Наголовний пристрій відображення візуальної інформації

Реферат: Винахід належить до наголовних пристроїв відображення візуальної інформації. Наголовний пристрій відображення візуальної інформації містить екран з зображенням, поверхня якого, що випромінює, є поверхнею обертання, і дзеркало, поверхня якого, що відбиває, є поверхнею обертання. Вісь обертання утворюючої поверхні дзеркала співпадає з віссю обертання утворюючої поверхні екрана, що випромінює. Згідно з винаходом, утворююча поверхні екрана, що випромінює, являє собою криву, що апроксимує щонайменше три точки, які оптично сполучені із відповідними точками заданого меридіонального перетину спостережуваного оком зображення. При цьому спільна вісь обертання утворюючих поверхонь дзеркала, що відбиває, та екрана, що випромінює, при розташуванні пристрою на голові спостерігача проходить крізь центр обертання ока спостерігача. Винахід забезпечує відображення візуальної інформації з підвищеною точністю формованого у спостерігача уявлення про своє просторове положення та заданої колімації зображення в зоні можливого положення зіниці ока спостерігача за рахунок UA 113285 C2 (12) UA 113285 C2 зменшення залежності геометрії спостережуваного зображення від положення зіниці ока спостерігача. UA 113285 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Винахід належить до пристроїв відображення візуальної інформації, переважно окулярів віртуальної або доповненої реальності або нашоломних пристроів відображення візуальної інформації. Відомий використовуваний в системах візуалізації авіаційних тренажерів з колімованим зображенням пристрій відображення візуальної інформації, що містить сферичний екран і сферичне дзеркало (див., наприклад, Barry G. Blundell, 3D Displays and Spatial Interaction, Vol. I, ISBN: 978-0-473-17702-7, "WALKER & WOOD", 2010). Недоліками відомого пристрою відображення візуальної інформації є залежність формованого у спостерігача уявлення про своє просторове положення від положення зіниць ока спостерігача через залежність геометрії спостережуваного зображення від розташування точки спостереження та того, що задану колімацію спостережуваного зображення в такому пристрої можна забезпечити лише для єдиної точки спостереження. Найбільш близьким до пристрою, що заявляється, відображення візуальної інформації є пристрій відображення візуальної інформації, що містить екран, поверхня якого, що розсіює, є поверхнею обертання, і дзеркало, поверхня якого, що відбиває, є поверхнею обертання (див., наприклад, Потапова Г.К., Москаленко М.А., "Корекція геометричних викривлень зображень у системах візуалізації авіаційних тренажерів". - Праці 7 Міжнародної конференції "Прикладна оптика - 2006". Том 3. Комп'ютерні технології в оптиці. С.-Петербург, 2006, с. 127-132). Працює цей пристрій відображення візуальної інформації таким чином. На поверхні екрана, що дифузно відбиває, яким-небудь чином створюється первинне оптичне зображення візуальна інформація, що підлягає передачі відображенню для сприйняття спостерігачем. Це зображення може створюватися шляхом прямої або зворотної проекції на екран відповідного зображення. Промені, що виходять із точок первинного оптичного зображення, відбиваються від увігнутої поверхні дзеркала, що відбиває, та попадають у зіниці очей спостерігача. При цьому на сітківці очей спостерігача формується зображення, яке відповідає первинному оптичному зображенню на поверхні екрана, що дифузно відбиває. Недоліками вищеописаного відомого пристрою відображення візуальної інформації є недостатня достовірність формованого у спостерігача уявлення про своє просторове положення та те, що задану колімацію спостережуваного зображення в такому пристрої можна забезпечити лише для єдиної точки спостереження. Задачею винаходу є створення пристрою відображення візуальної інформації з підвищеною точністю формованого у спостерігача уявлення про своє просторове положення та заданої колімації зображення в зоні можливого положення зіниці (зіниць) ока (очей) спостерігача за рахунок зменшення залежності геометрії спостережуваного зображення від положення зіниці (зіниць) ока (очей) спостерігача. Технічний результат досягається тим, що у запропонованому пристрої відображення візуальної інформації, який містить екран і дзеркало, поверхня якого, що відбиває, є поверхнею обертання, згідно з винаходом, вісь обертання поверхні дзеркала, що відбиває, проходить через центр обертання ока, а поверхня екрана являє собою поверхню, що апроксимує точки, оптично сполучені із заданими точками спостережуваного оком зображення. При цьому поверхня екрана є поверхнею обертання, вісь якої збігається з віссю обертання поверхні дзеркала, що відбиває, а твірна являє собою криву, що апроксимує точки, оптично сполучені із заданими точками меридіонального перетину спостережуваного оком зображення. Крім того, дзеркало виконане односторонньо прозорим у напрямку до зіниці ока. А в пристрій відображення візуальної інформації додатково введений другий ідентичний пристрій відображення візуальної інформації таким чином, що оптичні поверхні їх елементів симетричні одна одній відносно площини симетрії очей спостерігача. Перераховані вище ознаки становлять суть пропонованого технічного рішення. Причинно-наслідковий зв'язок між сукупністю істотних ознак пропонованого технічного рішення технічним результатом, що й досягається, полягає в наступному. Причиною залежності геометрії спостережуваного зображення від положення зіниць очей спостерігача в прототипі є те, що зсув зіниці ока спостерігача щодо його номінального положення приводить до викривлення геометрії спостережуваного зображення (див. Аерокосмічні системи моніторингу та керування: Матеріали VI Міжнародної науково-технічної конференції "АВІА-2004". - Т.2.-К.: НАУ, 2004, с. 23.54, мал. 2-5). У випадку ж виконання поверхні дзеркала, що відбиває, й поверхні екрана як поверхонь обертання із загальною віссю, що проходить через центр обертання ока, при русі зіниці принаймні у площині зору (при обертанні зіниці навколо загальної осі, поверхні дзеркала, що відбиває та поверхні екрана), конфігурація оптичної системи пристрою відображення візуальної інформації відносно зіниць не змінюється, а, виходить, зберігаються як колімація, так і геометрія спостережуваного оком 1 UA 113285 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 зображення. Саме це й забезпечує підвищення точності формованого у спостерігача уявлення про своє просторове положення та задану колімацію спостережуваного зображення щонайменше при горизонтальному переміщенні зіниці (зіниць) ока (очей) спостерігача. Суть винаходу пояснюється наведеними на фіг. 1-3 схемами пропонованого пристрою відображення візуальної інформації. На фіг. 1 наведена схема винаходу монокулярного пристрою відображення візуальної інформації - віртуальної реальності для лівого ока, що відповідна є п. 1 формули та містить екран 1 і сферичне дзеркало 2. Поверхня 3 дзеркала 2, що відбиває, утворена обертанням дуги окружності 4 навколо вертикальної осі 5, що проходить через центр обертання 6 ока 7. У межах поля зору 8 спостережуване оком 7 зображення 9 задане сукупністю його точок {Р'i}. На фіг. 1 зображено одна із заданих точок {Р'i} - центральна точка 10 спостережуваного оком 7 зображення 9. Із точкою 10 оптично сполучена точка 11. Точка 11 визначається як точка сходження відбитого поверхнею 3 дзеркала 2, що відбиває, пучка 12 променів (у зворотному ході), що виходять із зіниці 13 ока 7 і спрямованих у точку 10. Точка 11 є прообразом точки 10. У такий спосіб визначаються всі точки {Рі}, оптично сполучені із заданими точками {Р'i} спостережуваного оком 7 зображення 9. Точки {Рі} є прообразами відповідних точок {Р'i}. Поверхня 14 екрана 1, що розсіює, являє собою поверхню, що апроксимує точки {Рі}, оптично сполучені із заданими точками {Р'i} спостережуваного оком 7 зображення 9. На фіг. 2 наведена схема монокулярного пристрою відображення візуальної інформації віртуальної реальності для лівого ока, що відповідає п. 2 формули винаходу та містить екран 1 і сферичне дзеркало 2. Поверхня 3 дзеркала 2, що відбиває, утворена обертанням дуги окружності 4 навколо вертикальної осі 5, що проходить через центр обертання 6 ока 7. У межах поля зору 8 спостережуване оком 7 зображення 9 задане сукупністю точок {Р'j} його меридіонального перетину 15. На фіг. 2 зображено три із заданих точок {Р'j} - центральна точка 10 і крайні точки 16 і 17 меридіонального перетину 15 спостережуваного оком 7 зображення 9. Із точками 10, 16 і 17 оптично сполучені точки 11, 18 і 19, відповідно. Точки 11, 18 і 19 визначаються як точки сходження відбитих поверхнею 3, що відбиває, дзеркала 2 пучків 12, 20 і 21 променів (у зворотному ході), що виходять із зіниці 13 ока 7 і спрямованих у точки 10, 16 і 17, відповідно. Точки 11, 18 і 19 є прообразами точок 10, 16 і 17, відповідно. У такий спосіб визначаються всі точки {Pj}, оптично сполучені із заданими точками {Р'j} меридіонального перетину 15 спостережуваного оком 7 зображення 9. Точки {Pj} є прообразами відповідних точок {Р'j}. Поверхня 22екрана 1, що розсіює, являє собою поверхню обертання, вісь якої збігається з віссю 5 обертання поверхні 3 дзеркала 2, що відбиває. Утворююча 25 поверхні 22, що розсіює, екрана 1 являє собою криву, у цьому випадку - дугу окружності із центром у точці 24, що апроксимує точки {Pj}, оптично сполучені із заданими точками {Р'j} меридіонального перетину 15 спостережуваного оком 7 зображення 9. На фіг. 3 наведена схема (вигляд зверху) бінокулярного пристрою відображення візуальної інформації - віртуальної або доповненої реальності, що відповідає п. 4 формули винаходу та складається із двох монокулярних пристроїв відображення 25 і 26 для лівого й правого очей відповідно. Монокулярний пристрій відображення 25 візуальної інформації містить екран 1 з поверхнею, що розсіює, 22 і дзеркало 2 з поверхнею, що відбиває, 3. Монокулярний пристрій відображення 26 містить екран 27 з поверхнею, що розсіює, 28 і дзеркало 29 з поверхнею, що відбиває, 30. Поверхні, що розсіюють, 22 і 28 екранів та поверхні, що відбивають 3 і 30 дзеркал 2 і 29, попарно симетричні щодо площини 31 симетрії очей 7 і 32 спостерігача. Площина 31 проходить через середню точку відрізка, що з'єднує центри 6 і 33 обертання лівого й правого очей спостерігача, і перпендикулярна цьому відрізку. У пристрої відображення візуальної інформації з п. 4 формули винаходу кожне із дзеркал 2, 29 може бути виконане як прозорим, так і непрозорим у напрямку до зіниць 13 і 34 лівого й правоокого спостерігача. Пристрій відображення візуальної інформації, у якому дзеркала 2 і 29 виконані непрозорими в напрямку до зіниць 13 і 34, може використовуватися як бінокулярний пристрій відображення віртуальної реальності. Пристрій відображення, у якому хоча б одне із дзеркал 2 або 29 виконане прозорим у напрямку до відповідної зіниці, може використовуватися як пристрій відображення доповненої реальності. Працює пропонований пристрій відображення візуальної інформації в показаній на фіг. 1 конфігурації як монокулярний пристрій, що являє собою, монокулярний пристрій відображення віртуальної реальності для спостереження лівим оком, наступним чином. На поверхні 14 екрана 1, що розсіює, будь-яким чином формується первинне оптичне зображення. Наприклад, екран 1 може являти собою екран прямої (або зворотної) проекції, неплоский рідкокристалічний екран. Промені, що виходять від первинного оптичного зображення на поверхні 14 екрана 1, що розсіює, попадають на поверхню 3 дзеркала 2, що відбиває, відбиваються від неї й попадають у 2 UA 113285 C2 5 10 15 20 зіницю 13 ока 7 спостерігача. У результаті спостерігач бачить уявне зображення сформованого на поверхні 14 екрана 1, що розсіює, первинного оптичного зображення, відбите в дзеркалі 2. Колімація спостережуваного оком 7 зображення 9 при цьому визначається відстанню до уявного зображення в дзеркалі 2. Якщо спостережуване оком 7 зображення 9 у межах поля зору 8 задане сукупністю його точок {Р'i}, то оптичне сполучення, щонайменше часткове, точок первинного оптичного зображення на поверхні, що розсіює, 14 екрана 1 із заданим спостережуваним оком 7 зображенням 9 забезпечується тим, що поверхня 14 екрана 1, що розсіює, виконана як поверхня, яка апроксимує точки {Рі}, оптично сполучені із заданими точками {Р'i} спостережуваного оком 7 зображення 9. Координати кожної із точок {Рі} можуть бути розраховані, наприклад, як координати точки перетинання (у загальному випадку - точки сходження) відбитих поверхнею 3 дзеркала 2, що відбиває, двох променів, які виходять із верхнього й нижнього країв зіниці 13 ока 7 спостерігача й спрямованих у відповідну точку із заданих точок {Р'i} спостережуваного оком 7 зображення 9. Кількість заданих точок {Р'i} може бути різною залежно від необхідної точності колімації спостережуваного оком 7 зображення 9. Наприклад, розрахунки координат 25 точок {Рі}, оптично сполучених з 25 точками {Р'i} спостережуваного оком 7 зображення 9 на сферичній поверхні радіусом 100 м, із центром у центрі обертання 6 ока 7, при радіусі 0,072 м сферичної поверхні, що відбиває, 3 дзеркала 2, із центром на 0,033 м вище центру обертання 6 ока 7, дає наступні результати: 0.04119  0.03323 X  0.02600  0.01977 0.01456    0.01851   0.01876 Y   0.01830   0.01728  0.01585  0.04252  0.04299 Z  0.04179  0.03925 0.03574  25 30 35 40 0.04104 0.03317 0.02606 0.01994 0.01483  0.00475  0.00480  0.00468  0.00442  0.00405 0.04625 0.04665 0.04527 0.04250 0.03870 0.04107 0.03318 0.02605 0.01991 0.01477 0.00945 0.00956 0.00932 0.00880 0.00807 0.04550 0.04591 0.04457 0.04184 0.03810 0.04128 0.03327 0.02597 0.01967 0.01441 0.02277 0.02310 0.02255 0.02130 0.01954 0.04032 0.04083 0.03972 0.03733 0.03398 0.04166   0.03344  0.02586   0.01926  0.01344  ,  0.03385   0.03454  0.03383   0.03201  0.02936  ,  0.03111   0.03171  0.03099   0.02918  0.02656  ,  де X, Y, Z - координати правої прямокутної системи координат, з розташуванням осей X і Z у площині симетрії очей спостерігача при горизонтальному розташуванні осі Z у напрямку погляду, осі X - нагору, осі Y - горизонтально зліва направо. Ці 25 точок {Рі} апроксимуються поверхнею, рівняння якої при поліноміальній апроксимації має вигляд: 3 2 3 Z=0.11314xy+2.38557x+0.00001y+14.81552ху +2.72861 × y-32.57961 × у 5×4 3 5 4 2 3 9×4 4 +9.47204 10 y +2.93140 10 xy +171.42086 × y -1.85476 10 y 3 3 5×3 2 6×4 2 7×2 4 -24629.40054 × y +1.94261 10 y -1.66086 10 y -1.14190 10 y 2 2 2 4 8×3 4 2 -10999.95695 × y +312.77651xy +95.93761 × у+2.17817 10 y -68.98370 × 3 4 2 3 +0.01576+997.10332 × -7021.68003 × -13.57205y +5.88838y 4 -5109.94590y . Оскільки поверхня 14 екрана 1, що розсіює, описувана отриманим при поліноміальній інтерполяції рівнянням, проходить точно через точки, по яких виконувалась інтерполяція, то внаслідок принципу оборотності геометричної оптики уявне зображення в дзеркалі 2 буде спостерігатися на заданій відстані. При апроксимації по чотирьох точках {Рі}, оптично сполучених із чотирма заданими точками {Р'i} спостережуваного оком 7 зображення 9 поверхня 14 екрана 1, що розсіює, може бути сферичною. У показаній на фіг. 2 конфігурації системи відображення візуальної інформації пристрій відображення візуальної інформації працює аналогічно пристрою відображення візуальної інформації в показаній на фіг. 1 конфігурації. Різниця лише в тому, що в цьому випадку 3 UA 113285 C2 5 10 15 20 25 30 35 утворююча 23 поверхні 22 екрана 1, що розсіює, визначається як плоска крива, що апроксимує точки {Pj} (у тому числі точки 11, 18 і 19), оптично сполучені із заданими точками {P'j} (у тому числі із точками 10, 16 і 17) меридіонального перетину 15 спостережуваного оком 7 зображення 9. При цьому кожна із точок {Pj} утворюючої 23 поверхні 22 екрана 1, що розсіює, визначається як точка сходження відбитих поверхнею 3 дзеркала 2, що відбиває, пучків променів (у зворотному ході), що виходять із зіниці 13 ока 7 і спрямованих у відповідну точку {P'j} меридіонального перетину 15 спостережуваного оком 7 зображення 9. Так, наприклад, точки 11, 18 і 19 оптично сполучені із точками 10, 16 і 17 меридіонального перетину 15 спостережуваного оком 7 зображення 9 Поверхня 22 екрана 1, що розсіює, виконана як поверхня обертання утворюючої 23 навколо осі 5 обертання поверхні 3 дзеркала 2, що відбиває. Пристрій відображення візуальної інформації за п. 2 формули винаходу працює аналогічно пристрою відображення в показаних на фіг. 1, 2 конфігураціях, з тією різницею, що додатково промені з навколишнього простору предметів у межах поля зору 8 проходять через дзеркало 2, що виконане односторонньо прозорим у напрямку до зіниці 13, і попадають у зіницю 13 ока 7 спостерігача. При цьому спостерігач бачить в дзеркалі 2 не тільки уявне зображення первинного оптичного зображення на поверхні 14 або 22 екрана 1, що розсіює, але й дійсне зображення навколишніх його предметів у межах поля зору 8. Таким чином, пристрій відображення візуальної інформації за п. 2 формули винаходу являє собою монокулярний пристрій відображення доповненої реальності. У показаній на фіг. 3 конфігурації системи відображення візуальної інформації до пристрою відображення 25 візуальної інформації додатково введений пристрій відображення 26 візуальної інформації працює точно так само, як і пристрій відображення 25 візуальної інформації, з тою лише різницею, що створює зображення віртуальної або доповненої реальності для іншого, правого 32 ока спостерігача. Причинно-наслідковий зв'язок між сукупністю істотних ознак пропонованого технічного розв'язку технічним результатом, що досягається, полягає в наступному. Причиною залежності геометрії спостережуваного зображення від положення зіниць око спостерігача в прототипі є те, що зсув зіниці ока спостерігача щодо його номінального положення призводить до викривлення геометрії спостережуваного зображення (див. Потапова Г.К., Москаленко М.А., "Корекція геометричних викривлень зображень у системах візуалізації авіаційних тренажерів". - Праці 7 Міжнародної конференції "Прикладна оптика - 2006". Том 3. Комп'ютерні технології в оптиці. С.-Петербург, 2006, с. 127-132). У випадку ж виконання поверхні дзеркала, що відбиває, й поверхні екрана як поверхонь обертання із спільною віссю, що проходить через центр обертання ока, при русі зіниці принаймні у площині зору (тобто при обертанні зіниці навколо загальної для поверхні дзеркала, що відбиває, та поверхні екрана осі), конфігурація оптичної системи пристрою відображення щодо зіниці не змінюється, а, виходить, зберігаються як колімація, так і геометрія спостережуваного оком зображення. Тому за рахунок зменшення залежності геометрії спостережуваного зображення від положення зіниці (зіниць) ока (очей) спостерігача він може більш точно уявити своє просторове положення. 40 ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 45 50 55 1. Наголовний пристрій відображення візуальної інформації, що містить екран з зображенням, поверхня якого, що випромінює, є поверхнею обертання, і дзеркало, поверхня якого, що відбиває, є поверхнею обертання, вісь обертання утворюючої якої співпадає з віссю обертання утворюючої поверхні екрана, що випромінює, який відрізняється тим, що утворююча поверхня екрана, що випромінює, являє собою криву, що апроксимує щонайменше три точки, які оптично сполучені із відповідними точками заданого меридіонального перетину спостережуваного оком зображення, а спільна вісь обертання утворюючих поверхонь дзеркала, що відбиває, та екрана, що випромінює, при розташуванні пристрою на голові спостерігача проходить крізь центр обертання ока спостерігача. 2. Наголовний пристрій відображення візуальної інформації за п. 1, який відрізняється тим, що дзеркало виконане односторонньо прозорим у напрямку до зіниці ока. 3. Наголовний пристрій відображення візуальної інформації за п. 1, який відрізняється тим, що в нього додатково введені другий екран та друге дзеркало, оптичні поверхні яких симетричні відносно площини симетрії очей спостерігача відповідним оптичним поверхням першого дзеркала та першого екрана. 4 UA 113285 C2 5 UA 113285 C2 Комп’ютерна верстка Л. Бурлак Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 6