ES2281238B1 - Camara de captacion de imagenes en 3 dimensiones y dispositivo de visionado en 3d no estereoscopico que no requiere el uso de gafas. - Google Patents
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Abstract
La cámara se compone de una rendija, una lente y un conjunto de obturadores en línea que se van abriendo secuencialmente de un extremo a otro de la rendija repetidamente, obteniéndose una imagen fija del objeto enfocado y un conjunto de imágenes diferentes entre sí de los objetos no enfocados. La distancia de enfoque se transmite a la unidad reproductora. La unidad reproductora contiene un monitor para generación de imágenes en 2D, un grupo de lentes, un sistema para controlar la posición de la imagen virtual y un conjunto de obturadores de apertura secuencial. La invención está enmarcada en el sector audiovisual, cinematográfico y fotográfico. Los principios fundamentales se basan en la óptica y la opto-electrónica, y requieren del procesamiento electrónico de señales. La aplicación es la televisión, grabación y reproducción de imágenes en tres dimensiones.
Description
Cámara de captación de imágenes en 3 dimensiones
y dispositivo de visionado en 3D no-estereoscópico
que no requiere el uso de gafas.
La invención está enmarcada en el sector
audiovisual, incluyendo televisión y videograbaciones, y sus
principios pueden ser aplicados también al sector cinematográfico y
fotográfico mediante adaptaciones. Los principios fundamentales se
basan en la óptica y la optoelectrónica para la captación y
reproducción.
Existen gran cantidad de patentes y aparatos que
permiten una visión tridimensional de imágenes. Existen actualmente
sistemas diversos para producir un efecto tridimensional en el
observador.
Los sistemas existentes se pueden clasificar en
tres categorías:
- a)
- Sistemas que requieren la utilización de gafas. Estos sistemas se pueden denominar estereoscópicos. Consisten en la superposición de dos imágenes ligeramente distintas, obtenidas por ejemplo mediante dos cámaras fotográficas, de vídeo o de cine, ligeramente desplazadas entre sí, lateralmente, y proyectadas con ese mismo desplazamiento relativo. La utilización de las gafas por el observador hace que cada una de las dos imágenes superpuestas llegue al ojo izquierdo y derecho selectivamente, con lo que se obtiene el efecto tridimensional.
- b)
- Sistemas que producen el efecto mediante la posición relativa del ojo y la pantalla, con dos imágenes también distintas que se ven alternativamente dependiendo del desplazamiento lateral del ojo. Tienen el inconveniente de que existen posiciones espaciales en que no se obtiene el efecto tridimensional, y la imagen es confusa.
- c)
- Sistemas holográficos, en los que la imagen varía de un punto a otro del espacio del observador de la misma manera que si se moviese en el espacio en el que se encuentra el objeto. Estos sistemas suelen ser holografías monocromáticas de obtención mediante tecnología láser.
Para la transmisión mediante sistemas de
televisión o cine, solamente las dos primeras tienen posibilidades
de utilización práctica.
El primer aparato conocido, es un juguete
compuesto por un par de anteojos equipados con una lente, y un
disco en el que se montan en posición diametralmente opuesta pares
de diapositivas obtenidas por sistemas estereoscópicos de
fotografía.
Estos dispositivos se basan todos ellos en el
fenómeno estereoscópico, por el que con dos imágenes distintas, una
para cada ojo, transmiten una auténtica percepción de la
distancia.
Sistemas también muy antiguos y conocidos en el
cine utilizan gafas para luz polarizada, de manera que se proyecta
la imagen en la pantalla procedente de dos tomas realizadas con un
ligero desplazamiento de la lente, en sentido horizontal, y con un
filtro de luz polarizada en ángulos que difieren 90º para que cada
ojo perciba solo una de las imágenes. Otros sistemas similares en
cine y en fotografía, y posteriormente también en vídeos,
utilizaban filtros rojo y azul para uno y otro ojo, con lo que se
obtenía también una percepción diferenciada de la imagen procedente
de cada una de las cámaras o sistemas ópticos.
A continuación se indican los resultados de una
investigación realizada para conocer el estado actual publicado de
patentes orientadas al mismo objetivo que la presente invención:
JP2004077778 Autostereoscopic information display. Es un display o
pantalla. No indica formas de obtención de la imagen a
representar.
US2003039031 Observer-adaptive
autostereoscopic display. Es un display o pantalla. No indica
formas de obtención de la imagen a representar.
JP2001045521 STEREOSCOPIC IMAGE PHOTOGRAPHING
OPTICAL SYSTEM AND STEREOSCOPIC IMAGE PHOTOGRAPHING DEVICE USING
IT. Dispositivo para obtener fotografías desde un único objetivo
para visualización en paralax. No es comparable en su función.
JP2000206460 STEREOSCOPIC VIDEO DISPLAY DEVICE
WITHOUT USING SPECTACLES. Pantalla para visualización de imágenes
estereoscópicas que permite la visión simultánea por varios
observadores viendo todos ellos las mismas imágenes desde distintos
puntos de vista pero con la misma percepción. Utiliza una filosofía
distinta y unos objetivos distintos pero resuelve también de otra
manera la visualización.
\newpage
JP2000267045 STEREOSCOPIC VIDEO DISPLAY DEVICE.
Sistema de visualización estereoscópica que hace uso de lentes de
Fresnel. No es comparable dado que requiere otros dispositivos que
no forman parte de la invención para la obtención de la imagen y no
está concebido para la transmisión o recepción.
JP2000224614 THREE DIMENSIONAL DISPLAY METHOD
AND DEVICE. Utiliza aspectos de percepción sensorial para percibir
un cierto efecto tridimensional en la reproducción, no indica nada
de la captación de imágenes.
JP2000162545 MULTI-VIEWPOINT
THREE DIMENSIONAL VIDEO DISPLAY SYSTEM. Es un sistema
estereoscópico para varios observadores (una imagen para cada ojo)
No incluye la captación de imágenes.
JP2000039588 DEVICE FOR PROJECTING VIDEO ON
STEREOSCOPIC SCREEN Sistema para proyección de imagen
estereoscópica con un espejo. No indica nada de la captación.
DE10252830 Autostereoscopic adapter for flat
panel display, includes electronic sensor unit with circuitry
matching screen-lens-scanning raster
configuration. Pantalla para visualización de imágenes
estereoscópicas que permite la visión simultánea por varios
observadores viendo todos ellos las mismas imágenes desde distintos
puntos de vista pero con la misma percepción. Utiliza una filosofía
distinta y unos objetivos distintos pero resuelve también de otra
manera la visualización.
US2003234909 STEREOSCOPIC IMAGE DISPLAY METHOD
AND APPARATUS. Sistema para la proyección de imágenes
estereoscópicas en cine.
US2003076407 Stereoscopic
image-taking lens apparatus, stereoscopic
image-taking system and image-taking
apparatus. Cámara para la toma de imágenes de vídeo
estereoscópicas.
US2004218037 3D display using micromirrors
array. Sistema de proyección que utiliza microespejos
múltiples.
ES8608697 Improvements in cameras for forming
three-dimensional images. Utiliza un objetivo en
forma de ranura, y múltiples cilindros.
La ventaja de la invención propuesta respecto de
las anteriores, es que resuelve la toma y reproducción desde
múltiples puntos de vista, haciendo uso de las características de
las lentes simples, no multifacéticas. La forma de integrar las
distintas imágenes es por multiplexado secuencial, en el tiempo,
mediante el uso de obturadores de alta velocidad. La percepción
tridimensional se consigue para todo un arco de unos 50º alrededor
del eje vertical central de la pantalla.
La invención que se presenta consiste en un
sistema para la captación, y reproducción de imágenes en tres
dimensiones, de manera que pueda ser vista sin utilizar gafas.
La forma en que se puede entender mejor el
funcionamiento, es considerando que se trata de una ventana. Cuando
se mira a través del cristal de una ventana se obtiene una imagen
con una percepción de las tres dimensiones. Supongamos que estamos
mirando a través de la ventana de una habitación; los rayos de luz
llegan a la ventana desde el exterior y entran en la habitación. Si
fuésemos capaces de hacer que los rayos de luz que entran por la
ventana de la cámara salieran por la ventana de los reproductores o
pantallas, de manera que a cada punto del cristal de la ventana le
correspondan los miles de rayos luminosos que procedentes de todas
las direcciones de la otra parte de la ventana pasan con la
información luminosa, conservando la misma intensidad y color de
cada rayo en cada punto y según la dirección, tendríamos una
auténtica reproducción de la realidad, indistinguible.
Cuando se trata de enfocar una imagen con una
cámara oscura provista de una lente, se aleja y acerca la lente al
plano de proyección hasta que se encuentra una distancia en la cual
la imagen es nítida para los objetos que se encuentran a
determinada distancia de la lente.
Si nos imaginamos una lente de por ejemplo unos
dos metros de diámetro, en una gigantesca cámara oscura, también
habrá una distancia en la que un determinado plano objeto queda
óptimamente enfocado. En ese momento, los distintos rayos de luz
procedentes de un punto del plano objeto y que atraviesan la lente
por la totalidad de su superficie, se encuentran en un único punto
correspondiente del plano del sensor de la cámara.
Supongamos que la lente es la propia ventana de
la habitación. Si bajamos la persiana delante de la lente, de
manera que quede solamente una rendija, y colocamos una placa opaca
a la luz, provista de un pequeño orificio, la imagen enfocada
solamente llega a través de la rendija, ya dado que toda la rendija
está tapada por la placa salvo en un pequeño orificio, llega solo a
través de ese pequeño orificio. Si ese orificio se desplaza por
delante de la rendija, justo por delante de la lente, la imagen que
se proyecta sobre la placa fotosensible de la cámara es la que vería
el ojo del observador desde ese mismo punto prácticamente.
Dado que la imagen está enfocada para el objeto
enfocado, ese objeto no sufre ningún desplazamiento en la
superficie de la placa de formación de la imagen en la cámara
oscura cuando el orificio se desplaza de izquierda a derecha o de
derecha a izquierda, ya que por ser el objeto enfocado, todos los
rayos que atraviesan la lente procedentes de un punto del objeto
enfocado coinciden en un punto único de la imagen. Puede verse esto
en la Fig. 1.
Sin embargo los objetos cuya imagen sí se
desplaza al mover el orificio de derecha a izquierda son los
objetos no enfocados y por lo tanto borrosos. Ver Fig. 1, la figura
no enfocada del hombre delante de la casa.
Para lograr una sensación de tres dimensiones se
deben conseguir dos objetivos en el aparato de reproducción, como
puede verse en la Fig. 2:
- -
- En primer lugar, para tener una completa percepción tridimensional es necesario que la imagen se forme a una cierta distancia del observador, aproximadamente la misma que la real, que puede estar más cerca que la propia pantalla, crearse en el espacio más próximo al observador, y también más lejos, a 10, 20 m o a varios kilómetros.
- -
- En segundo lugar, el entorno no enfocado, tanto el situado tras el objeto enfocado y como el que esté más próximo que el objeto enfocado, debe modificarse al desplazarse la posición del ojo del observador, de manera que a cada ojo le llegue una información ligeramente distinta y que dependa de la posición del observador.
Para la reducción de la información, que
comienza en el mismo momento de la captación de la señal en la
cámara, interesa hacer reducciones que simplifiquen la información
visual hasta un valor mínimo con significación sensorial. Ejemplos
de esas simplificaciones son habituales en la reproducción de
imágenes y sonido:
- -
- Utilizando dos altavoces se transmite una señal estereofónica.
- -
- De los infinitos colores existentes en la naturaleza, solo se utilizan tres como fundamentales, combinándolos para transmitir la percepción del color.
- -
- De los infinitos instantes de la realidad, se transmiten 20 o 30 tomas por segundo para transmitir la imagen del movimiento.
- -
- La cantidad de información por unidad de superficie de pantalla es la cuarta parte de densa para las tres señales de color que para la señal de blanco y negro en la televisión en color.
De la misma manera, para transmitir una
"auténtica imagen tridimensional", no es necesario transmitir
toda la información de la "ventana". Las simplificaciones en
la captación de la imagen y en la reproducción en el visionador, son
las siguientes:
- -1.
- En lugar de transmitir la totalidad de la ventana, podríamos "bajar la persiana" y dejar solamente una rendija horizontal. Se prescinde del cambio de la imagen por desplazamiento vertical del observador.
- -2.
- En lugar de transmitir una imagen nítida y precisa de la totalidad de los objetos, solamente se transmite nítidamente la de los objetos enfocados. Estamos acostumbrados a ver que los objetos no enfocados dan una imagen borrosa y de menor resolución.
- -3.
- El sistema propuesto añade el hecho de que la imagen enfocada es prácticamente la misma para todos los puntos de vista que transmite la cámara, siendo distinta la imagen de un punto de vista a otro para los objetos no enfocados (que no están a la distancia "de enfoque"). Las distintas imágenes que se obtienen en un desplazamiento lateral del observador difieren en la posición relativa de los objetos más distantes y de los menos distantes, con relación al objeto enfocado. Si consideramos que el objeto enfocado, en el plano enfocado está fijo, es decir, que en el plano paralelo al de la superficie fotosensible de la cámara que se ve con la máxima nitidez, la imagen correspondiente no sufre desplazamientos al moverse de izquierda a derecha, los objetos que se encuentran a mayor distancia parece que se mueven de izquierda a derecha, y los más próximos, parece que se mueven de derecha a izquierda
El sistema que se propone, es un sistema en el
que la imagen varía de un punto a otro según se mueve el ojo del
observador lateralmente, con lo que la imagen que llega a cada ojo
es distinta, de la misma manera que si estuviera presente, no
requiere gafas y no hay zonas intermedias en las que la imagen sea
confusa. Es un sistema en el que el reproductor crea las
continuaciones de las trayectorias luminosas que llegan a la
cámara, por lo que el funcionamiento de ambos en conjunto permite
la captación y reproducción de imágenes en tres dimensiones, es
decir el reproductor puede dar una imagen tridimensional que
proceda de señales elaboradas por la cámara. Existen otros sistemas
reproductores, por ejemplo estereoscópicos para un solo observador o
para múltiples observadores, con o sin gafas, cuyas imágenes pueden
obtenerse de las que elabora la cámara propuesta en esta invención,
mediante un cierto procesamiento que selecciona dos ubicaciones en
la rendija, o pares de ubicaciones en la rendija. También es posible
lógicamente generar señales mediante ordenador sin utilizar la
cámara, pero no serían imágenes "de la realidad".
Los elementos más característicos de la
invención son la lente de rendija, el diafragma de desplazamiento
por la rendija, y el foto-sensor de alta
velocidad.
La rendija permite un rango lineal de posibles
posiciones del ojo del observador. Todas las imágenes del objeto
enfocado son coincidentes en una imagen única, por lo que aunque la
selección de posiciones sea discreta y no continua, eso no se
percibe en la imagen del objeto enfocado. Por el contrario, los
objetos no enfocados se localizan en posiciones distintas
dependiendo del punto de la rendija a través del cual se observen.
Estos objetos presentan contornos difusos por el hecho de no estar
enfocados, por lo que las posiciones discretas no tienen un efecto
perceptible.
En cuanto a la serie de obturadores, permite la
selección de posiciones discretas de la rendija mediante la
apertura selectiva de los obturadores. Los obturadores deben ser
opto-electrónicos, para permitir un control rápido,
flexible y fiable. Existen en el mercado obturadores basados en
fenómenos magneto-ópticos y en fenómenos electro-ópticos, que
pueden ser adaptados a la función requerida.
El elemento fotosensible de alta velocidad debe
ser capaz de obtener la imagen para el tiempo de apertura de cada
obturador.
A continuación se describen los componentes de
la invención, la cámara y el reproductor.
La cámara comprende una rendija y una lente. La
lente puede reducirse a un corte de una lente entre dos planos
paralelos entre sí y paralelos a al eje de la lente. Así mismo, la
lente debe tener una gran distancia focal para no producir
aberraciones en la imagen producida por los extremos de la lente.
Por otra parte al ser de muy poca altura, ya que solo pasa por ella
la luz que atraviesa la rendija horizontal, la distancia focal
respecto de la altura es todavía mayor. Por ese motivo, es menos
exigente en la curvatura superficial en la dirección vertical que
en la dirección horizontal, y se pueda abaratar su construcción
utilizando generatrices horizontales en la superficie delantera y
directriz circular o parabólica; mientras que la generatriz será
vertical en la superficie posterior, con directriz esférica o
parabólica en este caso.
Por delante de la lente se coloca un obturador,
que abre un hueco en una pantalla opaca, hueco que permite el paso
de la luz y que se va desplazando de un extremo a otro de la
rendija una y otra vez.
Este desplazamiento puede producirse por
ejemplo, mediante la superposición de dos ranuras, una ranura fija
horizontal y otra radial o espiral sobre un disco que gira a
decenas de revoluciones por segundo. Otra forma de hacerlo es
colocando ante la ranura horizontal una serie de obturadores
electrónicos que se van abriendo y cerrando uno tras otro.
En cada una de esas posiciones daría lugar a una
imagen ligeramente distinta de la anterior al proyectarse la luz
que pasa por el agujero en la pantalla del dispositivo en la que se
enfoca la imagen. La imagen que se procesa es la imagen enfocada
sobre el plano de detección, que se corresponde con una distancia
concreta desde la cámara al objeto enfocado. La información de la
distancia de enfoque debe ser transmitida a un control de
posicionamiento de la imagen en la unidad reproductora; para ello
el sistema de enfoque debe disponer de un potenciómetro que emite
una señal eléctrica dependiendo de la distancia entre la lente y la
superficie de formación de la imagen plana. Esta señal se utiliza
en el reproductor para posicionar la imagen real o virtual a una
distancia del observador. Es necesario que la cámara esté dotada de
un dispositivo de toma de imágenes de gran velocidad, del orden de
1000 a 100000 imágenes por segundo, dependiendo de la amplitud de
la ranura y de la precisión deseada del efecto tridimensional.
La transmisión puede hacerse mediante una señal
eléctrica modulada de una cámara de tubo de rayos catódicos,
ajustada a unas frecuencias de barrido horizontal y vertical
adecuadas para conseguir ese número de imágenes por segundo. Sin
embargo, la transmisión de las imágenes de este modo requiere
transmitir señales de alta frecuencia correspondientes a los
detalles de mayor resolución, que por las características de la
cámara se repiten en las imágenes de distintos puntos de vista de
manera casi idéntica, mientras que las señales de los puntos que se
corresponden con zonas no enfocadas son señales de menor frecuencia
y que varían más entre dos imágenes de dos puntos de vista
sucesivos. Por todo esto es de prever que se optimice mucho la
transmisión mediante la utilización de técnicas digitales de
compresión de la señal.
El sistema de reproducción contiene una pantalla
generadora de imágenes (un "monitor de televisión" por
ejemplo) un grupo de lentes, un sistema de adaptación para el
enfoque, así como un servocontrol para controlar la posición de
enfoque y la apertura angular, y un conjunto lineal de obturadores.
La imagen plana reproducida en una pantalla de video, de rayos
catódicos; esta imagen debe estar reproducida en principio tantas
veces como la repetición de tomas que hace la cámara de 1000 a
100000 imágenes por segundo, siendo en general muy similares las
imágenes de una a otra toma, pero el número de imágenes por segundo
puede ser mayor si se realizan interpolaciones, o menor perdiendo
información. La imagen se recoge y se invierte con una lente que
forma una imagen real de la pantalla. Esta imagen real es recogida
por una segunda lente, y forma una imagen virtual que dependiendo de
la distancia relativa entre las lentes y la pantalla se sitúa en el
infinito o en cualquier plano a una cierta distancia desde el
observador. Una vez que los rayos de luz han pasado por esta segunda
lente ya han recuperado la dirección con que llegaban a la rendija
en la cámara, pero solo para una pequeña zona de la ventana de
visión.
Para que la imagen que ve un ojo sea distinta
que la que ve el otro, y para que al desplazarse el observador vea
distintas vistas, tal como ocurre realmente, que al desplazarnos a
un lado y a otro vemos una alineación cambiante de los objetos, se
necesita que exista una proyección distinta para cada posición del
obturador abierto de la cámara. Esto se consigue con un obturador
que abre un hueco que solamente deja pasar una imagen desde un
punto, un agujero en una lámina opaca, que se mueve lateralmente en
correspondencia al movimiento que tenía en la cámara el agujero del
obturador. La diferencia es que ahora en lugar de ser un agujero de
dimensiones similares en altura y anchura de unos centímetros de
diagonal, puede ser una rendija vertical, de manera que la misma
imagen podrá ser observada desde distintas alturas, dentro del cono
de observación. Dentro de este cono la imagen no se modifica por
variar la altura del observador y sí se modifica al variar la
posición más a la izquierda o a la derecha del observador. Si el
observador se mueve hacia delante o hacia atrás, percibirá que se
aproxima a la imagen, que a él le parecerá real.
También se puede utilizar alternativamente a las
lentes, espejos parabólicos, que permite la focalización de las
distintas imágenes en un lugar fijo.
La colocación de la serie de obturadores de
apertura secuencias admite varias alternativas. La más fácil de
explicar es la indicada, antes de la primera lente, justo en la
rendija, en la cámara, y correspondientemente, justo junto a la
lente y más próxima al observador, en el caso del reproductor.
Otras ubicaciones alternativas son, en el plano focal de la primera
lente, dentro de la cámara; en el caso del reproductor, en el plano
focal de la última lente y en alguna posición intermedia, como puede
ser entre el plano focal y la pantalla. Y también insertada en el
medio de la lente exterior. El efecto de colocar los obturadores en
las distintas posiciones puede verse en la Fig. 8.
Si la serie de obturadores se sitúa en el plano
focal de la lente exterior (Fig. 8 B), el funcionamiento del
reproductor se puede analizar de otra manera. El plano focal se
corresponde con el conjunto de punto cuya imagen real formada se
encuentra en el infinito. Si estamos observando un paisaje distante,
por ejemplo una cordillera montañosa desde lejos, la luna, o el
firmamento de noche, la imagen debe producirse sobre el plano
focal, para que en la reproducción se vea en la distancia, en el
infinito. Realmente, de un punto a otro de la rendija de la cámara
no hay variaciones apreciables de la imagen enfocada en este caso.
En el plano focal lo que se encuentra son fragmentos angulares
iguales cada uno con su imagen. Si utilizamos el plano focal para la
ubicación de la serie de obturadores nos daría la impresión de que
existen unas líneas verticales en la distancia. Por lo tanto no se
deben utilizar obturadores en el plano focal de la lente exterior
cuando se enfocan objetos distantes. Si el reproductor o la cámara
están dotados de obturadores en el plano focal, deben estar
desplazados del plano focal cuando se enfocan objetos a una
distancia mayor que una dada.
Sin embargo, cuando se enfocan objetos situados
en una distancia próxima, los obturadores de la lente exterior
estarían también próximos a la distancia de enfoque del ojo del
observador, y podrían ser visibles unas líneas verticales no
deseables puesto que serían consecuencia de la utilización del
conjunto de dispositivos cámara reproductor. Puede ser recomendable
utilizar la serie de obturadores en el plano focal ya que se verían
desenfocados y no se distinguirían fácilmente por el observador. La
interpretación del funcionamiento de la serie de obturadores en el
plano focal puede entenderse de manera que no es una posición de la
rendija lo que se selecciona en la cámara, sino que se seleccionan
direcciones angulares principales, algo así como un barrido de los
que hacen los radares de antena rotatoria en aeropuertos y
barcos.
Cuando los objetos enfocados están muy próximos,
existe una variación muy grande en las imágenes que se obtienen
desde posiciones muy próximas en desplazamiento lateral, o dicho de
otra forma, para distintos obturadores de la rendija, lo que
requeriría multiplicar el número de obturadores. La utilización
combinada de obturadores en el plano focal y en la lente exterior
simplifica la construcción de los dispositivos, ya que se puede
tener el equivalente a nxm obturadores con n obturadores en el
plano focal de la lente exterior y m obturadores junto a la lente
exterior.
El procesamiento de la imagen requiere métodos
de compresión de la información, a fin de que no se requiera un
caudal de información correspondiente a tantas veces la información
de un solo canal como el número de obturadores que se utilicen.
La utilización de técnicas de compresión digital
permite reducir aún más la cantidad de información por unidad de
tiempo, basada en la uniformidad en el tiempo o en determinada
dirección o en la repetición de tramas o en otros principios.
Las características de la imagen obtenida con la
cámara propuesta permite simplificar la información por los
siguientes motivos:
- -
- La imagen correspondiente a una superficie plana paralela a la cámara, (perpendicular al eje de la lente), cuando se encuentra justamente en el plano de enfoque, es invariable de una posición a otra de apertura de paso de la luz por los obturadores (coincidencia de los objetos enfocados)
- -
- Las imágenes de un objeto, en un plano próximo pero no coincidente con el plano de enfoque, para dos posiciones de obturadores abiertos presenta un ligero desplazamiento entre ellas, y el desplazamiento es mayor cuanto mayor es la distancia entre las dos posiciones de los obturadores abiertos (desplazamiento nítido en la proximidad al plano de enfoque)
- -
- La imagen de un objeto que no está próximo al plano de enfoque es una imagen sin contornos nítidos, y varía su posición relativa en la imagen cuando se comparan las imágenes de dos obturadores separados. La diferencia en las posiciones relativas es mayor cuanto mayor es la distancia del objeto al plano de enfoque, y es mayor cuanto mayor es la distancia entre las dos posiciones del hueco del obturador abierto, siendo aproximadamente proporcional a ambas. Si el objeto está más lejos que el plano de enfoque el desplazamiento relativo es en un sentido, y si está más cerca es en el sentido contrario. (Desplazamiento grande relativo para objetos borrosos).
\vskip1.000000\baselineskip
Fig.
1
En la Fig. 1 podemos ver esquemáticamente, una
casa delante de la cual hay una persona. Vemos la cámara, con la
hilera de obturadores la lente y la placa de detección de la
imagen. Podemos ver que el objeto enfocado es la casa, y que la
persona está más próxima a la cámara que la casa. Vemos cómo los
rayos de luz procedentes de un punto único de la casa, el vértice
del tejado, cuando pasan por dos obturadores distintos, coinciden
en un punto único de la placa. Sin embargo, la imagen de la persona
situada frente a la casa da lugar a dos imágenes distintas para dos
obturadores distintos, es decir para dos puntos de vista
distintos.
Fig.
2
En la Fig. 2 podemos distinguir dos partes A y
B. En A vemos 3 objetos (1), (2) y (3), una lente (4) que forma una
imagen sobre la placa (5), y una situación posible dos ojos (6) y
(7). El objeto (1) produce su imagen con la lente (4) en (8),
situada sobre la misma placa (5). El objeto (3) produce su imagen en
(10), que no está sobre la placa (5), por lo que con dos
obturadores distintos podrían generar en la placa dos imágenes
distintas. Igualmente, el objeto (2) produce su imagen real en (9),
y con dos obturadores distintos la intersección con la placa
produciría dos imágenes distintas.
Si pasamos ahora a B, vemos la imagen obtenida
cuando el observador en (16) y (17) está mirando el reproductor de
imagen. Vemos dos lentes (21) y (14). En el punto (18) se forma una
imagen nítida sobre la pantalla (15). Es la imagen que se genera
por transmisión de la información desde la placa (5). La lente (21)
genera una imagen real invertida. Con la lente (14) se genera una
imagen virtual para los observadores (16) y (17), por prolongación
de los rayos entre (14) y (17). Vemos la imagen virtual de (18) en
(11), que a su vez se corresponde con el objeto real (1). Los otros
puntos que aparecen en (15) generan imágenes reales con la lente
(21) en (20) y (19). Estas imágenes son dobles y no simultáneas, y
con la lente (14) dan imágenes virtuales en el plano en que está la
imagen (11). La imagen en (23) aparece cuando está abierto el
obturador correspondiente al observador (17), y de la misma manera,
la imagen en (25) aparece cuando está abierto el obturador para el
observador de (16). La impresión visual para el observador con sus
ojos en (16) y (17) es que (23) y (25) son la percepción de (13)
desde dos puntos de vista.
Igualmente ocurre con las imágenes (24) y (22)
que son visibles solo desde (16) y (17), y que al observador le
producen la impresión de que corresponden a un objeto (12). Vemos
que los objetos virtuales (11), (12) y (13) se corresponden con los
objetos reales (1), (2) y (3).
Fig.
3
En la Fig. 3 vemos la cámara en dos vistas en
sección. Se puede observar que las lentes y rendijas son mucho más
largas que altas. Vemos la hilera de obturadores indicados en (1),
situados entre las lentes (2) y (3). Hay una lente (4) que sirve
para el enfoque con el motor (6). En (5) vemos la placa de
captación de imagen. Las lentes son convergentes.
Fig.
4
En la Fig. 4 vemos el reproductor de imagen. La
pantalla plana bidimensional es (5). Con la lente (4) genera una
imagen real invertida que se ve desde el exterior a través de las
lentes (2) y (3). Entre las lentes (2) y (3) se encuentran los
obturadores (1). El posicionamiento de la imagen virtual se controla
con los motores (6) que posicionan la pantalla (5).
Fig. 5 y Fig.
6
En la Fig. 5 vemos la hilera de obturadores de
la cámara, y en la Fig. 6 vemos la hilera de obturadores del
reproductor.
\newpage
Fig.
7
En la Fig. 7 se representa el funcionamiento de
la cámara y de diversos reproductores. A la derecha de la figura se
ven los ojos de un observador, ojo derecho Re e izquierdo Le. Se
representa esquemáticamente la línea de obturadores de la cámara,
marcada con la letra L. Con las letras N y M se
representan esquemáticamente la ventana de dos reproductores. Con
los números romanos I, II, III, IV y IV' se representan distintas
posibles ubicaciones de las imágenes generadas. La ubicación
señalizada con I representa a la vez el objeto observado por la
cámara L. Se puede ver el objeto A_{1} situado a una distancia
d de la cámara que es el objeto enfocado. Se puede ver el
punto B_{1}, que al no ser el objeto enfocado, su imagen varía
dependiendo de cual sea el obturador abierto. Se representan las
proyecciones difusas de las vistas desde los dos obturadores sobre
la línea del punto A_{1} que representa el plano de enfoque. En
consecuencia, la ubicación aparente de B_{1}, que está señalizada
como B_{Z}, es una ubicación imprecisa como consecuencia de no ser
el objeto enfocado.
Los puntos A_{1} y B_{1} también representan
las imágenes que se pueden ver con el reproductor M, imagen
que está fuera del reproductor, entre el reproductor y el observador
Re-Le. A_{1} es la imagen real producida por las
lentes del reproductor a partir de la imagen del monitor. La imagen
de B_{1} también aparece en el plano de A_{1} pero al aparecer
en una posición distinta de la imagen para cada obturador abierto,
le llega en una posición distinta a cada ojo Re-Le,
por lo que aparece como objeto borroso en una ubicación un poco
imprecisa, pero dando una buena impresión tridimensional. Para que
sean imágenes producidas por un reproductor M más próximo que
el reproductor, los obturadores del reproductor deben estar situados
de manera que su imagen, es decir la imagen de los obturadores
producida por la lente exterior del reproductor M esté
situada en L. Los obturadores del reproductor no pueden estar
situados en L, ya que estarían fuera del reproductor, pero si pueden
estar situados en una posición tal que su imagen sea L. En esta zona
I, la imagen A_{1} solo puede ser observada desde la zona rayada
delimitada por la línea k. El ojo Re puede ver A_{1} pero el ojo
Le no puede verlo.
Si pasamos ahora a la imagen zona II, sería una
imagen generada por el reproductor M a escala ½, en la que
la distancia e será la mitad que d. El observador está
en la misma posición Re-Le. Los obturadores están
distribuidos a lo largo de M, en una longitud de la mitad de
la longitud de L. Como en el caso anterior, la imagen real es
A_{2}, mientras que B_{2} es percibida en esa posición como
consecuencia de la diferencia de imágenes que llegan a los ojos
Re-Le. Los obturadores del reproductor en este caso
deben estar situados junto a la lente exterior del reproductor, por
el lado de fuera.
Si pasamos ahora a la imagen zona III, sería una
imagen generada por el reproductor M a escala 1:1, en la que
la distancia c será la igual que d. El observador está
en la misma posición Re-Le. Los obturadores están
distribuidos en una a lo largo de M, en una longitud de la
mitad de la longitud de L, pero con la misma densidad o longitud de
obturador individual, por lo que solamente estarán la mitad de
obturadores que los que hay en L. Como en el caso anterior, la
imagen real es A_{3}, mientras que B_{3} es percibida en esa
posición como consecuencia de la diferencia de imágenes que llegan a
los ojos Re-Le. Los obturadores del reproductor
también en este caso deben estar situados junto a la lente exterior
del reproductor, por el lado de fuera. Pero esta imagen de la zona
III, también puede ser producida por un reproductor N,
haciendo que los obturadores del reproductor estén situados en un
alineamiento tal que la imagen real de los obturadores, producida
con la última lente del reproductor N, se sitúe en la línea
M.
Pasamos ahora a la imagen zona IV; la imagen es
generada por el reproductor N a escala 1:1, en la que la
distancia b será la igual que d. El observador está en
la misma posición Re-Le. Los obturadores están
distribuidos en una a lo largo de N, con la misma longitud de
obturador individual, igual a los que hay en L. Como en el caso
anterior, la imagen real es A4, mientras que B4 es percibida en esa
posición como consecuencia de la diferencia de imágenes que llegan
a los ojos Re-Le. Los obturadores del reproductor
también en este caso deben estar situados junto a la lente exterior
del reproductor, por el lado de fuera.
Pero la imagen de la zona IV, también puede ser
producida por un reproductor M, haciendo que los obturadores
del reproductor estén situados en un alineamiento tal que la imagen
virtual de los obturadores, producida con la última lente del
reproductor M, se sitúe en la línea N.
En la zona IV', se representa una imagen
reducida, producida con el reproductor N. Se ha reducido con
un factor de escala. La posición de A' viene dada por la
imagen virtual generada por la lente exterior del reproductor
N. La imagen de B'' pasa a B', ya que la diferencia de las
imágenes que pasan por cada obturador están también afectadas por el
mismo factor de escala.
Fig.
8
En la Fig. 8 puede verse el efecto de la
colocación de los obturadores en distintas posiciones del
reproductor.
En la parte A, se representa la serie de
obturadores Sh, a una distancia d>f, siendo f la distancia focal
de la lente exterior del reproductor. Se puede ver que el obturador
abierto produce una imagen en Sh' de manera que si en la cámara
solo se permite el paso de la luz por el obturador homólogo del
representado, por la pantalla S solo pasan los rayos luminosos que
convergen en el punto correspondiente a la imagen real del
obturador abierto Sh, Sh'. La ubicación de los obturadores según se
representa en esta imagen es adecuada para visualizar objetos
"fuera" de la pantalla del reproductor, más cerca del
observador que lo que está el propio reproductor.
En la parte B, se representa el caso de que el
plano que contiene a la serie de obturadores se halla justamente en
el plano focal de la lente exterior del reproductor. Vemos que en
este caso, solo pasa la luz que sale de la Pantalla S en una
determinada dirección. Por lo tanto si la imagen plana focalizada
por el reproductor está situada en el infinito, solamente se ve un
único color e intensidad luminosa en esa dirección, y según va
cambiando de uno a otro obturador abierto, se va observando un
rango de direcciones. En el caso de que la imagen plana no esté
situada en el infinito para el observador, es decir, que no haya
una imagen real focalizada en el plano focal de la última lente del
reproductor, la imagen variará dependiendo de cual sea la imagen que
corresponda al obturador abierto.
Por último, en C se representa la primera de las
ubicaciones posibles, que es justamente en el lado exterior o
dentro de la propia lente exterior.
Fig.
9
En la figura 9 se representa una perspectiva de
la lente de rendija.
\vskip1.000000\baselineskip
La cámara más sencilla puede ser realizada de la
siguiente manera:
Una cámara oscura de más de 85 cm de anchura y
1,5 metros de profundidad, y 45 cm de altura. En la parte anterior
está provista de una rendija horizontal de 80 cm anchura, de lado a
lado de la caja, y 5 cm de alto, formando un rectángulo de 5x80 cm.
Tras la rendija, ya dentro de la caja hay un obturador compuesto
por 30 obturadores rectangulares de 2,67x5 cm. Uno al lado de otro.
Y cubren la totalidad de la rendija. Los obturadores se abren y
cierran de manera que se va desplazando el orificio a lo largo de
la rendija, aunque puede haber dos o más de 2 obturadores abiertos
simultáneamente. Tras el obturador hay una lente convergente de 1 m
de diámetro, cortada a las dimensiones rectangulares de la caja.
Puesto que solo se utiliza una rendija para la luz, solamente se
necesita un fragmento de la lente correspondiente al limitado por
dos planos horizontales y paralelos dispuestos simétricamente
respecto al eje focal de la lente. La lente tiene una distancia
focal de 1 m, y la pantalla de formación de la imagen invertida
mide 0,4 m de alto por 0,71 m de ancho. La imagen formada en la
pantalla es leída por una cámara rápida que toma unas 750 imágenes
por segundo, correspondiendo cada imagen a un obturador abierto y
el resto cerrados. Un dispositivo mide la distancia de enfoque, de
la cámara al objeto enfocado.
Los obturadores se van abriendo y cerrando uno
tras otro de un en uno. Cada vez que un obturador está abierto se
proyecta una imagen en la pantalla receptora. Esta imagen es leída
por la cámara rápida. Se cierra el obturador abierto y se abre el
siguiente, y se produce un nuevo ciclo de lectura de la imagen. Los
objetos enfocados aparecen nítidos en la imagen plana, los
desenfocados borrosos. Los objetos enfocados aparecen nítidos en una
nueva imagen a través del siguiente obturador que se abre, y además
ocupan la misma posición en la pantalla plana y en la imagen leída
por la cámara. Los objetos desenfocados vuelven a salir borrosos en
la imagen, y además su posición en la imagen sufre un
desplazamiento, hacia el lado opuesto del sentido del movimiento de
apertura de los obturadores, si están más próximos que el objeto
enfocado, o hacia el mismo lado del movimiento de los obturadores
si están más lejos que el objeto enfocado. Para buscar un nuevo
objeto en el enfoque, se modifica la distancia relativa de la lente
de enfoque a la pantalla de imagen. La posición de la lente de
enfoque es leída por un potenciómetro que la envía al receptor, con
el fin de que la imagen a generar se sitúe a la distancia virtual
correcta del observador
remoto.
remoto.
\vskip1.000000\baselineskip
El reproductor de las imágenes consta de un
monitor de rayos catódicos de 0,4 m de alto y 0,71 m de ancho, en
el que se proyectan 750 imágenes por segundo, correspondientes a
las 30 tomas desplazadas 2,67 cm enfocadas sobre la pantalla con
una cadencia de 25 veces por segundo todas las tomas. La imagen se
proyecta invertida, de arriba abajo y de izquierda a derecha. Ante
el monitor de rayos catódicos se encuentra un obturador y una lente.
El obturador está constituido a su vez por 30 obturadores, que van
abriendo y cerrando de uno en uno de manera que en ningún momento
hay más de 2 abiertos simultáneamente. Los obturadores individuales
son todos iguales y de una altura aproximadamente igual que la del
monitor, están dispuestos al lado uno de otro, y la longitud que
ocupan es de unos 80 cm en horizontal. El obturador se encuentra
enmarcado y solo permite el paso de la luz procedente del monitor a
través del obturador que se encuentra abierto. Tras el obturador
hay una lente de unos dos metros de diámetro. La distancia focal es
de l m de manera que la lente produzca una imagen enfocada del
monitor y del mismo tamaño a una distancia de aproximadamente un
metro de la lente. Está imagen será una imagen no invertida, ya que
invierte la imagen de la pantalla de rayos catódicos la cual se
proyecta invertida. Una segunda lente, de unos dos metros de
diámetro, y una distancia focal de unos 5 m permite ver la imagen
real del monitor a una distancia que depende de la situación de la
imagen no invertida que forma la primera lente. El posicionamiento
de las lentes se hace utilizando la señal de distancia del plano de
enfoque que emite la
cámara.
cámara.
La aplicación es la transmisión de televisión,
rodaje y visionado de películas de vídeo, programas en primeros
planos en los que los sujetos protagonistas están dentro de la sala
del espectador, y los paisajes y espacios abiertos se ven en la
distancia. La imagen obtenida con la cámara es susceptible de verse
con un sistema estereoscópico de los que ya existen, prescindiendo
del exceso de información.
Claims (11)
1. Cámara de captación de imágenes, constituida
por una cámara oscura que contiene:
- un diafragma en forma de rendija horizontal de
longitud mucho mayor que su altura
- un obturador constituido por un hueco de paso
de la luz realizado sobre un elemento opaco, deslizándose el hueco
a lo largo de la rendija
- un sistema de enfoque constituido por una o
varias lentes o espejos y un mecanismo de ajuste del enfoque
mediante el desplazamiento antero-posterior de las
lentes
- un sensor de la posición de enfoque que emite
una señal que representa la distancia de enfoque a la que se
encuentra el objeto enfocado, y el grado de apertura angular de la
cámara
- un captador de imágenes de alta velocidad.
2. Cámara de captación de imágenes en tres
dimensiones según la reivindicación 1 que obtiene una serie de
imágenes correspondientes a diversas posiciones del punto de vista
obtenidas por el desplazamiento del obturador a lo largo de la
rendija, caracterizada porque los objetos enfocados ocupan
una posición en la superficie de formación de la imagen del captador
de alta velocidad que no varía al variar las posiciones del hueco
del obturador y del punto de vista al que corresponden, mientras
que los objetos no enfocados ocupan posiciones distintas en las
imágenes correspondientes a posiciones distintas del obturador
abierto.
3. Cámara de captación de imágenes en tres
dimensiones según la reivindicación 1, caracterizada porque
utiliza una combinación de apertura de obturadores de dos planos
distintos, para conseguir una mayor resolución en la toma de
imágenes, especialmente de las más próximas a la cámara.
4. Cámara de captación de imágenes según la
reivindicación 1, caracterizada porque las lentes son un
fragmento de una lente de sección circular comprendido entre dos
planos paralelos al eje de la lente y entre sí, dispuestos
simétricamente respecto al eje de la lente.
5. Cámara de captación de imágenes según la
reivindicación 1 caracterizada por tener las lentes dos
superficies dióptricas definidas como superficies regladas de
generatriz recta, siendo la generatriz de una cara ortogonal a la de
la otra cara, es decir dos cilindros de ejes cruzados.
6. Aparato de reproducción de imágenes en tres
dimensiones que contiene:
- una pantalla luminiscente generadora de
imágenes como por ejemplo un monitor de rayos catódicos
- un grupo de lentes o espejos de
posicionamiento, enfoque y corrección cromática, y de otras
aberraciones ópticas
- un sistema de lentes de adaptación de la
imagen para el enfoque o posicionamiento de la imagen virtual o
real
- uno o varios diafragmas de obturador con
desplazamiento, o varias filas de obturadores múltiples
constituidas cada una de ellas por una hilera de obturadores
individuales caracterizados porque la apertura sucesiva de
todos ellos define una ventana completa de paso de la luz
procedente de la pantalla.
7. Un aparato de reproducción de imágenes en
tres dimensiones según la reivindicación 6, caracterizado
porque sitúa las imágenes planas virtuales correspondientes a las
imágenes obtenidas por la cámara a través de los distintos puntos
de vista, en una posición virtual distante del observador situado
ante el reproductor que está, aproximadamente, a la misma distancia
a la que se encuentra el plano de enfoque respecto de la cámara,
mediante la utilización de dispositivos ópticos.
8. Un aparato de reproducción de imágenes en
tres dimensiones según la reivindicación 6, caracterizado
porque la posición en la que se forma la imagen real o virtual que
es observada por el observador está controlada por un
servomecanismo de posicionamiento el cual a su vez es gobernado por
la señal que representa la distancia de enfoque transmitida por la
cámara.
9. Un aparato de reproducción de imágenes en
tres dimensiones según la reivindicación 6, caracterizado
porque la imagen visible en cada posición del observador, para cada
porción angular de imagen más a la izquierda o más a la derecha se
visualiza a través de un único obturador abierto que es el que le
corresponde a la imagen obtenida por la cámara, de entre todos los
obturadores dispuestos en hilera horizontal.
10. Un aparato de reproducción de imágenes en
tres dimensiones como se indica en la reivindicación 6
caracterizado porque las filas de obturadores se encuentran,
bien en el plano focal interior de la lente más exterior, o bien en
un plano interior que produce una imagen virtual de los obturadores
con la lente exterior, o en un plano interior que produce una
imagen real de los obturadores más exterior que la lente y que el
punto desde el que se debe situar el observador, o una combinación
de dos de ellas o de las tres, de manera que se pueden observar las
imágenes en situación de gran lejanía, intermedias o más próximas
al observador.
11. Un aparato de reproducción de imágenes en
tres dimensiones como se indica en la reivindicación 6,
caracterizado por utilizar una combinación de apertura de
obturadores situados en dos planos distintos, para aumentar la
resolución de la imagen especialmente en la focalización de objetos
próximos.
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