UA80627C2

UA80627C2 - Automatic stereoscopic system

Info

Publication number: UA80627C2
Application number: UAA200601040A
Authority: UA
Inventors: Vasyl Borysovych Odnorozhenko; Beniamyn Hurhenovych Stepanian
Original assignee: Vasyl Borysovych Odnorozhenko; Beniamyn Hurhenovych Stepanian
Priority date: 2006-02-03
Filing date: 2006-02-03
Publication date: 2007-10-10
Also published as: WO2007089212A1

Description

Опис винаходу

Винахід відноситься до техніки демонстрації стереоскопічних зображень і може бути використане в 2 телебаченні, у комп'ютинзі, у системах контролю і керування, САПР, ігровій техніці, для створення тренажерів в авіониці і приладобудуванні, у науці, освіті медицині і таке інше, - для об'ємного моделювання і візуального представлення статичних і динамічних процесів у ЗО-форматі.

Створення тривимірного зображення продовжує залишатися серйозною технічною проблемою. Відомий метод кольорових анагліфів, що полягає в одержанні стереоскопічного зображення з використанням двох 70 пофарбованих у додаткові (комплементарні) кольори зображень-ракурсів, що складають стереопару, яке потім глядач дивиться за допомогою окулярів зі світлофільтрами різного кольору. При розгляді стереопари через такі окуляри кожне око сприймає тільки свій ракурс-зображення. При цьому, завдяки ефектові бінокулярного змішання кольорів, формується об'ємне зображення. Розвиток цього методу обмежено дискомфортом користувача в частині необхідності використання світлофільтрувальньїх окулярів. 12 У 1908 році Габризль Липпман запропонував технологію запису і відтворення тривимірного зображення з використанням рельєфних оптичних пластин, що складаються з упорядоченно розміщених мікролінз, і поклав початок розвиткові багатокомпонентного підходу до тривимірної графіки. |Ідею Липпмана на растровій основі розвив Моріс Бонне. Подальший розвиток вищевказаного підходу включає технічні рішення з варіаціями лінзових рельєфів або гратчастих структур, для одержання стереозображень за допомогою спеціально підготовленої для сепарації стереопари. Зазначена підготовка полягає в графічному перетворенні ракурсів стереопари так, щоб при сполученні зображення і растра, з урахуванням переломлення в ньому променів, обидва ракурси відновилися роздільно для кожного ока.

Відомо технічне рішення згідно заявки (МУО 99/09750 від 25.02.1999р. МПК 7 502827/22, НО4М13/00 "Стереоскопічна система перегляду"). Відоме технічне рішення включає підготовку вихідної стереопари методом с 22 ДЛиппмана-Бонне, що полягає в тім, що ракурси стереопари перемежовуються інвертованими вертикальними Го) смугами зі збереженням порядку їхнього проходження - по числу лінзових елементів лентикулярного растра, таким чином, що при накладенні на стиснуте смугове зображення роздільно відновлюються обидва ракурси - для лівого і правого ока.

Практична реалізації відомої стереоскопічної системи перегляду вимагає прецизійного позиціювання в оптичних елементів лентикулярного растра щодо смужок підготовленого зображення. Га

Відома автостереоскопічна система - згідно (патенту КО Мо2168192 від 27.05.2001р. МПК 7 6502827/22, нНО4М13/00 "Візуальний пристрій відображення і спосіб формування тривимірного зображення"). Відоме технічне ее, рішення засноване на застосуванні гратчастої маски, що складається з окремих оптичних елементів з о перемінною фокусною відстанню, установленої поверх поля Дискретних мікрографічних елементів зображення - пікселів так, що кожен піксель позиціонований на оптичній осі окремого оптичного елемента. Зовнішнє керування со фокусною відстанню окремих оптичних елементів дозволяє імітувати розходження в глибині зорового сприйняття відповідних пікселів, тобто виявляти стерео ефект від зображення в цілому. Відоме технічне рішення є складним і громіздким по числу складових елементів і їхньої організації в єдину конструкцію. «

Головною проблемою реалізації вищерозглянутих технічних рішень є вимога прецизійного позиціювання З оптичних елементів щодо елементів спеціально підготовленого зображення на поверхні візуалізації. Практичне с використання таких систем забезпечується жорстким закріпленням їхніх оптичних елементів відносно пікселів

Із» зображення, що виключає взаємний дрейф (зсув) оптичних елементів, і тому подібні рішення практично виключають 20/3О-конвертування.

Оскільки в даний час основні виробники і споживачі відеопродукції використовують 2О-формат її візуалізації, можливість сумісності і використання наявних 2О0-ресурсів для їхньої трансформації в ЗО-формат є со актуальною технічною задачею. ав | Відомо технічне рішення автостереоскопічної системи згідно |патенту ОБ Мо4729017 від 25.02.1986р. МПК Н 04 М 13/00). Відоме технічне рішення включає дисплейну поверхню візуалізації зі спеціально підготовленим б зображенням, що поділяється на пікселі. Елементи оптичних фат позиційовані відносно пікселів зображення й ка 20 об'єднані в автономну з'ємну гратчасту пластину. На поверхні візуалізації через гратчасту пластину глядач бачить стереоскопічне зображення. Таким чином, з'ємна гратчаста пластина повинна забезпечити тм 20/3О-конвертацію зображення. Однак, на практиці точне позиціювання гратчастої пластини на дисплеї відносно пікселів зображення є складною оптико-механічною задачею, що не вирішена у відомому технічному рішенні, й у цьому випадку неминучі викривлення зображення, яке проектується скрізь пластину, і втрата стерео ефекту. 52 Відомо технічне рішення автостереоскопічної системи - відповідно до (|патенту 05 2004263970 від

ГФ) 30.12.2004р. МПК б 02 В 27/22 "Сопмепіріе ашозіегеозсоріс Паї рапеї! аізріау" (найближчий аналог)|). Відома система включає плоский екран монітора - поверхня візуалізації, на якій знаходиться піксельне зображення о стереопари, підготовленої до сепарації методом Липпмана-Бонне, а також з'ємний екран у виді лентикулярного растра розташованого паралельно поверхні візуалізації. Відома автостереоскопічна система включає засоби для 60 юстування у формі оптичного тесту, реалізованого у виді орієнтованого щілинного растра на екрані монітора разом із пристроєм механічного зсуву з'ємного екрана з оптичними елементами щодо підготовленого зображення на поверхні візуалізації. Очевидним обмеженням відомої системи є вимога плоского моніторного екрана і дискомфортність від непереборних спеціальних дій користувача по підстроюванню положення з'ємного екрана, що вимагають часу і супроводжуються неминучою утратою відеоінформації. бо Задачею технічного рішення, що заявляється, є створення комфортної автостереоскопічної системи, що забезпечує високу якість стереоскопічного зображення при конвертуванні 20-формата у ЗО-формат.

Поставлена задача вирішується тим, що в автостереоскопічній системі, що включає поверхню візуалізації з підготовленою до сепарації стереопарою і з'ємний екран з растровою оптичною структурою, розташований перед поверхнею візуалізації, відповідно до технічного рішення, що заявляється, підготовлена до сепарації стереопара виконана у виді анагліфа, а з'ємний екран складається з двох растрів, розташованих по різні сторони загальної фокальної площини, що розсіює світловий потік, кожний з яких складається з лінзових елементів і/або їхніх оптичних еквівалентів, покладених на поверхні без проміжків, з утворенням співвісних пар лінзових елементів, кожна з яких містить анагліфічний фільтр. 70 Суть винаходу полягає в тім, що сепарація ракурсів стереопари анагліфічно підготовленого зображення здійснюється передбаченою в технічному рішенні, що заявляється, растровою структурою з анагліфічною фільтрацією, що не вимагає прецизійного позиціювання щодо поверхні візуалізації. Це забезпечує конвертацію 20О0-формата в ЗО-формат, виключає необхідність підстроювання з'ємного екрана в процесі його установки і використання, а також забезпечує відтворення стерео ефекту зі стійкою якістю анагліфічної технології.

Таким чином, конвертація 20-формата в ЗО-формат для користувача зводиться тільки до приєднання з'ємного екрана до поверхні візуалізації з підготовленим зображенням. При цьому, представлення стереопари у виді анагліфа забезпечує розміщення кожного її ракурсу на всій поверхні візуалізації, що забезпечує високу якість представлення кожного ракурсу стереозображення за рахунок виключення втрати точності - чіткості і контрастності, непереборну в найближчому аналогу, де використовується тільки половина кінцевого числа пікселів на поверхні візуалізації.

Крім відзначеного, представлення стереопари у виді анагліфа на поверхні візуалізації інваріантно відносно: поліграфічної що не передбачено найближчим аналогом, або екранної (телевізійні, комп'ютерні або спеціальні монітори/індикатори) поверхонь візуалізації; топології і організації кольорово-світлоформуючих пікселів; цей режим не підтримується найближчим сч ов аналогом при нерозмірності мікрографічної геометрії екрана й елементів растра, а також у випадку о горизонтального розміщення кольоровоутворюючих піксельних елементів; цифрового або аналогового, включаючи ЕПТ, - відтворення зображень на поверхні візуалізації; найближчий аналог, через локальну нестабільність зображення на ЕПТ- екрані, не підтримує такий режим;

Крім того слід зазначити, що анагліфічне представлення стереопари, у силу особливостей його формування, М зо зберігає повне (без топологічних деформацій) відтворення кожного її ракурсу; це дозволяє пряме (без з'ємного екрана) візуальне сприйняття зображення, що неможливо в найближчому аналогу, а також виключає с непереборну в найближчому аналогу половинну втрату освітленості (світловіддачі - для випромінюючих екранів) Ге кожного ракурсу стереопари, оскільки зображення в рішенні найближчого аналога займає лише половину поверхні візуалізації; о

Растрова структура технічного рішення, що заявляється, успадковує і розвиває відомий багатокомпонентний со підхід у побудові автостереоскопічної системи. Два растри, кожний з яких складається з лінзових елементів і/або їхніх оптичних еквівалентів, покладених на поверхні без проміжків, з утворенням співвісних пар лінзових елементів, і симетрично розташованих щодо загальної фокальної площини, що розсіює світловий потік, - забезпечують кодування-декодування об'ємної сцени, що неспотворює зображення з боку об'єктива і його « стерео-відтворення для глядача з боку окуляра, як якби він спостерігав об'ємну сцену через прозорий екран. Ця в с функціональна прозорість растрової конструкції технічного рішення, що заявляється, означає можливість його позиціювання на довільному місці між об'єктом і глядачем. Як наслідок, виключається обмеження найближчого ;» аналога на використання з'ємного екрана тільки для плоских поверхонь візуалізації, на примикання з'ємного екрана, а також можливий вплив товщини зовнішнього матеріалу монітора і його оптичних властивостей.

Допускається також визначене зрушення (поворот/зсув у власній площині) растрової конструкції технічного

Го! рішення, що заявляється. Крім того, за рахунок можливої роздільної зміни кривизни лінз у растрів-компонентів, - маємо відсутню в аналогах можливість оптичного регулювання стерео ефекту в частині зміни паралакса й о опто-зффектів у формі наближення-віддалення об'єктної сцени. б Растри-компоненти можуть бути не тільки лентикулярними, як у найближчому аналогу, але також кусочно-лінійними (зі східчастим зсувом лінзових елементів, - для згладжування розривів між фронтальними ю зонами перегляду) і іншими мультилінзовими, або їх оптичними еквівалентами (френелєвскими, щілинними, "М голограмними). Параметри растрів-компонентів (кривизна лінзових елементів, крок/геометрія розміщення, матеріал) технологічно визначаються завданням дистанції фронтального видалення глядача від поверхні візуалізації і кутами перегляду цієї поверхні.

Таким чином, оптичні властивості растрової конструкції технічного рішення, що заявляється, допускають: - не тільки паралельне або щільне розташування з'ємного екрана щодо поверхні візуалізації (як у

Ф) найближчому аналогу), але також його нееквідістантне розташування щодо цієї поверхні; ка - не тільки плоску поверхню візуалізації (як у найближчому аналогу), але також кривизну цієї поверхні в діапазоні стандартних значень для зовнішніх поверхонь телевізійних, комп'ютерних і спеціальних моніторів; 60 - повне виключення прецизійного горизонтально-вертикального настроювання положення растрової конструкції технічного рішення, що заявляється, за рахунок відзначеної інваріантості оптичних ефектів при вертикальному і/або горизонтальному зсуві з'ємного екрана щодо поверхні візуалізації; - повне виключення кутового настроювання положення з'ємного екрана, за рахунок інваріантості оптичних ефектів при поворотах растрової конструкції технічного рішення, що заявляється, щодо поверхні візуалізації на в5 Кути в діапазоні припустимих поворотів світлофільтровальної пари в анагліфічній технології; - оптичне регулювання паралакса і наближення/віддалення об'єктної сцени за рахунок можливості реалізації різної кривизни лінзових елементів на растрах-компонентах растрової конструкції технічного рішення, що заявляється.

Анагліфічні фільтри, створені так, що їхня оптична проекція на фокальну площину лінзової пари заповнює цю площину й утворює дві суцільні різнобарвні зони, що симетрично примикають до оптичної площини циліндричної лінзи, або до діаметра заданої орієнтації в проекції сферичної лінзи на фокальну площину.

Сукупність анагліфічних фільтрів окремих лінзових пар, створюють інтегральний анагліфічний фільтр-сепаратор системи. При фокальному розміщенні локальних анагліфічних фільтрів утвориться суцільний анагліфічний фільтр системи. 70 У суцільному анагліфічному фільтрі системи, наприклад на базі лентикулярного растра, суміжні локальні анагліфічні фільтри примикають один до одного областями різних кольорів і утворюють регулярну структуру з паралельних смуг однакової ширини (розміром п/2), з чергуванням фарбування, кожна пара позиційована під циліндричними лінзами растра. При цьому, парні смуги пофарбовані одним кольором, непарні - іншим; а одноколірні смуги чергуються з кроком растра п. Для інших мультилінзових растрів суцільні фокальні /5 анагліфічні фільтри також мають регулярну структуру, визначену щільною геометрією розміщення, наприклад, сферичних лінз і примиканням їхніх фокальних областей.

Функціональне поєднання растрової конструкції й анагліфічного сепаратора ракурсів у з'ємний екран забезпечує прояв автостереоскопічного ефекту при зручному користуванні - вільному навішенні з'ємного екрана на анагліфічне зображення на поверхні візуалізації. Це підтверджується прикладом виконання технічного Вішення автостереоскопічної системи , що заявляється.

На Фіг.1 показана автостереоскопічна система (загальний вид);

На Фіг.2 показана растрова конструкція з'ємного екрана (варіант лентикулярних растрів); (а) - растрова конструкція в зборі, (б) - компоненти з'ємного екрана;

На Фіг.3 показана пара лінзових елементів із загальною оптичною віссю; сч

На Фіг.4 показана схема прояву стереоефекту.

Автостереоскопічна система, включає поверхню 1 візуалізації з підготовленою до сепарації стереопарою і і) з'ємний екран 2 з растровою оптичною системою, розташованою перед поверхнею 1 візуалізації. Стереопара виконана у формі анагліфу, а з'ємний екран 2 складається з двох растрів - 3, 4, розташованих по різні сторони загальної фокальної площини 5, що розсіює світловий потік, . Кожний із двох растрів 3, 4, складається з М

Зо Ллінзових елементів 6 і/або їхніх оптичних еквівалентів, розташованих на поверхні без проміжків, з утворенням пар 7 лінзових елементів 6 с загальною оптичною віссю 8. Кожна пара 7 співвісних лінзових елементів постачена с анагліфічним фільтром 9. Кожен анагліфічний фільтр 9 складається зі світлофільтровальної пари Ге комплементарних кольорів - наприклад, фільтра червоного кольору 10 і фільтра синього кольору 11.

Автостереоскопічна система функціонує таким чином: о

Прояв стереоефекту автостереоскопічної системи при використанні анагліфічного зображення стереопари і со лентикулярної растрової структури (растри 3, 4, і фокальна площина 5) з анагліфічним мультифільтром, який в свою Чергу складається з анагліфічних фільтрів 9 кожної пари 7 співвісних лінзових елементів б з фокальним розміщенням анагліфічного фільтра 9 включає наступні етапи: - випромінений (відбитий) анагліфічним зображенням інтегральний світловий потік самофокусується в « фокальній площині 5 симетрично відносно оптичного центра 12 лінзи-соб'єктива 13, тобто птв) с горизонтально-інвертований фрагмент лівого ракурсу відбивається в зоні розсіювання праворуч від оптичної . віссі 8 лінзової пари 7. Аналогічно, інвертований фрагмент правого ракурсу відбивається в зоні розсіювання и?» ліворуч оптичної віссі 8 лінзової пари 7. Відбулось автоматичне кодування зображення, аналогічне методу

Липпмана-Бонне у зоні розсіювання лінзової пари 7; - змішані кольорові образи проекуються через світлофільтри 10,11 і розсіюються в тіло прилеглого

Го! окулярного растра 14. При цьому фільтр червоного кольору 10 виділяє лівий ракурс, а фільтр синього кольору 11 - правий ракурс початкової стереопари; о - декодування інтегральних образів ракурсів відбувається автоматично на основі властивостей

Ге» мультилінзового окулярного растра 14, у фокальній площині 5 якого , у зоні розсіювання, розташовується зображення, закодоване аналогічно методу Липпмана-Бонне, тобто параксіальні промені розсіяного о випромінювання , а також нецентральні промені, які переломляються - для нефронтального огляду, "М забезпечують реінверсію ракурсних фрагментів та їх кутове орієнтування для бінокулярного (стереоскопічного ) сприйняття декодованого зображення глядачем на заданій дистанції перегляду.

Таким чином, на прикладі показано, що сукупність суттєвих ознак технічного рішення, що заявляється, ов Вирішує поставлену задачу створення комфортної автостереоскопічної системи, що забезпечує високу якість стереоскопічного зображення при конвертуванні 20-формата в ЗО-формат. Растрова структура з убудованим

Ф) анагліфічним фільтром одночасно виконує дві функції: сепарацію ракурсів і їхнє кодування-декодування. ка Оптичні властивості з'ємного екрана, який включає растрову структуру і анагліфічний фільтр, забезпечують фрагментовану сепарацію окремими фільтрами ракурсів анагліфічного зображення з поверхні візуалізації во растром-об'єктивом і упорядковане симетрироване оптичне самофокусування цих фрагментів у фокальній площині окулярного растра, що забезпечує глядачеві прояв автостереоскопічного ефекту для об'ємних сцен.

Тим самим технічне рішення, що заявляється вирішує поставлену задачу - забезпечує високий ступінь комфортності для користувача і належний ступінь якості стереоскопії при 20/3О-конвертації вихідного зображення. Показано також, що можливості автостереоскопічної системи, що заявляється, інваріантні щодо 65 аналогового або цифрового представлення зображень, для статичної або динамічної графіки. Реалізація автостереоскопічної системи, що заявляється, можлива в конструктивно простих, пасивному або активному,

варіантах виготовлення растрової структури, допускає як її начіпне, так і убудоване застосування в засобах візуалізації без обмежень, пов'язаних з вимогами прецизійності позиціювання на поверхні візуалізації.

Система, що заявляється, придатна для будь-яких засобів індикації (включаючи різні моніторні екрани) і є повністю сумісною з довільними пристроями 20-формату і поліграфією. При цьому використовується стандартне анагліфічне представлення стереопари, освоєне і підтримуване в поліграфії, у компьютинзі і на телебаченні, - без яких-небудь медико-біологічних обмежень для глядачів.

Claims

Формула винаходу Автостереоскопічна система, що включає поверхню візуалізації з підготовленою до сепарації стереопарою і знімний екран з растровою оптичною структурою, розташований перед поверхнею візуалізації, яка відрізняється тим, що стереопара виконана у формі анагліфа, а знімний екран складається з двох растрів, розташованих по різні сторони загальної фокальної площини, яка розсіює світловий потік, кожний з яких складається з лінзових елементів і/або їхніх оптичних еквівалентів, розташованих на поверхні без проміжків, з утворенням співвісних пар лінзових елементів, кожна з яких містить анагліфічний фільтр. с щі 6) у с (Се) «в) г)

- . и? (ее) («в) (о) іме) що іме) 60 б5