Способ и система формирования стереоизображения
Область техники, к которой относится изобретение.
Изобретение относится к системам формирования цветных стереоизображений и может быть использовано для создания стереоскопических компьютерных мониторов и телевизоров, стереокинематографа и других аналоговых и цифровых средств отображения информации.
Преимущественно изобретение предназначено для создания цветных стереоскопических жидкокристаллических мониторов и телевизоров. Кроме того, изобретение может быть использовано для демонстрирования стереоскопической информации на выставках, в музеях, театрах, концертных и спортивных залах, на стадионах и спортивных площадках, в видеорекламе, в машинах, игровых и тренажерных системах и в других областях техники, где требуется использование цветных стереоскопических изображений.
Уровень техники
Из уровня техники известны «мaтpичныe» системы (экраны, дисплеи), где изображение формируется на матрице цветовоспроизводящих элементов, которая и является экраном (то есть, изображение формируется непосредственно на экране, который видит зритель). Это телевизоры, компьютерные мониторы и другие системы, предназначенные главным образом для индивидуального пользования. Основные типы матриц (экранов, дисплеев), используемых в таких системах — это жидкокристаллические просветные дисплеи (LСD-экраны), плазменные панели (РDР-экраны), кинескопы (СRТ-экраны) и иные типы матриц цветовоспроизводящих элементов: светодиодные дисплеи (LЕD-экраны) и т. п.
Из уровня техники известно несколько способов формирования стереоскопического изображения (очковые - поляризационные и обтюраторные, безочковые растровые и др.). Однако, все существующие способы обладают недостатками, которые не позволяют использовать их для создания «мaтpичныx» систем воспроизведения цветного стереоизображения, пригодных для практического использования и широкого тиражирования. Лучшая иллюстрация этого утверждения — на потребительском рынке до сих пор отсутствуют цветные
стереоскопические жидкокристаллические, плазменные или кинескопные мониторы и телевизоры, между тем как спрос на них был бы колоссальным. Некоторые существующие - способы формирования стереоскопического изображения применяются в настоящее время в проекционных системах воспроизведения цветного стереоизображения.
Рассмотрим существующие способы формирования цветного стереоскопического изображения и их недостатки.
Из уровня техники известны системы формирования стереоскопических изображений для раздельного очкового наблюдения левого и правого кадров стереопары соответственно левыми и правыми глазами зрителей, для чего зрители снабжаются поляризационными или обтюраторными очками (см. книгу: Валюс
H. А. Стерео: Фотография, кино, телевидение. -M.: Искусство, 1986, - 263 с, ил.).
Поляризацию используют в двух вариантах — линейную (например, для левого глаза - вертикальную, для правого - горизонтальную) и круговую (например, для правого глаза - правую, то есть по часовой стрелке, а для левого глаза — левую, то есть против часовой стрелки, или наоборот).
Положительными эффектами при использовании поляризационных или обтюраторных стереоочков является возможность одновременного наблюдения полноцветного стереоизображения большим числом зрителей в широком угле зрения, а также обеспечение равной световой нагрузки на глаза зрителей.
Основной недостаток систем с линейной поляризацией заключается в том, что наклон головы зрителя влево или вправо существенно снижает качество стереоэффекта (приводит к раздвоению изображения), а при больших углах наклона стереоэффект полностью пропадает. Зритель должен строго держать голову таким образом, чтобы его глаза были на одном уровне по горизонтали.
Основной недостаток систем с круговой поляризацией заключается в том, что для обеспечения круговой поляризации необходима не пленка (как для линейной), а достаточно сложный поляризационный фильтр. В то же время, круговая поляризация имеет существенное преимущество по сравнению с линейной - наклон головы не влияет на качество стереоэффекта.
Общий недостаток всех поляризационных методов заключается в том, что их практически невозможно использовать для создания «мaтpичныx» систем формирования цветного стереоскопического изображения. Для этого пришлось бы наносить микроскопические поляризационные фильтры, чередуя при этом направления поляризации, на каждый пиксель «мaтpичнoгo» монитора, что технологически крайне сложно. Применение поляризационных методов для создания стереоскопических жидкокристаллических мониторов и телевизоров осложняется также тем, что в жидкокристаллическом дисплее используется уже поляризованный свет. В настоящее время поляризационные методы применяются только для создания проекционных систем формирования цветного стереоизображения.
Основным недостатком обтюраторного метода является утомляемость глаз из-за низкочастотного мерцания изображения на экране и окружающей обстановки, что вызывает раздражение и даже заболевание глаз при длительном наблюдении стереоизображений. Повышение частоты мерцаний до 80 смен кадров в секунду и более (что необходимо для незаметности мерцания) связано с существенными технологическими трудностями из-за ограничений, связанных с конструкцией и технологией производства «мaтpичныx» мониторов.
Из уровня техники также известны безочковые стереоскопические проекционные системы с линзово-растровыми стереоэкранами. Основным недостатком линзово-растровых стереоскопических систем является необходимость неподвижного удержания головы зрителя в зонах избирательного стереоскопического видения. Ширина каждой зоны видения не превышает расстояния между зрачками глаз, при этом смещение глаз относительно центра зоны на два и более сантиметра приводит к существенному снижению яркости наблюдаемого изображения. Если зритель меняет положение и выходит из зоны видения, стереоэффект теряется. Строгая фиксация положения зрителя относительно зон видения даже в течение нескольких минут вызывает дискомфорт зрителя - неудобство, быструю утомляемость, так как зритель вынужден сидеть неподвижно и постоянно визуально искать оптимальный ракурс
(центр зоны видения) четкого наблюдения стереоэффекта.
Кроме того, из уровня техники известен способ формирования стереоизображений, основанный на использовании разных цветов для левого и правого кадров стереопары. Например, берут левый кадр — красный, и правый — зеленый, и проецируют на один экран, и используют очки с фильтрами - красным и зеленым. Таким образом, зритель одним глазом видит только красный (левый) кадр, а другим - только зеленый (правый) кадр, и в итоге видит объемное монохромное изображение. Основной недостаток этого способа заключается в том, что с его помощью невозможно обеспечить формирование цветного стереоизображения с естественной передачей цветов. Технический результат, на достижение которого направлено настоящее изобретение, заключается в создании способа и системы формирования цветного стереоизображения. Другой технический результат заявленного изобретения заключается в создании способа и системы, обеспечивающих формирование цветного стереоизображения с высокой четкостью, без геометрических искажений, с максимальным разрешением и широким полем зрения.
Сущность изобретения
Заявленный технический результат достигается с помощью способа формирования стереоизображения, который включает следующие этапы: 1. Формируют «лeвый» и «пpaвый» кадр стереопары;
2. Раскладывают «лeвый» и «пpaвый» кадры стереопары по двум различным наборам базовых цветов (двум различным цветовым пространствам): «лeвый» кадр - по набору базовых цветов Zлeв, «пpaвый» кадр - по набору базовых цветов Zпpaв (ни один цвет набора ZЛβв не совпадает ни с одним цветом набора Zправ, Фиг. 1).
3. Отображают на экране, который видит зритель, «лeвый» и «пpaвый» кадры стереопары с использованием наборов базовых цветов Zлeв и ZщaΑ соответственно;
4. Фильтруют цвета наборов Zлeв и Zпpaв таким образом, чтобы зритель видел левым глазом «лeвый» кадр стереопары и не видел «пpaвый», а правым глазом видел «пpaвый» кадр стереопары и не видел «лeвый». В одном из вариантов осуществления изобретения отображают «лeвый» и «пpaвый» кадры стереопары при помощи средства отображения, а фильтрацию
осуществляют с использованием, по меньшей мере, двух светофильтров, один из которых пропускает цвета набора Zлeв и не пропускает цвета набора Zпpas, а другой светофильтр пропускает цвета набора Zдрав и не пропускает цвета набора Zлeв.
Еще в одном варианте осуществления изобретения светофильтр, пропускающий цвета набора Zлeв и не пропускающий цвета набора Zпpaв расположен между устройством отображения и левым глазом зрителя, а светофильтр, пропускающий цвета набора Zправ и не пропускающий цвета набора Zлeв расположен между устройством отображения и правым глазом зрителя.
Светофильтры могут быть реализованы в виде специальных очков, контактных линз, а также других приспособлений.
Технический результат достигается так же тем, что система формирования стереоизображения, содержит: устройство отображения, предназначенное для формирования и отображения «лeвoгo» и «пpaвoгo» кадров стереопары с использованием наборов базовых цветов Zлeв и Zпpaв соответственно, и фильтрующее устройство, предназначенное для раздельного наблюдения «лeвoгo» и «пpaвoгo» кадров стереопары разными глазами зрителя путем фильтрации цветов наборов Zлeв и Zпpaв.
В одном из вариантов осуществления изобретения устройство отображения содержит матрицу цветовоспроизводящих элементов, соответствующих двум наборам базовых цветов Zлeв и Zщs&.
Еще в одном из вариантов осуществления изобретения устройство отображения содержит матрицу цветовоспроизводящих элементов и матрицу светофильтров, соответствующих двум наборам базовых цветов Zлeв и Zправ и расположенную поверх матрицы цветовоспроизводящих элементов. Еще в одном из вариантов осуществления изобретения матрица светофильтров, соответствующих двум наборам базовых цветов Zдeв и Zправ, расположена таким образом, что субпиксели каждого цвета, образуемые элементами матрицы цветовоспроизводящих элементов и светофильтрами матрицы светофильтров, равномерно распределены по устройству отображения. Еще в одном из вариантов осуществления изобретения фильтрующее устройство состоит, по меньшей мере, из двух светофильтров, один из которых пропускает цвета набора Zлeв и не пропускает цвета набора Zпpaв, а другой светофильтр, пропускает цвета набора Zпраs и не пропускает цвета набора Zлeв, при
этом светофильтр, пропускающий цвета набора ZЛeв и не пропускающий цвета набора Zпpais, расположен между устройством отображения и левым глазом зрителя, а светофильтр, пропускающий цвета набора Zдрав и не пропускающий цвета набора Zлeв, расположен между устройством отображения и правым глазом зрителя.
Еще в одном из вариантов осуществления изобретения матрица цветовоспроизводящих элементов может быть выполнена в виде матрицы жидкокристаллических цветовоспроизводящих ячеек (LСD-экран), плазменных цветовоспроизводящих ячеек (РDР-экран), люминофорных цветовоспроизводящих элементов (СRТ-экран), светодиодных цветовоспроизводящих ячеек (LЕD-экран), пластиковых цветовоспроизводящих ячеек (LЕР-экран) или в виде матрицы органических электролюминесцентных цветовоспроизводящих ячеек (ОLЕD-экран).
Еще в одном из вариантов осуществления изобретения система выполнена с дополнительной возможностью формирования двумерного изображения.
Краткое описание чертежей
На Фиг. 1 показано представление наборов базовых цветов и соответствующих им цветовых пространств в координатах х и у модели CIP. Например, набор базовых цветов Zлeв = (Ri, Gi5 Bi), набор базовых цветов Ъщш = {Rг, G2, B2), или наоборот.
На Фиг. 2 показано формирование цветного стереоизображения с разложением «лeвoгo» и «пpaвoгo» кадров стереопары по разным наборам базовых цветов в «мaтpичныx» системах, на примере двух наборов по три базовых цвета.
На Фиг. 3 показаны некоторые способы расположения субпикселей на экране и их условного объединения в, пиксели (р), применяемые в стандартных «мaтpичныx» системах - LСD-экранах, PDP- экранах, СRТ-экранах и др.
На Фиг. 4 показаны некоторые способы расположения субпикселей на матрице цветовоспроизводящих элементов, предназначенной для воспроизведение двух наборов базовых цветов Zлeв и Zлpaв - стереоскопическом
LСD-экране, РDР-экране, СRТ-экране - и способы условного объединения
субпикселей в пиксели (pf, р" - пиксели, соответствующие наборам базовых
ЦВеТОВ Zлeв И Zдраs)-
На Фиг. 5 показаны некоторые способы наложения дополнительной матрицы светофильтров на матрицу цветовоспроизводящих элементов, воспроизводящую один наборов базовых цветов, для формирования субпикселей, воспроизводящих два набора базовых цветов Zлeв и ZпpiШ, и способы условного объединения субпикселей в пиксели (р1, р" - пиксели, соответствующие наборам базовых цветов Zлeв и Zдрав)-
Подробное описание изобретения
Способность человека видеть стереоскопическое (объемное) изображение в ближней зоне (условно до 5 м) обусловлена, прежде всего, бинокулярным механизмом человеческого зрения. Когда мы смотрим на объект, расположенный достаточно близко от нас, на сетчатке левого и правого глаз формируются два различных двумерных изображения, которые воспринимаются мозгом как одно трехмерное (объемное) изображение. Соответственно, если создать два двумерных изображения (кадра), соответствующих взгляду левым и правым глазом (так называемую стереопару), и сделать так, чтобы левый глаз видел только «лeвый» кадр стереопары, а правый глаз - только «пpaвый» кадр стереопары, можно создать стереоскопическое (объемное) изображение.
Множество воспринимаемых человеком цветов может быть представлено в координатах х и у модели CIP, Фиг. 1 (светло-серая область). Любой набор из трех (и более) спектрально независимых цветов (базовых цветов) задает цветовое пространство (треугольник в координатах X и Y модели CIP), все цвета которого могут быть получены путем смешения этих базовых цветов в различных пропорциях. Например, на Фиг. 1 изображены два цветовых пространства, задаваемых двумя различными наборами из трех базовых цветов (красного, зеленого и синего) - набором Zi = (Ri, Gi, Bi) и набором Z2 = (R2, G2, B2). Любой цвет С, попадающий в область пересечения этих цветовых пространств (темно- серая область на Фиг. 1), может быть разложен и по набору Zi, и по набору Z2.
Для формирования цветного стереоизображения, при помощи устройства отображения формируют «лeвый» и «пpaвый» кадры стереопары, раскладывают «лeвый» и «пpaвый» кадры стереопары по двум различным наборам базовых
цветов Zлeв и Zправ соответственно, и затем оба кадра отображают при помощи средства отображения на экран, который видит зритель, причем «лeвый» кадр отображают с использованием набора базовых цветов Zлeв, а «пpaвый» кадр отображают с использованием набора базовых цветов Zпpaв. Устройство отображения может представлять собой любое устройство, которое позволяет воспроизводить цветное двумерное изображение с использованием обоих наборов базовых цветов Zлeв и Zправ. В одном варианте выполнения изобретения устройство отображения содержит матрицу цветовоспроизводящих элементов, соответствующих двум наборам базовых цветов Zлeв, и Zдрав. В другом варианте осуществления изобретения устройство отображения содержит матрицу цветовоспроизводящих элементов и матрицу светофильтров, соответствующих двум наборам базовых цветов Zлeв и Zпp£Ш, расположенную поверх матрицы цветовоспроизводящих элементов.
Затем фильтруют цвета наборов Zлeв и Zпpaв при помощи фильтрующего устройства таким образом, чтобы зритель видел левым глазом «лeвый» кадр стереопары и не видел «пpaвый», а правым глазом видел «пpaвый» кадр стереопары и не видел «лeвый». Фильтрующее устройство представляет собой набор, по меньшей мере, из двух светофильтров - «лeвoгo» светофильтра, пропускающего цвета набора Zлeв и не пропускающего цвета набора Zщрав, и «пpaвoгo» светофильтра, пропускающего цвета набора Zправ и не пропускающего цвета набора Zлeв. При этом светофильтры расположены таким образом, что светофильтр, пропускающий цвета набора Zлeв и не пропускающий цвета набора Zправ расположен между левым глазом зрителя и устройством отображения, а светофильтр, пропускающий цвета набора Zдрал и не пропускающий цвета набора ZлeBj расположен между правым глазом зрителя и устройством отображения. Таким образом, левый глаз видит только «лeвый» кадр стереопары, сформированный базовыми цветами набора Zлeв, а правый глаз видит только «пpaвьш» кадр стереопары, сформированный базовыми цветами набора Zдрав, что позволяет зрителю видеть цветное стереоскопическое (объемное) изображение. Фиг. 2 иллюстрирует описанный выше способ для случая, когда используется два набора из трех базовых цветов: Zлeв = (R1, Gi, Bi) и Z1453B = (R2, G2, B2).
В одном из вариантов выполнения изобретения устройство фильтрации может быть выполнено в виде пользовательских светофильтров индивидуального пользования - специальных очков, контактных линз и т. п.
Необходимо отметить, что пользовательские светофильтры могут быть трех видов — «нa пропускание)), «нa поглощение)) и промежуточные варианты.
Светофильтры «нa пропускание)) пропускают узкие полосы спектра, соответствующие одному из наборов базовых цветов (Zлeв или Zпpaв), и не пропускают другие участки спектра. Таким образом, светофильтры «нa пропускание)) затемняют окружающую обстановку, и позволяют зрителю видеть только изображение на экране (соответственно, левый глаз зрителя видит «лeвый» кадр стереопары и не видит «пpaвый», правый глаз зрителя видит «пpaвый» кадр стереопары и не видит «лeвый))).
Светофильтры «нa поглощение)) поглощают узкие полосы спектра, соответствующие одному из наборов базовых цветов (левый поглощает цвета набора Zпpaв, правый - цвета набора Zлeв), и пропускают остальные участки спектра. Таким образом, светофильтры «нa поглощение)) не затемняют окружающую обстановку, и позволяют видеть как изображение на экране
(соответственно, левый глаз зрителя видит «лeвый» кадр стереопары и не видит
«пpaвый», правый глаз зрителя видит «пpaвый» кадр стереопары и не видит «лeвый»), так и окружающую обстановку.
Промежуточные варианты светофильтров могут иметь произвольные спектры пропускания, с тем лишь условием, что «лeвый» светофильтр пропускает цвета набора ZлeE и не пропускает цвета набора Zпpaв, а «пpaвый» светофильтр пропускает цвета набора Z14J3B и не пропускает цвета набора Zлeв.
Система для формирования цветного стереоскопического изображения будет описана ниже, на примере конструкций LCD-, PDP- и СRТ-экранов для формирования цветного стереоскопического (объемного) изображения
Конструкции LCD-, PDP- и СRТ-экранов для формирования цветного стереоскопического изображения.
1. Конструкция стереоскопического LСD-экрана (ЖК-экрана)
Как известно, в стандартном LСD-экране (телевизоре, мониторе) цветное изображение формируется следующим образом. На матрицу жидкокристаллических ячеек, каждая из которых может менять свою прозрачность под воздействием приложенного к ней напряжения, накладывается матрица микроскопических светофильтров базовых цветов (обычно красного, зеленого и синего). Ячейки и наложенные на них светофильтры могут иметь форму полосок, кругов и т. д. с характерным размером в доли миллиметра. Каждую цветовоспроизводящую пару «ячeйкa + светофильтр)) обычно называют субпикселем. Субпиксели каждого цвета равномерно распределены по экрану. Обычно субпиксели условно объединяют в группы (по одному субпикселю каждого цвета), которые называют пикселями. Некоторые из способов расположения субпикселей на экране и их объединения в пиксели изображены на Фиг. 3.
Позади экрана устанавливается лампа подсветки. Изменяя степень прозрачности ЖК-ячеек, можно регулировать яркость свечения соответствующих субпикселей. Свет от субпикселей разных цветов смешивается в восприятии зрителя, что позволяет формировать на экране любое цветное изображение. Обычно условно считают, что каждый пиксель воспроизводит определенный цвет (путем смешения базовых цветов от составляющих его субпикселей), а пиксели разных цветов формируют цветное изображение на экране.
Для того, чтобы LСD-экран можно было использовать для формирования цветного стереоизображения, его конструкцию нужно изменить согласно вариантам заявленного изобретения.
Вариант 1. В одном варианте осуществления цветного стереоскопического LСD-экрана на матрицу жидкокристаллических ячеек накладывают матрицу светофильтров, соответствующих двум наборам базовых цветов - Zлeв и Zпpaв, таким образом, чтобы субпиксели каждого цвета были равномерно распределены по экрану (или, что эквивалентно, чтобы пиксели р' и р", соответствующие наборам ZдeE и Zпp!m, были равномерно распределены по экрану). Это может быть сделано одним из способов, изображенным на Фиг. 4, или любым иным подобным способом. Например, пиксели р' и р" могут чередоваться по столбцам, по строкам, в шахматном порядке (как на Фиг. 5) и т. п. «Лeвый» и «пpaвый» кадры стереопары воспроизводятся на экране: одно - с использованием пикселей р',
И
другое - с использованием пикселей р". Спектры пропускания светофильтров должны быть достаточно узкими для того, чтобы с помощью пользовательских светофильтров, установленных между экраном и глазами пользователя (специальных очков, контактных линз и т. п.), можно было эффективно разделить «лeвый» и «пpaвый» кадры стереопары.
Вариант 2. В другом варианте осуществления стереоскопического LCD- экрана, на обычный LСD-экран накладывают дополнительную матрицу светофильтров, которые «oбpeзaют» спектры пропускания штатных (стандартных) светофильтров LСD-экрана, формируя таким образом два типа субпикселей — «лeвыe» и «пpaвыe». Например, светофильтр Rl «oбpeзaeт» спектр пропускания штатного светофильтра R справа, формируя субпиксель Ri пикселя р', а светофильтр R2 «oбpeзaeт» спектр излучения штатного светофильтра R слева, формируя субпиксель R2 пикселя р", Фиг. 5.
2. Конструкция стереоскопического РDР-экрана (плазменной панели).
Варианты осуществления стереоскопического РDР-экрана аналогичны вариантам 1 и 2 осуществления стереоскопического LСD-экрана, за исключением того, что вместо матрицы жидкокристаллических ячеек используют матрицу плазменных пветовоспроизводящих ячеек, воспроизводящих два набора базовых цветов (аналогично Фиг. 4), либо на обычную плазменную панель накладывают матрицу светофильтров, которые «oбpeзaют» спектры излучения штатных люминофоров плазменных цветовоспроизводящих ячеек слева и справа, формируя таким образом субпиксели, соответствующие двум наборам базовых цветов (аналогично Фиг. 5).
3. Конструкция стереоскопического СRТ-экрана (кинескопа). Конструкция стереоскопического СRТ-экрана. аналогична вариантам осуществления стереоскопического LСD-экрана, за исключением того, что вместо матрицы жидкокристаллических ячеек используют СRТ-экран (кинескоп, электронно-лучевую трубку) с матрицей люминофоров, воспроизводящих два набора базовых цветов (аналогично Фиг. 5), либо на обычный СRТ-экран накладывают матрицу светофильтров, которые «oбpeзaют» спектры излучения
штатных люминофоров слева и справа, формируя, таким образом, субпиксели, соответствующие двум наборам базовых цветов (аналогично Фиг. 5).
4. Другие стереоскопические «мaтpичныe» системы (экраны, дисплеи). Конструкции, светодиодных дисплеев (LЕD-экранов), пластиковых дисплеев (LEP -экранов), органических электр о люминесцентных дисплеев (OLED- экранов) и т. д., предназначенных для формирования цветного стереоскопического (объемного) изображения согласно настоящему изобретению аналогичны рассмотренным выше, с учетом конструктивных особенностей выполнения данных систем.
Кроме того, все приведенные выше системы для формирования цветного стереоскопического изображения, могут быть выполнены с дополнительной возможностью формирования двумерных изображений, путем несложных конструктивных изменений, что позволит обеспечить универсальность применения этих систем в разных областях техники. Например, в цветном стереоскопическом мониторе может быть предусмотрен как режим стереоскопического изображения для работы с трехмерной графикой, просмотра стереофильмов, развлечений и т. п, так и режим двумерного изображения (с удвоенным разрешением) для работы с текстом или высоко детализированными двумерными изображениями.