RU2658579C1 - Optical device for volume perception of a plane image - Google Patents

Optical device for volume perception of a plane image Download PDF

Info

Publication number
RU2658579C1
RU2658579C1 RU2017124354A RU2017124354A RU2658579C1 RU 2658579 C1 RU2658579 C1 RU 2658579C1 RU 2017124354 A RU2017124354 A RU 2017124354A RU 2017124354 A RU2017124354 A RU 2017124354A RU 2658579 C1 RU2658579 C1 RU 2658579C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
prisms
perception
image
filters
optical
Prior art date
Application number
RU2017124354A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Александр Николаевич Морозов
Павел Алексеевич Мешенников
Александр Викторович Кукушкин
Original Assignee
Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный аэрогидродинамический институт имени профессора Н.Е. Жуковского" (ФГУП "ЦАГИ")
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный аэрогидродинамический институт имени профессора Н.Е. Жуковского" (ФГУП "ЦАГИ") filed Critical Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный аэрогидродинамический институт имени профессора Н.Е. Жуковского" (ФГУП "ЦАГИ")
Priority to RU2017124354A priority Critical patent/RU2658579C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2658579C1 publication Critical patent/RU2658579C1/en

Links

Images

Classifications

    • GPHYSICS
    • G02OPTICS
    • G02BOPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B30/00Optical systems or apparatus for producing three-dimensional [3D] effects, e.g. stereoscopic images

Abstract

FIELD: optics.
SUBSTANCE: device belongs to the field of cognitive perception and can be used to observe static and moving images on the output means of a plane image from TVs and displays to tablets and smartphones, as well as photographs and other printed materials, in computer graphics, film, television and video industries, industrial process control systems, video monitoring of guarded objects, and supervision systems with the use of X-ray installations. Optical device for the volume perception of a plane image, located between an eye of an observer and an image, contains two optical low-dispersion prisms that bases directed toward each other, and filters that transmit visible radiation and suppress near infrared radiation, starting from a long-wave part of the visible range.
EFFECT: providing the most complete volume perception of the plane image without additional modifications and regardless of the way it is represented by reducing the ocular convergence and leveling the chromatic perspective features.
13 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к области когнитивного восприятия, к системам перспектив, учитывающим деятельность мозга при зрительном восприятии пространства предметов, и является оптическим средством, обеспечивающим объемное восприятие плоских изображений, при отсутствии бинокулярной диспарантности. Диапазон применения устройства охватывает применение его для наблюдения статических и подвижных изображений на широком ряде устройств вывода двумерного изображения от телевизоров и дисплеев до планшетов и смартфонов, а также фотографий и другой печатной продукции, в компьютерной графике, кино-, теле- и видеоиндустрии, системах контроля промышленных процессов, видеоконтроля охраняемых объектов, систем досмотра с применением рентгеновских установок.The invention relates to the field of cognitive perception, to perspective systems that take into account the activity of the brain in the visual perception of the space of objects, and is an optical tool that provides volumetric perception of flat images in the absence of binocular disparity. The range of application of the device covers its use for observing static and moving images on a wide range of output devices of two-dimensional images from TVs and displays to tablets and smartphones, as well as photographs and other printed products, in computer graphics, film, television and video industry, control systems industrial processes, video monitoring of protected objects, inspection systems using x-ray systems.

Известно устройство «Спектральные сферопризматические очки» (патент на полезную модель №88542). Конструктивно устройство представляет собой сферопризматические очки, снабженные светофильтрами, отсекающими ультрафиолетово-синюю и сине-зеленую части спектра, уменьшающие эффект фототоксичности. Такой подход нарушает целостность цветового восприятия и не позволяет убрать влияние длинноволновой части спектра, что уменьшает степень объемности при восприятии плоского изображения.The device "Spectral sphere-prismatic glasses" (patent for utility model No. 88542). Structurally, the device is a sphere-prismatic glasses equipped with light filters that cut off the ultraviolet-blue and blue-green parts of the spectrum, which reduce the effect of phototoxicity. This approach violates the integrity of color perception and does not allow to remove the influence of the long-wavelength part of the spectrum, which reduces the degree of volumetric perception of a flat image.

Наиболее близким аналогом, принятым за прототип, является «Оптическая система объемного изображения» (патент на полезную модель №16873), включающая световой источник изображения и не менее трех прозрачных плоскостей, расположенных между глазом зрителя и световым источником изображения.The closest analogue adopted for the prototype is the "Optical volumetric image system" (utility model patent No. 16873), including a light source of the image and at least three transparent planes located between the eye of the viewer and the light source of the image.

Недостатками данного устройства являются плохая эргономика, возникновение усталости глазных мышц и повышенное психологическое напряжение при работе, вследствие «рысканья» фокусировки глаз. Также не компенсируется главный механизм, мешающий объемному восприятию двумерного (плоского) изображения, а именно конвергенция глаз, создается система мнимых изображений, что мешает фокусировке глаза на изображении, создается размытость и нечеткость изображения, ограничивается поле зрения.The disadvantages of this device are poor ergonomics, the occurrence of eye muscle fatigue and increased psychological stress during work, due to the “yaw” of focusing the eyes. Also, the main mechanism that interferes with the volumetric perception of a two-dimensional (flat) image, namely the convergence of the eyes, is not compensated for, a system of imaginary images is created, which prevents the eye from focusing on the image, blurring and blurring of the image are created, and the field of view is limited.

Задачей изобретения и техническим результатом является создание оптического устройства для объемного восприятия плоского изображения, имеющего хорошую эргономику для мобильного применения, широкое поле зрения, обеспечивающего главное условие объемного восприятия двумерного изображения, а именно деконвергенцию глаз и высокую четкость изображения.The objective of the invention and the technical result is the creation of an optical device for the volumetric perception of a flat image having good ergonomics for mobile use, a wide field of view, providing the main condition for volumetric perception of a two-dimensional image, namely deconvergence of the eyes and high definition image.

Поставленная цель достигается тем, что оптическое устройство для объемного восприятия плоского изображения, расположенное между глазом наблюдателя и изображением, содержит две оптические низкодисперсные призмы, направленные основаниями друг к другу, и светофильтры с возможностью пропускания видимого излучения и подавления ближнего инфракрасного излучения, начиная с длинноволновой части видимого диапазона.This goal is achieved in that the optical device for the volumetric perception of a flat image, located between the observer’s eye and the image, contains two optical low-dispersion prisms directed by the bases to each other, and filters with the possibility of transmitting visible radiation and suppressing near infrared radiation, starting with the long-wavelength part visible range.

Светофильтры могут быть выполнены в виде интерференционных фильтров и наноситься непосредственно на поверхности призм. Призмы, выполненные сферическими, эргономически эффективны и легко интегрируются на различных монтировках, включая очковую оправу. Для универсальности применения призмы могут включать в себя сферические и цилиндрические корректирующие элементы. Для повышения эффективности и защиты поверхности, на призмы могут быть нанесены просветляющие или упрочняющие покрытия. Применение призм и фильтров может быть расширено путем размещения в любой комбинации на защитных оправах со щитками, мягких и жестких масках и шлемах для обеспечения работоспособности в специализированных применениях. В ряде случаев, включая подбор преломляющей оптики, призмы и фильтры, в комбинации с другими оптическими элементами, могут крепиться на юстируемых по всем степеням свободы кассетных держателях. Для комфортного применения в быту и на производстве, призмы с фильтрами могут быть выполнены в виде контактных линз.The filters can be made in the form of interference filters and applied directly to the surface of the prisms. Spherical prisms are ergonomically efficient and integrate easily on a variety of mounts, including a spectacle frame. For versatility, prisms can include spherical and cylindrical corrective elements. To increase efficiency and protect the surface, prism can be coated with antireflection or hardening coatings. The use of prisms and filters can be expanded by placing in any combination on protective frames with shields, soft and hard masks and helmets to ensure performance in specialized applications. In some cases, including the selection of refractive optics, prisms and filters, in combination with other optical elements, can be mounted on cassette holders that are adjustable for all degrees of freedom. For comfortable use in everyday life and in production, prisms with filters can be made in the form of contact lenses.

Технический результат состоит в том, что с помощью уменьшения конвергенции глаз и нивелирования хроматических перспективных признаков обеспечивается наиболее полное объемное восприятие обычного плоского изображения без дополнительных модификаций и вне зависимости от способа представления последнего.The technical result consists in the fact that by reducing the convergence of the eyes and leveling the chromatic promising features provides the most complete volumetric perception of the usual flat image without additional modifications and regardless of the way the latter is presented.

На фиг. 1 представлена общая конструкция устройства, а на фиг. 2 представлен вариант со сферическими призмами и нанесенными на их поверхность фильтрами.In FIG. 1 shows the general construction of the device, and FIG. 2 shows a variant with spherical prisms and filters applied to their surface.

Суть изобретения и его конструктивные особенности поясняются на фиг. 1, где указан источник изображения 1 в виде двумерного плоского изображения на экране монитора, оптические низкодисперсные призмы 2, расположенные перед глазами наблюдателя, основаниями призм друг к другу, условный наблюдатель 3, линии направления лучей зрения 4, светофильтры ближнего инфракрасного излучения 5, под 6 обозначено межзрачковое расстояние, а под 7 - расстояние максимального комфорта для наблюдения двумерного плоского объекта заданного размера.The essence of the invention and its design features are illustrated in FIG. 1, where the source of the image 1 in the form of a two-dimensional flat image on the monitor screen is indicated, optical low-dispersion prisms 2 located in front of the observer’s eyes, the bases of the prisms to each other, conditional observer 3, the direction lines of the visual rays 4, near-infrared filters 5, under 6 the interpupillary distance is indicated, and under 7 is the distance of maximum comfort for observing a two-dimensional flat object of a given size.

На фиг. 2 представлен вариант устройства со сферическими призмами 2 и интегрированными светофильтрами ближнего инфракрасного излучения 5, дополненными просветляющими и упрочняющими покрытиями, остальные обозначения совпадают с таковыми на фиг. 1.In FIG. 2 shows a variant of the device with spherical prisms 2 and integrated filters for near infrared radiation 5, supplemented with antireflection and hardening coatings, the remaining designations coincide with those in FIG. one.

Устройство выполнено следующим образом. Глаза наблюдателя 3 смотрят на изображение 1, расположенное достаточно близко, на расстоянии 7 так, что лучи зрения 4 (справа) образуют явно выраженный треугольник. Расположенные между глазами наблюдателя 3 и источником изображения 1 оптические низкодисперсные призмы 2 позволяют изменить направление угла зрения, не вводя дополнительные хроматические искажения, при этом лучи зрения становятся близки к параллельным 4 (слева), как при рассматривании удаленного предмета (на бесконечности). Таким образом уменьшается или устраняется конвергенция глаз. Перед призмами расположены интерференционные светофильтры ближнего инфракрасного излучения, которые уменьшают хроматические аберрации в длинноволновом диапазоне и способствуют улучшению объемного восприятия плоского изображения. Угол поворота определяется расстоянием максимального комфорта для наблюдения 7 и межзрачковым расстоянием 6. Граница пропускания интерференционного светофильтра определяется границей диапазона видимого излучения.The device is as follows. The eyes of the observer 3 look at the image 1, located quite close, at a distance of 7 so that the rays of vision 4 (on the right) form a pronounced triangle. Located between the eyes of the observer 3 and the image source 1, optical low-dispersion prisms 2 allow you to change the direction of the angle of view without introducing additional chromatic distortions, while the rays of vision become close to parallel 4 (on the left), as when examining a distant object (at infinity). In this way, convergence of the eyes is reduced or eliminated. In front of the prisms, there are near-infrared interference filters that reduce chromatic aberration in the long wavelength range and help improve the volumetric perception of a flat image. The angle of rotation is determined by the distance of maximum comfort for observation 7 and the interpupillary distance 6. The boundary of the transmission of the interference filter is determined by the boundary of the range of visible radiation.

Пространственная (объемная) визуализация данных является достаточно сложной и трудозатратной, если принять за основу стереоскопическую систему. Необходимо обеспечить две точки зрения и продублировать все системы визуализации. Дублирование современных средств регистрации изображений и визуализации процессов - тепловизоров, теневых и интерференционных систем, высокоскоростных камер и сопутствующих систем не всегда оправдано и даже не всегда возможно. Это, как минимум, требует систем и устройств пространственной и временной синхронизации, наличия свободного пространства для размещения дополнительного оборудования, систем обработки и визуализации данных регистрации, что усложняет и удорожает комплекс визуализации многократно.Spatial (volumetric) data visualization is quite complex and time-consuming, if we take the stereoscopic system as a basis. It is necessary to provide two points of view and duplicate all visualization systems. Duplication of modern means of image registration and visualization of processes - thermal imagers, shadow and interference systems, high-speed cameras and related systems is not always justified and not always possible. At a minimum, this requires systems and devices for spatial and temporal synchronization, the availability of free space to accommodate additional equipment, processing and visualization systems for registration data, which complicates and increases the cost of the visualization complex many times.

Обычно данные экспериментально-численной визуализации выводятся на экран монитора в двумерном виде. Зрительное восприятие по двум пространственным измерениям не вызывает особых затруднений, так как каждую точку двумерной сцены можно отобразить в точку на поверхности сетчатки глаза. Намного сложнее дело обстоит с восприятием глубины и расстояния до объекта, так как при этом задействуются специальные механизмы восприятия и обобщения пространства. Главными являются аккомодация (фокусировка глаза), конвергенция (сведение глаз на точку в трехмерном пространстве), мозговая деятельность (психология зрительного восприятия). В то же время, трехмерное представление, в большинстве случаев, способствует более адекватному восприятию данных визуализации. При визуализации данных численного моделирования не возникает особых проблем формирования данных с нескольких углов зрения и использования их в дальнейшем для получения стереоизображения на основе широко распространенных методов, как-то: затворные системы, анаглифные системы, поляризационные системы.Usually, experimental numerical visualization data is displayed on a monitor screen in a two-dimensional form. Visual perception in two spatial dimensions does not cause much difficulty, since each point in a two-dimensional scene can be mapped to a point on the surface of the retina. Much more complicated is the situation with the perception of depth and distance to the object, since this involves special mechanisms of perception and generalization of space. The main ones are accommodation (focusing the eye), convergence (bringing the eyes to a point in three-dimensional space), brain activity (psychology of visual perception). At the same time, a three-dimensional representation, in most cases, contributes to a more adequate perception of visualization data. When visualizing numerical simulation data, there are no special problems of generating data from several angles of view and using them in the future to obtain stereo images based on widely used methods, such as shutter systems, anaglyph systems, polarization systems.

Данное устройство обеспечивает частичное или полное уменьшение конвергенции глаз, то есть исключение механического индикатора расстояния и активное задействование средств зрительного опыта и психологии зрительного восприятия для дополнения двумерного пространства информацией о глубине или расстоянии до объекта и его протяженности. Для передачи мозгу информации о глубине привлекается ряд чисто изобразительных признаков - перспективное искажение, градиент текстуры, принцип затенения [Грегори Г.Л., Разумный глаз: Пер с англ. Изд. 2-е. - М.: Едиториал УРСС, 2003], макроконтраст, возвышение над горизонтом, атмосферная перспектива, дисперсионная перспектива, микроконтрастная или текстурная перспектива, динамика саккадических движений глаза в процессе исследования образа сцены как особенность перцептивно-моторного взаимодействия. Все эти признаки относятся к когнитивным факторам, способствующим восприятию и изображению пространственных отношений в различных системах отображения [Когнитивная психология. Учебник для вузов / Под ред. В.Н. Дружинина, Д.В. Ушакова - М.: ПЕР СЭ, 2002].This device provides a partial or complete decrease in eye convergence, that is, the exclusion of a mechanical distance indicator and the active use of visual experience and psychology of visual perception to supplement two-dimensional space with information about the depth or distance to the object and its length. To transmit information about depth to the brain, a number of purely pictorial features are used - perspective distortion, texture gradient, the principle of shading [Gregory GL, Intelligent Eye: Transl. From Eng. Ed. 2nd. - M .: URSS editorial, 2003], macro-contrast, elevation above the horizon, atmospheric perspective, dispersive perspective, micro-contrast or texture perspective, saccadic eye movement dynamics in the process of studying the scene image as a feature of perceptual-motor interaction. All these signs relate to cognitive factors that contribute to the perception and image of spatial relationships in various display systems [Cognitive Psychology. Textbook for high schools / Ed. V.N. Druzhinina, D.V. Ushakova - M.: PER SE, 2002].

Для того, чтобы задействовать скрытую в когнитивных факторах визуализации информацию, разработано оптическое устройство, обеспечивающее уменьшение конвергенции глаз. При снятии мышечной информации о расстоянии до предмета у большинства людей (по статистике до 92%) происходит активное когнитивное восприятие по топологической обработке пространственной информации [Антипов В.Н., Жегалло А.В. и др. Экспериментальное изучение 3D-восприятия образов плоскостных изображений // «Экспериментальный метод в структуре психологического знания» Отв. ред. В.А. Барабанщиков. М.: Изд-во «Институт психологии РАН», 2012. С. 187-194]. Основными моментами, способствующими определению глубины пространства, являются перспективное искажение и связанный с ним градиент текстуры, принцип затенения [Гончаров О.А. Восприятие пространства и перспективные построения. СПб.: СПбГУ, 2007], возвышение (как эквивалент глубины по отношению к горизонту) [Раушенбах, Б. В. Пространственные построения в живописи / Б.В. Раушенбах. - М.: Наука, 1980].In order to use the information hidden in the cognitive factors of visualization, an optical device has been developed that provides a reduction in eye convergence. When removing muscle information about the distance to the subject, most people (according to statistics up to 92%) have an active cognitive perception of the topological processing of spatial information [Antipov V.N., Zhegallo A.V. and others. Experimental study of 3D-perception of images of planar images // "Experimental method in the structure of psychological knowledge" Otv. ed. V.A. Drummers. M .: Publishing House "Institute of Psychology RAS", 2012. S. 187-194]. The main points contributing to the determination of the depth of space are perspective distortion and the texture gradient associated with it, the principle of shading [Goncharov O.A. Perception of space and perspective constructions. SPb .: SPbU, 2007], elevation (as the equivalent of depth with respect to the horizon) [Raushenbakh, B.V. Spatial constructions in painting / B.V. Rauschenbach. - M .: Nauka, 1980].

Разработанное устройство служит для объемной визуализации плоских изображений, которая базируется на уменьшении конвергенции, для чего используются призматический (дивергентная дезаккомодация) и спектральный компоненты (фиг. 1). Данный аспект базируется на работах Антипова В.Н. [Антипов В.Н., Щербаков B.C., Чугунов А.В. Экспериментально-физический подход в методике развития интуиции синергетически-когнитивной образно-структурированной зрительной системы // Учен. зап. Казан, ун-та. Сер. естест. науки. - 2009. - Т. 151, кн. 1. - С. 188-195], в которых выявлена возможность полноценного объемного восприятия образов плоских изображений и показано, что данная особенность зрительной системы способствует развитию интуитивно-креативного мышления. Пространственный рельеф изображения формируется мозгом на основе предшествующего опыта. Важно отметить, что аккомодация глаза оказывает слабое влияние на пространственное восприятие.The developed device serves for volumetric visualization of flat images, which is based on reducing convergence, for which prismatic (divergent disaccommodation) and spectral components are used (Fig. 1). This aspect is based on the works of Antipov V.N. [Antipov V.N., Scherbakov B.C., Chugunov A.V. The experimental-physical approach in the methodology for the development of intuition of a synergetic-cognitive figuratively-structured visual system // Uchen. app. Kazan University. Ser. test. Sciences. - 2009. - T. 151, book. 1. - P. 188-195], in which the possibility of full volumetric perception of images of flat images is revealed and it is shown that this feature of the visual system contributes to the development of intuitive and creative thinking. The spatial relief of the image is formed by the brain based on previous experience. It is important to note that accommodation of the eye has a weak effect on spatial perception.

Особенность устройства заключается в том, что один только призматический компонент, уменьшая конвергенцию глаз, не до конца устраняет признаки плоскостности изображения. Для более полного восприятия объемности плоского изображения применены высокочастотные фильтры, аналогичные фильтрам, установленным перед цветными фотоприемными матрицами. Принцип действия фильтров состоит в подавлении низкочастотных оптических компонент, начиная с границы видимого диапазона оптического спектра, и пропускании высокочастотных компонент. Применение высокочастотных фильтров позволяет уменьшить влияние нескольких факторов: длинноволновое рассеяние, повышенные сферические аберрации, дисперсионную или хроматическую перспективу, поперечную хроматическую аберрацию.A feature of the device is that only the prismatic component, reducing the convergence of the eyes, does not completely eliminate the signs of flatness of the image. For a more complete perception of the volume of a flat image, high-frequency filters are used, similar to filters installed in front of color photodetector arrays. The principle of operation of the filters consists in suppressing low-frequency optical components, starting from the boundary of the visible range of the optical spectrum, and transmitting high-frequency components. The use of high-frequency filters can reduce the influence of several factors: long-wave scattering, increased spherical aberration, dispersion or chromatic perspective, transverse chromatic aberration.

Человеческий глаз обладает повышенной сферической аберрацией на длинноволновом участке видимой части оптического спектра, включая и ближний инфракрасный диапазон. Глаз взаимодействует не столько с микроконтрастом изображения, сколько с низким, по сравнению с разрешающей способностью глаза, оптическим разрешением существующих средств вывода изображений. Психологически это заставляет воспринимать информацию о плоскостности изображения как значимую. Можно сделать вывод о необходимости уменьшения длинноволнового рассеяния.The human eye has increased spherical aberration in the long-wavelength region of the visible part of the optical spectrum, including the near infrared range. The eye interacts not so much with the microcontrast of the image as with the low, in comparison with the resolution of the eye, optical resolution of the existing means of image output. Psychologically, this forces us to perceive information about the flatness of the image as significant. We can conclude that the need to reduce long-wave scattering.

Особенностью человеческого глаза также является значительная разница в преломляющей способности на красной и синей длинах волн. Проведение эксперимента для точечного источника на двух длинах волн - 400 нм и 750 нм показало, что разница в оптической силе достигает 2 и даже более диоптрий [Faubert, J. (1994) ‘Seeing depth in colour: More than just what meets the eyes’. Vision Research, 34 (9). pp 1165-1186]. Это, так называемая, продольная хроматическая аберрация оптической системы глаза. Синий свет преломляется сильнее и, за счет аккомодации глаза, кажется расположенным дальше от наблюдателя. Этот эффект известен еще художникам средневековья и активно используется с того времени в живописи, дизайне и рекламе [Milner D, Goodale М. The Visual Brain in Action. New York, NY: Oxford, University Press, 2006]. С точки зрения информации о глубине окрашенного предмета, данный эффект называется хроматической или дисперсионной перспективой. Примененные в разработанном оптическом устройстве для пространственного восприятия фильтры минимизируют указанный эффект.A feature of the human eye is also a significant difference in the refractive power at the red and blue wavelengths. An experiment for a point source at two wavelengths - 400 nm and 750 nm showed that the difference in optical power reaches 2 or even more diopters [Faubert, J. (1994) 'Seeing depth in color: More than just what meets the eyes' . Vision Research, 34 (9). pp 1165-1186]. This is the so-called longitudinal chromatic aberration of the optical system of the eye. The blue light refracts more strongly and, due to the accommodation of the eye, seems to be located further from the observer. This effect is known to medieval artists and has been actively used since that time in painting, design and advertising [Milner D, Goodale M. The Visual Brain in Action. New York, NY: Oxford, University Press, 2006]. From the point of view of information about the depth of the painted object, this effect is called the chromatic or dispersion perspective. The filters used in the developed optical device for spatial perception minimize this effect.

Дополнительно к продольной хроматической аберрации, глаз обладает и поперечной хроматической аберрацией, возникающей вследствие того, что зрительная ось глаза не совпадает с оптической осью. Хотя эффект поперечной хроматической аберрации и выражен слабее, чем эффект продольной, но он влияет на положение или конвергенцию глаз, в зависимости от угла поворота глаз при саккадических движениях, и, потому, обеспечивает значительный вклад в информацию о глубине. При использовании дополнительных оптических устройств, данный эффект может быть выражен еще сильнее, за счет более сильного преломления синего света в оптических средах. Причем, в зависимости от знака призматичности используемой оптики, эффект хроматической аберрации глаза может быть усилен или нивелирован [Christian Ucke, 3-D VISION WITH CHROMADEPTH™ GLASSES // Proceedings of the International ICPE/GIREP conference ‘Hands-On Experiments in Physics Education’ August 23-28, 1998, Duisburg/Germany]. В нашем случае, при использовании отрицательных призм, к сожалению эффект усиливается. Именно для уменьшения эффекта дисперсионной перспективы [Lee Е.С., Lee J.W., Park K.R., Experimental investigations of pupil accommodation factors // Investigative Ophthalmology & Visual Science, 2011 Aug 17; 52(9):6478-85], которая вводит искажение в интерпретацию глубины пространства рассматриваемого двумерного изображения пространственной сцены, и применяются интерференционные светофильтры ближнего инфракрасного излучения [Lourdes L., OD, Luis Diaz-Santana, David Lara-Saucedo, Susana M. Aberrations of the Human Eye in Visible and Near Infrared Illumination // OPTOMETRY AND VISION SCIENCE (American Academy of Optometry), VOL. 80, NO. 1, January 2003, PP. 26-35].In addition to longitudinal chromatic aberration, the eye also has transverse chromatic aberration, which occurs due to the fact that the visual axis of the eye does not coincide with the optical axis. Although the effect of transverse chromatic aberration is less pronounced than the longitudinal effect, it affects the position or convergence of the eyes, depending on the angle of rotation of the eyes during saccadic movements, and therefore provides a significant contribution to the depth information. When using additional optical devices, this effect can be expressed even more, due to a stronger refraction of blue light in optical media. Moreover, depending on the prismatic sign of the optics used, the effect of chromatic aberration of the eye can be enhanced or leveled [Christian Ucke, 3-D VISION WITH CHROMADEPTH ™ GLASSES // Proceedings of the International ICPE / GIREP conference 'Hands-On Experiments in Physics Education' August 23-28, 1998, Duisburg / Germany]. In our case, when using negative prisms, unfortunately the effect is enhanced. It is to reduce the effect of dispersion perspective [Lee ES, Lee J.W., Park K.R., Experimental investigations of pupil accommodation factors // Investigative Ophthalmology & Visual Science, 2011 Aug 17; 52 (9): 6478-85], which introduces a distortion in the interpretation of the depth of space of the two-dimensional image of the spatial scene in question, and near-infrared interference filters are used [Lourdes L., OD, Luis Diaz-Santana, David Lara-Saucedo, Susana M. Aberrations of the Human Eye in Visible and Near Infrared Illumination // OPTOMETRY AND VISION SCIENCE (American Academy of Optometry), VOL. 80, NO. January 1, 2003, PP. 26-35].

Важно отметить, что несоответствие перспективных изображений прямоугольной сцены на близком расстоянии, наблюдаемой разными глазами, компенсируется механизмом константности восприятия [О.А. Гончаров, Закономерности восприятия и изображения перспективных отношений // Психологический журнал Международного университета природы, общества и человека «Дубна». 2009. №4] и не вносит дополнительных искажений на пространственное восприятие.It is important to note that the discrepancy between perspective images of a rectangular scene at a short distance, observed by different eyes, is compensated by the mechanism of perception constant [O. Goncharov, Patterns of perception and image of perspective relations // Psychological journal of the International University of Nature, Society and Man "Dubna". 2009. No. 4] and does not introduce additional distortions to spatial perception.

Рекомендации по использованию устройства основаны на опыте применения макета, в котором оптические элементы были интегрированы в очковую оправу. Применение вышеуказанного оптического устройства в виде призматических очков, с основаниями призм, ориентированными к носу, и нанесенными на них в виде многослойных покрытий, интерференционными фильтрами ближнего инфракрасного излучения, позволяет получить технический результат в виде обеспечения естественного зрительного когнитивного восприятия пространства предметов, их соотношений и глубины пространства без искажений. Интерференционные фильтры, естественно, комбинируются с обычными просветляющими и упрочняющими поверхность покрытиями, что позволяет сохранить эргономику обычных очков и практически не удорожает производство.Recommendations for using the device are based on the experience of using a prototype in which optical elements were integrated into the spectacle frame. The use of the above optical device in the form of prismatic glasses, with the bases of prisms oriented towards the nose, and applied to them in the form of multilayer coatings, interference filters for near infrared radiation, allows to obtain a technical result in the form of providing a natural visual cognitive perception of the space of objects, their ratios and depth space without distortion. Interference filters, of course, are combined with conventional antireflective and surface-hardening coatings, which allows you to save the ergonomics of ordinary glasses and practically does not increase the cost of production.

При использовании оптического устройства для объемного восприятия плоского изображения отмечается некоторое увеличение размера экрана монитора и, соответственно, отображаемых на нем данных. Поэтому, для более точного восприятия глубины на изображении следует использовать мониторы высокого разрешения - не менее 100 пиксел на дюйм, или не менее 4 линий на миллиметр. То есть мониторы с соотношением сторон 16:9 и диагональю до 22" должны иметь разрешение HD (1920×1080 пиксел), а мониторы с большей диагональю - QHD (2560×1440 пиксел). Начиная с диагонали 37" минимальным требованием по разрешению становится так называемое 4К или UHD, что соответствует 4096×2160 или 3840×2160 пиксел. Точно такое же требование, а именно - соответствовать разрешению монитора, предъявляется и для отображаемых данных. Уменьшение разрешения монитора или данных приводит к тому, что заметность пиксельной структуры начинает играть роль деструктора текстурного признака глубины и, следовательно, нарушать пространственность восприятия.When using an optical device for the volumetric perception of a flat image, there is a slight increase in the size of the monitor screen and, accordingly, the data displayed on it. Therefore, for a more accurate perception of depth in the image, you should use high-resolution monitors - at least 100 pixels per inch, or at least 4 lines per millimeter. That is, monitors with an aspect ratio of 16: 9 and a diagonal of up to 22 "should have HD resolution (1920 × 1080 pixels), and monitors with a larger diagonal should have QHD (2560 × 1440 pixels). Starting with a diagonal of 37", the minimum resolution requirement becomes called 4K or UHD, which corresponds to 4096 × 2160 or 3840 × 2160 pixels. Exactly the same requirement, namely, to comply with the resolution of the monitor, is presented for the displayed data. Reducing the resolution of the monitor or data leads to the fact that the visibility of the pixel structure begins to play the role of a destructor of the texture feature of depth and, therefore, violate the spatial perception.

Устройство просто в эксплуатации и приспособлено для использования неподготовленным человеком. В связи с широким диапазоном применения, на ряде устройств вывода двумерного изображения от телевизоров и дисплеев до планшетов и смартфонов, требуется подбор параметров устройства. Подбор параметров преломляющих призм крайне прост - определяется расстояние максимального комфорта для данного устройства вывода изображения, что определяет высоту треугольника зрения. Основанием треугольника является отрезок между зрачками условного зрителя. Размер межзрачкового расстояния обычно составляет от 58 до 68 мм; расстояние максимального комфорта для смартфона примерно 250 мм, соответственно применяются призмы силой -10…-12 диоптрий. Для дисплея расстояние максимального комфорта составляет примерно 0.8-1.0 м и применяются призмы -3…-4 диоптрии. Для телевизора, или большого монитора размером более 60" по диагонали и расстоянии максимального комфорта в 2.5-5.0 м применяется очковая призма оптической силы примерно -1 диоптрия.The device is easy to operate and adapted for use by an untrained person. Due to the wide range of applications, on a number of devices for outputting two-dimensional images from TVs and displays to tablets and smartphones, selection of device parameters is required. The selection of parameters of refracting prisms is extremely simple - the maximum comfort distance for a given image output device is determined, which determines the height of the triangle of vision. The base of the triangle is the segment between the pupils of the conditioned viewer. The size of the interpupillary distance is usually from 58 to 68 mm; the maximum comfort distance for the smartphone is about 250 mm, respectively, prisms with a power of -10 ... -12 diopters are used. For the display, the maximum comfort distance is approximately 0.8-1.0 m and prisms of -3 ... -4 diopters are used. For a TV, or a large monitor larger than 60 "in diagonal and a maximum comfort distance of 2.5-5.0 m, a spectacle prism of optical power of about -1 diopter is used.

Представленное оптическое устройство для объемного восприятия плоского изображения было произведено в виде макета и апробировано в реальных условиях (как одно из подтверждений применимости и работоспособности изобретения).The presented optical device for volumetric perception of a flat image was produced in the form of a prototype and tested in real conditions (as one of the confirmations of the applicability and operability of the invention).

Было произведено несколько образцов как чисто призматических очков с фильтрами (-2.0…-8.0 дптр), так и сложных очков сфера-цилиндр-призма (сфер. -5.0…+3.0 дптр, цил. -2.5…+1.0 дптр) с интерференционными полосно-пропускающими фильтрами (390-670 нм) на разные диапазоны применимости по размеру источника исходного статического и движущегося изображений, и, соответственно на разные расстояния комфортного зрения для данных устройств - от 25 см до 5 м.Several samples were produced of both purely prismatic glasses with filters (-2.0 ... -8.0 diopters) and complex glasses sphere-cylinder-prism (spheres. -5.0 ... + 3.0 diopters, cyl. -2.5 ... + 1.0 diopters) with interference fringe - transmission filters (390-670 nm) for different ranges of applicability according to the size of the source of the initial static and moving images, and, accordingly, at different distances of comfortable vision for these devices - from 25 cm to 5 m.

Медицинские аспекты применения данного устройства специально не исследовались, так как существует богатая практика применения схожих с ними бифокальных сферопризматических очков (БСПО), предложенных Ю.А. и Е.В. Утехиными в 1959 году [Утехин Ю.А., Цамерян А.П. Метод профилактики и стабилизации близорукости с помощью бифокальных сферопризматических очков (БСПО). Международный симпозиум "Близорукость". Патогенез, профилактика прогрессирования и осложнений. М.: 1990. С. 109, 110]. Данная практика показывает, что уменьшение или полное снятие конвергенции оказывает расслабляющее действие на мышечный аппарат глазного яблока, способствует снятию спазма аккомодации и может быть рекомендовано для профилактики нарушений зрения, особенно у детей.The medical aspects of the use of this device have not been specifically investigated, since there is a rich practice in the application of bifocal sphere-prismatic glasses (BSPOs) similar to them, proposed by Yu.A. and E.V. Utekhiny in 1959 [Utekhin Yu.A., Tsameryan A.P. A method for the prevention and stabilization of myopia using bifocal sphere-prismatic glasses (BSPO). International Symposium "Myopia". Pathogenesis, prevention of progression and complications. M .: 1990. S. 109, 110]. This practice shows that reducing or completely removing convergence has a relaxing effect on the muscular system of the eyeball, helps relieve spasm of accommodation, and can be recommended for the prevention of visual impairment, especially in children.

Испытания устройства были проведены с участием 6 перципиентов как с нормальным зрением, так и с различными нарушениями. Во всех случаях отмечен большой положительный эффект - при работе по построению пространственных моделей в САПР (системах автоматизированного проектирования), построению 3-мерных сеток для моделирования обтекания потоком газа летательных аппаратов (ЛА) и его элементов, визуализации результатов моделирования, в исследованиях по обработке и визуализации данных реального аэрофизического эксперимента по обтеканию ЛА и его элементов потоками газа на различных, в том числе и высокоэнтальпийных, стендах. Значительный положительный эффект достигнут при обработке данных визуализации летного эксперимента. Также положительный эффект наблюдается при просмотре развлекательного и познавательного контентов - изображений, фотографий, слайд-шоу, фильмов и даже мультфильмов.Testing of the device was carried out with the participation of 6 patients with both normal vision and various impairments. In all cases, a great positive effect was noted - when working on building spatial models in CAD (computer-aided design systems), building 3-dimensional grids for modeling the flow of gas around aircraft (LA) and its elements, visualizing simulation results, in processing studies and visualization of data of a real aerophysical experiment on the flow of gas around aircraft and its elements at various stands, including highly enthalpy ones. A significant positive effect was achieved when processing the visualization data of the flight experiment. Also, a positive effect is observed when viewing entertaining and informative content - images, photos, slide shows, films and even cartoons.

Отмечено повышение микроконтраста изображений сверхвысокой четкости (на 4К 3860×2180 пиксел устройствах) вследствие уменьшения хроматической аберрации и некоторого рассеяния на больших длинах волн.An increase in the microcontrast of ultra-high definition images (on 4K 3860 × 2180 pixel devices) was noted due to a decrease in chromatic aberration and some scattering at long wavelengths.

Было отмечено, что в некотором, малом, количестве случаев регистрировалось отсутствие восприятия объемности изображения. После нескольких сеансов тренировки по дивергентной дезаккомодации по А.И. Дашевскому [Ватченко А.А. Спазм аккомодации и близорукость. Киев, "Здоров’я", 1977], пространственное восприятие улучшилось. В одном случае было зафиксировано полное отсутствие положительного действия устройства, но как оказалось впоследствии, у данного перципиента имелось медицинское заключение о врожденном отсутствии бинокулярного зрения (отсутствие стереопсиса), а следовательно, и пространственного восприятия.It was noted that in a small, small number of cases, a lack of perception of the volume of the image was recorded. After several training sessions on divergent disaccommodation according to A.I. Dashevsky [Vatchenko A.A. Spasm of accommodation and myopia. Kiev, Zdorov’ya, 1977], spatial perception has improved. In one case, a complete absence of the positive effect of the device was recorded, but as it turned out later, this patient had a medical opinion on the congenital absence of binocular vision (the absence of stereopsis), and, consequently, spatial perception.

Устройство может быть востребовано на системах контроля и досмотра без какого-либо изменения конструкции рентгеновских установок, исключая необходимость в сложных тренингах персонала по выявлению глубины залегания предметов на визуализируемой сцене и при сохранении существующих псевдоцветовых палитр. Это относится к устройствам, где создание стереоскопического двухканального варианта построения пространственного изображения практически невозможно.The device can be used on control and inspection systems without any change in the design of X-ray units, eliminating the need for complex staff training to identify the depth of objects on the visualized scene and while maintaining existing pseudo-color palettes. This applies to devices where the creation of a stereoscopic two-channel option for constructing a spatial image is almost impossible.

Таким образом, устройство, устраняя информацию о двумерности плоского изображения за счет деконвергенции глаз и уменьшения влияния хроматических длинноволновых признаков глубины, обеспечивает объемное восприятие плоского изображения, большую четкость и высокий уровень различимости деталей. При этом оно имеет удобную эргономику, не уступающую свойствам обычных очков. Подтверждена применимость и работоспособность данного устройства в полном соответствии с техническим результатом.Thus, the device, eliminating information about the two-dimensionality of a flat image due to deconvergence of the eyes and reducing the influence of chromatic long-wavelength signs of depth, provides volumetric perception of a flat image, greater clarity and a high level of distinguishability of details. At the same time, it has convenient ergonomics, not inferior to the properties of ordinary glasses. The applicability and operability of this device in full accordance with the technical result is confirmed.

Claims (13)

1. Оптическое устройство для объемного восприятия плоского изображения, расположенное между глазом наблюдателя и изображением, отличающееся тем, что содержит две оптические низкодисперсные призмы, направленные основаниями друг к другу, и светофильтры с возможностью пропускания видимого излучения и подавления ближнего инфракрасного излучения, начиная с длинноволновой части видимого диапазона.1. An optical device for volumetric perception of a flat image located between the eye of the observer and the image, characterized in that it contains two optical low-dispersion prisms directed by the bases to each other, and filters with the possibility of transmitting visible radiation and suppressing near infrared radiation, starting with the long-wavelength part visible range. 2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что светофильтры выполнены в виде интерференционных фильтров, нанесенных непосредственно на поверхности призм.2. The device according to p. 1, characterized in that the filters are made in the form of interference filters deposited directly on the surface of the prisms. 3. Устройство по п. 1 или 2, отличающееся тем, что призмы выполнены сферическими.3. The device according to claim 1 or 2, characterized in that the prisms are made spherical. 4. Устройство по п. 1 или 2, отличающееся тем, что призмы включают сферические и цилиндрические корректирующие элементы.4. The device according to p. 1 or 2, characterized in that the prisms include spherical and cylindrical corrective elements. 5. Устройство по п. 1 или 2, отличающееся тем, что на поверхности призм нанесены дополнительные просветляющие или упрочняющие покрытия.5. The device according to claim 1 or 2, characterized in that additional antireflection or hardening coatings are applied on the surface of the prisms. 6. Устройство по п. 1 или 2, отличающееся тем, что оно интегрировано в очковую оправу.6. The device according to p. 1 or 2, characterized in that it is integrated into the spectacle frame. 7. Устройство по п. 6, отличающееся тем, что очковая оправа имеет по бокам защитные щитки.7. The device according to claim 6, characterized in that the spectacle frame has protective shields on the sides. 8. Устройство по п. 1 или 2, отличающееся тем, что оно размещено на гибкой маске.8. The device according to p. 1 or 2, characterized in that it is placed on a flexible mask. 9. Устройство по п. 1 или 2, отличающееся тем, что оно размещено на жесткой маске.9. The device according to p. 1 or 2, characterized in that it is placed on a hard mask. 10. Устройство по п. 1 или 2, отличающееся тем, что оно размещено на шлеме.10. The device according to p. 1 or 2, characterized in that it is placed on the helmet. 11. Устройство по п. 1 или 2, отличающееся тем, что призмы закреплены в кассетном держателе, позволяющем комбинировать их с другими оптическими элементами.11. The device according to p. 1 or 2, characterized in that the prisms are fixed in a cassette holder that allows you to combine them with other optical elements. 12. Устройство по п. 11, отличающееся тем, что призмы закреплены с возможностью юстировки по одной или нескольким степеням свободы.12. The device according to p. 11, characterized in that the prisms are fixed with the possibility of adjustment on one or more degrees of freedom. 13. Устройство по п. 4, отличающееся тем, что призмы с фильтрами выполнены в виде контактных линз.13. The device according to p. 4, characterized in that the prisms with filters are made in the form of contact lenses.
RU2017124354A 2017-07-10 2017-07-10 Optical device for volume perception of a plane image RU2658579C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2017124354A RU2658579C1 (en) 2017-07-10 2017-07-10 Optical device for volume perception of a plane image

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2017124354A RU2658579C1 (en) 2017-07-10 2017-07-10 Optical device for volume perception of a plane image

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2658579C1 true RU2658579C1 (en) 2018-06-21

Family

ID=62713502

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2017124354A RU2658579C1 (en) 2017-07-10 2017-07-10 Optical device for volume perception of a plane image

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2658579C1 (en)

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU1601599A1 (en) * 1987-05-26 1990-10-23 Куйбышевский политехнический институт им.В.В.Куйбышева Device for observing pseudostereoeffect
US5594843A (en) * 1992-04-24 1997-01-14 Depth Enhancement, Inc. Method and apparatus for creating three-dimensionality in a projected television image
RU16873U1 (en) * 2000-03-23 2001-02-20 Филатов Игорь Геннадьевич OPTICAL VOLUME IMAGE SYSTEM
GB2401953A (en) * 2003-05-16 2004-11-24 David Brian Woods Stereoscopic display device and method of creating pseudostereoscopic moving images

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU1601599A1 (en) * 1987-05-26 1990-10-23 Куйбышевский политехнический институт им.В.В.Куйбышева Device for observing pseudostereoeffect
SU1601598A1 (en) * 1987-05-26 1990-10-23 Куйбышевский политехнический институт им.В.В.Куйбышева Device for observing pseudostereoeffect
US5594843A (en) * 1992-04-24 1997-01-14 Depth Enhancement, Inc. Method and apparatus for creating three-dimensionality in a projected television image
RU16873U1 (en) * 2000-03-23 2001-02-20 Филатов Игорь Геннадьевич OPTICAL VOLUME IMAGE SYSTEM
GB2401953A (en) * 2003-05-16 2004-11-24 David Brian Woods Stereoscopic display device and method of creating pseudostereoscopic moving images

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US10192292B2 (en) Accommodation-invariant computational near-eye displays
JP7078540B2 (en) Image creation device, image creation method, image creation program, spectacle lens design method and spectacle lens manufacturing method
Banks et al. 3D Displays
US11079596B2 (en) 3-dimensional electro-optical see-through displays
US9077973B2 (en) Wide field-of-view stereo vision platform with dynamic control of immersive or heads-up display operation
US9629539B2 (en) Eyeglasses-wearing simulation method, program, device, eyeglass lens-ordering system and eyeglass lens manufacturing method
CN104204904A (en) Compact eye-tracked head-mounted display
CN106773064B (en) Display control method and device of image picture and head-mounted display equipment
CA2857691A1 (en) Wide field-of-view 3d stereo vision platform with dynamic control of immersive or heads-up display operation
WO2010044383A1 (en) Visual field image display device for eyeglasses and method for displaying visual field image for eyeglasses
US11300805B2 (en) Stereoscopic eyeglasses, method for designing eyeglass lens to be used for the stereoscopic eyeglasses, and method for observing stereoscopic image
EP3663835A1 (en) Head-mounted display and method for designing wide-focus lens used in same
Hwang et al. Instability of the perceived world while watching 3D stereoscopic imagery: a likely source of motion sickness symptoms
Massof et al. Low vision enhancement system
Vienne et al. The role of vertical disparity in distance and depth perception as revealed by different stereo-camera configurations
KR20030022047A (en) Method for evaluating binocular performance of spectacle lenses, method for displaying said performance and apparatus therefor
DE102015217682A1 (en) Device for eye examination
RU2658579C1 (en) Optical device for volume perception of a plane image
Konrad et al. Computational focus-tunable near-eye displays
US10255676B2 (en) Methods and systems for simulating the effects of vision defects
Watt et al. Real-world stereoscopic performance in multiple-focal-plane displays: How far apart should the image planes be?
Zhang Design of Head mounted displays
Maeda et al. Depth reduction in light-field head-mounted displays by generating intermediate images as virtual images
RU181214U1 (en) DEVICE FOR CREATING A STEREOSCOPIC IMAGE
RU2609285C1 (en) Method of forming a multiplane image and a multifocal stereoscopic display