Автостереоскопічна система “stеreоstep-eclipse method”

Корисна модель відноситься до техніки демонстрації стереоскопічних зображень і може бути використаний в телебаченні, у комп’ютинзі, у системах контролю і керування, САПР, ігровій техніці, для створення тренажерів в авіоніці і приладобудуванні, у науці, освіті, медицині і таке інше, - для об'ємного моделювання і візуального представлення статичних і динамічних процесів у 3D-форматі. Створення тривимірного зображення продовжує залишатися серйозною технічною проблемою. Відомий метод кольорових анагліфів, що полягає в одержанні стереоскопічного зображення з використанням двох пофарбованих у додаткові (комплементарні) кольори зображень-ракурсів, що складають стереопару, яке потім глядач дивиться за допомогою окулярів зі світлофільтрами різного кольору. При розгляді стереопари через такі окуляри кожне око сприймає тільки свій ракурс-зображення. При цьому, завдяки ефектові бінокулярного змішання ракурсів, формується об'ємне зображення. Розвиток цього методу обмежений дискомфортом користувача в частині необхідності використання світлофільтрувальньгх окулярів. У 1908 році Габриэль Липпман запропонував технологію запису і відтворення тривимірного зображення з використанням рельєфних оптичних пластин, що складаються з упорядоченно розміщених мікролінз, і поклав початок розвиткові багатокомпонентного підходу до тривимірної графіки. Ідею Липпмана на растровій основі розвив Моріс Бонне. Подальший розвиток вищевказаного підходу включає технічні рішення з варіаціями лінзових рельєфів або ґратчастих структур, для одержання стереозображень за допомогою спеціально підготовленої для сепарації стереопари. Зазначена підготовка полягає в графічному перетворенні ракурсів стереопари так, щоб при сполученні зображення і растра, з урахуванням переломлення в ньому променів, обидва ракурси відновилися роздільно для кожного ока. Відомо технічне рішення згідно [заявки WO 99/09750 від 25.02.1999 р. МПК 7 G02В27/22, Η04N13/00 "Стереоскопічна система перегляду"]. Відоме технічне рішення включає підготовку вихідної стереопари методом Липпмана-Бонне, що полягає в тім, що ракурси стереопари перемежовуються інвертованими вертикальними смугами зі збереженням порядку їхнього проходження - по числу лінзових елементів лентикулярного растра, таким чином, що при накладенні на стиснуте смугове зображення роздільно відновлюються обидва ракурси - для лівого і правого ока. Практична реалізації відомої стереоскопічної системи перегляду вимагає прецизійного позиціонування оптичних елементів лентикулярного растра щодо смужок підготовленого зображення. Відома автостереоскопічна система - згідно [патенту RU №2168192 від 27.05.2001 р. МПК 7 G02В27/22, Η04N13/00 "Візуальний пристрій відображення і спосіб формування тривимірного зображення"]. Відоме технічне рішення засноване на застосуванні ґратчастої маски, що складається з окремих оптичних елементів з перемінною фокусною відстанню, установленої поверх поля дискретних мікрографічних елементів зображення - пикселів так, що кожен пиксель позиціонований на оптичній осі окремого оптичного елемента. Зовнішнє керування фокусною відстанню окремих оптичних елементів дозволяє імітувати розходження в глибині зорового сприйняття відповідних пікселів, тобто виявляти стерео-ефект від зображення в цілому. Відоме технічне рішення є складним і громіздким по числу складових елементів і їхньої організації в єдину конструкцію. Головною проблемою реалізації вищерозглянутих технічних рішень є вимога прецизійного позиціонування оптичних елементів щодо елементів спеціально підготовленого зображення на поверхні візуалізації. Практичне використання таких систем забезпечується жорстким закріпленням їхніх оптичних елементів відносно пікселів зображення, що виключає взаємний дрейф (зсув) оптичних елементів. Оскільки в даний час основні виробники і споживачі відеопродукції використовують 2D-формат її візуалізації, можливість сумісності і використання наявних 2D-pecypciв для Їхньої трансформації в 3D-формат є актуальною технічною задачею. Відомо технічне рішення автостереоскопічної системи згідно [патенту US №4729017 від 25.02.1986 р. МПК Η04N13/00]. Відоме технічне рішення включає дисплейну поверхню візуалізації зі спеціально підготовленим зображенням, що поділяється на пікселі. Елементи оптичних ґрат позиціоновані відносно пікселів зображення й об'єднані в автономну з'ємну ґратчасту пластину. На поверхні візуалізації через ґратчасту пластину глядач бачить стереоскопічне зображення. Таким чином, з'ємна ґратчаста пластина повинна забезпечити 2D/3Dконвертацію зображення. Однак, на практиці точне позиціонування ґратчастої пластини на дисплеї відносно пікселів зображення є складною оптико-механічною задачею, що не вирішена у відомому технічному рішенні, й у цьому випадку неминучі викривлення зображення, яке проектується скрізь пластину, і втрата стереоефекту. Відомо технічне рішення автостереоскопічної системи - відповідно до [патенту US 2004263970 від 30.12.2004р. МПК G02В27/22 "Convertible autostereoscopic flat panel display" (найближчий аналог)]. Відома система включає плоский екран монітора - поверхня візуалізації, на якій знаходиться піксельне зображення стереопари, підготовленої до сепарації методом Люшмана-Бонне, а також з'ємний екран у виді лентикулярного растра розташованого паралельно поверхні візуалізації. Відома автостереоскопічна система включає засоби для юстування у формі оптичного тесту, реалізованого у виді орієнтованого щілинного растра на екрані монітора разом із пристроєм механічного зсуву з'ємного екрана з оптичними елементами щодо підготовленого зображення на поверхні візуалізації. Очевидним обмеженням відомої системи є вимога плоского моніторного екрана і дискомфортність від непереборних спеціальних дій користувача по підстроюванню положення знімного екрана, що вимагають часу і супроводжуються неминучою утратою відеоінформації. Відомо технічне рішення автостереоскопічної системи згідно [патенту UA №14885 U МПК G02В27/22 , Η04N13/00 " Автостереоскопічна система "Stereo-Step"], що включає поверхню візуалізації з підготовленою до сепарації стереопарою у формі анагліфу, знімний екран з растровою оптичною структурою , розташований перед поверхнею візуалізації. Знімний екран складається з двох растрів, розташованих по різні сторони загальної фокальної площини, яка розсіює світловий потік. Кожний з растрів складається з лінзових елементів і/або їхніх оптичних еквівалентів, розташованих на поверхні без проміжків, з утворенням співвісних пар лінзових елементів, кожна з яких містить анагліфічний фільтр. У відомому технічному рішенні сепарація анагліфічно підготовленої стереопари здійснюється растровою структурою, що не вимагає прецизійного позиціонування щодо поверхні візуалізації. Це забезпечує відтворення стереоефекту зі стійкою якістю анагліфічної технології, при цьому конвертація 2D/3D для користувача зводиться тільки до приєднання знімного екрану до поверхні візуалізації, минаючи процес підстроювання положення знімного екрану. Крім того, анагліфічне представлення стереопари, у силу особливостей формування, забезпечує розміщення кожного її ракурсу на всій поверхні візуалізації, що забезпечує високу якість представлення кожного ракурсу стереозображення і , як наслідок, високу точність, чіткість і контрастність стереозображення. Однак, у силу тих же особливостей анагліфічного представлення стереопари для стереозображення, відтвореного відомим технічним рішенням, характерна втрата кольоровості. Передача кольорів не відбувається і стереозображення має моно забарвлення різних відтінків. Це є суттєвим недоліком відомого технічного рішення авто-стереоскопічної системи. Задачею технічного рішення, що заявляється, є створення авто-стереоскопічної системи, яка б забезпечила високу якість передачі кольорів стереозображення при одночасному забезпеченні для користувача комфортності при відтворенні стереоефекту і при конвертуванні 2D формата у 3D формат. Поставлена задача вирішується тим, що в автостереоскопічній системі «StereoStep- EclipsMethod», яка включає поверхню візуалізації з підготовленим до сепарації зображенням и розташований перед поверхнею візуалізації знімний екран, який складається з двох растрів, розташованих по різні сторони відносно загальної фокальної площини, яка розсіює світловий потік, кожний з яких складається з лінзових елементів і/або їх оптичних еквівалентів, розміщених по поверхні без проміжків з утворенням співвісних пар лінзових елементів і/або їх еквівалентів, згідно з корисною моделлю, зображення складається з переміжної послідовності n ракурсів, при цьому частота їх слідування складає не менше 0,02-0,05сек-1, а кожна пара лінзових елементів і/або їх еквівалентів постачена n екліпєними затворами, кожний з яких відкриває кожний з відповідних йому ракурсів послідовності. Сутність технічного рішення, що заявляється, полягає в тому, що для сепарації ракурсів зображення використовується екліпсний метод. Бкліпсний (обтюраторний) метод стереоскопії полягає в сепарації зображення стереопари почерговим перекриттям лівого і правого світлових потоків перед об'єктивами проекційного пристрою або перед очами глядача. Перекриття мусять виконуватись синхронно таким чином, щоб кожне око бачило тільки призначене для нього зображення. Екліпсних затворів має бути мінімум два, а взагалі їх може бути n по кількості ракурсів зображення. Для реалізації технічного рішення, що заявляється, необхідні n екліпсних затворів (по кількості ракурсів зображення) для кожної пари лінзових елементів, кожний з яких відкриває послідовно кожний з ракурсів, оставляючи решту ракурсів в затемненому стані. Частота слідування мусить складати не менше 0,02-0,05сек-1 , оскільки така частота є межею чутливості ока глядача до швидкості зміни образів. Загальною частиною всіх екліпсних автостереоскопічних конструкцій є два обов'язкових модуля позиціонований оптичний затвір (екліпсний затвір) і розподілювач ракурсів. В технічному рішенні, що заявляється, ці функції виконує конструкція з двох растрів, розташованих по різні сторони відносно загальної фокальної площини, яка розсіює світловий потік, кожний з яких складається з лінзових елементів і/або їх оптичних еквівалентів, розміщених по поверхні без проміжків з утворенням співвісних пар лінзових елементів і/або їх еквівалентів, при цьому кожна пара лінзових елементів і/або їх еквівалентів постачена n екліпсними затворами, у точній відповідності кількості ракурсів . Використання єкліпсного методу на основі вказаної растрової структури дає можливість получити на екрані панорамне автостереоскопічне зображення. Растрова структура, як багатокомпонентний носій інтегрального зображення не потребує, як і в найближчому аналогу, прецизійного позиціонування відносно поверхні візуалізації. Це забезпечує системі 2Dсумісність і виключає необхідність підстроювання екрану при стійкій якості відтворювання стереоефекту. Екліпсний метод передбачає послідовне використання кожного ракурсу з розміщенням його на всій поверхні візуалізації, тим самим забезпечується повнота, чіткість, контрастність і передача всієї гамми кольорів зображення. Водночас забезпечується для багатьох глядачів відтворювання стереоефекту з стійкою якістю, яку можна зрівняти з прямим спостереженням екрану. При цьому, необхідні оптичні перетворення відеоконтенту зводяться для користувача тільки до приєднання (прикладання) знімного екрана до демонстраційної поверхні візуалізації, де транслюється відеоконтент в описаному структурованому форматі, тобто в формі переміжної послідовності ракурсів, які слідують з частотою не менше 0,02-0,05сек-1. Таким чином, сукупність суттєвих ознак технічного рішення, що заявляється, вирішує поставлену задачу забезпечення високої якості передачі кольорів стереозображення при одночасному забезпеченні для користувача комфортності при відтворенні стереоефекту і при конвертуванні 2D-форматау 3D-формат. Це демонструє приклад конкретного виконання автостереоскопічної системи, що заявляється. На Фіг.1 показана автостереоскопічна система (загальний вигляд); На Фіг.2 показана растрова конструкція знімного екрану (варіант лентікулярних растрів), (а) - растрова конструкція в зборі, (б) - компоненти знімного екрану; На Фіг.3 показана пара лінзових елементів із загальною оптичною віссю; На Фіг.4 показана схема формування структурованого відеоряду. На Фіг.5 показана схема управління матрицею екліпсних затворів. Автостереоскопічна система, включає поверхню 1 візуалізації з підготовленою до сепарації зображенням і знімний екран 2 з растровою оптичною системою, розташований перед поверхнею 1 візуалізації. Знімний екран 2 складається з двох растрів - 3, 4, розташованих по різні сторони щодо загальної розсіюючої світловий потік фокальної площини 5. Кожний з двох растрів 3, 4, складається з лінзових елементів 6 і/або їх оптичних еквівалентів, укладених на поверхні без проміжків, з утворенням пар 7 співвісних лінзових елементів 6 із загальною оптичною віссю 8. Зображення складається з послідовності n ракурсів 91-9n, при цьому частота їх слідування складає не менше 0,02-0,05сек-1 Кожна пара 7 співвісних лінзових елементів 6 і/або їх еквівалентів постачена n екліпсними затворами 10110n, кожний з яких відкриває кожний з відповідних йому ракурсів 91-9n послідовності синхронно з частотою їх слідування. Оскільки кожний з затворів кожного лінзового елемента 6 мусять синхронно відкривати відповідний фрагмент ракурсу, доцільно для управління екліпсними затворами 101-10 n об'єднати їх в матрицю 11 структурно ідентичну матриці лінзових елементів, маючи на увазі, що кожний лінзовий елемент має n екліпсних затворів 101-10 n , в нашому прикладі розглядається варіант з двох екліпсних затворів 101, 102. В прикладі розглядається варіант з лентикулярними растрами і, відповідно, матриця єкліпсних затворів вміщує два елементарних смугових затворів для кожного лінзового елемента, при цьому кожний затвір має два стани - прозорий і непрозорий. Матриця 11 єкліпсних затворів розміщена в фокальній площині 5 растрової оптичної системи. Формування структурованого відеоряду показане на Фіг.4 . Ракурси зображення (91...9n), які слідують з частотою не менше 0,02-0,05сек-1 , фокусуються з наступною за тим орієнтацією таким чином, щоб суміжні ракурси направлялись окремо для кожного ока і, таким чином, структурований відеоряд сприймається глядачем як об'ємне стереозображення. Фокусування і орієнтацію кожного ракурсу здійснює оптична растрова система, а єкліпсний затвір 10 забезпечує , щоб відповідні ракурси з'являлися в відповідних ділянках растрової системи. Управління матрицею 11 єкліпсних затворів 10 здійснюється за допомогою любого відомого способу, наприклад, як показано на Фіг.5 , де в якості матриці 11 екліпсних затворів 10 використана матриця рідкокристалічних елементів. Прояв стереоскопічного ефекту при вільному навішуванні екрану 2 на поверхню 1 візуалізації з структурованим 2D-відеоконтентом відбувається таким чином. Керуючий сигнал зміни кадра-ракурсу, синхронізований з переключенням ділянок-смуг екліпсної матриці 11, вмикає одночасно режим прозорості для всіх, наприклад, непарних смут 101 матриці. При цьому парні смути 102 - непрозорі. Через прозорі смуги сфокусовані фрагменти зображення від відповідних лінзових елементів об'єктного растру відновлюються лінзовими елементами окулярного растру і об'єднуються для глядача в єдине зорове поле - поточне екранне зображення, яке орієнтоване для відповідного ока. Наступний управляючий сигнал вмикає одночасно режим прозорості для парних смут матриці, а непарні смуги становляться непрозорими. При цьому формується зображення для другого ока глядача, при умові виконання вимог до частоти слідування кадрів-ракурсів. Таким чином формується стереопара стереоскопічного зображення і глядач бачить об'ємну картину в кадрі. При більшій кількості ракурсів зображення: буде, більш повним, рельєфним. В цьому випадку кількість смуг екліпсної матриці збільшується у відповідності з кількістю ракурсів і схема управління мусить забезпечити відповідне вмикання їх прозорої і непрозорої ділянки. Оскільки формування структурованого відеоряду відбувається з використанням ракурсів, які розміщені на всій поверхні візуалізації і, відповідно, охоплює всі мікрографічні елементи зображення з повною гаммою кольорів, об'ємна картина передає повну гамму кольорів 2D відеоконтенту. Таким чином технічне рішення, що заявляється виконує поставлену задачу - з високою якістю передає всю гамму кольорів стереозображення і при цьому для конвертування 2D формата у 3D формат достатньо навісити знімний екран на поверхню візуалізації, тобто забезпечується для користувача комфортність при відтворенні стереоефекту. Автостереоскопічна система «StereoStep EclipsMethod», яка заявляється, в процесі модельних і лабораторних випробувань в інженерному агентстві «AntenNet» продемонструвала високу якість передачі (чіткість, контрастність, повноту кольорової гамми) стереозображення.