Устройство для воспроизведения объемного изображения

 

Изобретение относится к телевидению и может быть использовано в системах объемного телевидения, а также в компьютерных играх и в тренажерах. Сущность изобретения заключается в том, что устройство для воспроизведения объемного изображения, содержит источник света, информационную матрицу, а также блок кадровой развертки и блок яркости и цветности.Выходы блока кадровой развертки и блока яркости и цветности подключены соответственно к первому и второму электрическим входам информационной матрицы. В отличние от прототипа устройство дополнительно содержит оптический локатор, контррефлекторы, контроллер, обтюрационную матрицу, блок упавления обтюрационной матрицей, вычислитель и внешний запоминающий блок. Источник света, информационная матрица и обтюрационная матрица последовательно расположены и оптически связаны между собой. Выходная шина вычислителя электрически соединена соответственно со входом блока кадровой развертки, входом блока яркости и цветности и входом блока управления. Первый вход вычислителя соединен с выходом внешнего запоминающего блока. Выход оптического локатора электрически соединен через контроллер с вторым входом вычислителя. Выход блока управления подключен к электрическому входу обтюрационной матрицы. Источник света, информационная матрица, обтюрационная матрица и оптический локатор жестко зафиксированы между собой. 2 ил.

Изобретение относится к телевидению и может быть использовано в системах объемного телевидения, а также в компьютерных играх и в тренажерах.

Известно устройство для получения объемного изображения с помощью кинескопа, линзы и плоской отображающей матричной панели на основе жидких кристаллов [1].

Недостатком этого устройства является ограниченность зоны возможных положений наблюдателя, в которых он видит объемное изображение, а также ограниченные функциональные возможности устройства, связанные с трудностями одновременного формирования нескольких ракурсов, например, четырех ракурсов для двух наблюдателей, так как в предложенной системе невозможно эффективное разделение световых пучков для каждого глаза наблюдателя.

Известно также взятое за прототип устройство получения объемного изображения с помощью безочковой системы объемного телевидения [2]. Это устройство, использующее телевизор и линзовый растр, позволяет осуществить одновременное формирование изображений ракурсов для всех возможных положений наблюдателя. Все вместе линзы растра позволяют получить объемное изображение любой точки наблюдаемого объекта с возможностью его оглядывания наблюдателем. Объемное изображение формируется безотносительно к положению наблюдателей и к их количеству.

Недостатком такого устройства является его сложность, вытекающая из необходимости использовать для одновременного формирования изображений ракурсов для всех возможных положений наблюдателей сложный линзовый растр, а также блок широкополосного воспроизведения множества изображений ракурсов.

Технической задачей, решаемой изобретением является упрощение устройства воспроизведения объемного изображения за счет снижения требований к ширине полосы пропускания информационного канала, а также к производительности вычислителя при формировании объемного изображения.

Сущность изобретения заключается в том, что устройство для воспроизведения объемного изображения содержит источник света, информационную матрицу, а также блок кадровой развертки и блок яркости и цветности. Выходы блока кадровой развертки и блока яркости и цветности подключены соответственно, к первому и второму электрическим входам информационной матрицы.

В отличие от прототипа устройство дополнительно содержит оптический локатор, оптически связанные с ним и размещенные у глаз наблюдателя контррефлекторы, контроллер, обтюрационную матрицу, блок управления обтюрационной матрицей, вычислитель и внешний запоминающий блок. Контроллер осуществляет вычисление координат глаз наблюдателя. Вычислитель осуществляет расчет для каждого глаза наблюдателя и для каждого просветленного столбца обтюрационной матрицы текущее положение индивидуальных яркостных столбцов на информационной матрице.

Источник света, информационная матрица и обтюрационная матрица последовательно расположены и оптически связаны между собой. Выходная шина вычислителя электрически соединена соответственно с входом блока кадровой развертки, входом блока яркости и цветности и входом блока управления. Первый вход вычислителя соединен с выходом внешнего запоминающего блока. Выход оптического локатора электрически соединен через контроллер с вторым входом вычислителя. Выход блока управления подключен к электрическому входу обтюрационной матрицы. Источник света, информационная матрица, обтюрационная матрица и оптический локатор жестко зафиксированы между собой.

На фиг. 1 изображена блок-схема предлагаемого устройства для воспроизведения объемного изображения; на фиг. 2 - схема, иллюстрирующая распространение светоинформационных лучей в случае, когда устройство имеет два просветленных столбца и два индивидуальных яркостных столбца.

Устройство для воспроизведения объемного изображения, содержит (фиг. 1) источник света 1, информационную матрицу 2, обтюрационную матрицу 3, оптический локатор 4, оптически связанные с оптическим локатором 4 и размещенные у глаз наблюдателей 5 контррефлекторы 6, контроллер 7, вычислитель 8 и внешний запоминающий блок 9.

Кроме того, устройство включает блок кадровой развертки 10, блок яркости и цветности 11 и блок управления 12 обтюрационной матрицей 3.

Обтюрационная матрица 3 выполнена с возможностью образовывать вертикальные бегущие в горизонтальном направлении просветленные столбцы 13.

Информационная матрица 2 выполнена с возможностью формирования индивидуальных яркостных столбцов 14.

Источник света 1, информационная матрица 2 и обтюрационная матрица 3 последовательно расположены и оптически связаны между собой, при этом источник света 1, информационная матрица 2, обтюрационная матрица 3 и оптический локатор 4 жестко зафиксированы между собой.

Выходы блока кадровой развертки 10 и блока яркости и цветности 11 подключены соответственно к первому и второму электрическим входам информационной матрицы 2.

Контроллер 7 осуществляет вычисление координат глаз наблюдателя 5.

Вычислитель 8 осуществляет расчет для каждого наблюдателя 5 и для каждого просветленного столбца 13 обтюрационной матрицы 3 текущее положение индивидуальных яркостных столбов 14 на информационной матрице 2.

Выходная шина вычислителя 8 электрически соединена соответственно с входом блока кадровой развертки 10, входом блока яркости и цветности 11 и входом блока управления 12.

Первый вход вычислителя 8 электрически соединен с выходом внешнего запоминающего блока 9, выход оптического локатора 4 электрически соединен через контроллер 7 с вторым входом вычислителя 8, выход блока управления 12 подключен к электрическому входу обтюрационной матрицы 3.

В качестве оптического локатора 4 может быть использован ИК-локатор, описанный в [3], а в качестве вычислителя 8 - персональный компьютер типа IBM PC/AT 386/387 или иной с достаточно высоким быстродействием.

Устройство работает следующим образом. Первоначально, в отсутствие наблюдателей 5 вырабатывается плоское изображение. Одновременно возбуждается лишь один индивидуальный яркостный столбец 14 в информационной матрице 2 и один просветленный столбец 13 в обтюрационной матрице 3. Положение элементов изображения индивидуального яркостного столбца 14 и просветленного столбца 13 таково, что наблюдать это плоское изображение можно лишь из одного стандартного положения наблюдателя 5 (базовая точка 0 (0, 0, Zo) на фиг. 2). При этом на выходе оптического локатора 4 нет сигналов от контррефлекторов 6, а сигналы на выходе контроллера 7 и на входах вычислителя 8 соответствуют координатам базовой точки 0 (0, 0, Zo). Информация с внешнего запоминающего блока 9 передается вычислителем 8 на блок яркости и цветности 11 без изменений. При этом блок кадровой развертки 10 за первый проход кадровой развертки воспроизводят последовательно индивидуальные яркостные столбцы 14 в количестве, равном: N = D/l_o·tgϕ (1) где D - размер информационной матрицы 2 по горизонтали, l_o - расстояние между информационной 2 и обтюрационной 3 матрицами, ϕ - максимальный угол обзора изображения наблюдателями 5.

Индивидуальные яркостные столбцы 14 располагаются на равном расстоянии D_i друг от друга: D_i = D/N (2) со следующими порядковыми номерами: 0, M/N, 2·M/N и т.д., где M - общее количество различных индивидуальных яркостных столбцов 14.

За второй проход кадровой развертки воспроизводятся индивидуальные яркостные столбцы 14 с номерами 1, M/N+1, 2·M/N+1 и т.д., т.е. со сдвижкой по горизонтали на один индивидуальный яркостный столбец 14 от каждого воспроизведенного индивидуального яркостного столбца 14 за предыдущий проход; за третий проход воспроизводятся индивидуальные яркостные столбцы 14 с номерами 2, M/N+1, 2·M/N+2. За число проходов i = M/N такими индивидуальными яркостными столбцами 14 будет покрыт весь кадр. В каждом индивидуальном яркостном столбце 14 воспроизводится яркостная информация, принятая вычислителем 8 от внешнего запоминающегося блока 9 и переданная им на блок яркости и цветности 11 без изменения.

На обтюрационной матрице 3 в рабочем состоянии просветлено лишь ограниченное количество просветленных столбцов 13, равное N, на расстоянии друг от друга: D_o=D_i·Z_o/(Z_o - l_o) (3) которые смещаются аналогично индивидуальным яркостным столбцам 14, а азимутальное положение каждого просветленного столбца 13 рассчитывается из условия:
ΔX = X_i·(Z_o-l_o)/Z_o (4)
где
ΔX - поправка на смещение по горизонтали (по количеству просветленных столбцов 13) положения X_i просветленного столбца 13.

Это позволит последовательно воспроизвести весь кадр для базовой точки 0(0, 0, Z_o).

При наличии наблюдателей 5 появляются сигналы на выходе оптического локатора 4 о количестве и положении глаз наблюдателей 5. Вычислитель 8 рассчитывает для каждого глаза наблюдателей 5 и для каждого просветленного столбца 13 текущее положение индивидуальных яркостных столбцов 14 на информационной матрице 2. Общее число индивидуальных яркостных столбцов 14, высвечиваемых на информационной матрице 2 равно K=2·N·T, где T-количество наблюдателей.

При воспроизведении объемного изображения кадр складывается из индивидуальных яркостных столбцов 14 для каждого глаза наблюдателей 5 на информационной матрице 2. Отметим, что на каждый просветленный столбец 13 при воспроизведении приходится 2T индивидуальных яркостных столбцов 14 последовательно возбужденных в информационной матрице 2. Кроме того, при выполнении условия (2) просветленный столбец 13 на обтюрационной матрице 3, глаз наблюдателя 5 и соответствующий ему индивидуальный яркостный столбец 14 в информационной матрице 2 лежат в одной плоскости.

В предлагаемом устройстве используется вертикальное расположение просветленных столбов 13, индивидуальных яркостных столбцов 14 и горизонтальное направление кадровой развертки. Взаимное расположение каждого индивидуального яркостного столбца 14 и просветленного столбца 13 меняется при перемещении наблюдателей 5. Время включения и выключения индивидуальных яркостных столбцов 14 и просветленных столбцов 13 в предлагаемом варианте может быть увеличено в N раз (см. формулу 1), что очень важно, поскольку в настоящее время крайне трудно получить время включения-выключения ЖК-матриц с высоким контрастом (более 15 дБ) существенно менее 1 мс.

Параметр N для типичных характеристик устройства, при размере матриц по диагонали около 500 мм, расстоянии l_o между информационной матрицей 14 и обтюрационной жидкокристаллической матрицей 9 - 70 мм, угле обзора изображения около одного радиана, примерно равен семи, что позволят увеличить в семь раз допустимое время релаксации обеих ЖК-матриц. Тогда, при воспроизведении кадра обычного телевизионного стандарта, допустимо иметь время включения-выключения индивидуального яркостного столбца 14 и просветленного столбца 13 равным около 64·7=448 мкс.

Просветленный столбец 13 на обтюрационной матрице 3, глаз наблюдателя 5 и соответствующий ему индивидуальный яркостный столбец 14 в информационной матрице 2 лежат в одной плоскости.

Этим обеспечивается разделение световых лучей и та индивидуальность информации для каждого из глаз, которая определяет объемный эффект при восприятии наблюдателями 5 изображения в целом.

Расчет положения индивидуальной яркостной точки A_m(X_m, Y_m, -l_o) (фиг. 2) на информационной матрице 2, отображающей точку A(X_a, Y_a, Z_r) в глазу T(X_T, Y_T, Z_T) наблюдателя 5 ведется по формулам:
Y_m = (l_o·(Y_a - Y) - Z_n·Y) / (Z - Z_n), (5)
X_m = ((Z + l_o)·X_a - X·(Z_n + l_o)) / (Z - Z_n), (6)
соответственно, для вертикальных и горизонтальных координат яркостных точек на информационной матрице 2.

Здесь n - номер плана, на котором находится изображаемая точка A. Z_n - расстояние от обтюрационной матрицы 3 до точки A.

За время кадра воспроизводится вся последовательность точек для каждого глаза одного или нескольких наблюдателей 5.

Отметим одну важную особенность предлагаемого устройства, отсутствующую у прототипа. Поскольку каждый глаз наблюдателя 5 получает в данный момент времени индивидуальную видеоинформацию, устройство позволяет нескольким наблюдателям 5 независимо оглядывать объемное изображение или даже одновременно просматривать на одном и том же устройстве различные телепередачи.

Следует иметь ввиду, что форма выполнения изобретения, описанная выше и показанная на чертежах, представляет собой только возможный предпочтительный вариант его осуществления. Могут быть использованы различные вариации выполнения изобретения в отношении формы, размеров и расположения отдельных элементов, отдельные элементы могут быть заменены эквивалентными.

Источники информации
1. Патент Великобритании N 2206763 кл. H 04 N 13/04, кл. НКИ H 4 F, опублик. 1988.

2. Ю. А.Дудников и Б.К.Рожков Растровые системы для получения объемного изображения, Л. Машиностроение, 1986., с. 187-188.

3. C.G.Bachman "Laser Radar Systems and Techniques", ARTECH HOUSE, INC, Dedham, Massachusetts, USA, 1979, c. 12-13.

Формула изобретения

Устройство для воспроизведения объемного изображения, содержащее источник света, информационную матрицу, а также блок кадровой развертки и блок яркости и цветности, выходы которых подключены соответственно к первому и второму электрическим входам информационной матрицы, отличающееся тем, что устройство дополнительно содержит оптический локатор, оптически связанные с ним и размещенные у глаз наблюдателя контррефлекторы, контроллер, осуществляющий вычисление координат глаз наблюдателей, обтюрационную матрицу, блок управления обтюрационной матрицей, вычислитель, осуществляющий расчет для каждого глаза наблюдателя и для каждого просветленного столбца обтюрационной матрицы текущее положение индивидуальных яркостных столбцов на информационной матрице, и внешний запоминающий блок, при этом источник света, информационная и обтюрационная матрицы последовательно расположены и оптически связаны между собой, выходная шина вычислителя электрически соединена с входом блока кадровой развертки, входом блока яркости и цветности и входом блока управления, первый вход вычислителя соединен с выходом внешнего запоминающего блока, выход оптического локатора электрически соединен через контроллер с вторым входом вычислителя, выход блока управления подключен к электрическому входу обтюрационной матрицы, при этом источник света, информационная и обтюрационная матрицы и оптический локатор жестко зафиксированы между собой.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2