RU178441U1 - Устройство для формирования объёмного изображения в трёхмерном пространстве с реальными объектами - Google Patents

Abstract

Полезная модель относится к области оптики и электроники, а именно к устройствам для формирования объемного цветного изображения и может быть использована для отображения полноцветных трехмерных объектов и сцен, в которых демонстрируются и совмещаются воспроизводимое движущееся объемное изображение в реальном физическом пространстве с расположенными в нем реальными объектами и предметами. Заявленное устройство содержит основание, образующее предметное пространство для размещения в нем реальных объектов, блок воспроизведения объемного изображения, частично отражающую прозрачную оптическую панель, установленную с возможностью отображения объемного изображения, формируемого в блоке воспроизведения объемного изображения в область предметного пространства и блок освещения предметного пространства, выполненный с возможностью зонированного освещения предметного пространства с реальными объектами. При этом блок освещения предметного пространства содержит направленные источники света и средство управления, выполненное с возможностью регулировки яркости каждого источника света. Технический результат - улучшение качества оптического совмещения формируемых объемных изображений с реальными объектами в трехмерном объеме предметного пространства при наблюдении с разных ракурсов. 9 з.п. ф-лы, 3 ил.

Description

Область техники

Полезная модель относится к области оптики и электроники, а именно к устройствам для создания объемного изображения и может быть использована для отображения полноцветных трехмерных объектов и сцен, в которых демонстрируются и совмещаются воспроизводимое движущееся объемное изображение в реальном физическом пространстве с расположенными в нем реальными объектами и предметами.

Полезная модель может найти применение, в частности, для моделирования трехмерных процессов и задач в науке и технике; получения специальных эффектов на сценах, в цирках, кинематографе; в музейных и выставочных экспозициях; в медицине для визуализации томографической информации и проведения сложных операций; для создания разного рода тренажеров; в искусстве и рекламе; в компьютерных играх; для создания оптических игрушек и демонстрации фокусов; в сфере развлекательной индустрии и т.д.

Уровень техники

Устройства объемного отображения получили широкое распространение и востребованы в самых разных областях науки, техники, образования, индустрии развлечений и т.д. Разработано и производится большое количество разнообразных систем и аппаратов демонстрации объемных изображений основанных на различных технических принципах. Постоянно осуществляется поиск новых решений, проводится их систематизация (см. Чекалин Д.Г. Особенности восприятия, способы демонстрации и современные технологии воспроизведения объемных изображений. // Мир техники кино. 2017 - 1(11), с. 19-28).

Для решения ряда практических задач требуется совмещение воспроизводимых объемных изображений и реальных физических объектов в одном общем пространстве для их одновременного совместного наблюдения.

Существует несколько основных видов устройств, отличающихся по технологии создания объемного изображения.

К первой и наиболее многочисленной по разнообразию технических решений разновидности можно отнести «объемные дисплеи» или волюметрические (см. Самарин А. Современные технологии дисплеев объемного изображения. // Современная электроника, №2, 2005 г., с. 16-20). К этой категории относятся устройства, в которых изображение образуется в определенном ограниченном объеме множеством светящихся точек или вокселей, результат может достигаться разными техническими способами (см. патент США US 6554430 В2, G03B 21/28, 29.04.2003, патент РФ RU 2429513, G02F 1/13, 20.09.2011): жестко зафиксированные равномерно распределенные в пространстве воксели; набор параллельных плоскостей, равномерно заполняющих рабочий объем, на которые послойно выводится объемное изображение; использующие эффект зрительной инерции быстро движущиеся в рабочем пространстве (вращаясь вокруг оси или совершая возвратно-поступательные движения) поверхности со светящимися точками или с проецируемым на них изображением; создание изображения сканирующим сфокусированным лазерным лучом в специальной физической среде и др. Существенным недостатком устройств данного типа является возможность создания изображения только внутри устройства, из-за чего размер устройства должен быть больше отображаемых им объектов. Все пространство, в котором формируется изображение, заполнено рабочими элементами конструкции и размещение в нем каких-либо дополнительных объектов для их совмещения с демонстрируемым изображением по этой причине не возможно.

Ко второй разновидности можно отнести широко распространенные стереоскопические (с применением сепарационных очков) и автостереоскопические устройства (Валюс Н.А. Стереофотография. Стереокино. Стереотелевидение. М.: Искусство, 1986 г.). Само стереоскопическое изображение отображается на плоском экране, а его объемный образ формируется и может восприниматься зрителем объемным в пространстве и перед экраном и за ним. Изображение можно получать на светоизлучающих видеопанелях или способом проекции на отражательный или просветный экран. Возможно создание многоракурсного стереоизображения, в том числе и на больших просветных экранах с высоким разрешением (см. Патент РФ RU 2391689, G03B 27/22, 10.06.2010). Размещение реальных физических объектов конструктивно возможно в пространстве и перед экраном и за ним, однако, размещение их за экраном не имеет смысла, так как зритель не сможет их видеть. Использование устройств проекционного типа с отражающим экраном не применимо по причине тени, которую будет отбрасывать объект на экран. В случае светоизлучающей видеопанели или просветного проекционного экрана возможно размещение объекта в зоне предэкранного пространства, однако эта схема не может работать, если какая-либо часть воспроизводимого изображения должна находиться перед реальным объектом - между зрителем и объектом, так как объект перекроет часть экрана, которая формирует нужное изображение. В случае, когда реальный объект имеет значительные размеры, такая схема становится полностью не работоспособной.

К третьей разновидности относятся голографические способы получения изображения, такие технологии очень сложны и пока находятся в стадии экспериментальных разработок, но, тем не менее, создано уже несколько принципиально разных прототипов таких устройств (см. Комар В.Г., Серов О.Б. Изобразительная голография и голографический кинематограф. М. Искусство, 1987 г.; N. Peyghambarian et al. Holographic three-dimensional telepresence using large-area photorefractive polymer. Nature, vol. 468, pp 80-83, 2010; S. Tay et al. An updateable holographic 3D display. Nature, vol. 451, pp 694-698, 2008). Применительно к рассматриваемому вопросу совместимости воспроизводимого изображения с реальными физическими объектами голографические способы по своим свойствам можно разделить на две подгруппы, которые аналогичны двум уже рассмотренным выше разновидностям.

Таким образом, в рассмотренном современном уровне техники устройств воспроизведения объемного изображения, удовлетворяющих нужному критерию в должной мере, не обнаружено. Однако существует вид устройств, которые не являются устройствами объемного изображения, но позволяют совмещать воспроизводимое изображение с реальными физическими объектами. Это устройства для воспроизведения «псевдообъемного» изображения по методу скрытого экрана. К псевдообъемным относятся способы воспроизведения плоского изображения, в которых используются психофизические особенности и возможности нашего восприятия для создания иллюзии объемности, основанные на статических и динамических монокулярных факторах пространственного зрения, и создается дополнительный эффект объемности; ощущение пространственности изображения усиливается с помощью специально подготовленного демонстрируемого контента и размещения плоских изображений с помощью прозрачных (или скрытых) экранов в реальном физическом пространстве с реальными объемными предметами (элементами сценического пространства или интерьера), за счет чего наше сознание воспринимает их тоже как объемные. При этом зритель наблюдает именно плоское изображение и оба глаза одномоментно видят один и тот же ракурс.

Одним из примеров реализации такого вида устройств является «Проекционное устройство и способ создания иллюзии по методике "PEPPER' S GHOST"», раскрытые в Евразийском патенте ЕА 008990 В1, 26.10.2007 г. В решении применяется способ создания псевдообъемного изображения в основе которого лежит технология скрытого экрана или «peppers ghost» эффект, позволяющий с помощью частично отражающего экрана создавать иллюзорное изображение. Согласно способу видеопроектор проецирует изображение через зеркало на отражательную панель (проекционный экран), расположенную в горизонтальной плоскости, под углом к которой на специальной раме натянут частично прозрачный экран. Зрители, стоящие перед экраном, видят отражение изображения отражательной панели в пространстве за ним. В пространстве за экраном может находиться актер, в этом случае зрители смогут наблюдать одновременно и актера и мнимое отраженное изображение проецируемое проектором.

Устройство описанное в патенте-аналоге представляет из себя стоящую на сцене несущую конструкцию в виде параллелепипеда или коробки, внутри которой на нижней плоскости на полу размещена отражательная панель, под углом 45 градусов к которой снизу вверх по диагонали параллелепипеда по направлению к зрителям на специальной раме натянута пленка частично прозрачного экрана. Проектор расположен над экраном в верхней части конструкции и через промежуточное зеркало проецирует изображение на отражательную панель. Зрители, находящиеся перед сценой, изображение на отражательной панели не видят, но зато видят в частично прозрачном экране его отражение, расположенное на сцене в пространстве за пленкой экрана, где в это же самое время на этой же части сцены могут находиться и живые актеры. Также в патенте-аналоге описано устройство рамы для натяжения частично прозрачного экрана и некоторые дополнительные технические элементы. Устройство, описанное в патенте-аналоге, специально создавалось для применения в зрелищных мероприятиях на концертах и в театрах, и разрабатывалось именно для этих целей, в силу чего имеет узкое специализированное назначение и ограниченные возможности.

У данного аналога есть ряд существенных технологических и технических ограничений. Наиболее существенным и принципиальным недостатком является возможность отображения только плоского изображения. Формируемое изображение визуализируется и локализовано только в одной вертикальной плоскости, расстояние до которой фиксировано и определяется и однозначно задается взаимным расположением «отражательного элемента» проекционного экрана и «частично прозрачного экрана» формирующего «мнимое изображение». Таким образом, формируемое изображение является плоским и позволяет получить, как указано в патенте, только «ложное восприятие глубины» на основе «способа создания иллюзии», а при размещении в одном пространстве рядом с реальными объемными трехмерными предметами или совмещении с ними отличие проецируемого изображения от реальных объектов и его иллюзорность становятся особенно заметными.

Другим важным недостатком устройства является принципиальная невозможность распределения или перемещения создаваемых изображений по глубине пространства и жесткая привязка к одной единственной плоскости. Невозможно заполнение пространства по глубине или размещение объектов на разных планах по глубине. По этой же причине отсутствует возможность для формируемого изображения при его перемещении «обходить» с разных сторон реальные физические объекты и перемещаться в пространстве по свободным траекториям.

Данное устройство также не позволяет визуализировать сцены, объекты или набор объектов разнесенных по глубине.

Это значительно ограничивает реалистичность и сферу применения предлагаемого метода.

Кроме этого предложенное устройство предполагает применение в качестве «частично прозрачного экрана» пленки и специальной конструкции для ее натяжения, что позволяет делать установки большого размера, но для малогабаритных устройств это решение слишком сложно и малоприменимо - в ряде случаев более предпочтительным является использование жестких частично прозрачных поверхностей. Также к недостаткам можно отнести и то обстоятельство, что предложенное решение основано на использовании только проекционной технологии получения изображения с фиксированной оптической схемой и предназначено для решения узкого класса специализированных задач, что накладывает дополнительные ограничения, связанные с возможностями и сферой его применения.

В публикации заявки США US 20030085866, 08.05.2003 описано устройство для формирования объемного цветного изображения, направленное на решение задачи совмещения воспроизводимых объемных изображений и реальных физических объектов в одном общем пространстве для их одновременного совместного наблюдения с помощью средств виртуальной (VR) и дополненной (AR) реальности.

Устройство содержит корпус; блок воспроизведения стереоскопического изображения, формирующий статичное или движущееся объемное изображение со стереоскопическими затворными очками для разделения стереоизображений для обоих глаз и обеспечения возможности стереоскопического просмотра; электромагнитное устройство слежения для поддержки отслеживания положения головы зрителя, необходимое для правильного расчета и построения стереоскопического изображения; частично отражающую прозрачную оптическую поверхность, установленную под углом к блоку воспроизведения с возможностью отображения формируемого в блоке воспроизведения изображения в зону предметного пространства, в которой могут размещаться реальные физические трехмерные объекты, и источник света для освещения зоны предметного пространства. Частично отражающая прозрачная оптическая поверхность формирует мнимое изображение, которое зритель в зоне этого пространства может наблюдать оптически совмещенным по трем координатам (высоте, ширине и глубине) с реальными размещенными в этом же объеме физическими объектами в виде совмещенного комбинированного объемного изображения.

В данном устройстве формируемое изображение является не псевдообъемным, а стереоскопическим. Но такое решение имеет существенный недостаток, связанный с «прозрачностью» формируемых мнимых (виртуальных) отраженных частично отражающей оптической поверхностью объектов, в случае их расположения перед подсвеченными реальными объектами на линии наблюдения зрителем. Так как реальные объекты физически размещены для зрителя после полупрозрачного зеркала, то в случае их пересечения виртуальными объектами отраженными в этом же зеркале, последние будут просвечивать и сквозь них будут видны реальные объекты заднего плана а заметность этого явления зависит от степени их яркости и освещенности.

Наиболее близким аналогом рассматриваемого решения является устройство для формирования объемного изображения, раскрытое в публикации заявки США US 2017109938, 20.04.2017. Данное устройство является аналогичным описанному выше и содержит корпус (основание), образующий предметное пространство для размещения в нем реальных объектов, блок воспроизведения объемного (стереоскопического) изображения, частично отражающую прозрачную оптическую панель, установленную под углом к блоку воспроизведения с возможностью отражения формируемого в блоке воспроизведения изображения в зону предметного пространства и блок освещения зоны предметного пространства с реальными объектами. В качестве блока воспроизведения могут применяться различные типы дисплеев: как стереоскопические (дисплеи с очками, автостереоскопические и т.д.), так и объемные (волюметрический и т.д.). Блок освещения выполнен в виде проектора, который обеспечивает выборочное подсвечивание некоторых областей зоны предметного пространства.

Применение в данном устройстве проектора частично решает проблему «прозрачности» формируемого изображения при их расположении перед реальными объектами. Однако проектор имеет относительно узкие возможности для управления работой подсветки зон предметного пространства, поскольку возможности зонированного освещения ограничены одним ракурсом и размером зоны проецирования света, что во многих случаях не позволит осуществить качественное оптическое совмещение виртуального и реального объектов. Также при использовании для освещения реальных объектов света от проектора от них появляются нежелательные резкие тени, нарушающие общий визуальный образ.

Раскрытие сущности полезной модели

Задачей заявленной полезной модели является устранение недостатков аналогов и обеспечении возможности воспроизведения и визуализации полноцветных объемных изображений в трехмерном физическом объеме предметного пространства и возможность их пространственного совмещения с реальными физическими объектами и предметами размещенными в этом же объеме с получением единой реалистичной картины.

Технический результат полезной модели заключается в улучшении качества оптического совмещения формируемых объемных изображений с реальными объектами в трехмерном объеме при наблюдении с разных ракурсов.

Указанный технический результат достигается за счет того, что устройство для формирования объемного изображения в трехмерном пространстве с реальными объектами, содержит основание, образующее предметное пространство для размещения в нем реальных объектов, блок воспроизведения объемного изображения, выполненный в виде дисплея, частично отражающую прозрачную оптическую панель, установленную с возможностью отображения формируемого в блоке воспроизведения объемного изображения в область предметного пространства и блок освещения предметного пространства, выполненный с возможностью зонированного освещения предметного пространства с реальными объектами, и содержащий направленные источники света и средство управления, выполненное с возможностью регулировки яркости каждого источника света.

Кроме того, согласно частным вариантам реализации полезной модели:

- блок воспроизведения объемного изображения выполнен в виде стереоскопического дисплея;

- блок воспроизведения объемного изображения выполнен в виде объемного дисплея;

блок воспроизведения объемного изображения выполнен в виде голографического дисплея;

- блок воспроизведения объемного изображения содержит проектор и экран для отображения проецируемого изображения;

- блок воспроизведения объемного изображения установлен вне поля зрения пользователя;

- в качестве направленных источников света использованы RGB светодиодные светильники;

- средство управления выполнено с возможностью регулировки цветности каждого источника света;

- направленные источники света установлены с возможностью изменения направления светового луча, при этом средство управления выполнено с возможностью управления каждым источником света;

- блок освещения предметного пространства дополнительно содержит проекционное устройство, установленное с возможностью проецирования света в предметное пространство и связанное со средством управления.

В отличие от ближайшего аналога в рассматриваемом устройстве в качестве блока освещения предметного пространства используются направленные управляемые источники света, которые расширяют возможности по созданию зонированного освещения. В частности, по сравнению с применением проектора направленные источники света позволяют создавать зонированное освещение с нескольких ракурсов, увеличить размеры области подсветки, а также более точно регулировать интенсивность освещения в отдельных зонах, создавать нужный светотеневой характер освещения объектов и избежать образования не нужных теней от реальных объектов. В совокупности с остальными элементами устройства это обеспечивает создание более реалистичного оптически совмещенного изображения для наблюдения одним или несколькими пользователями с разных ракурсов.

Таким образом, все приведенные основные признаки полезной модели направлены на достижение заявленного технического результата.

Описанные частные случаи реализации конструкции также направлены на улучшение оптического совмещения реальных и виртуальных объектов. Однако они не являются единственно возможными вариантами воплощения полезной модели, при этом технический результат полезной модели достигается и без применения указанных дополнительных особенностей.

Краткое описание чертежей

Полезная модель поясняется чертежами, где:

на фиг. 1 схематично показан общий вид заявленного устройства;

на фиг. 2 показана схема зонированного освещения предметного пространства с реальными объектами;

на фиг. 3 показана фотография экспериментального образца, изготовленного согласно полезной модели.

Осуществление полезной модели

Заявленное устройство содержит основание (1), представляющее собой единый корпус или несущую конструкцию для установки в нем или на нем конструктивных элементов устройства. Основание (1) также формирует предметное пространство (2) для размещения в нем реальных физических объектов (3). В основании (1) установлены: блок (4) воспроизведения объемного изображения, частично отражающая прозрачная оптическая панель (5), а также блок (6) освещения предметного пространства (2).

Блок (4) воспроизведения объемного изображения представляет собой дисплей, обеспечивающий отображение стереоскопической или объемной картины. В заявленном устройстве могут применяться дисплеи с различными технологиями создания объема в наблюдаемом изображении, в частности стереоскопические, объемные (волюметрические) и голографические. Стереоскопический дисплей может представлять собой дисплей с различными типами стереоочков или автостереоскопический дисплей, в т.ч. растровый, многоракурсный и т.д.

По способу формирования самого изображения также могут применяться различные типы дисплеев: жидкокристаллический, плазменный, светодиодный, электроннолучевой, лазерный, проекционный и т.д.

Также возможны различные варианты применение проекционных многокомпонентных систем, состоящих из одного или нескольких проекторов и проекционного экрана (отражательного или просветного типов), что существенно расширяет разнообразие возможных конфигураций системы и позволяет значительно увеличить возможные размеры воспроизводимого изображения.

Существенным требованием к воспроизводимому изображению является его объемность, наблюдаемая и различаемая зрителем в трех пространственных координатах, в том числе и по глубине изображения. Возможность применения в блоке воспроизведения систем разного типа позволяет существенно расширить область применения с учетом возможных требований к качеству и размерам изображения, сложности и стоимости оборудования, другим технологическим характеристикам и эксплуатационным требованиям.

Блок (4) воспроизведения объемного изображения размещается скрытым от зрителя образом вне поля его зрения так, чтобы наблюдатель не мог видеть воспроизводимое на нем изображение. В частности, блок (4) может быть размещен выше или ниже оси зрения пользователей или сбоку от пользователей.

Полупрозрачная панель (5) (или полупрозрачное зеркало) с оптической поверхностью предназначена для отображения объемного изображения (7), создаваемого блоком (4) в область предметного пространства (2). Панель (5), как правило, ориентирована под углом к блоку (4) воспроизведения изображения или направлению создаваемого блоком (4) проецируемого светового потока таким образом, чтобы пользователь (зритель) (8) видел в ней отраженное объемное изображение. Оптическая поверхность панели (5) должна обладать свойством частичного отражения для изображения находящегося под углом к ней и оставаться частично прозрачной для проходящего сквозь нее света, чтобы было видно изображение и пространство, находящееся относительно зрителя за этой поверхностью в области предметного пространства (2). Существенным требованием к панели (5) является отсутствие искажений (геометрическое искажение формы, световое рассеяние, эффект раздвоения изображения и др.) отраженного и проходящего сквозь нее изображения.

В области предметного пространства (2) могут размещаться реальные физические объекты (3), в том числе подвижные и живые (например актеры), которые пользователь (8) может видеть сквозь панель (5). Для того чтобы эти объекты (3) были заметны предусмотрен блок (6) освещения предметного пространства (2). Указанный блок (6) содержит направленные источники света (9) и средство управления (10) данными источниками.

В качестве источников света (9) могут применяться светодиодные RGB светильники. В одном из вариантов реализации полезной модели источники света (9) могут быть установлены неподвижно таким образом, что каждый источник или группа источников направлена на определенную область в предметном пространстве. В другом варианте реализации полезной модели указанные источники света (5) могут иметь возможность изменения своего положения и/или направления их освещения.

Средство управления (10) задает режим освещения предметного пространства (3) путем регулировки яркости каждого источника света (9), а также их цветности, локализации и направления освещения, для обеспечения подсветки реальных объектов соответствующей изображению (7), формируемому блоком (4).

Источники света (9) имеют направленный характер светового излучения и освещают область предметного пространства (2) локально, каждый в своей зоне. Такое зонированное освещение позволяет решить или свести к минимуму проблему «прозрачности» формируемых мнимых (виртуальных) отраженных частично отражающей оптической поверхностью панели (5) объектов, при их положении на линии взора между наблюдателем и подсвеченным реальным объектом (см. фиг. 2).

Что бы избежать просвечивания реальных объектов (3) сквозь виртуальные (изображение 7) достаточно с помощью управляемой системы освещения убрать с «просвечивающих» объектов или их элементов свет. Если объекты (3) перемещаются, то управление освещением осуществляется по специальному составленному сценарию, или предполагает наличие устройства с видеокамерой, фиксирующей положение и перемещение реальных объектов в области предметного пространства, которое в режиме реального времени выдает необходимую информацию для обеспечения управления системой освещения.

В качестве дополнительного источника освещения в блоке (6) может применяться проекционное устройство (11) на основе одного или нескольких видеопроекторов. Проекционное устройство (11) вместе с направленными источниками света (9) может подсвечивать область предметного пространства для обеспечения дополнительного зонирования освещения. На проекционное устройство (11) подают модулированный видеосигнал, обеспечивающий управление яркостью и цветностью каждого пиксела видеопроектора, в результате чего формируются освещаемые лучом этого проектора зоны. Управление освещением проекционным устройством (11) также может осуществляться средством управления (10) в соответствии со специальным составленным сценарием или в результате использования информации от устройства с видеокамерой, фиксирующей положение и перемещение реальных объектов в зоне «предметного пространства.

Направленные источники света (9) и проекционное устройство (11) могут размещаться как внутри, так и вне предметного пространства (2).

Устройство работает следующим образом.

В блоке (4) воспроизведения изображения генерируется объемное изображение (7), виртуальные объекты (12) которого отражаются поверхностью частично отражающей оптической панели (5) в сторону пользователя (8). Пользователь наблюдает эти отраженные виртуальные объекты (12) и воспринимает их в качестве мнимых виртуальных изображений за оптической панелью (5) в объеме предметного пространства (2) удаленными от панели на такое же расстояние, на каком от этой панели находятся изображения (7) в блоке воспроизведения.

Таким образом, в объеме предметного пространства (2) отображается мнимое изображение виртуальных объектов (12), которое зритель будет наблюдать одновременно с реальными физическими трехмерными объектами (3), расположенными в этой же зоне (2), в виде совмещенного комбинированного объемного изображения.

Для улучшения оптического совмещения виртуальных (12) и реальных (3) объектов, посредством направленных источников света (9) осуществляется зонирование подсветки предметного пространства (2) с формированием освещенных (13) и неосвещенных (14) зон (см. фиг. 2). В частности, при расположении виртуального объекта (12) перед реальными (3) зону виртуального объекта (12) не подсвечивают чтобы избежать его «просвечивание» сквозь него реальных объектов (3).

В процессе демонстрации режим освещения может изменяться. Возможно применение синхронизации режима освещения с формируемым блоком (4) изображением, что может быть полезно в случае движения воспроизводимых изображений в области «предметного пространства» и геометрического перекрытия ими реальных физических объектов, которые в этот момент не должны освещаться.

Заявленное устройство позволяет формировать движущееся цветное объемное цифровое изображение в реальном физическом объеме рабочего пространства и обеспечивать возможность его пространственного оптического совмещения с реальными физическими объектами, расположенными в этом же объеме. Создаваемое изображение наблюдается зрителем действительно объемным, а не «псевдообъемным» плоским с иллюзией объема достигаемой за счет психофизиологических механизмов восприятия человека.

Элементы изображения обладают наблюдаемым рельефом и протяженностью, могут занимать пространственные места во всех точках заданного объема и свободно в нем перемещаться. Изображение наблюдается глазами зрителя с разных ракурсов, а расстояние до элементов изображения определяется на основе механизмов бинокулярного зрения, в результате чего зритель может наблюдать и с большой точностью оценивать степень рельефности и относительную разницу расстояний между объектами (в том числе и по глубине).

Объемное изображение могут наблюдать одновременно несколько зрителей из разных точек, располагающихся в зоне предназначенной для наблюдения.

Для подтверждения промышленной применимости предлагаемой полезной модели был изготовлен экспериментальный полнофункциональный действующий образец устройства. На фигуре 3 показаны фотографии работающего экспериментального образца, изготовленного согласно полезной модели: с виртуальным изображением (танцующая балерина - фиг. 3а); с изображением реального объекта (макет дома - фиг. 3б); с совмещенным изображением виртуального изображения и реального объекта (фиг. 3в).

В образце применен блок воспроизведения объемного изображения с многоракурсным (9 ракурсов) линзорастровым автостереоскопическим устройством отображения. Размер рабочей зоны предметного пространства (Ш×В×Г) 800×400×300 мм. Блок освещения зоны предметного пространства выполнен на светодиодах. Данный экспериментальный образец позволяет воспроизвести объемное подвижное цветное изображение и обеспечить его совмещение с реальными физическими трехмерными объектами в объеме всей зоны предметного пространства.

Зрители могут наблюдать полностью объемное совмещенное изображение и имеют возможность, в пределах многоракурсной зоны наблюдения, оглядывать его непосредственно без применения специальных оптических устройств с нескольких разных ракурсов.

В зависимости от требуемых потребительских характеристик возможны различные варианты реализации и компоновки устройства, но функциональные свойства его элементов и их взаимодействие при этом не меняются. Целесообразность выбора того или иного варианта реализации и компоновки устройства зависит от условий эксплуатации и возможностей по размещению зрителей.

Предлагаемое устройство является перспективным и имеет обширную сферу применения, что обеспечивается возможностями использования вариантов с различной компоновкой, доступностью и применимостью нескольких разных технологий отображения объемного изображения в соответствии с целевым назначением устройства и возможными специальными требованиями пользователей.

Возможно создание устройств самых разнообразных размеров - от нескольких сантиметров до десятков метров.

Предлагаемое устройство формирования объемного цветного изображения в трехмерном пространстве с реальными физическими объектами обеспечивает решение поставленной задачи и достижение заявленного технического результата, может найти широкое применение и быть востребовано в сфере образования и науки, музейных и выставочных экспозициях, для создания разного рода тренажеров, при моделировании трехмерных задач в науке и технике, для машинного проектирования и конструирования, в рекламе, развлекательной индустрии и т.п.

Таким образом, заявленное устройство имеет следующие основные преимущества:

1) Устройство обеспечивает демонстрацию действительно объемного изображения в выделенном пространстве, а не псевдообъемную иллюзию.

2) Устройство позволяет демонстрируемое объемное изображение оптически совмещать с реальными объектами, в том числе макетами или объемными сценами в одном выделенном пространстве, при этом совмещение возможно во всех точках объема этого пространства, а наблюдаемое зрителем совмещенное комбинированное изображение будет действительно объемным.

3) Устройство обеспечивает возможность наблюдения совмещенного комбинированного объемного изображения одновременно для нескольких наблюдателей из разных точек зоны наблюдения;

4) Для работы устройства не обязательно использовать дополнительные индивидуальные устройства для наблюдения изображения (например очки, специальных датчики, трекеры и т.д.).

5) Устройство обеспечивает возможность движения объектов или элементов демонстрируемого объемного изображения по любым пространственным траекториям внутри объема выделенного пространства.

6) В отличие от ближайшего аналога, в котором для освещения применяется проектор, в заявленном устройстве за счет зонированного освещения от управляемых источников направленного света обеспечивается возможность исключить или значительно уменьшить эффект «прозрачности» формируемых мнимых (виртуальных) отраженных объектов и «просвечивания» реальных объектов сквозь виртуальные при их размещении перед (по направлению к наблюдателю) реальными объектами на линии взора наблюдателя и добиться отсутствия нежелательных теней от реальных объектов.

7) Устройство позволяет использовать для демонстрации не только изображение генерируемое методами 3D компьютерного моделирования, но также и отснятое и записанное реальное объемное изображение.

8) Устройство допускает изготовление панели с частично отражающей прозрачной оптической поверхностью из различных материалов и по разным технологиям, в том числе на основе упруго растянутых пленочных или жестких (стеклянных, пластиковых и т.п.) подложек.

9) В зависимости от целевого назначения и требующимися техническими параметрами устройство предполагает возможность применения в блоке воспроизведения объемного изображения различных систем отображения объемного изображения по способу создания изображения и по виду технологии создаваемого объемного изображения.

10) Устройство предполагает разные варианты оптической и геометрической компоновки узлов и возможность применения различных сочетаний основных узлов и их конструктивного размещения с целью модификации и оптимизации устройства для разных целевых назначений и учитывающей такие факторы, как: условия наблюдения зрителями и их расположение, размеры изображения, качество объемного изображения, стоимость и технологическая сложность и т.д.

Claims (15)

1. Устройство для формирования объемного изображения в трехмерном пространстве с реальными объектами, содержащее

основание (1), образующее предметное пространство (2) для размещения в нем реальных объектов (3),

блок (4) воспроизведения объемного изображения,

частично отражающую прозрачную оптическую панель (5), установленную с возможностью отображения объемного изображения, формируемого в блоке (4) воспроизведения объемного изображения, в область предметного пространства (2),

и блок (6) освещения предметного пространства, выполненный с возможностью зонированного освещения предметного пространства (2) с реальными объектами (3), отличающееся тем, что

блок (6) освещения предметного пространства содержит направленные источники света (9) и средство управления (10), выполненное с возможностью регулировки яркости каждого источника света (9).

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что блок (4) воспроизведения объемного изображения выполнен в виде стереоскопического дисплея.

3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что блок (4) воспроизведения объемного изображения выполнен в виде объемного дисплея.

4. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что блок (4) воспроизведения объемного изображения выполнен в виде голографического дисплея.

5. Устройство по п. 2 или 3, отличающееся тем, что блок (4) воспроизведения объемного изображения содержит проектор и экран, отображающий проецируемое изображение.

6. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что блок (4) воспроизведения объемного изображения установлен вне поля зрения пользователя.

7. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что в качестве направленных источников света (9) использованы RGB светодиодные светильники.

8. Устройство по п. 7, отличающееся тем, что средство управления (10) выполнено с возможностью регулировки цветности каждого источника света (9).

9. Устройство по п. 1, в котором направленные источники света (9) установлены с возможностью изменения направления светового луча, при этом средство управления (10) выполнено с возможностью управления каждым источником света (9).

10. Устройство по п. 1, в котором блок (6) освещения предметного пространства дополнительно содержит проекционное устройство (11), установленное с возможностью проецирования света в предметное пространство (2) и связанное со средством управления (10).

Images