собой не плоский экран, а сферу, и проецируемое изображение 5 представлено изогнутым по сфере. Сетчатка 2 преобразует оптическое изображение в нервные сигналы, которые поступают в мозг, и человек видит реальные предметы. Мозг человека работает так, что перевернутое на сетчатке и изогнутое по сфере изображение воспроизводится мозгом не перевернутым и не изогнутым. Человек видит реальный мир.
Все известные способы искусственного воспроизведения видеоизображения связаны с проецированием изображения на экран (дисплей), кино, телевидение, компьютер. Экран - это промежуточное устройство между человеком и воспроизводимым видеоизображением.
На фиг.2 показано, что изображение с экрана (дисплея) 6 проецируется на сетчатку 2 глаза. Изображение стрелки 6 в эллипсе на сферической сетчатке глаза искажается и перевернуто. Но пользователь видит плоский экран и плоское видеоизображение с экрана, которое не является реальным отображением трехмерного мира. В этом заключается сложная работа мозга по восприятию изображения. Кстати, в физике не существует цветов, а только длина волны световых фотонов. Это мозг дает цветное восприятие мира, проявляя свои уникальные возможности.
Чтобы трехмерное цветное видеоизображение воспринималось мозгом человека как реальное, необходимо создать условия восприятия видеоизображения, аналогичные восприятию реального трехмерного пространства. Для этого необходимо убрать экран (дисплей) как промежуточное звено между человеком и реальным пространством и проецировать видеоизображение непосредственно на сетчатку глаза. Этим техническим приемом достигается обман восприятия мозгом видеоизображения, который при отсутствии промежуточного экрана воспринимает видеоизображение, напрямую проецируемое на сетчатку глаза, как реальное, несмотря на иллюзорность видеокартинки. Данный технический прием позволяет создать полную иллюзию реальной действительности (виртуальной реальности).
Чтобы создать полную иллюзию виртуальной реальности, необходимо видеосигналом модулировать световой луч и, сканируя напрямую световым лучом сетчатку глаза, воспроизвести на сетчатке видеоизображение, минуя его воспроизведение на промежуточном экране. Глаз оценивает только прямое видеоизображение на сетчатке, полученное без проецирования на промежуточный экран, как это происходит в действительности. Изначально записанное с реального объекта видеоизображение, при проецировании его, таким образом, на сетчатку глаза воссоздает исходное изображение объекта.
Рассмотрим особенности формирования трехмерного цветного виртуального видеоизображения на сетчатке глаза. Но прежде уточним, что лазерный луч представляет когерентное излучение на конкретной частоте. При смешивании нескольких цветов лазерный луч является носителем нескольких световых частот. Поэтому термин «световой луч» (используемый ранее и далее по тексту) как более широкое понятие включает лазерное излучение, а также светодиодное и другие виды световых излучений, поскольку световой луч можно формировать, используя фокусировку и диафрагмирование расходящегося светового излучения.
На фиг.3 представлена схема сканирования сетчатки глаза световым лучом с нанесением на сетчатку видеоизображения. Сканирующий по строчкам и кадрам световой луч выходит из сканера 7, проходит хрусталик 3 и воссоздает на сетчатке 2 исходное видеоизображение 5, которое пользователю кажется реальным 4, находящимся за сканером 7. Исключение экрана и прямое проецирование изображения на сетчатку глаза позволяет создавать виртуальную картину событий, близкую к реальной. Сканирующий световой луч наносит напрямую на сетчатку глаза виртуальное видеоизображение, создавая иллюзию реальности.
В формуле изобретения предлагаемый способ отличается тем, «что виртуальное видеоизображение у пользователя воссоздают методом строчного и кадрового сканирования непосредственно самой сетчатки глаза световым лучом». Это является существенным отличительным признаком способа, поскольку прямое нанесение на сетчатку глаза видеоизображения методом строчного и кадрового сканирования светового луча ранее не было известно. И только прямое сканирование сетчатки глаза световым лучом дает положительный эффект восприятия виртуальной реальности.
Однако прямое сканирование сетчатки глаза световым лучом сопряжено и с биологическими особенностями его строения, которые требуют введения дополнительных признаков (приемов) при формировании прямого видеоизображения.
Прежде всего, необходимо отметить, что хрусталик глаза предназначен для фокусировки изображения на сетчатке. При лазерном нанесении изображения методом сканирования тонким лучом исключается сама необходимость фокусировки изображения на сетчатке глаза. В данном случае хрусталик становится лишним элементом, вносящим искажения в проецируемое лазерным лучом видеоизображение на сетчатке глаза (фиг.3).
Чтобы компенсировать негативное действие оптической кривизны хрусталика, между хрусталиком 3 и сканером 7 устанавливается компенсирующая вогнутая линза 8 с обратной кривизной (фиг.4). В этом случае световой луч из сканера по прямой линии проецируется на сетчатку глаза (с целью упрощения картинки на фиг.4 не показано преломления луча на хрусталике и компенсирующей линзе). Компенсирующая линза может быть контактной.
В формуле изобретения данный элемент способа отражен фразой: «при этом компенсируют оптическую кривизну хрусталика». То, что это делается с помощью линзы 8, в дальнейшем находит свое отражение в формуле на устройство.
Однако при маленьких размерах хрусталика и зрачка глаза сканер 7 необходимо очень близко приближать к глазу, что создает неудобства пользователю. Чтобы отодвинуть сканер от глаза необходимо расширить угол вхождения светового луча в глазное яблоко. Для этого между хрусталиком 3 и сканером 7 устанавливается выпуклая линза таким образом, чтобы схождение световых лучей в фокусе линзы находилось внутри хрусталика 3 или глазного яблока (фиг.5). В этом случае создается эффект, как будто сканер находится внутри хрусталика 3 или глазного яблока, расширяя угол вхождения светового луча в глазное яблоко. Для этого достаточно сравнить фиг.3 и 5. Кроме того, схождение световых лучей внутри хрусталика также компенсирует оптическую кривизну хрусталика. При этом, независимо от оптической системы линз, необходимо формировать видеоизображение на сетчатке глаза перевернутым сверху вниз на 180°, как это происходит в действительности.
В формуле изобретения данный элемент способа отражен фразой: «при этом компенсируют оптическую кривизну хрусталика и/или расширяют угол вхождения светового луча в глазное яблоко за счет схождения световых лучей в фокусе внутри хрусталика или глазного яблока, причем видеоизображение на сетчатке глаза формируют перевернутым сверху вниз на 180°». Это делается с помощью линзы 9 и в дальнейшем находит свое отражение в формуле изобретения на устройство. Кроме того, перевернуть изображение на сетчатке глаза можно, сканируя сетчатку снизу вверх.
Чтобы получить объемное изображение «сканируют одновременно и независимо сетчатку правого и левого глаза, а изображение на каждом глазу формируют от двух различных видеосигналов, полученных при записи исходного видеоизображения объектов наблюдения под различным углом зрения». Для записи объектов наблюдения под различным углом зрения необходимо использовать две совмещенные видеокамеры с разнесенными объективами на расстоянии, равном или более межзрачкового расстояния человека, синхронизируя двухканальную запись на единый носитель. При воспроизведении двухканальной записи по предлагаемому способу, каждый из глаз пользователя видит свое видеоизображение, а сами изображения в каждом глазу сдвинуты в ракурсе под различным углом зрения, как будто глаза наблюдают реальную картину в трехмерном пространстве. Этим достигается оптическая иллюзия объема.
На фиг.6 представлена схема формирования объемного видеоизображения в трехмерном пространстве. Левый и правый сканеры 7 создают независимые изображения в левом и правом глазу под различным углом зрения по двум каналам от двух видеосигналов, изначально записанных под различным углом зрения. Мозг пользователя воспринимает изображения каждого глаза и создает виртуальную картину пространства-времени, близкую к реальной.
Если пользователь, например, смотрит футбольный матч по телевизору, то предлагаемый способ формирования виртуального видеоизображения создает полную иллюзию присутствия на футбольном матче. И даже более, пользователь может виртуально приближаться к футболисту вплотную, получая иллюзию присутствуя на футбольном поле. Это зависит от ракурса кадра, снимаемого телеоператором. При этом каждый футболист 4 на поле будет восприниматься пользователем как реальный живой человек (фиг.6).
Далее перейдем к техническим решениям формирования цветного изображения, управления видеосигналом и его синхронизацией со сканером.
Из физики известно, что белый цвет является смешением трех цветов: красного, зеленого, синего. Известны лазеры белого цвета, состоящие из трех лазеров: красного, зеленого, синего цветов. Известны также трехцветные светодиоды, состоящие из трех светодиодов: красного, зеленого, синего цветов. Использование известного технического решения по новому назначению, дающему новый эффект, является отличительной частью изобретения. Сканирование непосредственно самой сетчатки глаза световым лучом белого цвета (смешение красного, зеленого и синего цветов) ранее не было известно и дает новый эффект формирования цветного виртуального видеоизображения, поэтому данный элемент формулы включен в ее отличительную часть.
Использование «Способа широкоформатной высокоскоростной развертки лазерного луча для передачи и получения видео- и других изображений и устройства для его реализации» (Заявка №2006136455/28(039706) от 17.10.2006) для формирования объемного цветного виртуального видеоизображения имеет свою специфику. Прежде всего, это резонансный способ возбуждения сканеров для развертки светового луча, который требует принципиально новых технических приемов синхронизации.
На фиг.7 (а, b, с) представлена схема работы сканера на различных этапах развертки светового луча, например на угол 150°. Сканер включает первый резонатор 10; второй резонатор 11 с отражающей зеркальной поверхностью; возбудитель колебаний 12; входящий и отраженный световые лучи 13. Второй резонатор 11 колеблется в резонансе по гармоническому закону, близкому к синусоидальному, разворачивая световой луч по такому закону.
1
На фиг.8 представлена гармоническая кривая, близкая к синусоидальной, по которой происходит строчная развертка светового луча сканером (ωt - циклическая частота, рад/с; T - период развертки светового луча, с; Х - отклонение светового луча по горизонтали или отклонение колеблющейся отражающей поверхности резонатора 11 (фиг.7).
2
1
2
1
1
2
2
На фиг.9 представлена пилообразная кривая стандартной строчной развертки, например, электронного луча кинескопа телевизора. Период «пилы» - Т. Отклонение луча по горизонтали Х происходит на линейном участке a-a «пилы». Время прохождения строчки - t. Именно на этом участке воспроизводится видеоизображение одной строчки на экране кинескопа. Обратный ход луча на участке b-b за время t гасится и не виден на экране.
Сравним форму кривой резонансной строчной развертки светового луча сканером (фиг.8) и стандартную пилообразную кривую строчной развертки электронного луча кинескопа (фиг.9). Как видно, резонансная строчная синусоидальная развертка светового луча не соответствует стандартной пилообразной развертке видеосигнала. Необходимо новое техническое решение, направленное на адаптацию предлагаемого способа формирования виртуального видеоизображения. В формуле изобретения вместо термина «лазерный луч» применяем более широкое понятие «световой луч».
Для этого строчное сканирование сетчатки глаза в кадре производят световым лучом по закону, близкому к синусоидальному, на частоте, равной половине частоты строчной развертки исходного видеосигнала, предварительно проводят селекцию видеосигнала для нечетных и четных строчек развертки на два потока прямой и обратной последовательности, видеосигнал для нечетных строчек прямой последовательности задерживают во времени, а видеосигнал для четных строчек инвертируют во времени в видеосигнал обратной последовательности, далее сигналы смешивают в единый адаптированный видеосигнал, который записывают в блок электронной памяти, а затем видеосигнал извлекают синхронно с работой сканера, обеспечивая чересстрочную развертку обратного хода луча в обратной последовательности, а время прохождения строчки ограничивают линейной частью синусоиды, таким образом, формируют одновременно два кадра для прямой и обратной последовательности хода светового луча, а затем кадры прямой и обратной последовательности совмещают в единый кадр. Поясним эти действия более подробно.
1
2
1
1
2
На фиг.10 представлено совмещение синусоиды X и пилообразной кривой Х. Для этого синусоиду сдвигают на величину ΔT относительно «пилы». Как видно, период синусоиды T в два раза больше периода Т «пилы». Период обратно пропорционален частоте колебаний. Это доказывает, что частота синусоидальной развертки должна быть в два раза меньше частоты «пилы», чтобы обеспечить эквивалентную скорость развертки светового луча. Например, стандартная частота строчной развертки при количестве 625 строк в кадре на частоте кадровой развертки 25 кадров в секунду составляет 15625 Гц. При переходе с «пилы» на синусоиду частота кадровой развертки и частота строчной развертки уменьшится в 2 раза и составит половину от 15625 Гц, то есть 7812,5 Гц.
1
2
1
2
1
На фиг.11 представлено ограничение времени строчки линейной частью синусоиды. Для этого синусоиду обрезают сверху и снизу, а строчную развертку ведут на ее линейной части для прямого хода луча слева направо по линии a-a, и для обратного хода луча справа налево по линии b-b. Как видно, для формирования изображения используется прямой и обратный ход луча. В течение периода T прописывается две строчки - прямая и обратная. Поэтому на частоте 7812,5 Гц строчной синусоидальной развертки получаем на растре стандартные 625 строчек, при частоте кадровой развертки 25 кадров в секунду.
1
2
1
2
На фиг.12 представлены графики стандартного видеосигнала (а) и этапы (b, с, d) его преобразования в адаптированный видеосигнал. Нечетные 15 и четные 16 строчки стандартного цифрового видеосигнала разделены синхроимпульсами 14 (фиг.12а). На фиг.12 не показаны тактовые импульсы цифрового видеосигнала. Первая строчка 1 видеосигнала 15 синхронизируется с прямым ходом светового луча на участке a-a (фиг.11) Вторая строчка 2 стандартного видеосигнала 16 попадает на участок b-b развертки обратного хода светового луча, нарушая единство видеоизображения.
1
2
Чтобы адаптировать стандартный видеосигнал к синусоидальной форме строчной развертки, необходимо задействовать участок b-b развертки обратного хода светового луча в обратной последовательности. Для этого вторую строчку 2 видеосигнала 16 необходимо инвертировать по времени в обратной последовательности. Напрямую и сразу это сделать не удается. Инвертирование четной второй строчки видеосигнала 16 проходит несколько этапов (фиг.12b, с, d). Вначале необходимо наладить селекцию нечетных и четных строчек, разделив их на два видеосигнала 17 и 18 (фиг.12b). Получили два потока нечетных 17 и четных 18 строчных видеосигналов прямой последовательности с чересстрочным чередованием.
Чтобы четные сигналы 18 инвертировать по времени в обратную последовательность необходимо его записать в память оперативного запоминающего устройства (ОЗУ), а затем считать в обратной последовательности на той же тактовой частоте считывания. При этом нечетным видеосигналам 19 необходимо обеспечить временную задержку относительно исходного видеосигнала 17, равную времени экспозиции строчки между синхроимпульсами. На фиг.12с представлены графики инвертированных четных строчных видеосигналов 18 в видеосигнал 20 обратной последовательности и временная задержка нечетных строчных видеосигналов 19 прямой последовательности. На фиг.12d представлены график совмещенного строчного видеосигнала из последовательных видеосигналов прямой 19 и обратной 20 последовательности. Полученный видеосигнал адаптирован для примененной системы строчной развертки.
1
2
1
2
На фиг.13 представлена блок-схема преобразования стандартного видеосигнала, адаптированного для прямого и обратного хода луча чересстрочной развертки. Стандартный видеосигнал поступает в строчной селектор 20 и разделяется на две чересстрочных группы 17 и 18 прямой последовательности (фиг.12b). Видеосигнал 17 поступает на блок 21 временной задержки. Видеосигнал 18 поступает в блок 22 памяти оперативного запоминающего устройства (ОЗУ). Блок 23 считывает из ОЗУ (блок 22) в обратной последовательности видеосигнал четных строчек. Далее видеосигналы прямой и обратной последовательности из блоков 23 и 21 поступают в смеситель 24, а затем в блок 25 памяти оперативного запоминающего устройства (ОЗУ) На выходе из блока 25 получаем видеосигнал прямой 19 и обратной 20 последовательности (фиг.12d), адаптированный для строчной развертки прямого и обратного хода светового луча Извлечение видеосигнала из блока 25 синхронизировано с ходом светового луча на участках a-а и b-b (фиг.11). Для этого в указанных точках устанавливаются фотодатчики. В блоке памяти 14 может быть записан видеосигнал из нескольких кадров. Поэтому адаптированный видеосигнал на выходе блока 17 будет испытывать задержку по времени относительно исходного видеосигнала.
1
2
1
2
На фиг.14 представлен растр кадра видеоизображения, полученный методом прямого и обратного хода луча чересстрочной развертки. Прямой луч a-a прописывает строчку слева направо, а обратный луч b-b справа налево, заполняя 625 строчек в растре кадра и формируя видеоизображение. Получается, что в одном кадре совмещено два чересстрочных кадра для прямого и обратного ходя луча. Это позволяет при настройке совместить картину двух чересстрочных кадров в один общий кадр. При проецировании видеоизображения на сетчатку глаза развертка кадра ведется снизу вверх, переворачивая изображение.
Управление цветом и яркостью видеоизображения осуществляют изменением мощности и длительности светового луча одновременно для каждого цвета (красного, зеленого, синего) в отдельности.
На фиг.15 представлена блок-схема управления цветом и яркостью видеоизображения. Адаптированный видеосигнал из блока 25 (фиг.13) подается через блок цветности 26 на лазер 27 белого цвета, включающий три монохромных лазера с раздельным управлением: красный 28, зеленый 29, синий 30. После прохождения блока 31 смешивания цветов световой луч подается на сканер 32, включающий системы строчной 33 и кадровой 34 разверток. В результате формируется видеоизображение или на экране 35, или на сетчатке глаза 2 (фиг.6). Необходимо отметить, что при формировании видеоизображения на сетчатке глаза преимущественно используются светодиодные лазеры очень малой мощности.
На фиг.16 представлен цифровой импульс цветного видеосигнала в световом луче, включающий три цвета: красный 28, зеленый 29, синий 30. Изменением амплитуды (мощности) импульсов и их длительности регулируется яркость и цветность видеоизображения по определенному алгоритму и программе. Последовательность цифровых импульсов определяет структуру видеосигнала.
Таким образом, завершено описание предлагаемого способа формирования объемного цветного виртуального видеоизображения на сетчатке глаза человека. Описание отражает все элементы формулы изобретения.
Далее рассмотрим конструкцию и работу устройства для создания эффекта виртуальной реальности у пользователя, реализующие способ формирования объемного цветного виртуального видеоизображения.
В качестве прототипа устройства использовано устройство строчной развертки, состоящее из двух линейных механически сопряженных полосковых резонатора, первый резонатор снабжен возбудителем колебаний, второй резонатор представляет упругую полоску, закрепленную на конце первого резонатора (заявка №2006136455/28(039706) от 17.10.2006 «Способ широкоформатной высокоскоростной развертки лазерного луча для передачи и получения видео- и других изображений и устройство для его реализации».
По варианту 1 на фиг.17 представлена схема устройства в разрезе (вид сверху) для создания эффекта виртуальной реальности, выполненная в виде бинокулярного сканера 37 (два сканера-окуляра 38 и 39, разнесенные на межосевое расстояние между глазами человека), включающего два корпуса 40 и 41 сканеров-окуляров, линз 42 и 43, шлема 44, устройства строчной 45 и кадровой 46 разверток, светодиодного трехцветного излучателя 47 (или лазера белого цвета), датчиков синхронизации, системы управления сканерами, звуковой системы и системы питания (не показаны).
Бинокулярный сканер 37 состоит из двух сканеров-окуляров 38 и 39, разнесенных на межосевое расстояние между глазами человека. Анализ состояния видеотехники показывает, что бинокулярный сканер и сканеры-окуляры предложены впервые и являются предметом изобретения. Сканеры-окуляры закреплены в шлеме 44, который одевается на голову пользователя таким образом, чтобы сканеры-окуляры располагались напротив глаз человека. Рассмотрим более подробно конструкцию сканеров-окуляров.
На фиг.18 представлен сканер-окуляр 38 в разрезе (виды сбоку - А и сверху - В), включающий корпус 40 с встроенными внутри корпуса сканера-окуляра линзой 42, устройствами строчной 45 и кадровой 46 разверток, светодиодного трехцветного излучателя 47, фотодиодных датчиков синхронизации 48. Устройство кадровой развертки выполнено по типу строчной развертки с полосковыми резонаторами или содержит отражающую пластину 49, расположенную на оси 50 с виброприводом или приводом от микродвигателя 51, например шагового. В случае использования шагового привода преимущественным режимом является режим отработки шага двигателя, равного смещению одной строчки в кадре.
На фиг.19 представлено устройство строчной развертки 45, состоящее из герметичного корпуса 52 с прозрачным окном 53, первого полоскового резонатора 10, возбудителя колебаний 12, второго резонатора в виде упругой полоски 11, жесткой отражающей пластины 54, магнита 55. Жесткая отражающая пластина 54 установлена на конце упругой полоски 11 второго резонатора. Магнит 55 закреплен на первом полосковом резонаторе 10. Возбудитель колебаний 12 состоит из катушки 56 с обмоткой и магнитного сердечника 57, который располагается в корпусе 52 из немагнитного материала напротив магнита 55. Первый полосковый резонатор 10 может быть выполнен из пьезокерамики. В этом случае отпадает необходимость в электромагнитном возбудителе колебаний 12. Жесткая отражающая пластина 54 обеспечивает сохранение плоской поверхности отражения в режиме колебаний. Кроме того, наличие отражающей пластины 54 на конце упругой полоски 11 второго резонатора создает небольшую дополнительную массу, стабилизирующую работу развертки, исключая самовозбуждение дополнительных гармонических колебаний в режиме «флаттера». Стабилизацию работы развертки обеспечивает также создание вакуума внутри герметичного корпуса. При линейной скорости конца упругой полоски 11, достигающей 10…20 м/с, наличие воздуха создает серьезные помехи процессу колебаний. Прозрачное окно 53 обеспечивает вход и выход светового луча в режиме развертки, сохраняя вакуум в корпусе 52.
Работает устройство строчной развертки 45, как и в прототипе (фиг.7). Частоту колебаний строчной развертки устанавливают в соответствии с предлагаемым способом, например, на частоту 7812,5 Гц. Генератор электрических колебаний с частотой 7812,5 Гц (не показан) питает катушку 56 возбудителя колебаний. Переменное магнитное поле магнитного сердечника 57 воздействует на магнит 55 первого полоскового резонатора 10, вызывая его резонансные колебания, которые усиливаются вторым резонатором в виде упругой полоски 11, обеспечивая поворотные колебания отражающей пластины 54 и развертку светового (лазерного) луча на угол до 120° и более.
2
На фиг.20 представлен в разрезе светодиодный трехцветный излучатель 47, включающий корпус 58, три излучающих полупроводниковых чипа (красный 59, зеленый 60, синий 61), оптоволоконные световоды 62, световодный смеситель цветов 63, линзу 64, выходное отверстие 65 для светового луча. Три излучающих чипа (59, 60, 61) расположены на одной подложке (основании). Чтобы вывести излучение с чипов используются оптоволоконные световоды 62, закрепленные одним концом в точке излучения чипов, а другие концы световодов 62 совмещаются вместе в единый световод и состыковываются со световодным смесителем цветов 63, выполненным из оптически прозрачного материала. Смешение трех цветов (красного, зеленого, синего) дает на выходе смесителя 63 белый цвет. Чтобы получить световой луч белого цвета излучение из смесителя 63 пропускают через линзу 64 и отверстие 65 в корпусе 58. Подбирая фокусное расстояние линзы, добиваются фокусировки светового луча непосредственно на сетчатке глаза. На 1 мм сетчатки глаза располагается порядка 400000 фотоприемников (фоторецепторов), диаметром порядка 0,0016 мм. Если принять диаметр внутренней сферы сетчатки глаза равным 20 мм, то размеры кадра на сетчатке могут составить ориентировочно 30×30 мм. При количестве строк в кадре 625, высота строчки, прописываемая световым лучом по сетчатке глаза, составит около 0,05 мм. Это позволяет захватывать по высоте строчки порядка 30 фоторецепторов сетчатки глаза. Есть резерв повышения разрешающей способности сканера-окуляра за счет повышения частоты строчной развертки.
Конструктивные особенности бинокулярного сканера 37 нашли отражение в формуле изобретения на устройство под пунктом 3.
Работает бинокулярный сканер 37 (фиг.17) следующим образом. Сканеры-окуляры 38 и 39 проецируют на сетчатку левого и правого глаза видеоизображения от двух параллельных видеосигналов, полученные при записи от бинокулярной камеры с двумя разнесенными объективами под различным углом зрения. У пользователя создается эффект виртуальной реальности.
1
2
1
2
На фиг.21 представлена блок-схема системы управления сканерами, видеосигналом и светодиодным трехцветным излучателем, включающая строчной селектор 20, блок задержки 21, первый блок памяти 22, блок считывания 23, смеситель 24, второй блок памяти 25, блок синхронизации 66 с фотодатчиками 48 (фиг.18), шины соединения, генератор тактовых сигналов, блок питания (на фиг.21 не показаны). Строчной селектор 20 шинами соединен с блоком задержки 21 и первым блоком памяти 22. Блок считывания 23 соединен шинами с первым блоком памяти 22 и смесителем 24. Блок задержки 21 соединен шинами со смесителем 24, а смеситель 24 соединен шинами со вторым блоком памяти 25, который соединен шинами с блоком синхронизации 66. Блок синхронизации 66 соединен с фотодатчиками 48, которые установлены на линейной части a-a и b-b (фиг.11) строчной развертки светового луча, а также в начале и конце развертки кадра, как концевые датчики строчной и кадровой разверток внутри сканера.
Работает система управления сканерами, видеосигналом и светодиодным трехцветным излучателем следующим образом (частично рассмотрена при описании способа фиг.13). Стандартный цифровой видеосигнал подается на строчной селектор 20 и разделяется на два потока прямой последовательности для нечетных и четных строчек развертки (фиг.12). Видеосигнал прямой последовательности (нечетные строчки) имеет временную задержку в блоке задержки 21, который представляет собой блок памяти и считывания для управления временем задержки (не показаны). Видеосигнал четных строчек инвертируется в видеосигнал обратной последовательности, используя первый блок памяти 22 оперативного запоминающего устройства (ОЗУ) и блок считывания 23 (фиг.13). Смешивание видеосигналов прямой и обратной последовательности производится смесителем 24. Далее адаптированный видеосигнал прямой и обратной последовательности поступает во второй блок памяти 25 (ОЗУ), с которого синхронно считывается под управлением блока синхронизации 66. Импульсы строчной и кадровой разверток на блок синхронизации 66 подаются от фотодатчиков 48, установленных внутри окуляров 40 (фиг.18).
Фотодатчики установлены в начале и в конце строчки, обеспечивая выработку синхроимпульсов для запуска строчной развертки для строчек прямой и обратной последовательности. Фотодатчики установлены также в начале и в конце развертки кадра, обеспечивая запуск кадровой развертки как сверху вниз, так и снизу вверх (изображение перевернуто). Считывание цифрового видеосигнала внутри строчки производится тактовыми импульсами от отдельного генератора (не представлены). Разделение видеосигнала по цветности (на красный, зеленый, синий) производится известными схемами и не рассматривается в материалах изобретения. Для более четкой работы системы синхронизации сканера-окуляра питание систем строчной и кадровой разверток синхронизируется с исходным видеосигналом по известным схемам и не рассматривается в материалах заявки.
1
2
1
2
Стандартный видеосигнал поступает в строчной селектор 20 и разделяется на две чересстрочных группы 17 и 18 прямой последовательности (фиг.12b). Видеосигнал 17 поступает на блок 21 временной задержки. Видеосигнал 18 поступает в блок 22 памяти оперативного запоминающего устройства (ОЗУ). Блок 23 считывает из ОЗУ (блок 22) в обратной последовательности видеосигнал четных строчек. Далее видеосигналы прямой и обратной последовательности из блоков 23 и 21 поступают в смеситель 24, а затем в блок 25 памяти оперативного запоминающего устройства (ОЗУ). На выходе из блока 25 получаем видеосигнал прямой 19 и обратной 20 последовательности (фиг.12d), адаптированный для строчной развертки прямого и обратного хода светового луча. Извлечение видеосигнала из блока 25 синхронизировано с ходом светового луча на участках a-a и b-b (фиг.11). Для этого в указанных точках устанавливаются фотодатчики. В блоке памяти 14 может быть записан видеосигнал из нескольких кадров.
Конструктивные особенности системы управления сканерами, видеосигналом и светодиодным трехцветным излучателем нашли отражение в формуле изобретения на устройство под пунктом 4.
На фиг.22 показан бинокулярный сканер для создания эффекта виртуальной реальности у пользователя. Бинокулярный сканер 37 включает шлем 44, сканеры-окуляры 38 и 39, звуковые наушники 67. Бинокулярный сканер 37 встроен в шлем 44 из непрозрачного материала и включает два сканера-окуляра 38 и 39. Для восприятия звукового сопровождения служат наушники 67.
По варианту 2 на фиг.23 представлено выполнение второго резонатора в виде оптического волновода из упругого материала (вид сбоку и сверху в сечении А-А).
Устройство строчной развертки 68 включает второй резонатор 11, выполненный в виде оптического световода из упругого материала, который проходит вдоль или внутри первого резонатора 10, причем неподвижный конец оптического световода соединен с трехцветным излучателем белого цвета 69 посредством герметичного корпуса 52. Корпус 52 имеет прозрачное окно 53. При изготовлении оптического световода используются оптоволоконные технологии преимущественно с плоским или круглым сечением световода. Трехцветный излучатель белого цвета 69 представлен в виде отдельного чипа, но могут быть использованы и три чипа (красный, зеленый, синий) как на фиг.20. В качестве первого резонатора 10 использована пьезокерамическая трубка, внутри которой проходит световод. Но первый резонатор 10 может быть плоским с прохождением оптического световода вдоль его поверхности. Выходящий из первого резонатора 10 подвижный конец световода является вторым резонатором 11. В качестве первого резонатора 10 может быть использован любой другой возбудитель колебаний.
Световой луч (показан стрелкой) от трехцветного излучателя белого цвета 69 поступает на неподвижный конец оптического световода второго резонатора 11 и выходит из его подвижного конца (световой луч показан стрелкой). При возбуждении колебаний первого резонатора 1 резонансные колебания второго резонатора 2, выполненного в виде оптического световода из упругого материала, приводят к колебаниям его подвижного конца, разворачивая световой луч на определенный угол строчной развертки (фиг.23, сечение А-А).
На фиг.24 представлено выполнение сканера-окуляра 70 с размещением в нем сканирующей вращающейся головки 71. Сканер-окуляр 70 включает корпус 40, линзу 42, электродвигатель 51 с валом 50, сканирующую вращающуюся головку 71, несколько устройств строчной развертки 68, систему синхронизации (не показана), коллектор для электрических цепей (не показан). Устройства строчной развертки 68 (фиг.23) размещены внутри вращающейся головки 71. Устройства строчной развертки 68 обеспечивают развертку светового луча по горизонтали. При вращении головки 71 обеспечивается кадровая развертка светового луча по вертикали с одновременной строчной разверткой по горизонтали. Описание процесса формирования видеоизображения было приведено выше.
Работает бинокулярный сканер 37 (фиг.22) следующим образом. Шлем 44 одевается на голову пользователя. Сканеры-окуляры 38 и 39 (или выполненные по типу сканера-окуляра 70, фиг.24) проецируют на сетчатку левого и правого глаза видеоизображения от двух параллельных видеосигналов, полученные при записи от бинокулярной камеры с двумя разнесенными объективами под различным углом зрения. Воспроизводится объемное трехмерное цветное исходное видеоизображение. У пользователя создается эффект виртуальной реальности и производится впечатление, что он присутствует в трехмерном пространстве, наблюдая виртуальные события мало различимые от реальных. Таким образом, реализуется способ формирования трехмерного цветного виртуального видеоизображения.
Использование предложенного технического решения впервые обеспечивает создание эффекта виртуальной реальности у пользователя устройством по изобретению, позволяя ему «входить» в виртуальное пространство, наблюдая происходящие в нем видеособытия как реальные. Кроме того, данное техническое решение найдет широкое применение в телевидении, компьютерных дисплеях, компьютерных играх и программах, тренажерах, приборах ночного видения и других областях, где требуется визуализация информации. Изобретение может быть использовано для проецирования видеоизображения на большой экран.