WO2009034196A1 - Sistema de visualización escénica - Google Patents

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Antonio FERNÁNDEZ FERNÁNDEZ
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Cash Out
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    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B30/00—Optical systems or apparatus for producing three-dimensional [3D] effects, e.g. stereoscopic images
    • G02B30/20—Optical systems or apparatus for producing three-dimensional [3D] effects, e.g. stereoscopic images by providing first and second parallax images to an observer's left and right eyes
    • G02B30/26—Optical systems or apparatus for producing three-dimensional [3D] effects, e.g. stereoscopic images by providing first and second parallax images to an observer's left and right eyes of the autostereoscopic type
    • G02B30/33—Optical systems or apparatus for producing three-dimensional [3D] effects, e.g. stereoscopic images by providing first and second parallax images to an observer's left and right eyes of the autostereoscopic type involving directional light or back-light sources
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06T—IMAGE DATA PROCESSING OR GENERATION, IN GENERAL
    • G06T7/00—Image analysis
    • G06T7/50—Depth or shape recovery

Definitions

  • the present invention relates to a stage visualization system, which uses electronic location techniques to determine the spatial coordinates of the scenic observers present in the forum and thus be able to send personalized information to each of them by controlling a consistent hardware element in a kind of screen obtained based on a plurality of directional light emitters distributed on the surface thereof.
  • the object of the invention is to provide a scenic display device that allows the visualization of personalized content by each observer, and can be applied to obtain images in three dimensions, for virtual process control, sending of stereoscopic pairs, Tele-presence, and endless applications.
  • visualization systems which can be grouped basically into three groups: Stereoscopic systems, volumetric systems and holographic systems.
  • volumetric systems whether sphere or rotating cylinder
  • these systems are extremely complex and consequently expensive, require moving elements, and with them you can only obtain renderings of small size and with difficult access for the purpose of control. They also do not allow modeling opacities.
  • the scenic display system that the invention proposes solves in a fully satisfactory manner the above-mentioned problem, allowing a personalized visualization for each user, which can be three-dimensional, in any case without the use of any type of glasses or device by its user or users, being able to be an element of great help in many applications.
  • the system that is recommended is constituted from a visualization device, with a special structuring that will be detailed later, associated with a computer or similar element, and a collection / computation system that allows said computer to determine the identity and spatial position of the elements present in the forum or region of the space to which the display device is applied.
  • the display device is materialized in a kind of screen, which presents as a particularity the fact that the pixels constituting it are materialized in a laser diode, LED or any other high directivity light source assisted by an electronic control system that allows the following operations to be carried out:
  • Said direction control can be achieved by various means, either through the use of electromechanically controlled micro-mirrors, by means of lenses made of materials whose refractive index is electronically modifiable (Kerr effect or
  • said light sources will be arranged in groups of different colors, preferably 3, as is conventional (red, green and blue), in turn forming a matrix that determines the surface of the display screen.
  • the system of the invention includes a sub-system of capture / computation associated with the computer or computer system, in which at least two camcorders whose captured images will allow through the corresponding one will participate software determine the exact position of each observer, as well as identify, by means of pattern recognition techniques the positioning of each of the eyes of each observer, so that through the control of the direction and the light power of each light source or laser diode, send the corresponding image to the eyes of each observer, being able to be, as mentioned above, said different images, both for each observer and for each eye of the observer, in order for it to visualize images in three dimensions.
  • the collection system may incorporate other means of detection in addition to the light, such as radioactive, ultrasound, thermographic, electromagnetic or other, depending on the application to which it is intended or to facilitate the Observer detection work.
  • the surface of the emitting device determined by the light source clusters may be flat, as well as adopting different configurations, such as cylindrical, spherical, ellipsoidal, polyhedral, or any other form deemed convenient, being able to said surfaces being configured as mobile panels.
  • an extremely versatile device is achieved, which minimizes the power consumed, sending only the energy necessary to excite the eye of the recipient, with a reduced refresh rate.
  • the system can only be used in a similar way as a traditional display system does, but with the advantage that thanks to its special structuring, as has just been said, the power consumed is drastically reduced.
  • Figure 1. Shows, according to a schematic representation, the different basic elements that participate in a stage visualization system carried out in accordance with the object of the invention.
  • Figure 2. Shows a detail of the internal structure of the display device that participates in the system of the invention. PREFERRED EMBODIMENT OF THE INVENTION
  • the aforementioned display device is embodied in a kind of screen, which can have a flat surface as well as other configurations according to different design lines, surface on which a plurality of tiny light sources (8) are established, as shown in detail in figure 1, materialized in laser diodes, LED or any other high directivity light source.
  • Each light source is associated with an electronic control system that allows controlling the switching off and on of said sources, as well as modifying the temporal average of the light output emitted by each of them and the direction to which the light is sent, within of a range of addresses in which the scenic observers are located.
  • each light source (8) or solid-state laser diode with a collimation lens electronic deflection lenses (9) are established using transparent electrodes, and refractive means dependent on the electric field applied between electrodes.
  • Each emitter element is managed by applying three control potentials: VH, VV and VL, which respectively handle the horizontal deflection of the beam, its vertical deflection and the emitted optical power.
  • a conventional lens (not included in the figure) could be additionally arranged, in order to improve the collimation of the beam.
  • the light sources (8) will be arranged in groups of different colors, preferably three, (green, blue and red), as is conventional, in order to evoke the desired colorimetric ranges in the scenic observers.
  • the sub-system of acquisition / computation (4) will allow to identify and determine the spatial position of the elements present in the forum through at least one pair of camcorders, although, and as stated previously, you can incorporate another series of detection devices, such as radioactive, ultrasound, thermographic, electromagnetic or other, depending on the application to which it is intended or to facilitate the work of detection.
  • the system will be able to identify the different observers, as well as discriminate them, determining the spatial coordinates of each observer (3-3'-3 "), as well as the exact position of each of his eyes.
  • the computer or computer system (5) may, from the images registered in its database (6) and by means of the corresponding software, send to each detected observer (3,3 ', 3 " ...) a different image (7.7 ', 7 ", ...) or a pair of images, one to each of their eyes, images with different parallels, so that these observers visualize the image in three dimensions, all this thanks to the control of the ignition, addressing and control of light power of the sources (8) or laser diodes of the display device, achieving a very high energy saving, when the light power is directed exclusively towards the eyes of the observers.
  • the computer (5) or computer system has rendering software that allows calculating, from a three-dimensional model of a virtual scene, and the coordinates of several observation points, the value of the average light power that must be emit each source (8) in the direction of each scenic observer, so that it gives rise to the same photographic shot that would generate the scene if it were real from the situation of each of the scenic observers.
  • the aforementioned software will allow the sequencing of the focusing and rendering values that each light source (8) must express in time so that each scenic observer (3,3 ', 3 ", 7) is successively traversed.
  • the system can be implemented in multiple applications, forming part of networks of communications, being able to constitute interactive applications, by means of the incorporation of additional detection systems to the one destined to locate the position of the eyes, detection that can be visual, radioactive, ultrasound, thermographic, electromagnetic or of another nature.

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Abstract

El sistema está constituido a partir de un dispositivo de visualización (1), asociado a un ordenador o elemento similar (2), con su correspondiente base de datos (6), y un sistema de captación-computación (4) que permite a dicho ordenador determinar la identidad y posición espacial de los elementos presentes en el foro o región del espacio a la que se aplica el dispositivo de visualización, de manera que dicho dispositivo de visualización (1) se materializa en una especie de pantalla, en la que se establecen superficialmente una pluralidad de fuentes lumínicas (8), materializadas en diodos láser, LED o cualquier otra fuente lumínica de alta directividad, estando asociada cada fuente lumínica a un sistema de control electrónico que permite controlar el apagado y encendido de dichas fuentes, así como modificar el promedio temporal de la potencia lumínica emitida por cada una de ellas y la dirección hacia la que se envía la luz, de manera que es posible la visualización de contenidos personalizada por parte de cada observador, pudiendo dicho dispositivo ser aplicado para evocar escenas u obtener imágenes en tres dimensiones, para el control virtual de procesos, envío de pares estereoscópicos, tele¬ presencia, y un sinfín de aplicaciones.

Description

SISTEMA DE VISUALIZACION ESCÉNICA
D E S C R I P C I Ó N
OBJETO DE LA INVENCIÓN
La presente invención se refiere a un sistema de visualización escénica, que utiliza técnicas de localización electrónica para determinar las coordenadas espaciales de los observadores escénicos presentes en el foro y así poder enviarles información personalizada a cada uno de ellos mediante el control de un elemento hardware consistente en una especie de pantalla obtenida a base de una pluralidad de emisores lumínicos direccionales distribuidos sobre la superficie de la misma.
Así pues, el objeto de la invención es proporcionar un dispositivo de visualización escénica que permita la visualización de contenidos personalizada por parte de cada observador, pudiendo ser aplicado para obtener imágenes en tres dimensiones, para el control virtual de procesos, envío de pares estereoscópicos, tele-presencia, y un sinfín de aplicaciones.
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN
Dentro del campo de aplicación práctica de la invención, existen multitud de sistemas de visualización, los cuales se pueden agrupar básicamente en tres grupos: Sistemas estereoscópicos, sistemas volumétricos y sistemas holográficos. En el caso de los sistemas estereoscópicos, éstos presentan como problema fundamental el hecho de que es necesario el empleo por parte del usuario o usuarios del sistema de visores con óptica de integración, tales como cascos o gafas de "realidad virtual", sistemas con gafas de separación por polarización, color (anáglifos) o intervalo de tiempo (gafas LCD).
Además de la molestia para los usuarios que supone el tener que utilizar dichos cascos o gafas, este tipo de sistemas son insensibles a la posición del observador escénico, a lo que hay que añadir que sufren distorsión de perspectiva.
Tratando de obviar esta problemática es conocida la Patente Europea con número de solicitud 9709201 , en la que si bien se soluciona el problema relativo a la posición del observador escénico, es decir mediante dicha invención es posible visualizar imágenes distintas sobre un mismo dispositivo por parte de diferentes observadores, dicha invención sigue presentando el problema anteriormente citado de la necesidad de utilización de gafas de obturación sincronizadas con las imágenes por parte de cada uno de los usuarios.
Pasando ahora a analizar los sistemas volumétricos, ya sean de esfera o cilindro rotatorio, estos sistemas son sumamente complejos y consecuentemente caros, requieren de elementos móviles, y con los mismos únicamente se pueden obtener renderizaciones de pequeño tamaño y con un difícil acceso a efectos de control. Igualmente no permiten modelar opacidades.
Por último cabe mencionar los sistemas holográficos, los cuales requieren de unas condiciones de iluminación muy estrictas, así como un ancho de banda muy elevado, resultando sumamente compleja la integración de la policromía en las imágenes obtenidas, a lo que hay que añadir igualmente la incapacidad de modelar opacidades.
DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN
El sistema de visualización escénica que la invención propone resuelve de forma plenamente satisfactoria la problemática anteriormente expuesta, permitiendo una visualización personalizada para cada usuario, que puede ser tridimensional, en cualquier caso sin necesidad de empleo de ningún tipo de gafas o dispositivo por parte de su usuario o usuarios, pudiendo constituir un elemento de gran ayuda en multitud de aplicaciones.
Para ello el sistema que se preconiza está constituido a partir de un dispositivo de visualización, con una especial estructuración que más adelante se detallará, asociado a un ordenador o elemento similar, y un sistema de captación/computación que permite a dicho ordenador determinar la identidad y posición espacial de los elementos presentes en el foro o región del espacio a la que se aplica el dispositivo de visualización.
De forma más concreta, el dispositivo de visualización se materializa en una especie de pantalla, la cual presenta como particularidad el hecho de que los píxeles constitutivos de la misma se materializan en un diodo láser, LED o cualquier otra fuente lumínica de alta directividad asistida por un sistema de control electrónico que permite realizar las siguientes operaciones:
" Apagar y encender la fuente lumínica. - A -
* Modificar el promedio temporal de la potencia lumínica emitida por dicha fuente. a Modificar la dirección hacia la que se envía dicha luz o láser, dentro de un rango de direcciones en el cual se encuentran situados los observadores escénicos.
Dicho control de dirección podrá lograrse por diversos medios, bien mediante la utilización de micro-espejos controlados electromecánicamente, mediante lentes constituidas por materiales cuyo índice de refracción es modificable electrónicamente (efecto Kerr o
Pockels) así como por otros medios.
Para obtener imágenes en color, las citadas fuentes lumínicas se dispondrán en agrupaciones de distintos colores, preferentemente 3, como es convencional (rojo, verde y azul), formando a su vez una matriz que determine la superficie de la pantalla de visualización.
Así pues, y mediante el correspondiente software de programación asociado al ordenador o sistema de computación al que se conecta el dispositivo de visualización, es posible enviar imágenes diferentes hacia distintos usuarios, en función de su posición espacial, imágenes que estarán almacenadas en la correspondiente base de datos de modelos escénicos.
Para determinar dicha posición espacial, y como anteriormente se ha comentado, el sistema de la invención incluye un sub-sistema de captación/computación asociado al ordenador o sistema de computación, en el que participarán al menos dos videocámaras cuyas imágenes captadas permitirán mediante el correspondiente software determinar la posición exacta de cada observador, así como identificar, por medio de técnicas de reconocimiento de patrones el posicionamiento de cada uno de los ojos de cada observador, para que por medio del control de la dirección y la potencia lumínica de cada fuente lumínica o diodo láser, enviar la correspondiente imagen a los ojos de cada observador, pudiendo ser, como anteriormente se ha dicho, dichas imágenes distintas, tanto para cada observador como para cada ojo del observador, en orden a que éste visualice imágenes en tres dimensiones.
El sistema de captación, podrá incorporar no obstante otros medios de detección además del lumínico, como pueden ser de naturaleza radiactiva, ecográfica, termográfica, electromagnética o de otra índole, en función de la aplicación a la que esté destinado el mismo o para facilitar la labor de detección de los observadores.
El hecho de que con el sistema de la invención puedan observarse imágenes en tres dimensiones, hace posible que el mismo pueda ser implementado en múltiples aplicaciones y redes, como puede ser, entre muchas otras, su aplicación en la microcirugía, control de sistemas externos, tele-presencia, etc, pudiéndose igualmente aprovechar la tecnología utilizada para la detección de las pupilas para detectar igualmente la posición de los dedos de la mano del usuario, o de ciertos útiles adecuados a la aplicación que se pretende implementar para constituir sistemas interactivos con múltiples aplicaciones.
Por último cabe destacar el hecho de que la superficie del dispositivo emisor determinada por las agrupaciones de fuentes lumínicas podrá ser plana, así como adoptar diferentes configuraciones, tales como cilindrica, esférica, elipsoidal, poliédrica, o cualquier otra forma que se estime conveniente, pudiendo estar dichas superficies configuradas como paneles móviles. Se consigue de esta manera un dispositivo sumamente versátil, que minimiza la potencia consumida, enviando únicamente la energía necesaria para excitar al ojo del receptor, con una reducida frecuencia de refresco.
El sistema no obstante podrá ser empleado únicamente de forma similar a como lo hace un sistema de visualización tradicional, pero con la ventaja de que merced a la especial estructuración del mismo, como acaba de decirse, se reduce drásticamente la potencia consumida.
DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS
Para complementar la descripción que se está realizando y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las características del invento, de acuerdo con un ejemplo preferente de realización práctica del mismo, se acompaña como parte integrante de dicha descripción, un juego de dibujos en donde con carácter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo siguiente:
La figura 1.- Muestra, según una representación esquemática los distintos elementos básicos que participan en un sistema de visualización escénica realizado de acuerdo con el objeto de la invención.
La figura 2.- Muestra un detalle de la estructura interna del dispositivo visualizador que participa en el sistema de la invención. REALIZACIÓN PREFERENTE DE LA INVENCIÓN
A la vista de las figuras reseñadas, y en especial de la figura 1 , puede observarse como el sistema que se preconiza está constituido a partir de un dispositivo de visualización (1), situado frente a un foro o región espacial (2) en el que se establecen una serie de observadores (3),
(3'), (3"),.... , así como un sub-sistema de captación/computación (4) que permite identificar y determinar la posición espacial de los elementos presentes en el foro, estando ambos elementos (1) y (4) asociados a un sistema de computación u ordenador (5) dotado de la correspondiente base de datos (6) con los correspondientes modelos escénicos (7), (7'), (7")- - -
El citado dispositivo de visualización se materializa en una especie de pantalla, que puede presentar una superficie plana así como otras configuraciones acordes a diferentes líneas de diseño, superficie sobre la que se establecen una pluralidad de diminutas fuentes lumínicas (8), como la mostrada en detalle en la figura 1 , materializadas en diodos láser, LED o cualquier otra fuente lumínica de alta directividad. Cada fuente lumínica está asociada a un sistema de control electrónico que permite controlar el apagado y encendido de dichas fuentes, así como modificar el promedio temporal de la potencia lumínica emitida por cada una de ellas y la dirección hacia la que se envía la luz, dentro de un rango de direcciones en el cual se encuentran situados los observadores escénicos.
De forma más concreta, en la zona anterior a cada fuente de iluminación (8) o diodo láser de estado sólido con una lente de colimación, se establecen lentes de deflexión electrónica (9) que utilizan electrodos transparentes, y medios refractivos dependientes del campo eléctrico aplicado entre los electrodos. Cada elemento emisor se maneja mediante la aplicación de tres potenciales de control: VH, VV y VL, que respectivamente manejan la deflexión horizontal del haz, la deflexión vertical del mismo y la potencia óptica emitida.
En el caso de ser necesario podría disponerse adicionalmente una lente convencional (no incluida en la figura), con el objeto de, mejorar la colimación del haz.
Otras implementaciones podrían utilizar micro-espejos controlados electrónicamente, lentes de materiales magneto-ópticos, u otros medios para conseguir la deflexión del haz óptico.
Las fuentes de luz (8) se dispondrán matricialmente en agrupaciones de diferentes colores, preferentemente tres, (verde, azul y rojo), como es convencional, en orden a evocar los rangos colorimétricos que se deseen en los observadores escénicos.
El sub-sistema de captación/computación (4) permitirá identificar y determinar la posición espacial de los elementos presentes en el foro a través de al menos una pareja de videocámaras, si bien, y como se ha dicho con anterioridad, podrá incorporar otra serie de dispositivos de detección, como pueden ser de naturaleza radioactiva, ecográfica, termográfica, electromagnética o de otra índole, en función de la aplicación a la que esté destinado o para facilitar la labor de detección.
En cualquier caso, y a través del correspondiente software, el sistema podrá identificar los diferentes observadores, así como en su caso discriminarlos, determinando las coordenadas espaciales de cada observador (3-3'-3"), así como la posición exacta de cada uno de sus ojos.
A partir de esta estructuración, el ordenador o sistema de computación (5) podrá, a partir de las imágenes registradas en su base de datos (6) y mediante el correspondiente software, enviar a cada observador detectado (3,3',3"...) una imagen distinta (7,7',7",...) o una pareja de imágenes, una a cada uno de sus ojos, imágenes con distinto paralelaje, para que dichos observadores visualicen la imagen en tres dimensiones, todo ello merced al control del encendido, direccionamiento y control de potencia lumínica de las fuentes (8) o diodos láser del dispositivo de visualización, consiguiéndose un ahorro energético muy elevado, al dirigirse la potencia luminosa exclusivamente hacia los ojos de los observadores.
Para ello, el ordenador (5) o sistema de computación cuenta con software de renderización que permite calcular, a partir de un modelo tridimensional de una escena virtual, y las coordenadas de varios puntos de observación, el valor de la potencia lumínica media que debe emitir cada fuente (8) en la dirección de cada observador escénico, de manera que dé lugar desde la situación de cada uno de los observadores escénicos a la misma toma fotográfica que generaría la escena si esta fuera real.
Igualmente el citado software permitirá secuenciar en el tiempo los valores de focalización y renderización que debe expresar cada fuente luminosa (8) de manera que se recorra sucesivamente cada observador escénico (3,3',3",...).
Tal y como se ha comentado con anterioridad, el sistema podrá ser implementado en múltiples aplicaciones, formando parte de redes de comunicaciones, pudiendo constituir aplicaciones interactivas, mediante la incorporación de sistemas de detección adicionales al destinado a localizar la posición de los ojos, detección que podrá ser visual, radiactiva, ecográfica, termográfica, electromagnética o de otra índole.

Claims

R E I V I N D I C A C I O N E S
Ia.- Sistema de visualización escénica, que estando especialmente concebido para permitir la visualización de contenidos personalizada por parte de diferentes observadores, pudiendo ser aplicado igualmente para obtener imágenes en tres dimensiones, para el control virtual de procesos, tele-presencia, así como otras múltiples aplicaciones, se caracteriza porque está constituido a partir de un dispositivo de visualización (1), dispuesto sobre una región espacial (2) en la que se establecen una serie de observadores (3), (3'), (3"),... , y un sub-sistema de captación/computación (4) que permite identificar y determinar la posición espacial de los elementos presentes en dicha región (2), estando ambos elementos (1) y (4) asociados a un sistema de computación u ordenador (5) dotado de la correspondiente base de datos (6) con los correspondientes modelos escénicos (7), (7'), (7") a proyectar hacia los distintos observadores (3), (3'), (3"), ... , con la particularidad de que el dispositivo de visualización se materializa en una especie de pantalla, de cualquier configuración geométrica, en la que se establecen superficialmente una pluralidad de fuentes lumínicas (8), materializadas en diodos láser, LED o cualquier otra fuente lumínica de alta directividad, estando asociada cada fuente lumínica a un sistema de control electrónico que permite controlar el apagado y encendido de dichas fuentes, así como modificar el promedio temporal de la potencia lumínica emitida por cada una de ellas y la dirección hacia la que se envía la luz.
2a.- Sistema de visualización escénica, según reivindicación I a, caracterizado porque las fuentes lumínicas (8) se establecen matricialmente en agrupaciones de fuentes de diferentes colores, preferentemente en agrupaciones de tres, correspondientes a los colores verde, rojo y azul. 3a.- Sistema de visualización escénica, según reivindicación
I a, caracterizado porque el sub-sistema de captación/computación (4) incluye al menos una pareja de videocámaras, pudiendo incorporar adicionalmente otra serie de dispositivos de detección, de naturaleza radiactiva, ecográfica, termográfica, electromagnética o similares.
4a.- Sistema de visualización escénica, según reivindicación I a, caracterizado porque en la zona anterior a cada fuente de iluminación (8) se establecen lentes de deflexión electrónica (9) que utilizan electrodos transparentes, y medios refractivos dependientes del campo eléctrico aplicado entre los electrodos, micro-espejos controlados electrónicamente o cualquier dispositivo equivalente.
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