Автостереоскопічна система

Реферат: Автостереоскопічна система містить поверхню візуалізації з підготовленим до сепарації зображенням, яке складається з послідовності ракурсів, бірастровий екран, що складається з двох растрів, лінзові елементи, екліпсні затвори. Бірастровий екран розташований перед поверхнею візуалізації на відстані, при якій оптична проекція частини кроку растра з загальної фокальної площини бірастра на поверхню візуалізації дорівнює кроку растра . UA 79936 U (54) АВТОСТЕРЕОСКОПІЧНА СИСТЕМА UA 79936 U UA 79936 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до техніки демонстрації стереоскопічних зображень і може бути використана в телебаченні, у компьютинзі, 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 для довільної кількості вільно розташованих глядачів. 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 відповідних кольорів. 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 окулярів та наявністю колірних спотворень. У 1908 році Габриэль Ліппман запропонував технологію запису і відтворення тривимірного зображення з використанням рельєфних оптичних пластин, що складаються з впорядковано розташованих мікролінз, і поклав початок розвитку багатокомпонентного підходу до тривимірної графіки. Ідею Ліппмана на растровій основі розвинув Моріс Бонне. Подальший розвиток вищевказаного підходу включає технічні рішення з варіаціями лінзових рельєфів або ґратчастих структур, для одержання стереозображень за допомогою спеціально підготовлених для сепарації стереопар. Зазначена підготовка полягає в графічному перетворенні ракурсів стереопар так, щоб при сполученні зображення і растра, з урахуванням переломлення в ньому променів, суміжні ракурси відновлялися роздільно для кожного ока - так звана кодограма Ліппмана-Бонне. Відома "Стереоскопічна система перегляду", згідно із заявкою WO 99/09750 від 25.02.1999 р. МПК 7 G02В 27/22, Н04N 13/00. Дана система включає підготовку вихідних стереопар методом створення кодограми Ліппмана-Бонне, що полягає в тому, що суміжні ракурси стереопар перемежовуються інвертованими вертикальними смугами зі збереженням порядку їхнього проходження - по кількості лінзових елементів лентикулярного растра та кількості ракурсів, таким чином, що при накладенні на стиснуте смугове зображення лентикулярного растру роздільно відновлюються суміжні ракурси - для лівого і правого ока. Практична реалізації відомої стереоскопічної системи перегляду вимагає прецизійного позиціонування оптичних елементів лентикулярного растра щодо смужок підготовленого зображення. Вочевидь, в цьому випадку необхідне прецизійне юстирування лентикулярного растру по горизонталі і вертикалі, що є технічно складною і дорогою процедурою. Відома автостереоскопічна система (Патент RU № 2168192 від 27.05.2001 р. МПК 7 G02В 27/22, Н04N 13/00 "Візуальний пристрій відображення і спосіб формування тривимірного зображення". Відомий пристрій заснований на застосуванні ґратчастої маски, що складається з окремих оптичних елементів з перемінною фокусною відстанню, установленої поверх поля дискретних мікрографічних елементів зображення - пікселів так, що кожен піксель 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 стереоефект від зображення в цілому. Відоме технічне рішення є складним і громіздким по кількості складових елементів і їхньої організації в єдину конструкцію. Технічна складність знижує надійність відомого пристрою і неминуче відіб'ється на вартості продукту, в якому буде використаний спосіб відомого рішення. Головною проблемою реалізації вищерозглянутих аналогів є вимога прецизійного позиціонування оптичних елементів щодо елементів спеціально підготовленого зображення на поверхні візуалізації. Практичне використання таких систем забезпечується жорстким, абсолютно точним прецизійним позиціонуванням їхніх оптичних елементів відносно пікселів зображення, що виключає взаємний дрейф (зсув) оптичних елементів, і тому подібні рішення практично виключають з'ємність 2D/3D-конверторів. Оскільки в даний час основні виробники і споживачі відеопродукції використовують 2Dформат її візуалізації, можливість сумісності і використання наявних 2D-pecypciв для їхньої трансформації в 3D-формат є актуальною технічною задачею. Відомо аналог автостереоскопічної системи (Патент US № 4729017 від 25.02.1986 р. МПК Н04N 13/00). Дана система містить дисплейну поверхню візуалізації зі спеціально підготовленим зображенням, що поділяється на пікселі. Елементи оптичних ґрат позиціоновані відносно пікселів зображення й об'єднані в автономну знімну ґратчасту пластину. На поверхні візуалізації через ґратчасту пластину глядач бачить стереоскопічне зображення. Таким чином, 1 UA 79936 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 з'ємна ґратчаста пластина повинна забезпечити 2D/3D-конвертацію 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 аналог автостереоскопічної системи (Патент US 2004263970 від 30.12.2004 р. МПК G02В 27/22 "Convertible autostereoscopic flat panel display"). Відома система містить плоский екран монітора - поверхня візуалізації, на якій знаходиться піксельне зображення стереопар, підготовлених до сепарації методом Ліппмана-Бонне, а також знімний 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 знімного екрана з оптичними елементами щодо підготовленого зображення на поверхні візуалізації. Очевидним обмеженням відомої системи є дискомфорт від непереборних спеціальних дій користувача по підстроюванню положення знімного екрана, що вимагають часу і супроводжуються неминучою утратою відеоінформації, оскільки відома система не передбачає компенсаторних механізмів автоматичного підстроювання стереозображення. Крім цього апаратурне забезпечення точності юстування (по горизонталі і вертикалі) значно підвищує вартість продуктів з використанням відомої системи. Відомо аналог автостереоскопічної системи (Патент UA № 14885 U МПК G02В 27/22, Н04N 13/00 "Автостереоскопічна система "Stereo-Step""), що містить 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, розташованих на поверхні без проміжків, з утворенням співвісних пар, кожна з яких містить анагліфічний фільтр. У відомій системі сепарація анагліфічно підготовленої стереопари здійснюється бірастровою 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 прецизійного підстроювання положення знімного екрану, оскільки бірастрова оптична структура має властивість автоматичної настройки стереозображення. Крім цього 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, характерні колірні спотворення. Це є суттєвим недоліком відомої автостереоскопічної системи. Відомий найближчий аналог автостереоскопічної системи "StereoStep-EclipsMethod", (Патент UA № 22927 U МПК G02В 27/22, Н04N 13/00 от 24.01.2007 г.), 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, розміщених по поверхні без проміжків з утворенням співвісних пар, при тому, зображення складається з послідовності m ракурсів, а частота їх слідування складає не менше фізіологічно обумовленою чутливістю ока людини (з метою виключення мерехтіння зображення), а кожна пара постачена m екліпсними затворами, кожний з яких відкриває кожний з відповідних йому ракурсів синхронно з частотою їх слідування. Суть відомої системи полягає в тому, що для сепарації ракурсів зображення використовується екліпсний метод, для реалізації якого необхідні m 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. При цьому синхронність відкриття ракурсів з частотою їх слідування є очевидно обов'язковою умовою реалізації методу. Частота слідування мусить складати не менше нижньої межі чутливості ока глядача до швидкості зміни образів. Бірастрова структура, як багатокомпонентний носій інтегрального зображення не потребує прецизійного позиціонування відносно можливості зсуву по поверхні 2 UA 79936 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 візуалізації. Це забезпечує системі 2D-сумісність і виключає необхідність дорогої точної юстировки 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 2D пристрою у 3D пристрій зводяться для користувача тільки до приєднання (прикладання) знімного екрана до поверхні візуалізації, де транслюється відеоконтент в структурованому форматі, тобто в формі послідовності ракурсів, які слідують з частотою не менше фізіологічно обумовленою чутливістю ока людини. Однак у відомій системі не врахована чутливість дистантного розміщення бірастрового екрану щодо 2D-пoвepxнi візуалізації, що може призвести до зниження якості стереозображення. Відстань між бірастровим екраном і поверхнею візуалізації демонстраційним 2D-екраном залежить від оптичних характеристик растрової оптичної структури і кількості ракурсів, що формують стереозображення. Без урахування цих параметрів суміжні смуги кожного ракурсу в діаграмі Ліппмана-Бонне можуть включати або частини своєї графіки і частини графіки суміжних ракурсів що перетинаються або втрачати частину своєї графіки. Обидва можливих дефекту дистантності призводять у підсумку до погіршення стереоефекту Цю обставину особливо слід враховувати при виконанні поверхні візуалізації та бірастрового екрану у формі однієї жорстко фіксованою конструкції. Задачею корисної моделі є визначення взаємозв'язку параметрів оптичної структури автостереоскопічної системи, при якій якість стереозображення буде найвищою. Поставлена задача вирішується тим, що в автостереоскопічній системі, що містить поверхню візуалізації з підготовленим до сепарації зображенням, яке складається з послідовності m ракурсів, кожний з яких чергується з частотою не менше фізіологічно обумовленою чутливістю ока людини і розташований перед поверхнею візуалізації бірастровий екран, що складається з двох растрів, розташованих по різні боки щодо загальної фокальної площини, яка розсіює світловий потік, кожен растр складається з лінзових елементів, розміщених по поверхні без проміжків з утворенням співвісних пар, при цьому кожна пара забезпечена m екліпсними затворами, кожен з яких відкривається синхронно з послідовністю ракурсів, згідно винаходу, бірастровий екран розташований перед поверхнею візуалізації на відстані, при якої оптична проекція частини кроку растра h m=h/m з загальної фокальної площини бірастра на поверхню візуалізації дорівнює кроку растра h. Суть корисної моделі полягає в тому, що на основі врахування взаємозв'язку параметрів оптичної структури автостереоскопічної системи визначається обумовлена цими параметрами відстань між бірастровим екраном і поверхнею візуалізації, внаслідок чого забезпечується усунення всіх можливих дефектів, пов'язаних з порушенням дистантності, і, таким чином, надійно забезпечується стала якість стереозображення. При виконанні умови, коли оптична проекція частини кроку растра h n=h/m з загальної фокальної площини бірастра на поверхню візуалізації дорівнює кроку растра h, автоматично визначається відстань d між бірастровим екраном і поверхнею візуалізації як d=f (h, m), при якій параметри оптичної структури автостереоскопічної системи такі, що виключаються погіршення стереоефекту, коли суміжні смуги кожного ракурсу в діаграмі Ліппмана-Бонне можуть включати або пересічні частини своєї графіки або втрачати частину своєї графіки. На фіг. 1 показана автостереоскопічна система (загальний вигляд); На фіг. 2 показана конструкція бірастрового екрану (варіант коли як растр використовується лентикулярний растр). На фіг. 3 показано оптичну структуру автостереоскопічної системи, при якій оптична проекція частини кроку растра hm=h/m з загальної фокальної площини бірастра на поверхню візуалізації дорівнює кроку растра h. На фіг. 4 показано оптичну структуру автостереоскопічної системи, при якій оптична проекція частини кроку растра hm=h/m з загальної фокальної площини бірастра на поверхню візуалізації менше кроку растра h. На фіг. 5 показано оптичну структуру автостереоскопічної системи, при якій оптична проекція частини кроку растра hm=h/m з загальної фокальної площини бірастра на поверхню візуалізації більше кроку растра h. Автостереоскопічна система, включає поверхню 1 візуалізації з підготовленим до сепарації зображенням і екран 2 з растровою оптичною системою, розташований перед поверхнею 1 візуалізації. Екран 2 складається з двох растрів - 3, 4, розташованих по різні сторони щодо 3 UA 79936 U 5 10 15 20 25 30 35 40 загальної розсіюючої світловий потік фокальної площини 5. Кожний з двох растрів 3, 4, складається з лінзових елементів 6, укладених на поверхні без проміжків, з утворенням пар співвісних лінзових елементів 6 із загальною оптичною віссю. Частота зміни кадрів послідовності m ракурсів, складає не менше фізіологічно обумовленої чутливості ока людини (12 Гц). Кожна пара співвісних лінзових елементів постачена m екліпсними затворами, об'єднаними в матрицю, і управляється електронною схемою 7 яка забезпечує послідовність і синхронність її роботи зі зміною кадрів і ракурсів. Матриця екліпсних затворів розміщена в загальній фокальній площині 5 бірастрової системи. Фокусування і орієнтацію кожного ракурсу здійснює оптична растрова система, а екліпсний затвір забезпечує щоб відповідні ракурси з'являлися в відповідних ділянках растрової системи. Управління матрицею екліпсних затворів здійснюється за допомогою любого відомого способу, наприклад, якщо як матрицю екліпсних затворів використана матриця рідкокристалічних елементів, управління здійснюється електричною напругою. Прояв стереоскопічного ефекту відбувається таким чином. Управляючий сигнал синхронізований зі зміною кадра-ракурсу, вмикає одночасно режим прозорості для визначених екліпсних затворів у кожній парі співвісних лінзових елементів. При цьому невизначені екліпсні затвори - непрозорі. Через прозорі затвори сфокусовані фрагменти зображення від відповідних лінзових елементів об'єктного растра відновлюються лінзовими елементами окулярного растру і об'єднуються для глядача в єдине зорове поле - поточне екранне зображення ракурсу, яке орієнтоване для відповідного ока. Наступний управляючий сигнал вмикає одночасно режим прозорості для іншої визначеної групи екліпсних затворів (залежить від кількості ракурсів), а всі екліпсні затвори крім визначених стають 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. Відстань d між бірастровим екраном і поверхнею візуалізації як функція d=f (h, m) розраховується на основі геометричної оптики відповідно до конкретних лінз - наприклад, коли як растри застосовуються лентикуляри: d=(0,0254/2ℓ)[(m-n+1)/(n-1)] де ℓ - число лінз на 1 дюйм растра, m - кількість ракурсів, n - коефіцієнт заломлення матеріалу растра. І зі сторони поверхні візуалізації бірастрова пластина забезпечується калібруючим упором, який визначає цю відстань. Калібруючий упор може бути виконаний з будь-якого оптично нейтрального матеріалу у вигляді пластини заданої товщини, у вигляді локальних упорів з того ж матеріалу, в тому числі - як ребра жорсткості для бірастра. В результаті оптична структура автостереоскопічної системи, має взаємозв'язок параметрів, при якому оптична проекція частини кроку растра hn=h/m з загальної фокальної площини бірастра на поверхню візуалізації дорівнює кроку растра h, чим забезпечується надійна висока якість стереозображення. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 45 50 55 Автостереоскопічна система, що містить поверхню візуалізації з підготовленим до сепарації зображенням, яке складається з послідовності m ракурсів, кожний з яких чергується з частотою не менше фізіологічно обумовленою чутливістю ока людини і розташований перед поверхнею візуалізації бірастровий екран, що складається з двох растрів, розташованих по різні боки щодо загальної фокальної площини, яка розсіює світловий потік, кожен растр складається з лінзових елементів, розміщених по поверхні без проміжків з утворенням співвісних пар, при цьому кожна пара забезпечена m екліпсними затворами, кожен з яких відкривається синхронно з послідовністю ракурсів, яка відрізняється тим, що бірастровий екран розташований перед поверхнею візуалізації на відстані, при якій оптична проекція частини кроку растра h m=h/m з загальної фокальної площини бірастра на поверхню візуалізації дорівнює кроку растра h. 4 UA 79936 U 5 UA 79936 U 6 UA 79936 U Комп’ютерна верстка М. Ломалова Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 7