RU2526901C1 - Three-dimensional display and method of forming three-dimensional images - Google Patents
Three-dimensional display and method of forming three-dimensional images Download PDFInfo
- Publication number
- RU2526901C1 RU2526901C1 RU2013103443/28A RU2013103443A RU2526901C1 RU 2526901 C1 RU2526901 C1 RU 2526901C1 RU 2013103443/28 A RU2013103443/28 A RU 2013103443/28A RU 2013103443 A RU2013103443 A RU 2013103443A RU 2526901 C1 RU2526901 C1 RU 2526901C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- mirror
- screen
- lens
- polyhedron
- image
- Prior art date
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims description 51
- 238000000576 coating method Methods 0.000 claims description 20
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 claims description 13
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 abstract description 31
- 238000012545 processing Methods 0.000 abstract description 13
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 abstract description 10
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 4
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 2
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 11
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 11
- 210000000887 face Anatomy 0.000 description 11
- 239000002131 composite material Substances 0.000 description 9
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 9
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 9
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 7
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 7
- 238000012800 visualization Methods 0.000 description 7
- 230000008859 change Effects 0.000 description 6
- 230000033001 locomotion Effects 0.000 description 6
- 230000008447 perception Effects 0.000 description 6
- 238000000149 argon plasma sintering Methods 0.000 description 5
- 239000003086 colorant Substances 0.000 description 5
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 5
- 238000013461 design Methods 0.000 description 5
- 238000011161 development Methods 0.000 description 5
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 description 5
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 5
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 5
- 230000008569 process Effects 0.000 description 5
- 230000003068 static effect Effects 0.000 description 5
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 4
- 238000012937 correction Methods 0.000 description 4
- 230000004438 eyesight Effects 0.000 description 4
- 230000004907 flux Effects 0.000 description 4
- 230000006870 function Effects 0.000 description 4
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 3
- 239000000463 material Substances 0.000 description 3
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 3
- 230000008093 supporting effect Effects 0.000 description 3
- 230000000007 visual effect Effects 0.000 description 3
- 238000007792 addition Methods 0.000 description 2
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 2
- 230000003190 augmentative effect Effects 0.000 description 2
- 230000004888 barrier function Effects 0.000 description 2
- 210000004556 brain Anatomy 0.000 description 2
- 238000005094 computer simulation Methods 0.000 description 2
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 2
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 2
- 210000003128 head Anatomy 0.000 description 2
- 238000005286 illumination Methods 0.000 description 2
- 230000006698 induction Effects 0.000 description 2
- 230000008520 organization Effects 0.000 description 2
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 2
- 230000001360 synchronised effect Effects 0.000 description 2
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 2
- 238000012935 Averaging Methods 0.000 description 1
- 229910000737 Duralumin Inorganic materials 0.000 description 1
- 229920001410 Microfiber Polymers 0.000 description 1
- 241001351225 Sergey Species 0.000 description 1
- 230000009471 action Effects 0.000 description 1
- 230000004075 alteration Effects 0.000 description 1
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000000454 anti-cipatory effect Effects 0.000 description 1
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 1
- 230000000712 assembly Effects 0.000 description 1
- 238000000429 assembly Methods 0.000 description 1
- 229910002056 binary alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 244000309464 bull Species 0.000 description 1
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 1
- 238000012512 characterization method Methods 0.000 description 1
- 230000001427 coherent effect Effects 0.000 description 1
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 1
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 1
- 238000013500 data storage Methods 0.000 description 1
- 230000001419 dependent effect Effects 0.000 description 1
- 239000006185 dispersion Substances 0.000 description 1
- 239000003814 drug Substances 0.000 description 1
- 230000005611 electricity Effects 0.000 description 1
- 239000011152 fibreglass Substances 0.000 description 1
- 238000001093 holography Methods 0.000 description 1
- 238000003702 image correction Methods 0.000 description 1
- 238000003384 imaging method Methods 0.000 description 1
- 230000001976 improved effect Effects 0.000 description 1
- 230000000977 initiatory effect Effects 0.000 description 1
- 238000009533 lab test Methods 0.000 description 1
- 238000007726 management method Methods 0.000 description 1
- 238000013178 mathematical model Methods 0.000 description 1
- 239000003658 microfiber Substances 0.000 description 1
- 210000003632 microfilament Anatomy 0.000 description 1
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 1
- 230000001737 promoting effect Effects 0.000 description 1
- 230000001681 protective effect Effects 0.000 description 1
- 238000005096 rolling process Methods 0.000 description 1
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 1
- 230000035807 sensation Effects 0.000 description 1
- 238000007493 shaping process Methods 0.000 description 1
- 238000006467 substitution reaction Methods 0.000 description 1
- 238000001356 surgical procedure Methods 0.000 description 1
- 238000003325 tomography Methods 0.000 description 1
- 238000012876 topography Methods 0.000 description 1
- 239000012780 transparent material Substances 0.000 description 1
- 230000004304 visual acuity Effects 0.000 description 1
Images
Landscapes
- Testing, Inspecting, Measuring Of Stereoscopic Televisions And Televisions (AREA)
- Projection Apparatus (AREA)
Abstract
Description
Группа изобретений относится к средствам отображения информации и может быть использована для вывода полноцветных трехмерных объектов и сцен, наблюдаемых вкруговую без применения индивидуальных средств визуализации. Изобретения могут найти применение, в частности, в системах навигации, машинного проектирования и конструирования, для визуализации томографической информации и проведения сложных операций в медицине, при моделировании трехмерных задач в науке и технике, в компьютерных тренажерах и играх, в искусстве, рекламе, развлекательных мероприятиях и т.п.The group of inventions relates to means of displaying information and can be used to display full-color three-dimensional objects and scenes, observed round-the-clock without the use of individual visualization tools. The inventions can be used, in particular, in navigation systems, machine design and construction, for visualizing tomographic information and performing complex operations in medicine, for modeling three-dimensional problems in science and technology, in computer simulators and games, in art, advertising, and entertainment etc.
Разработка систем трехмерного отображения реального мира существенно влияет на все сферы деятельности человека и инициирует создание и развитие целого ряда научных направлений и технологий. Поэтому попытки разработки эффективных автостереоскопических дисплеев не прекращаются в течение многих лет.The development of systems for three-dimensional display of the real world significantly affects all spheres of human activity and initiates the creation and development of a number of scientific areas and technologies. Therefore, attempts to develop effective autostereoscopic displays have not stopped for many years.
Из уровня техники известны одноракурсные автостереоскопические дисплеи с параллаксным барьером, использующие, например, вертикальный полосовой поляризационный фильтр [1-3], а также дисплеи с линзовым растровым фильтром [4, 5]. Оптические фильтры этих устройств (параллаксный барьер или растровая линза) используются для пространственного разделения стереопар по зонам видения. Стереоскопическое изображение наблюдатель может видеть только в том случае, когда оба его глаза расположены в соответствующих зонах. Ширина каждой из зон не превышает межзрачкового расстояния, при этом смещение глаз относительно центра зоны на два и более сантиметров приводит к существенному искажению наблюдаемого изображения. Если зритель меняет положение и выходит из зоны видения, стереоэффект инвертируется или теряется. Строгая фиксация положения головы относительно зон видения обычно вызывает чувство дискомфорта и быструю утомляемость зрителя, таким образом, основным недостатком при использовании этих устройств является необходимость неподвижного удержания головы зрителя в зонах избирательного стереоскопического видения.The prior art single-angle autostereoscopic displays with a parallax barrier, using, for example, a vertical band-pass polarizing filter [1-3], as well as displays with a lens raster filter [4, 5]. The optical filters of these devices (parallax barrier or raster lens) are used for spatial separation of stereo pairs in the zones of vision. The observer can see a stereoscopic image only when both his eyes are located in the corresponding zones. The width of each of the zones does not exceed the interpupillary distance, while the shift of the eyes relative to the center of the zone by two or more centimeters leads to a significant distortion of the observed image. If the viewer changes position and leaves the zone of vision, the stereo effect is inverted or lost. Strict fixation of the position of the head relative to the zones of vision usually causes a feeling of discomfort and rapid fatigue of the viewer, so the main disadvantage when using these devices is the need to immovably hold the head of the viewer in areas of selective stereoscopic vision.
Известны многоракурсные автостереоскопические дисплеи [6], в которых зоны видимости образованы воспроизведением шести и более ракурсов единой трехмерной сцены. Причем все смежные изображения этой группы образуют стереопары, а разделение ракурсов по зонам видимости производится использованием, например, наклонного линзового растра. При угле наклона растра около 10 градусов появляется возможность раздельного воспроизведения до девяти ракурсов объекта. В этом случае разрешение каждого из ракурсов снижается по горизонтали и по вертикали в три раза(Наклонный линзовый растр применяется в дисплеях SynthaGram американской фирмы StereoGraphics, дисплеях 3DWOW голландской фирмы Philips и аналогичных дисплеях других фирм, например SuperD (HDL-46)). Однако многоракурсный способ формирования изображений требует применения мощных вычислительных средств, существенно уменьшает разрешающую способность единичного изображения и не обеспечивает полного угла обзора демонстрируемой сцены [7].Known multi-angle autostereoscopic displays [6], in which visibility zones are formed by reproducing six or more angles of a single three-dimensional scene. Moreover, all adjacent images of this group form stereo pairs, and the separation of angles into visibility zones is carried out using, for example, an inclined lens raster. When the angle of the raster is about 10 degrees, it becomes possible to separately reproduce up to nine angles of the object. In this case, the resolution of each angle is reduced horizontally and vertically by three times (Tilted lens raster is used in SynthaGram displays of the American company StereoGraphics, 3DWOW displays of the Dutch company Philips and similar displays of other companies, for example SuperD (HDL-46)) . However, a multi-angle method of image formation requires the use of powerful computing tools, significantly reduces the resolution of a single image and does not provide a full viewing angle of the scene being demonstrated [7].
Известны также способы и устройства создания объемного голографического изображения с использованием когерентного лазерного излучения [8]. Голограмма - наиболее совершенный, однако относительно сложный способ получения автостереоскопического изображения. Несмотря на обилие патентов (Например, патенты США №4359758 и №4484219 или патент РФ №2115148), практическая реализация голографического дисплея сопряжена с множеством технических трудностей и, в первую очередь, с решением задачи скоростной обработки данных, быстрой записи и стирания голограмм на объемных средах. Эта задача решена только частично, обработка одного кадра голографического изображения требует сверхмощных вычислительных средств и больших временных затрат (порядка 8 мин на кадр), что существенно затрудняет вывод движущегося изображения (Поток данных, требуемый для воссоздания полноценного образа методом голографии достигает величины порядка 1 Тб/с (1012 бит в сек). Как хранить и тем более передавать такое количество информации, пока не известно). Причем при успешном решении этой задачи тем не менее голографический метод относительно продолжительное время останется на стадии лабораторных экспериментов. Известные голографические дисплеи воспроизводят пока только монохромное изображение и так же, как и многоракурсные дисплеи, не обеспечивают кругового обзора объектов демонстрации (Размеры обслуживающей топографию аппаратуры огромны по сравнению с размерами формируемого изображения, а необходимость применения лазеров для съемки и демонстрации привносит дополнительные неудобства и затрудняет воспроизведение биологических объектов). Исходя из этих недостатков можно сделать вывод, что голографические дисплеи в классическом понимании, т.е. использующие явление интерференции на дифракционных решетках, не имеют реальных перспектив широкого распространения, в т.ч. и в достаточно отдаленном будущем.Also known are methods and devices for creating a volume holographic image using coherent laser radiation [8]. A hologram is the most advanced, but relatively complex way to obtain an autostereoscopic image. Despite the abundance of patents (for example, US patents Nos. 4,359,758 and 4,484,4219 or RF patent No. 215148) , the practical implementation of the holographic display is fraught with many technical difficulties and, first of all, with the solution of the problem of high-speed data processing, fast recording and erasing of holograms on volumetric environments. This problem is only partially solved, the processing of one frame of a holographic image requires heavy-duty computing tools and time-consuming (about 8 min per frame), which significantly complicates the output of a moving image (The data stream required to recreate a full-fledged image using the holography method reaches about 1 Tb / s (1012 bits per second). It is not yet known how to store and even transmit such an amount of information) . Moreover, if this problem is successfully solved, nevertheless, the holographic method will remain at the stage of laboratory experiments for a relatively long time. Well-known holographic displays so far reproduce only a monochrome image and, like multi-angle displays, do not provide a circular view of the objects of demonstration (The dimensions of the equipment serving the topography are huge compared to the dimensions of the generated image, and the need to use lasers for shooting and demonstration introduces additional inconvenience and makes playback difficult biological objects) . Based on these shortcomings, we can conclude that holographic displays in the classical sense, i.e. using the phenomenon of interference on diffraction gratings, they do not have real prospects for wide distribution, including and in the rather distant future.
Этих недостатков лишены устройства, основанные на оптико-механическом принципе, так называемые волюметрические дисплеи, в которых для отображения данных используется рассеяние излучения на быстроперемещающихся телах [9]. Если светорассеивающее тело двигается с частотой, превышающей видимую для человека частоту световых мельканий, а сканирование излучения синхронизовано с движением тела, то для наблюдателя происходит усреднение последовательно освещаемых точек и из их совокупности формируется объемное изображение. Быстрое сканирование инициирующим лучом двумерной плоскости позволяет сформировать светящуюся точку в заданном месте светорассеивающего тела, что обеспечивает две координаты, а движение собственно светорассеивающего тела обеспечивает третью координату формируемого светового макета объекта демонстрации. Движение тела может быть возвратно-поступательным, что реализуется гораздо труднее [9, 10], или вращательным [11]. Формируемый таким образом световой макет имеет все визуальные характеристики реального трехмерного изображения и потому не требует применения индивидуальных средств и не ограничивает зрителей в выборе позиции наблюдения. При этом не возникает глазной и нервной усталости, присущей использованию стереоочков, а также перескоков изображения, часто сопровождающих перемещение зрителей относительно автостереоскопических дисплеев, т.е. достигается наибольшая реалистичность восприятия объекта демонстрации.Devices based on the optical-mechanical principle, the so-called volumetric displays, in which radiation scattering by rapidly moving bodies is used to display data, are deprived of these disadvantages [9]. If the light-scattering body moves with a frequency exceeding the frequency of light flickers visible for a person, and the scanning of radiation is synchronized with the movement of the body, then for the observer averaging of successively illuminated points takes place and from their combination a volumetric image is formed. A quick scan by the initiating beam of a two-dimensional plane allows you to form a luminous point in a given place of the light-scattering body, which provides two coordinates, and the movement of the light-scattering body itself provides the third coordinate of the generated light model of the demonstration object. The movement of the body can be reciprocating, which is realized much more difficult [9, 10], or rotational [11]. The light layout thus formed has all the visual characteristics of a real three-dimensional image and therefore does not require the use of individual means and does not limit viewers in choosing the observation position. In this case, there is no eye and nervous fatigue inherent in the use of stereo glasses, as well as image jumps, often accompanying the movement of viewers relative to autostereoscopic displays, i.e. The most realistic perception of the object of the demonstration is achieved.
К категории волюметрических принадлежит и известный из уровня техники цветной объемный дисплей (Патент RU 2111627 С2, кл. H04N 9/31, G09G 3/06, публ. 20.05.1998 г.), содержащий лазер, блок сканирования и модуляции лазерного излучения, а также визуализатор, представляющий собой тело сложной формы с возможностью вращения вокруг своей оси. Визуализатор дисплея выполнен в виде набора пластин, установленных наклонно к плоскости, перпендикулярной оси вращения, причем число пластин кратно числу основных цветов используемой колориметрической системы и каждая из пластин покрыта веществом, преобразующим инфракрасное излучение лазера в видимое излучение одного из основных цветов используемой колориметрической системы.The volumetric category also includes the color surround display known from the prior art (Patent RU 2111627 C2,
Главным условием успешной работы волюметрического дисплея является высокая скорость вывода и визуализации изображений сечений или проекций объекта. Если время визуализации одного сечения t, то для качественного воспроизведения трехмерного изображения объекта (сцены) должно выполняться соотношение t*N≤1/25 секунды, где N - число сечений, выводимых за один оборот визуализатора. Чем большее число сечений используется для воспроизведения объекта, тем более достоверным и объемным представляется этот объект наблюдателю, но тем быстрее эти сечения должны быть сформированы и отображены на визуализаторе. И наоборот, известное значение времени визуализации одного сечения устанавливает предельное число отображаемых сечений объекта N, что определяет достижимое качество визуализации объема сцены с помощью этого дисплея при работе в реальном времени.The main condition for the successful operation of the volumetric display is the high speed of output and visualization of images of sections or projections of the object. If the visualization time of one section is t, then for high-quality reproduction of a three-dimensional image of an object (scene), the relation t * N≤1 / 25 seconds must be satisfied, where N is the number of sections displayed per revolution of the visualizer. The larger the number of sections used to reproduce the object, the more reliable and voluminous this object appears to the observer, but the faster these sections must be formed and displayed on the visualizer. And vice versa, the known value of the visualization time of one section sets the limit of the number of displayed sections of the object N, which determines the achievable quality of the visualization of the volume of the scene using this display when working in real time.
Основным недостатком дисплея (патент RU №2111627) является недостаточное быстродействие устройства формирования изображения. Действительно, при времени позиционирования лазерного луча около 0.4 мкс (Стандартная система сканирования лазерного луча позволяет проецировать от 30 до 60 тысяч точек в секунду (kpps), прецизионная высокоскоростная система имеет производительность в 1.5-1.8 раза выше (www.x-light.ru)) за 1/25 секунды можно визуализировать только около 100 тысяч точек. Учитывая, что для получения необходимого цвета инфракрасный лазерный луч должен высветить точки "… последовательно на каждой пластине, число которых кратно числу основных цветов используемой колориметрической системы …" (т.е. в RGB минимально три точки на трех пластинах) количество высвечиваемых цветных точек за один оборот визуализатора не превышает 34 тысяч. Это пригодно, например, для указания положения самолетов в заданных эшелонах контролируемой воздушной зоны, однако не обеспечивает визуализацию одного среза стандартного полноцветного изображения, где минимально требуется порядка полумиллиона пикселей (800×600).The main disadvantage of the display (patent RU No. 2111627) is the lack of speed of the image forming apparatus. Indeed, with a laser beam positioning time of about 0.4 μs (The standard laser beam scanning system allows you to project from 30 to 60 thousand dots per second (kpps), the high-precision precision system has a productivity of 1.5-1.8 times higher (www.x-light.ru) ) in 1/25 of a second you can only visualize about 100 thousand points. Given that in order to obtain the required color, the infrared laser beam should highlight the points "... sequentially on each plate, the number of which is a multiple of the number of primary colors of the colorimetric system used ..." (i.e., in RGB there are at least three points on three plates) the number of colored dots for one revolution of the visualizer does not exceed 34 thousand. This is suitable, for example, to indicate the position of aircraft in the specified echelons of the controlled air zone, but it does not provide visualization of a single slice of a standard full-color image, where the minimum requires about half a million pixels (800 × 600).
Существенный рывок в создании волюметрических систем совершен при разработке дисплея «Perspecta Spatial 3D» (Впервые коммерческий вариант работающего в реальном времени трехмерного дисплея «Perspecta Spatial 3D Platform» с объемным экраном был продемонстрирован в 2002 г. американской компанией Actuality Systems, Inc. (www.actuality-systems.com). В дисплее использовался светорассеивающий дисковый экран диаметром около 25 см, который со скоростью 25 об/сек вращался в свободном пространстве внутри прозрачной полусферы высотой 50 см). Из описания этого изобретения (Патент US 6554430 В2, кл. G03B 21/28, G09G 5/10, публ. 29.04. 2003 г.) известен трехмерный объемный дисплей, включающий передающую оптику с линзами переноса и полевыми линзами, двигатель, опорную структуру (платформу), соединенную с двигателем, плоский проекционный экран, расположенный на опорной структуре так, что ось вращения лежит в его плоскости и проекционный объектив расположен по оси вращения таким образом, чтобы ось объектива составляла с осью вращения угол от 4.9° до 5°. Во время работы дисплея линза переноса получает луч света от источника света и передает луч света на полевую линзу, полевая линза передает луч света на проекционный объектив, который проецирует луч света на проекционный экран, двигатель вращает опорную структуру, проекционный экран и проекционный объектив вокруг оси вращения.A significant breakthrough in the creation of volumetric systems was made during the development of the Perspecta Spatial 3D display (the first commercial version of the real-time three-dimensional display Perspecta Spatial 3D Platform with a three-dimensional screen was demonstrated in 2002 by the American company Actuality Systems, Inc. (www. actuality-systems.com). The display used a light-scattering disk screen with a diameter of about 25 cm, which rotated at a speed of 25 r / sec in free space inside a transparent hemisphere 50 cm high) . From the description of this invention (Patent US 6554430 B2, class G03B 21/28, G09G 5/10, publ. April 29, 2003) a three-dimensional three-dimensional display is known, including transmitting optics with transfer lenses and field lenses, an engine, and a support structure ( platform) connected to the engine, a flat projection screen located on the support structure so that the axis of rotation lies in its plane and the projection lens is located on the axis of rotation so that the axis of the lens makes an angle from 4.9 ° to 5 ° with the axis of rotation. During operation of the display, the transfer lens receives the light beam from the light source and transmits the light beam to the field lens, the field lens transmits the light beam to the projection lens, which projects the light beam onto the projection screen, the engine rotates the support structure, the projection screen and the projection lens around the axis of rotation .
В состав устройства могут также входить три дополнительных зеркала, закрепленных на опорной структуре так, что первое зеркало получает луч света от проекционного объектива и направляет луч света на второе зеркало, второе зеркало направляет луч света на проекционный экран или на третье зеркало (при его наличии), которое направляет луч света на проекционный экран.The device may also include three additional mirrors mounted on a support structure so that the first mirror receives a light beam from the projection lens and directs the light beam to the second mirror, the second mirror directs the light beam to the projection screen or third mirror (if any) which directs a ray of light to the projection screen.
Наряду с таким несомненным достоинством этого решения, как использование излучения видимого диапазона, данному устройству присущи и недостатки. Основным из них является (так же, как и в предыдущем случае) необходимость высокой скорости формирования и вывода изображения сечений объекта демонстрации. При недостаточной скорости этого процесса резко падает качество получаемого отображения из-за уменьшения количества выводимых сечений или снижения колористических характеристик изображений.Along with such an undoubted advantage of this solution, as the use of visible radiation, this device also has disadvantages. The main one is (as in the previous case) the need for a high speed of formation and output of the image of the sections of the object of the demonstration. With insufficient speed of this process, the quality of the resulting display sharply decreases due to a decrease in the number of displayed sections or a decrease in the coloristic characteristics of images.
Вывод изображения сечений демонстрируемого объекта в дисплее «Perspecta Spatial 3D» осуществлялся на основе цифрового трехчипового видеопроектора DLP фирмы Texas Instruments, Inc. [12], наиболее быстродействующего из существующих в настоящее время (производительность до 22 Гб/сек). Видеопроектор создан на основе микродисплея, представляющего матрицу легких отклоняемых микрозеркал (DMD), работающих по двоичной системе. Шкала серого и, соответственно, оттенки цветов в изображениях обеспечиваются повторением отклонений с разными частотой и скважностью. Проектор способен в реальном времени выводить до 1000 полноцветных изображений форматом 1024×748 пикселей в секунду. Однако применительно к описываемому устройству на один оборот проекционного экрана (при частоте вращения 25 об/сек) приходится только 40 полноцветных сечений объекта, что не позволяет получить его качественный объемный макет. Поэтому разработчикам устройства пришлось отказаться от градаций серого, требующих больших затрат времени, соответственно, и от цветовых оттенков, требующих 24 битного представления, и свести формируемое изображение сечений объекта к 6 битной схеме (три основных, три дополнительных цвета плюс белый и черный). Это дало возможность в три раза повысить скорость вывода и получить до 198 сечений объекта за один оборот (В другой модификации выводятся две серии сечений по 198 срезов в каждой, при этом выводимое изображение сведено к 3 битной схеме) при скорости вращения проекционного экрана около 900 об/мин.Perspecta Spatial 3D displays the cross-sectional image of the displayed object on the basis of a DLP digital three-chip video projector from Texas Instruments, Inc. [12], the fastest existing currently (performance up to 22 Gb / s). The video projector is based on a microdisplay, which is a matrix of light deflectable micromirrors (DMD) operating in a binary system. The gray scale and, accordingly, the shades of colors in the images are provided by the repetition of deviations with different frequency and duty cycle. The projector is capable of real-time output of up to 1000 full-color images in the format of 1024 × 748 pixels per second. However, in relation to the described device, one revolution of the projection screen (at a rotation speed of 25 rpm) accounts for only 40 full-color sections of the object, which does not allow to obtain its high-quality volumetric layout. Therefore, the developers of the device had to abandon the grayscale, which requires a lot of time, respectively, and from color shades, requiring 24 bit representation, and reduce the generated image of the object sections to a 6 bit scheme (three primary, three additional colors plus white and black). This made it possible to increase the output speed by three times and get up to 198 sections of the object in one revolution (In another modification two series of sections are displayed, 198 sections in each, while the output image is reduced to a 3-bit scheme) at a rotation speed of the projection screen of about 900 rpm / min
Для обоснованности изложения оценим скорость вывода, которую должна обеспечивать система формирования качественного объемного полноцветного изображения объекта, при использовании описанной выше схемы оптической системы устройства.For the validity of the presentation, we estimate the output speed that a system for generating a high-quality volumetric full-color image of an object must use when using the above-described optical system scheme of the device.
Средняя острота зрения человеческого глаза составляет примерно одну угловую минуту. При удалении наблюдателя на расстояние l от центра трехмерной сцены необходимое разрешение системы вывода изображений δ можно рассчитать согласно выражению:The average visual acuity of the human eye is approximately one angular minute. When the observer is removed at a distance l from the center of the three-dimensional scene, the necessary resolution of the image output system δ can be calculated according to the expression:
Ограничим область воспроизведения трехмерной сцены цилиндром высотой h и радиусом r и определим количество диаметральных сечений цилиндра N, необходимое для слитного восприятия объектов сцены с любого азимутального направления при круговом обзоре сцены:We limit the playback region of a three-dimensional scene to a cylinder of height h and radius r and determine the number of diametral sections of the cylinder N, which is necessary for the continuous perception of scene objects from any azimuthal direction during a circular view of the scene:
Определим количество плоскостных единиц изображения (пикселей) k, помещающихся на площади одного диаметрального сечения цилиндрической области воспроизведения:Define the number of planar image units (pixels) k that fit on the area of one diametrical section of the cylindrical playback area:
Количество объемных единиц изображения (векселей) m, составляющих один кадр трехмерной сцены в этом случае равно:
Пусть область воспроизведения трехмерной сцены имеет размеры r=0.1 и h=0.2 м. Примем расстояние от центра объема воспроизведения до наблюдателя l=1 м (разрешимый интервал в этом случае равен δ≈0.0003 м), тогда количество векселей в одном кадре сцены равно m=1.021·109 векселей.Let the playback region of the three-dimensional scene have dimensions r = 0.1 and h = 0.2 m. Let us take the distance from the center of the playback volume to the observer l = 1 m (the allowable interval in this case is δ≈0.0003 m), then the number of bills in one frame of the scene is m = 1.021 · 10 9 bills.
При частоте вывода изображений 25 кадров/секунду объем вывода составит величину 2.55·1010 векселей в секунду (Предельная скорость вывода DLP проектора составляет 766 Мпиксел/сек, что примерно в 30 раз ниже полученной величины). Для стандартного 24 битного изображения производительность системы вывода должна быть не менее чем P=24·2.55·1010=612 Гб/с.At an image output rate of 25 frames / second, the output volume will be 2.55 · 10 10 bills per second (The maximum DLP output rate of the projector is 766 Mpixels / sec, which is approximately 30 times lower than the obtained value) . For a standard 24-bit image, the output system performance should be at least P = 24 · 2.55 · 10 10 = 612 Gb / s.
Такая скорость вывода данных при существующем уровне техники пока недостижима и неизвестно, будет она достигнута в ближайшее время. Для сравнения напомним, что предельная производительность наиболее быстрого из существующих - трехчипового DLP проектора составляет величину порядка 22 Гб/сек, что в десятки раз меньше расчетной величины. Данная оценка проведена для весьма скромной по размерам площади сечения области воспроизведения трехмерных объектов (всего 660×660 пикселей). При увеличении размеров этой области требуемая скорость вывода изображений возрастает пропорционально третьей степени ее размеров.Such a speed of data output with the current level of technology is unattainable and it is not known whether it will be achieved in the near future. For comparison, we recall that the ultimate performance of the fastest of the existing three-chip DLP projectors is about 22 Gb / s, which is ten times less than the calculated value. This assessment was carried out for a very modest-sized cross-sectional area of the reproduction region of three-dimensional objects (a total of 660 × 660 pixels). With an increase in the size of this region, the required image output rate increases in proportion to the third degree of its size.
Как следует из проведенного анализа, основная сложность создания 3D дисплеев кругового обзора заключается в том, что без применения специальных мер отображение трехмерных сцен даже небольшого размера требует слишком больших скоростей отображения информации, пока недоступных современной технике.As follows from the analysis, the main difficulty in creating 3D round-robin displays is that without special measures, displaying three-dimensional scenes even of a small size requires too high information display speeds that are not yet available to modern technology.
Кроме указанного выше недостатка, свойственного существующим моделям волюметрических дисплеев, решение по патенту США №6554430 обладает еще рядом недостатков, к которым относятся, в первую очередь, жесткие требования к производительности графического процессора и систем хранения и передачи данных. Последнее осложнено еще и тем, что для построения изображения объемной модели объекта рассматриваемое устройство выводит последовательную серию его двумерных азимутальных сечений, что предполагает наличие математической модели объекта и обработку данных «на проход» для расчета текущих сечений объекта демонстрации (Производительность наиболее быстродействующего из современных графических процессоров не превышает величины 76.8 Гб/с, что на порядок меньше требуемой производительности вывода, не учитывая дополнительную обработку данных на проход).In addition to the above drawback, which is typical of existing volumetric display models, the solution according to US patent No. 6554430 has a number of disadvantages, which include, first of all, stringent performance requirements for the graphics processor and data storage and transmission systems. The latter is further complicated by the fact that, to construct an image of a three-dimensional model of an object, the device under consideration displays a sequential series of its two-dimensional azimuthal sections, which assumes the presence of a mathematical model of the object and data processing “per pass” for calculating the current sections of the demonstration object (Performance of the fastest of modern graphic processors does not exceed 76.8 Gb / s, which is an order of magnitude less than the required output performance, not taking into account additional data processing x at passage).
Дополнительные машинные мощности необходимы и для компенсации масштабных искажений и оптических аберраций, вносимых проекционной оптикой дисплея (например, за счет неперпендикулярности оптической оси системы и плоскости проекционного экрана (Частично масштабные искажения и расфокусировка изображений, возникающие из-за неперпендикулярности экрана падающему световому потоку, компенсируются в устройстве отклонением на 5° (согласно принципу Шаймпфлюга) оси объектива от оптической оси системы. Однако полностью скомпенсировать таким образом все искажения проецируемого изображения невозможно - необходима компьютерная корректировка)), что также следует отнести к недостаткам устройства.Additional machine power is also needed to compensate for the scale distortions and optical aberrations introduced by the projection display optics (for example, due to the non-perpendicularity of the optical axis of the system and the plane of the projection screen (Partially scaled distortions and image defocusing arising due to the non-perpendicularity of the screen to the incident light flux are compensated by 5 ° deviation (according to the Scheimpflug principle) of the lens axis from the optical axis of the system. However, completely compensate for this all distortions of the projected image are impossible at once - computer correction is necessary) ), which should also be attributed to the disadvantages of the device.
К существенным недостаткам устройства относится и то, что поворот подвижной части оптики (объектив, зеркала, экран) относительно ее неподвижной части (проектор, передающая оптика) вызывает нежелательный поворот изображения в плоскости экрана (изменение ориентации изображения). Для устранения этого недостатка требуется применение специальной компенсирующей оптики с собственным приводом (Например, применение "K"- образной системы зеркал, вращающейся вдвое медленнее подвижной части оптики и проекционного экрана (см. патент США №4943851)) либо упреждающий поворот сечений объекта еще до его вывода, что вызывает дополнителные нагрузки уже перегруженной системы подготовки изображений и влечет за собой повышенные требования к синхронности работы частей дисплея.Significant disadvantages of the device include the fact that the rotation of the moving part of the optics (lens, mirrors, screen) relative to its fixed part (projector, transmitting optics) causes an undesirable rotation of the image in the plane of the screen (changing the orientation of the image). To eliminate this drawback, the use of special compensating optics with its own drive is required (for example, the use of a “K” -shaped system of mirrors rotating twice as slow as the moving part of the optics and projection screen (see US patent No. 4943851)) or anticipatory rotation of the object’s cross sections before output, which causes additional loads of an already overloaded image preparation system and entails increased requirements for the synchronization of the parts of the display.
Резюмируя, можно утверждать, что реализация устройства требует применения дорогостоящих сложных и поэтому не всегда надежных (Используемая в проекторе матрица DMD не отличается высокой надежностью и долговечностью (служит 2-3 года)) обслуживающих систем, выполненных на пределе возможностей современной техники, однако не обеспечивает в полной мере качество получаемого трехмерного изображения.Summarizing, it can be argued that the implementation of the device requires the use of expensive complex and therefore not always reliable (The DMD matrix used in the projector is not very reliable and durable (lasts 2-3 years)) of service systems that are made to the limit of the capabilities of modern technology, but do not provide the full quality of the resulting three-dimensional image.
Недостатки, являющиеся следствием неоптимальной конфигурации оптической системы дисплея по патенту US №6554430, частично устранены в известном устройстве (патент на полезную модель RU №91646, U1, кл. G09G 3/00, H04N 3/00, публ. 20.02.2010 г.), принятом в данном описании в качестве ближайшего аналога к предлагаемому устройству.The disadvantages resulting from the non-optimal configuration of the optical display system according to US patent No. 6554430, partially eliminated in the known device (patent for utility model RU No. 91646, U1,
Согласно описанию этот объемный дисплей содержит вращающийся рассеивающий экран и проектор, закрепленный на одном монтажном основании с экраном, воспроизводящий в динамике растровые образы трехмерной сцены, причем питание электроники проектора осуществляется с помощью индукционного генератора, вырабатывающего электричество из энергии механического вращения экрана, а передача графической информации в проектор осуществляется по радиоканалу (например, при помощи модулей Bluetooth).According to the description, this three-dimensional display contains a rotating scattering screen and a projector mounted on one mounting base with a screen, which reproduces the dynamics of the raster images of a three-dimensional scene, moreover, the projector’s electronics are powered by an induction generator that generates electricity from the energy of mechanical rotation of the screen, and graphic information is transmitted the projector is carried out over the air (for example, using Bluetooth modules).
При такой простой конфигурации оптической системы, когда источник изображения, проекционный объектив и рассеивающий экран жестко закреплены на одной платформе (монтажном основании), не возникает необходимости наклонять экран по отношению к плоскости первичного изображения в проекторе, т.е. не возникает дефокусировка и разномасштабность частей изображения, что позволяет избавиться от корректировки изображений на проход.With such a simple configuration of the optical system, when the image source, the projection lens and the scattering screen are rigidly fixed on the same platform (mounting base), there is no need to tilt the screen relative to the plane of the primary image in the projector, i.e. there is no defocusing and different scale of parts of the image, which eliminates the need to correct images for passage.
Оптическая длина пути луча света от матрицы проектора через проекционный объектив до рассеивающего экрана не меняется при вращении платформы, что позволяет избежать динамических изменений масштаба. При перекосах и биениях платформы не возникает смещение изображения относительно рассеивающего экрана, что позволяет избежать дрожания изображения для наблюдателя.The optical path length of the light beam from the projector matrix through the projection lens to the scattering screen does not change when the platform rotates, which avoids dynamic zooming. During skews and beats of the platform, the image does not shift relative to the scattering screen, which avoids image jitter for the observer.
Вращение экрана и проекционного объектива устройства не вызывает поворот изображения на экране относительно изображения на матрице проектора, что позволяет избежать применения оптических или компьютерных систем корректировки изображений.Rotation of the screen and the projection lens of the device does not cause the image to rotate on the screen relative to the image on the projector matrix, which avoids the use of optical or computer image correction systems.
Таким образом, оптическая система этого объемного дисплея для работы не требует математической обработки и корректировки данных на проход, что обеспечивает возможность использовать его не только для воспроизведения 3-мерных компьютерных объектов, но и реальных сцен и предметов. В этом случае в качестве составляющих объемного образа объекта можно использовать не только сечения предмета (или сцены) азимутальными плоскостями, а проекции объекта на эти азимутальные плоскости, т.е. кадры съемки реальной сцены вкруговую с разных сторон. Последнее существенно упрощает дополнительную математическую подготовку объекта для демонстрации и при определенных условиях (Эти условия изложены в описании ниже) может сделать ее ненужной, что обеспечивает возможность воспроизведения 3-мерных образов реальных предметов в реальном времени. Это важное качество отсутствует практически во всех известных моделях объемных дисплеев (или в их описаниях), что и предопределило выбор прототипа для предлагаемого изобретения.Thus, the optical system of this three-dimensional display for operation does not require mathematical processing and adjustment of data per pass, which makes it possible to use it not only for reproducing 3D computer objects, but also real scenes and objects. In this case, as components of the volumetric image of the object, it is possible to use not only the section of the object (or scene) with azimuthal planes, but the projection of the object on these azimuthal planes, i.e. footage of shooting a real scene in a circular fashion from different angles. The latter greatly simplifies the additional mathematical preparation of the object for demonstration and under certain conditions (these conditions are described in the description below) may make it unnecessary, which makes it possible to reproduce 3D images of real objects in real time. This important quality is absent in almost all known models of volumetric displays (or in their descriptions), which predetermined the choice of a prototype for the present invention.
Наряду с несомненными достоинствами это устройство обладает очевидными недостатками. К ним относится недостаточная скорость передачи информации. Для передачи данных в этом устройстве предлагается использование радиоканала, в частности модулей Bluetooth. Радиочастотные модули Bluetooth производства National Semiconductor (например, LMX9820, как следует из описания патента) имеют предельную скорость передачи данных порядка 1 Мбит/с. Наиболее скоростные из известных модулей Bluetooth имеют предельную производительность около 24 Мбит/с (при работе по протоколу Wi-Fi). Причем при скорости вращения монтажного основания 20-24 об/с на один оборот экрана, т.е. на все срезы объекта в пределах 360°) придется всего 1 Мбит переданной информации, что на несколько порядков меньше, чем в дисплее "Perspecta", и существенно меньше расчетных скоростей вывода, т.е. это решение также не в состоянии обеспечить качественное воспроизведения 3-мерных объектов и сцен.Along with the undoubted advantages, this device has obvious disadvantages. These include insufficient information transfer speed. To transmit data in this device, the use of a radio channel, in particular Bluetooth modules, is proposed. National Radio Semiconductor’s Bluetooth RF modules (for example, LMX9820, as follows from the patent description) have a maximum data transfer rate of about 1 Mbps. The fastest known Bluetooth modules have a marginal performance of about 24 Mbps (when using Wi-Fi protocol). Moreover, at a rotation speed of the mounting base of 20-24 r / s per revolution of the screen, i.e. all sections of the object within 360 °) will have only 1 Mbps of transmitted information, which is several orders of magnitude less than in the Perspecta display, and significantly less than the calculated output speeds, i.e. this solution is also not able to provide high-quality reproduction of 3D objects and scenes.
К другим недостаткам этого решения следует отнести питание проектора от индукционного генератора, что неоправданно усложняет устройство, дополнительно нагружает вращающееся монтажное основание и влечет ускоренный износ подвижных частей дисплея.Other disadvantages of this solution include the supply of the projector from an induction generator, which unnecessarily complicates the device, additionally loads the rotating mounting base and entails accelerated wear of the moving parts of the display.
Известен способ формирования трехмерных изображений (Патент US №6302542 B1, кл. G03B 21/28, публ. 16.10.2001 г.), включающий последовательное отображение 2D кадров на панели создания изображения, быстрое вращение дисплейной плоскости (экрана) вокруг первой оси, вращение мультизеркального отражателя вокруг второй оси с половинной скоростью от скорости вращения дисплея, проецирование двумерных кадров изображения вначале через средства компенсации проекционного пути, затем путем отражения их от мультизеркал на дисплей. Компенсация проекционного пути при этом проводится по одной из следующих двух вариаций - пропускание пучка изображений от панели изображений через объектив, затем отражение его от возвратно-поступательной системы отражателей, которая совершает возвратно-поступательное движение в согласовании с угловым положением вращающихся мультизеркал или проецирование пучка изображений от панели изображений через масштабируемую оптику и изменение оптической силы этой оптики в согласовании с угловым положением вращающихся мультизеркал.A known method of forming three-dimensional images (US Patent No. 6302542 B1, class G03B 21/28, publ. October 16, 2001), including the sequential display of 2D frames on the image creation panel, the rapid rotation of the display plane (screen) around the first axis, rotation a multi-mirror reflector around a second axis at half the speed of the display rotation speed, projecting two-dimensional image frames first through projection path compensation means, then by reflecting them from the multi-mirrors onto the display. Compensation of the projection path in this case is carried out according to one of the following two variations - transmission of the image beam from the image panel through the lens, then its reflection from the reciprocating reflector system, which performs reciprocating motion in accordance with the angular position of the rotating multi-mirrors or projecting the image beam from image panels through scalable optics and the change in the optical power of this optics in accordance with the angular position of rotating multi-mirrors.
Второй вариант способа включает отображение в последовательности набора 2D кадров на панели создания изображений, быстрое вращение плоскости дисплея и тем самым определение пространства отображения, вращение ортогональной системы переключаемых отражателей со скоростью, равной половине от скорости вращения дисплея, и проецирование указанных двумерных кадров изображения на плоскость дисплея путем отражения их от указанной ортогональной системы переключаемых отражателей. При этом переключение отражателей между прозрачным и отражающим состояниями производится в соответствии с их угловым положением.The second variant of the method includes displaying in a sequence of a set of 2D frames on the image creation panel, quickly rotating the display plane and thereby determining the display space, rotating the orthogonal system of switched reflectors at a speed equal to half the speed of the display, and projecting these two-dimensional image frames onto the display plane by reflecting them from said orthogonal system of switched reflectors. At the same time, the reflectors are switched between the transparent and reflective states in accordance with their angular position.
К недостаткам этого способа, в первую очередь, относится последовательный вывод двумерных кадров (представляющих собой либо сечения отображаемого объекта, либо его проекции) на панель создания изображения, что влечет за собой повышенные требования к скорости их отображения. Как уже упоминалось ранее, при последовательном выводе двумерных кадров на одном проекционном устройстве требуемая производительность этого устройства для создания качественного объемного отображения трехмерного объекта или сцены находится за пределами возможностей современной техники. Попытки ускорить процесс вывода этих кадров существующими средствами ведут к снижению либо цветности либо разрешения выводимого изображения, что неизбежно влечет за собой снижение качества отображения трехмерного объекта.The disadvantages of this method, in the first place, are the sequential output of two-dimensional frames (which are either sections of the displayed object or its projection) to the image creation panel, which entails increased requirements for the speed of their display. As mentioned earlier, with the sequential output of two-dimensional frames on one projection device, the required performance of this device to create high-quality three-dimensional display of a three-dimensional object or scene is beyond the capabilities of modern technology. Attempts to speed up the output process of these frames by existing means lead to a decrease in either color or resolution of the output image, which inevitably entails a decrease in the quality of display of a three-dimensional object.
К недостаткам данного решения следует отнести и предложенный в нем способ проецирования изображения на экран ("… дисплейную плоскость" в редакции этого патента, однако во избежание путаницы с предметом изобретения в дальнейшем изложении при упоминании светорассеивающего тела будет употребляться слово "экран") для обеспечения стабильной ориентации двумерных проекций (сечений) относительно экрана, который предполагает использование мультизеркального отражателя, либо двух переключаемых отражателей, вращаемых с половинной скоростью по отношению к скорости вращения экрана. Все это влечет за собой неоправданное усложнение оптической системы и привода дисплея и снижает надежность работы устройства.The disadvantages of this solution include the proposed method of projecting an image onto a screen (“... display plane” in the wording of this patent, however, to avoid confusion with the subject of the invention, the word “screen” will be used when referring to a light-scattering body) to ensure stable the orientation of two-dimensional projections (sections) relative to the screen, which involves the use of a multi-mirror reflector, or two switchable reflectors rotated at half speed in relative to the screen rotation speed. All this entails an unjustified complication of the optical system and the display drive and reduces the reliability of the device.
В первом варианте способа применение мультизеркальной системы потребовало введение средств компенсации изменений проекционного пути луча на основе возвратно-поступательной системы отражателей либо масштабируемой оптикой (каждое со своим приводом), а во втором варианте - введение системы синхронного переключения ортогональных отражателей. Все это неоправданно усложняет конструкцию дисплея и приводит к возникновению дополнительных искажений в воспроизведении двумерных срезов трехмерного образа, снижая качество его воспроизведения.In the first version of the method, the use of a multi-mirror system required the introduction of means to compensate for changes in the projection path of the beam based on a reciprocating reflector system or scalable optics (each with its own drive), and in the second version, the introduction of a synchronous switching system for orthogonal reflectors. All this unnecessarily complicates the design of the display and leads to the appearance of additional distortions in the reproduction of two-dimensional slices of a three-dimensional image, reducing the quality of its reproduction.
Кроме того, применение мультизеркального отражателя в виде многогранника с осью вращения, смещенной относительно оси вращения экрана (фиг.10 патента US №6302542), при использовании одной панели изображений (одного проектора изображений) не обеспечивает кругового обзора отображаемого объекта (Кроме того, по мере поворота экрана будет наблюдаться горизонтальное смещение центра изображения относительно центра экрана). В этом случае дисплей будет отображать световую модель объекта только в азимутальном угле, не превышающем 180°.In addition, the use of a multi-mirror reflector in the form of a polyhedron with an axis of rotation offset from the axis of rotation of the screen (Fig. 10 of US patent No. 6302542), when using one image panel (one image projector) does not provide a circular view of the displayed object (In addition, as If you rotate the screen, a horizontal shift of the center of the image relative to the center of the screen will be observed) In this case, the display will display the light model of the object only in the azimuthal angle, not exceeding 180 °.
Во втором варианте вращение двух ортогональных отражателей с половинной скоростью от скорости экрана и синхронное переключение их из зеркального состояния в прозрачное при использовании одной панели изображений (проектора) также не обеспечивает кругового обзора объекта наблюдений. Дополнительно следует отметить, что отражение лучей света от зеркала, проходящих почти параллельно его поверхности, вызывает сильные искажения отраженного изображения, вызванные неидеальностью поверхности зеркал. Однако в рассматриваемом способе отражающее зеркало переключается в режим прозрачности тогда, когда его поверхность становится параллельной оси падающего луча, т.е. непосредственно перед моментом переключения отражателей проецируемое на экран изображение подвергается сильному искажению. Последнее не может способствовать качественному воспроизведению отображаемого объекта при таком способе его формирования.In the second embodiment, the rotation of two orthogonal reflectors at half the speed of the screen speed and their simultaneous switching from the mirror state to transparent when using one image panel (projector) also does not provide a circular view of the observation object. Additionally, it should be noted that the reflection of light rays from the mirror, passing almost parallel to its surface, causes severe distortion of the reflected image caused by the imperfect surface of the mirrors. However, in the method under consideration, the reflecting mirror switches to transparency mode when its surface becomes parallel to the axis of the incident beam, i.e. immediately before the moment of switching the reflectors, the image projected onto the screen is subject to severe distortion. The latter cannot contribute to high-quality reproduction of the displayed object with this method of its formation.
Наиболее близок по технической сущности к заявляемому решению способ формирования трехмерных изображений (патент US 6554430 В2, кл. G03B 21/28, G09G 5/10, публ. 29.04. 2003 г.), принятый в данном описании за ближайший аналог заявляемого способа.Closest to the technical nature of the claimed solution, the method of forming three-dimensional images (patent US 6554430 B2, class G03B 21/28, G09G 5/10, publ. 04/29/2003), adopted in this description for the closest analogue of the proposed method.
Способ включает в себя вращение проекционной оптики и проекционного экрана вокруг оси вращения, подачу светового луча от стационарного источника света и проецирование луча света через проекционный объектив на проекционный экран, а также регулировку наклона проекционного объектива так, чтобы его оптическая ось составляла с осью вращения угол не более 10 градусов. Способ дополнительно включает вращение первого и второго зеркала вокруг оси вращения, причем проекционная оптика может являться проекционным объективом и этот объектив проецирует луч света на первое зеркало, первое зеркало направляет луч света на второе зеркало, а второе зеркало направляет луч света на проекционный экран.The method includes rotating the projection optics and the projection screen around the axis of rotation, supplying a light beam from a stationary light source and projecting the light beam through the projection lens onto the projection screen, and adjusting the inclination of the projection lens so that its optical axis does not form an angle with the axis of rotation more than 10 degrees. The method further includes rotating the first and second mirrors around the axis of rotation, the projection optics may be a projection lens and this lens projects a light beam onto the first mirror, the first mirror directs the light beam to the second mirror, and the second mirror directs the light beam to the projection screen.
В вариантах способ дополнительно включает вращение третьего зеркала вокруг оси вращения, при этом третье зеркало получает луч света от второго зеркала и направляет луч света на проекционный экран, а луч света от источника света к проекционному объективу подается при помощи передающей оптики, включающей в себя зеркало, регулируя которое центрируют луч света на проекционном экране.In embodiments, the method further includes rotating the third mirror about the axis of rotation, wherein the third mirror receives a light beam from the second mirror and directs the light beam to the projection screen, and the light beam from the light source to the projection lens is supplied using transmitting optics including a mirror, adjusting which center the beam of light on the projection screen.
Как следует из описания, для компенсации трапециедальных искажений изображения в плоскости экрана программное обеспечение дисплея предварительно вводит в него дисторсию и выполняет корректировку ориентации текущего сечения объекта. Последнее производится для устранения поворота изображения в плоскости экрана по мере вращения подвижной части дисплея.As follows from the description, to compensate for trapezoidal distortions of the image in the plane of the screen, the display software first introduces distortion into it and performs adjustment of the orientation of the current section of the object. The latter is done to eliminate image rotation in the plane of the screen as the moving part of the display rotates.
К основным недостаткам этого способа формирования объемных изображений следует отнести работу только с вычислительными моделями объектов демонстрации и требует предварительной подготовки объектов для показа (например, в виде создания трехмерной компьютерной модели объекта). В процессе демонстрации способ предполагает наличие серьезной обработки данных на проход, что подтверждается необходимостью таких операций, как вычисление текущего сечения объекта, введение корректирующей дисторсии и корректировка ориентации текущего изображения в плоскости экрана. Необходимость этих операций следует из устройства оптической системы дисплея (См. выше) и последовательности действий по передаче и формированию трехмерных изображений согласно формуле и описанию данного способа.The main disadvantages of this method of forming three-dimensional images include working only with computational models of demonstration objects and requires preliminary preparation of objects for display (for example, in the form of creating a three-dimensional computer model of an object). In the process of demonstration, the method assumes that there is serious processing of data per pass, which is confirmed by the need for operations such as calculating the current section of the object, introducing corrective distortion and adjusting the orientation of the current image in the plane of the screen. The need for these operations follows from the device of the optical display system (see above) and the sequence of actions for transmitting and forming three-dimensional images according to the formula and description of this method.
Необходимость использования на всех стадиях процесса подготовки и формирования трехмерных изображений вычислительных средств на пределе их производительности ограничивает возможность повышения качества получаемого изображения и не позволяет воспроизводить реальные объекты и сцены в режиме реального времени.The need to use computing tools at all stages of the preparation and formation of three-dimensional images of computing tools at the limit of their performance limits the possibility of improving the quality of the resulting image and does not allow reproducing real objects and scenes in real time.
К другим недостаткам способа относится последовательный вывод текущих сечений визуализируемого объекта при помощи только одного проектора, что предъявляет серьезные требования к его производительности, повышаемой часто путем снижения качества изображения, что серьезно ограничивает возможности применения менее скоростных, однако более надежных его аналогов и снижает надежность изделия в целом.Other disadvantages of the method include the serial output of the current sections of the visualized object using only one projector, which imposes serious requirements on its performance, often increased by reducing image quality, which severely limits the possibility of using lower-speed, but more reliable analogues and reduces the reliability of the product in whole.
Приведенный анализ уровня техники свидетельствует о том, что вышеперечисленные устройства и способы, включая такие ближайшие аналоги, как устройство по патенту RU №91646 и способ по патенту US №6554430, не обеспечивают необходимой надежности и долговечности объемного дисплея и ограничивают качество формируемого трехмерного изображения. Использовать это устройство и способ для вывода реальных трехмерных изображений и сцен в режиме реального времени не представляется возможным.The above analysis of the prior art indicates that the above devices and methods, including such closest analogues as the device according to patent RU No. 91646 and the method according to US patent No. 6554430, do not provide the necessary reliability and durability of the three-dimensional display and limit the quality of the generated three-dimensional image. It is not possible to use this device and method for outputting real three-dimensional images and scenes in real time.
Задачей, решаемой в предлагаемом изобретении, является создание надежного и объемного дисплея с круговым обзором, способного формировать и визуализировать с высоким качеством в реальном времени и при минимальном использовании средств вычислительной техники трехмерные изображения объектов и сцен, в том числе и реально существующих.The problem to be solved in the present invention is the creation of a reliable and voluminous display with a circular view, capable of forming and visualizing with high quality in real time and with minimal use of computer technology three-dimensional images of objects and scenes, including real ones.
Из вышесказанного следует, что для решения этой задачи необходимо создание как собственно дисплея на основе новой более оптимальной схемы его оптической системы и более надежных и доступных проекционных средств, так и нового способа формирования и вывода изображений проекций (или сечений) трехмерного объекта, требующего существенно меньшего использования вычислительных операций.It follows from the foregoing that, to solve this problem, it is necessary to create both the display itself on the basis of a new, more optimal design of its optical system and more reliable and affordable projection tools, as well as a new method for generating and displaying images of projections (or sections) of a three-dimensional object that requires significantly less use of computing operations.
Технический результат, который может быть получен при реализации заявленной группы изобретений, заключается в обеспечении возможности воспроизведения полноцветных объемных объектов или сцен, видимых без применения индивидуальных средств стереонаблюдения.The technical result that can be obtained by implementing the claimed group of inventions is to provide the ability to play full-color volumetric objects or scenes that are visible without the use of individual means of stereo surveillance.
Поставленная задача решается тем, что в предлагаемом объемном дисплее, содержащем рассеивающий экран, закрепленный по центру оси вращения платформы, проектор, воспроизводящий растровые образы трехмерной сцены, которые передаются на экран через проекционную оптику и систему зеркал, согласно техническому решению система зеркал размещена соосно платформе и выполнена в виде неподвижного осесимметричного зеркального многогранника, в основании которого находится правильный многоугольник, причем зеркальными выполнены внешние поверхности боковых граней многогранника, проекционная оптика закреплена на вращающейся платформе, а проектор выполнен в виде многогранника, подобного зеркальному многограннику, при этом средние линии боковых граней проектора параллельны средним линиям соответствующих боковых граней зеркального многогранника и удалены от оси вращения платформы на расстояние, равное удвоенному расстоянию от нее средних линий зеркального многогранника, а внутренние поверхности боковых граней проектора выполнены с возможностью воспроизведения на них растровых образов трехмерной сцены.The problem is solved in that in the proposed three-dimensional display containing a scattering screen fixed in the center of the axis of rotation of the platform, a projector that reproduces raster images of a three-dimensional scene, which are transmitted to the screen through projection optics and a system of mirrors, according to a technical solution, the system of mirrors is placed coaxially with the platform and made in the form of a fixed axisymmetric mirror polyhedron, at the base of which is a regular polygon, and the outer surfaces are mirrored the side faces of the polyhedron, the projection optics is mounted on a rotating platform, and the projector is made in the form of a polyhedron similar to a mirror polyhedron, with the middle lines of the side faces of the projector parallel to the middle lines of the corresponding side faces of the mirror polyhedron and removed from the axis of rotation of the platform by a distance equal to twice the distance from the middle lines of the mirror polyhedron, and the inner surfaces of the side faces of the projector are configured to play raster on them images of a three-dimensional scene.
Преимущество предложенного объемного дисплея заключается в свойстве его оптической системы формировать составные изображения из двух опорных (фиг.1) для произвольного азимутального направления "K", лежащего внутри диапазона, границами которого являются направления на эти опорные растровые образы "A" и "B", воспроизведенные на внутренних поверхностях смежных боковых граней многогранного проектора (Азимутальный угол между двумя смежными боковыми гранями многогранных пирамиды или призмы определяется углом между проекциями на основание нормалей к этим граням и может быть найден исходя из количества сторон правильного многоугольника, лежащего в основаниях этих фигур). Эти составные изображения являются комбинацией двух одинаково ориентированных и совмещенных центрами опорных растровых образов (например, "a" и "b"), представленных в составном изображении их относительными долями
Свойство данного дисплея совмещать опорные образы их центрами можно проиллюстрировать схемой, где условно показана горизонтальная проекция элементов его оптической системы (фиг.2). Для наблюдателя, находящегося по оси "OK", отклоненной на произвольный угол |α|<90° от направления "OA" в сторону центра опорного растрового образа (точку "A"), воспроизводимого на боковой грани проектора - плоскости "P2", изображение этой точки ("A"), отраженное в параллельном плоском зеркале - "P1", будет совмещено с центром поворота (точкой "O"), если расстояние между плоскостями "P2" и "P1" равно расстоянию от точки "O" до грани зеркального многогранника "P1".The property of this display to combine support images with their centers can be illustrated by a diagram where a horizontal projection of the elements of its optical system is conventionally shown (Fig. 2). For an observer located along the "OK" axis, deviated by an arbitrary angle | α | <90 ° from the direction "OA" towards the center of the reference raster image (point "A"), reproduced on the side of the projector - the plane "P 2 ", the image of this point ("A") reflected in a parallel plane mirror - "P 1 " will be aligned with the center of rotation (point "O") if the distance between the planes "P 2 " and "P 1 " is equal to the distance from the point " O "to the edge of the mirror polyhedron" P 1 ".
Через проекционную оптику полученное изображение может быть передано на экран, закрепленный на одной платформе с этой оптикой.Through projection optics, the resulting image can be transmitted to a screen mounted on the same platform with this optics.
Из приведенного выше описания следуют требования, предъявляемые к элементам оптической системы предлагаемого объемного дисплея. Внешний многогранный проектор должен быть подобен и соосен внутреннему зеркальному многограннику, причем параллельные основанию средние линии боковых граней этих двух многогранников должны быть соответственно параллельны между собой, а расстояние от оси до средней линии любой боковой грани проектора должно равняться удвоенному расстоянию соответствующей грани зеркального многогранника. Этому требованию удовлетворяют многогранные призмы и усеченные пирамиды с правильными многоугольниками в основаниях, как показано на фиг.3 и 4.From the above description follows the requirements for the elements of the optical system of the proposed volumetric display. The external polyhedral projector should be similar and coaxial with the internal mirror polyhedron, with the center lines of the side faces of these two polyhedrons parallel to the base should be respectively parallel to each other, and the distance from the axis to the middle line of any side face of the projector should be equal to twice the distance of the corresponding face of the mirror polyhedron. This requirement is met by polyhedral prisms and truncated pyramids with regular polygons in the bases, as shown in FIGS. 3 and 4.
Эти свойства оптической системы дисплея позволяют существенно уменьшить использование вычислительных операций для формирования промежуточных изображений, заполняющих пространство между опорными растровыми образами, т.к. эти изображения формируются оптической системой дисплея и проецируются на экран проекционной оптикой, а технические средства подготовки и вывода изображения могут быть использованы для создания и вывода опорных растровых образов более высокого качества.These properties of the optical display system can significantly reduce the use of computational operations to form intermediate images that fill the space between the reference raster images, because these images are formed by the optical display system and projected onto the screen by projection optics, and the technical means of image preparation and output can be used to create and output reference raster images of higher quality.
Оценим производительность, необходимую для формирования и вывода, например, 36 полноцветных растровых образов (Количество опорных растровых образов, необходимое для целостного восприятия демонстрируемого объекта, в основном зависит от его свойств (степени симметрии, удаленности от оси, требуемой степени подробности и т.д.) и для большинства случаев не выходит за пределы 12-36 опорных образов. Если по условиям эксплуатации требуется существенно большая детализация трехмерного изображения или дисплей предполагается использовать как выставочный комплекс, то для увеличения количества опорных растровых образов в данной схеме не выявлено серьезных технических ограничений.). Изображение одного кадра размерами 800×600 имеет 4.8·105 пикселей. Предположим, что за один оборот экрана на него проецируется 36 опорных изображений, т.е. 17.28·106 векселей, тогда за секунду проектор воспроизводит 432·106 векселей. При выводе полноцветного изображения (т.е. при 24-битной схеме) требуемая производительность графического процессора составит величину 432·106×24=10.386·109 бит/сек ≈ 10.4 Гб/с. Эта величина далека от предельных скоростей современных графических процессоров, что обеспечивает высокую вероятность развития предлагаемой системы. Следует также учесть, что при работе с готовыми проекциями объекта процессор не вычисляет их, а непосредственно передает на систему вывода дисплея.Let us evaluate the productivity necessary for the formation and output, for example, of 36 full-color raster images (The number of supporting raster images necessary for the holistic perception of the object being demonstrated mainly depends on its properties (degree of symmetry, distance from the axis, required degree of detail, etc. ) and in most cases does not go beyond 12-36 reference images.If the operating conditions require significantly greater detail of the three-dimensional image or the display is supposed to be used as an exhibition full-time complex, then to increase the number of supporting raster images in this scheme, no serious technical limitations were identified.) . The image of one frame with dimensions of 800 × 600 has 4.8 · 10 5 pixels. Suppose that in one revolution of the screen 36 reference images are projected onto it, i.e. 17.28 · 10 6 bills, then in a second the projector plays 432 · 10 6 bills. When displaying a full-color image (i.e., with a 24-bit scheme), the required GPU performance will be 432 · 10 6 × 24 = 10.386 · 10 9 bit / s ≈ 10.4 Gb / s. This value is far from the maximum speeds of modern graphic processors, which provides a high probability of the development of the proposed system. It should also be noted that when working with ready-made projections of an object, the processor does not calculate them, but directly transfers them to the display output system.
Дополнительным положительным свойством дисплея является то, что и опорные растровые образы, и составные изображения не меняют ориентацию при вращении проекционной оптики и экрана. Вследствие этого, а также из-за малости изменений длин траекторий и проекционных углов проецируемое изображение не требует предварительной математической обработки и оптической коррекции, что также содействует достижению заявленного технического результата.An additional positive feature of the display is that both reference raster images and composite images do not change orientation when rotating projection optics and the screen. Because of this, and also because of the small changes in the lengths of the trajectories and projection angles, the projected image does not require preliminary mathematical processing and optical correction, which also contributes to the achievement of the claimed technical result.
В данном устройстве не требуется жесткого согласования углов поворота экрана с выводом текущего изображения, т.е. процессы вращения экрана и вывода изображения - по сути два практически независимых процесса, что упрощает устройство и облегчает управление им, повышая при этом надежность предлагаемого дисплея и содействуя более качественному отображению трехмерных образов.This device does not require strict coordination of the rotation angles of the screen with the output of the current image, i.e. the processes of screen rotation and image output are essentially two practically independent processes, which simplifies the device and facilitates its management, while increasing the reliability of the proposed display and promoting a better display of three-dimensional images.
При демонстрации динамических сцен каждый из источников изображения, в комплексе составляющих многогранный проектор дисплея, должен обновлять изображение за время одного оборота платформы, что соответствует скорости вывода порядка 25 кадров/с. Такая скорость вывода может быть реализована даже самым низкоскоростным из существующих средств отображения информации, что позволяет выбрать среди них наиболее надежные и качественные. Многогранный проектор может быть составлен, например, из LCD панелей от простых бытовых устройств. Несмотря на невысокие скорости, эти экраны зарекомендовали себя как надежные устройства вывода изображения с длительными сроками эксплуатации, собственной подсветкой и хорошей цветопередачей.When demonstrating dynamic scenes, each of the image sources, which together comprise a multifaceted display projector, must update the image during one revolution of the platform, which corresponds to an output speed of about 25 frames / s. Such an output speed can be realized even by the lowest speed of the existing means of displaying information, which allows you to choose among them the most reliable and high-quality. A multifaceted projector can be composed, for example, of LCD panels from simple home appliances. Despite the low speeds, these screens have established themselves as reliable image output devices with long life, their own backlight and good color reproduction.
Таким образом, заявляемое изобретение полностью соответствует поставленной задаче создания надежного и долговечного объемного дисплея с высоким качеством получаемого трехмерного изображения.Thus, the claimed invention is fully consistent with the task of creating a reliable and durable surround display with high quality of the resulting three-dimensional image.
Повышению качества трехмерного изображения способствует также, что экран облицован световозвращающим покрытием, угол рассеяния которого в азимутальном направлении не превышает 3°.The quality of the three-dimensional image is also enhanced by the fact that the screen is lined with a retroreflective coating, the scattering angle of which in the azimuthal direction does not exceed 3 °.
Как следует из изложенного, объемный дисплей не требует серьезной математической обработки изображений на проход, что обеспечивает возможность использования в качестве опорных проекций видео- или фотосъемок реальных объектов или сцен с ракурсов, соответствующих расположению граней многогранного проектора дисплея. В этом случае изотропное диффузное рассеяние изображения на экране будет мешать восприятию трехмерного объекта. Наблюдателю одновременно будут видны проекции объекта, соответствующие всем азимутальным углам поворота экрана от 0° до 90° в обе стороны от линии наблюдения.As follows from the above, the volumetric display does not require serious mathematical processing of images per passage, which makes it possible to use real objects or scenes from the angles corresponding to the location of the faces of the multifaceted display projector as reference projections of video or photographing. In this case, isotropic diffuse scattering of the image on the screen will interfere with the perception of a three-dimensional object. At the same time, the projection of the object will be visible to the observer, corresponding to all azimuthal angles of rotation of the screen from 0 ° to 90 ° on both sides of the observation line.
Для сохранения четкости получаемого объемного образа экран может быть облицован покрытием (или снабжен насадкой с покрытием), обладающим анизотропным рассеянием в азимутальном направлении, что резко сужает зоны видимости проецируемого изображения. Видимыми для наблюдателя остаются только изображения при положениях экрана, практически перпендикулярных направлению наблюдения. Установлено, что лучшие по четкости результаты получаются при применении покрытий с углом видимости в азимутальном направлении, не превышающим 3° от перпендикуляра к поверхности экрана. Из существующих покрытий наиболее близкими свойствами к требуемым обладают широко распространенные световозвращающие покрытия.To maintain the clarity of the resulting three-dimensional image, the screen can be lined with a coating (or equipped with a nozzle with a coating) having anisotropic scattering in the azimuthal direction, which sharply narrows the visibility zones of the projected image. Only the images remain visible to the observer at screen positions practically perpendicular to the direction of observation. It has been established that the best in clarity results are obtained when applying coatings with a viewing angle in the azimuthal direction not exceeding 3 ° from the perpendicular to the screen surface. Of the existing coatings, the most common properties required are those of widespread retroreflective coatings.
Азимутальная анизотропия не мешает наблюдателю видеть демонстрируемые объект или сцену объемными, так как согласно изложенному правый и левый глаза наблюдателя получают несколько отличающиеся друг от друга изображения объекта, которые мозг интерпретирует как стереоскопическую пару. Учитывая, что такая псевдостереопара существует для любого азимутального положения наблюдателя относительно дисплея, можно утверждать, что наблюдатель увидит правильный объемный образ, соответствующий взаимному положению наблюдателя и объекта демонстрации.Azimuthal anisotropy does not prevent the observer from seeing the displayed object or scene in volume, as according to the foregoing, the observer's right and left eyes receive slightly different images of the object, which the brain interprets as a stereoscopic pair. Given that such a pseudo stereopair exists for any azimuthal position of the observer relative to the display, it can be argued that the observer will see the correct volumetric image corresponding to the relative position of the observer and the object of the demonstration.
Этот вариант объемного дисплея позволяет наблюдать трехмерные образы реально существующих объектов, в т.ч. динамических, что повышает качество формируемого изображения, приближая его к реальному, и существенно расширяет применимость предлагаемого дисплея. Так как при использовании фото- и видеопроекций объекта демонстрации не требуется относительно трудоемкой математической обработки изображений на проход, этот вариант дисплея может быть использован для показа реально существующих объектов и сцен в режиме реального времени, в т.ч. и для проведения трансляций на массовую экстерриториальную аудиторию.This version of the volumetric display allows you to observe three-dimensional images of real-life objects, including dynamic, which improves the quality of the generated image, bringing it closer to real, and significantly expands the applicability of the proposed display. Since when using photo and video projections of a demonstration object, a relatively labor-intensive mathematical processing of images per passage is not required, this display option can be used to show real-life objects and scenes in real time, including and for broadcasting to a mass extraterritorial audience.
Достижению указанного технического результата способствует то, что проекционная оптика состоит из зеркала и объектива, причем зеркало установлено с возможностью получать растровые образы от неподвижных зеркал многогранника и направлять их в объектив, который размещен так, что имеет возможность проецировать растровые образы на экран (фиг.5).The achievement of the specified technical result is facilitated by the fact that projection optics consists of a mirror and a lens, and the mirror is installed with the ability to receive raster images from the stationary mirrors of the polyhedron and direct them into the lens, which is placed so that it is able to project raster images on the screen (Fig. 5 )
Возможен вариант реализации объемного дисплея, в котором проекционная оптика состоит из объектива и зеркала, причем объектив установлен так, что он имеет возможность получать растровые образы от неподвижных зеркал многогранника и направлять их на зеркало, а зеркало размещено с возможностью направлять растровые образы на экран (фиг.6).A variant of the implementation of a volumetric display is possible, in which the projection optics consists of a lens and a mirror, and the lens is mounted so that it has the ability to receive raster images from the stationary mirrors of the polyhedron and direct them to the mirror, and the mirror is placed with the ability to direct raster images to the screen (Fig. .6).
Достижению заявленного результата способствует также и вариант реализации дисплея, в котором проекционная оптика дополнительно снабжена размещенными оппозитно вторым объективом и вторым зеркалом, а экран выполнен двухсторонним.The achievement of the claimed result is also facilitated by the embodiment of the display, in which the projection optics is additionally equipped with a second lens and a second mirror placed opposite, and the screen is double-sided.
Такое исполнение позволяет наблюдателю видеть объемное изображение при прохождении через линию наблюдения двух сторон экрана, что вдвое увеличивает яркость наблюдаемого трехмерного образа при одинаковой светосиле проецируемых изображений. Это соответствует задаче повышения качества получаемого изображения.This design allows the observer to see a three-dimensional image when passing through the line of observation of two sides of the screen, which doubles the brightness of the observed three-dimensional image with the same aperture of the projected images. This corresponds to the task of improving the quality of the resulting image.
Повышению качества изображения, надежности и долговечности объемного дисплея способствует такой вариант его исполнения, в котором проекционная оптика состоит из объектива, а неподвижная система зеркал дополнена соосным платформе и охватывающим зеркальный многогранник зеркальным цилиндром с отражающей внутренней боковой поверхностью (фиг.7).Improving the image quality, reliability and durability of the volumetric display is facilitated by such an option in which projection optics consists of a lens, and the fixed mirror system is supplemented by a coaxial platform and a mirror cylinder covering a mirror polyhedron with a reflecting inner side surface (Fig. 7).
Достоинство этой модификации дисплея заключается в том, что из подвижной части проекционной оптики исключено зеркало, что снижает нагрузку на привод вращающейся части устройства и из-за статичности отражающего зеркального цилиндра уменьшает дрожание получаемого изображения при перекосах и вибрации вращающихся частей дисплея (фиг.8).The advantage of this modification of the display is that a mirror is excluded from the moving part of the projection optics, which reduces the load on the drive of the rotating part of the device and, due to the static nature of the reflecting mirror cylinder, reduces the jitter of the resulting image due to distortions and vibration of the rotating parts of the display (Fig. 8).
Все это способствует повышению надежности объемного дисплея и улучшению качества получаемого изображения. Искажения, вносимые в проецируемое изображение цилиндричностью зеркала, нивелируются введением в объектив корректирующей линзы.All this helps to increase the reliability of the surround display and improve the quality of the resulting image. The distortions introduced into the projected image by the cylindricality of the mirror are offset by the introduction of a corrective lens into the lens.
Возможны варианты реализации объемного дисплея, в одном из которых зеркальный цилиндр установлен с возможностью получать растровые образы от зеркального многогранника и направлять их в объектив, имеющий возможность проецировать растровые образы на экран, а в другом зеркальный цилиндр установлен с возможностью получать растровые образы от объектива и направлять их на экран, а объектив имеет возможность получать растровые образы от зеркального многогранника.Variants of the implementation of the volumetric display are possible, in one of which the mirror cylinder is installed with the ability to receive raster images from the mirror polyhedron and direct them to the lens, which is able to project raster images on the screen, and in the other the mirror cylinder is installed with the ability to receive raster images from the lens and direct them to the screen, and the lens has the ability to receive raster images from a mirror polyhedron.
Такая конфигурация оптической системы дисплея так же, как и описанные выше ее модификации, обладает свойством сохранять неизменной ориентацию изображений в плоскости экрана при вращении экрана и проекционной оптики. При использовании простой проекционной оптики (В состав которой не входит система линз переноса изображения), эта ориентация может не совпадать с ориентацией исходного изображения, однако она остается неизменной при вращении оптики и экрана, а несовпадение ориентации можно учесть при компоновке многогранного проектора из элементов, являющихся источниками изображений (фиг.9).Such a configuration of the display optical system, as well as its modifications described above, has the property of maintaining the image orientation in the plane of the screen unchanged during screen rotation and projection optics. When using simple projection optics (which does not include a system of image transfer lenses) , this orientation may not coincide with the orientation of the original image, however, it remains unchanged when the optics and the screen rotate, and the orientation mismatch can be taken into account when arranging a multifaceted projector from elements that are image sources (Fig.9).
Для повышения качества получаемого трехмерного изображения проекционная оптика в этих вариантах объемного дисплея может быть дополнительно снабжена расположенным оппозитно вторым объективом, а экран может быть выполнен двухсторонним (фиг.10).To improve the quality of the obtained three-dimensional image, the projection optics in these variants of the three-dimensional display can be additionally equipped with an oppositely located second lens, and the screen can be made double-sided (Fig. 10).
Таким образом, применение предложенного объемного дисплея обеспечивает решение поставленной задачи и достижение заявленного технического результата для всех вышеуказанных направлений его использования.Thus, the application of the proposed volumetric display provides a solution to the problem and the achievement of the claimed technical result for all of the above areas of its use.
В предлагаемом объемном дисплее во всех вариантах его исполнения с дополнениями применяется способ формирования трехмерных изображений, включающий вращение проекционной оптики и рассеивающего экрана вокруг оси вращения платформы, проецирование растровых образов трехмерной сцены от проектора через систему зеркал и проекционную оптику на экран. При этом растровые образы сначала формируют на внутренней стороне каждой из боковых граней проектора, выполненного в виде многогранника, соосного и подобного неподвижному осесимметричному многограннику системы зеркал, в основании которого находится правильный многоугольник, затем растровые образы отражают от внешних боковых граней зеркального многогранника, после этого проецируют их на экран через вращающуюся проекционную оптику.In the proposed volumetric display in all its variants with additions, the method of forming three-dimensional images is used, including rotation of the projection optics and a scattering screen around the axis of rotation of the platform, projecting raster images of a three-dimensional scene from the projector through a system of mirrors and projection optics onto the screen. In this case, raster images are first formed on the inner side of each of the side faces of the projector, made in the form of a polyhedron, coaxial and similar to a fixed axisymmetric polyhedron of the mirror system, at the base of which there is a regular polygon, then the raster images reflect from the outer side faces of the mirror polyhedron, then project them to the screen through rotating projection optics.
В отличие от рассмотренного выше этот способ характеризуется повышенным быстродействием, меньшим использованием скоростной вычислительной и проекционной техники, повышенными качеством изображения и надежностью. Эти свойства обеспечиваются благодаря тому, что:In contrast to the above, this method is characterized by increased speed, less use of high-speed computing and projection equipment, improved image quality and reliability. These properties are provided due to the fact that:
- в предложенном способе используется один из наиболее скоростных методов формирования промежуточных изображений - совмещения световых потоков от опорных изображений, причем опорные изображения при работе дисплея могут сменяться в моменты, когда они (или полученные с их использованием составные изображения) не проецируются на экран. Последнее обеспечивает возможность увеличения скорости вращения экрана (Эта скорость ограничена только скоростью обновления изображения на устройствах вывода, а она, например, для бытовых LCD панелей может быть порядка 0.01 сек) по сравнению с рассмотренными выше способами и/или возможность осуществления проекции на обе стороны экрана, что позволяет повысить качество получаемого трехмерного изображения;- the proposed method uses one of the fastest methods for the formation of intermediate images - combining light fluxes from the reference images, and the reference images during the display can change at times when they (or composite images obtained using them) are not projected onto the screen. The latter provides the ability to increase the speed of rotation of the screen (This speed is limited only by the speed of updating the image on the output devices, and it, for example, for household LCD panels can be on the order of 0.01 seconds) compared with the methods discussed above and / or the ability to project on both sides of the screen , which improves the quality of the resulting three-dimensional image;
- в этом способе все промежуточные изображения формируются самостоятельно по немногочисленным опорным растровым образам объекта демонстрации и без дополнительной математической обработки, что обеспечивает возможность использовать более качественные устройства вывода, а высвобожденные вычислительные мощности - для повышения качества получаемого изображения;- in this method, all intermediate images are formed independently according to the few reference raster images of the demonstration object and without additional mathematical processing, which makes it possible to use higher-quality output devices, and the released computing power to improve the quality of the resulting image;
- способ обеспечивает возможность использования существующих и широко распространенных устройств вывода и формирования изображений, что позволяет повысить надежность и работоспособность изделия в целом;- the method provides the ability to use existing and widespread output devices and image formation, which improves the reliability and performance of the product as a whole;
- данный способ формирования и проецирования изображений не требует серьезной коррекции проецируемого изображения на проход, а формирование трехмерного изображения по его проекциям не требует вычисления каких-либо ракурсов, поэтому появляется возможность демонстрации полноцветных фото- и видеосъемок реального объекта или субъекта и возможность трансляции передач в режиме реального времени.- this method of forming and projecting images does not require serious correction of the projected image onto the passage, and the formation of a three-dimensional image from its projections does not require calculation of any angles, so it becomes possible to demonstrate full-color photo and video filming of a real object or subject and the possibility of broadcasting in real time.
В одном из вариантов предлагаемого способа проекционная оптика, состоящая из объектива и зеркала, расположена так, что растровые образы, отраженные от зеркального многогранника, сначала через объектив проецируют на зеркало, а затем направляют на рассеивающий экран.In one embodiment of the proposed method, projection optics, consisting of a lens and a mirror, are located so that the raster images reflected from the mirror polyhedron are first projected through the lens onto a mirror and then sent to a scattering screen.
В другом варианте проекционная оптика, состоящая из зеркала и объектива, расположена так, что растровые образы, отраженные от зеркального многогранника, сначала направляют на зеркало, затем отражают в объектив и через него проецируют на рассеивающий экран.In another embodiment, projection optics, consisting of a mirror and a lens, are located so that the raster images reflected from the mirror polyhedron are first directed to the mirror, then reflected into the lens and projected through it onto a diffusing screen.
Для уменьшения дрожания получаемого трехмерного изображения при перекосах и вибрациях движущихся частей дисплея возможна такая модификация предложенного способа, в которой проекционная оптика состоит из объектива, а неподвижная система зеркал дополнена охватывающим зеркальный многогранник цилиндрическим зеркалом с отражающей внутренней боковой поверхностью, расположенным соосно платформе так, что растровые образы, отраженные от зеркального многогранника, проецируют на рассеивающий экран через объектив и цилиндрическое зеркало.To reduce the jitter of the resulting three-dimensional image due to distortions and vibrations of the moving parts of the display, such a modification of the proposed method is possible in which the projection optics consist of a lens and the stationary mirror system is supplemented by a cylindrical mirror covering a mirror polyhedron with a reflecting inner side surface located coaxially to the platform so that the raster the images reflected from the mirror polyhedron are projected onto the scattering screen through the lens and a cylindrical mirror.
Резюмируя, можно утверждать, что предложенный способ с его модификациями полностью соответствует задаче, поставленной в этом изобретении.Summarizing, it can be argued that the proposed method with its modifications is fully consistent with the task set in this invention.
Устройство и способ согласно настоящей группе изобретений поясняются на примере предпочтительного варианта их осуществления со ссылками на сопровождающие чертежи, где на фиг.1 представлена схема, поясняющая формирование составных изображений из двух опорных; на фиг.2 представлена схема, поясняющая принцип совмещения опорных образов их центрами в оптической системе дисплея; на фиг.3 и 4 приведены варианты пространственных фигур, удовлетворяющих требованиям, предъявляемым к элементам оптической системы дисплея; на фиг.5 и 6 представлены схемы компоновки объемного дисплея с подвижным зеркалом; на фиг.7 приведен пример компоновки объемного дисплея с неподвижным цилиндрическим зеркалом; фиг.8 поясняет эффект устойчивости изображения при смещении и перекосах платформы; фиг.9 поясняет особенности ориентирования изображений в плоскости экрана; на фиг.10 приведен пример компоновки объемного дисплея с двухсторонним экраном.The device and method according to the present group of inventions are illustrated by the example of a preferred embodiment with reference to the accompanying drawings, in which Fig. 1 is a diagram explaining the formation of composite images from two reference ones; figure 2 presents a diagram explaining the principle of combining the reference images of their centers in the optical display system; figure 3 and 4 show options for spatial figures that satisfy the requirements for the elements of the optical display system; 5 and 6 are layout diagrams of a surround display with a movable mirror; figure 7 shows an example of the layout of the volumetric display with a fixed cylindrical mirror; Fig. 8 illustrates the effect of image stability when the platform is shifted and skewed; Fig.9 explains the features of the orientation of the images in the plane of the screen; figure 10 shows an example layout of a volumetric display with a double-sided screen.
Объемный дисплей (фиг.5 и фиг.6) включает рассеивающий экран 1, закрепленный по центру оси вращения 2 на платформе 3, многогранный проектор 4, проекционную оптику 5 и зеркальный многогранник 6. Проекционная оптика 5 в данном варианте исполнения дисплея состоит из зеркала 7 и объектива 8, закрепленных на платформе 3 и вращающихся совместно с ней и рассеивающим экраном 1 вокруг общей оси 2. Отличие одной модификации (фиг.5) от другой заключается (фиг.6) только в последовательности расстановки объектива 8 и зеркала 7.The volumetric display (Fig. 5 and Fig. 6) includes a
В одном из вариантов исполнения объемного дисплея рассеивающий экран 1 может быть облицован световозвращающим покрытием. Для увеличения яркости получаемого трехмерного изображения проекционная оптика дисплея может располагаться с обеих сторон от рассеивающего экрана 1, при этом рассеивающий экран 1 выполняется двухсторонним, а в случае использования световозвращающего покрытия облицовка также выполняется с двух сторон рассеивающего экрана 1.In one embodiment of the volumetric display, the
Вариант исполнения объемного дисплея (фиг.7) включает все перечисленные выше части за исключением того, что проекционная оптика состоит только из объектива 8, а оптическая система дисплея дополнена соосным платформе 3 охватывающим зеркальный многогранник 6 зеркальным цилиндром 9 с отражающей поверхностью на его внутренней стороне.The embodiment of the volumetric display (Fig. 7) includes all of the parts listed above except that the projection optics consists only of
В варианте исполнения данной модификации объемного дисплея (фиг.10), кроме объектива 8, используется аналогичный ему объектив 10, закрепленный на платформе 3 диаметрально противоположно объективу 8. При этом рассеивающий экран 1 объемного дисплея выполнен двухсторонним.In the embodiment of this modification of the volumetric display (Fig. 10), in addition to the
На перечисленных выше схемах компоновки предлагаемого объемного дисплея изображены только те основные его узлы, без детализации которых невозможно проиллюстрировать работу этого устройства и реализацию способа формирования трехмерных изображений. Второстепенные узлы и детали дисплея, особенно те, к которым в рамках данного описания не предъявляются особые требования, сознательно опущены, чтобы не загромождать чертежи. Это не означает, что они совершенно не требуются для работы предлагаемого дисплея, а свидетельствует только о том, что для успешной работы предлагаемого устройства параметры этих узлов могут быть выбраны из широкого диапазона без ущерба для работоспособности дисплея. К таким узлам, например, относятся система привода вращения платформы дисплея, источники освещения и т.д. (Таких узлов и деталей относительно много, к ним можно отнести контроллеры согласования входов дисплея, многочисленные передаточные устройства, корпусы, кожухи и многое другое, что непосредственного отношения к предмету изобретения не имеет и в работе дисплея исполняет штатную функцию). Кроме параметров, указанных выше, к этим узлам специфические требования не предъявляются. В частности, к системе привода предъявляется только требование обеспечения вращения платформы и закрепленных на ней узлов с частотой порядка 25 об/сек, обусловленное условием «слитного» восприятия изображений. Другие характеристики привода, такие как повышенная стабильность, синхронизация с выводом текущего изображения и т.д., для успешного функционирования предлагаемого объемного дисплея являются желательными, однако не обязательными. Аналогичное утверждение справедливо для системы освещения (подсветки) изображений, выводимых на внутренних сторонах боковых граней многогранного проектора. Априори предполагается, что такая система существует и что она достаточна для различимости изображений на экране дисплея. Однако, кроме этого, специфических требований, вызванных сущностью предлагаемого изобретения к предлагаемой системе, не предъявляется. Более того, в зависимости от используемых средств вывода изображений система освещения может изменяться, оставаясь в пределах стандартных функций для проекционной техники, т.е. эти системы не связаны с предметом предлагаемого изобретения и не находятся на изобретательском уровне, а могут быть скомпонованы с применением известных схем из известных узлов и деталей. При описании примера воплощения предлагаемого дисплея будут предложены некоторые конкретные реализации узлов такого типа, однако это не имеет непосредственного отношения к предмету изобретения. Поэтому в дальнейшем описании подразумевается, что эти устройства имеются, а их использование сводится к исполнению стандартных функций и не оказывает влияния на сущность предлагаемого изобретения.The above layout diagrams of the proposed volumetric display depict only those main nodes, without the details of which it is impossible to illustrate the operation of this device and the implementation of the method of forming three-dimensional images. Minor components and details of the display, especially those to which special requirements are not imposed in the framework of this description, are deliberately omitted so as not to clutter the drawings. This does not mean that they are not required at all for the operation of the proposed display, but only indicates that for the successful operation of the proposed device, the parameters of these nodes can be selected from a wide range without compromising the performance of the display. Such nodes, for example, include a drive system for rotating the display platform, light sources, etc. (There are relatively many such assemblies and parts, these include controllers for matching the inputs of the display, numerous transmission devices, cases, housings, and much more, which is not directly related to the subject of the invention and performs a regular function in the display) . In addition to the parameters indicated above, specific requirements are not imposed on these nodes. In particular, the drive system is only required to ensure the rotation of the platform and the nodes attached to it with a frequency of the order of 25 r / sec, due to the condition of “continuous” image perception. Other characteristics of the drive, such as increased stability, synchronization with the output of the current image, etc., for the successful functioning of the proposed surround display are desirable, but not required. A similar statement is true for a lighting system (backlight) of images displayed on the inner sides of the side faces of a multifaceted projector. A priori, it is assumed that such a system exists and that it is sufficient to distinguish the images on the display screen. However, in addition to this, specific requirements caused by the essence of the invention to the proposed system are not presented. Moreover, depending on the image output means used, the lighting system may change, remaining within the standard functions for projection technology, i.e. these systems are not related to the subject of the invention and are not at the inventive level, but can be arranged using well-known circuits of known components and parts. When describing an example embodiment of the proposed display, some specific implementations of nodes of this type will be proposed, however, this is not directly related to the subject of the invention. Therefore, the following description implies that these devices are available, and their use is reduced to the performance of standard functions and does not affect the essence of the invention.
Работу предлагаемого устройства, а также реализацию заявленного способа формирования трехмерных изображений рассмотрим на примере исполнения объемного дисплея в варианте с неподвижным цилиндрическим зеркалом (фиг.7).The operation of the proposed device, as well as the implementation of the claimed method of forming three-dimensional images, we consider the example of a three-dimensional display in the version with a stationary cylindrical mirror (Fig.7).
Предварительно записанные или получаемые в процессе демонстрации кадры съемки демонстрируемого предмета с 12 ракурсов (например, с 12 видеокамер) выводятся на боковые грани внутренней стороны многогранного проектора 4. Для разных реализаций дисплея эти грани могут быть составлены из LCD - панелей с собственной или внешней подсветкой или LCOS - панелей, работающих на отражение. При использовании устройства для демонстрации только статичных изображений (объемных слайдов) в качестве источников опорных образов могут использоваться фотографии объекта с необходимых ракурсов, напечатанные на определенном носителе (например, на фотопленке или фотобумаге) и удерживаемые в правильном положении (т.е. по граням многогранного проектора 4) специальными направляющими или прозрачными обоймами.Pre-recorded or obtained during the demonstration shots of the displayed subject from 12 angles (for example, from 12 cameras) are displayed on the side faces of the inside of the
Такие источники изображения в зависимости от свойств их носителя могут работать в отраженном или проходящем свете, получаемом от осветительной системы дисплея.Such image sources, depending on the properties of their media, can operate in reflected or transmitted light received from a display lighting system.
Во время работы дисплея платформа 3, закрепленные на ней экран 1 и объектив 8 (и аналогичный ему объектив 10) проекционной оптики 5 вращаются вокруг оси 2, являющейся центром поворотной симметрии дисплея. Если плоскость экрана 1 занимает перпендикулярное положение азимуту одного из опорных растровых образов (например, как на фиг.7), данный растровый образ полностью отразится в оппозитной ему грани зеркального многогранника 6, затем, пройдя через фокусирующий объектив 8 и отразившись от цилиндрического зеркала 9 (Для корректировки искажений, вносимых в проецируемое изображение цилиндрическим зеркалом, в состав объектива может быть включена цилиндрическая линза), будет спроецирован на экран 1 (ход лучей на фиг.7 показан тонкими линиями).During the operation of the display, the
При повороте из этого положения платформы 3 на некоторый угол (для двенадцатигранного проектора на угол α<30°) в "поле зрения" объектива 8 окажутся опорные растровые образы, находящиеся в текущий момент времени на смежных гранях многогранного проектора 4. Эти растровые образы представляют кадры съемки демонстрируемого объекта с ракурсов, развернутых один относительно другого на угол в 30°. На основе выбранных конфигураций и взаимного положения проектора 4 и зеркального многогранника 6 эти растровые образы будут совмещены в плоскости экрана 1 своими центрами (см. схему на фиг.2). Части этих опорных изображений, отраженные от смежных граней зеркального многогранника 6 (фиг.7), проходят через объектив 8 и проецируются на экран 1 в виде составного изображения (Аналогичный принцип образования одного изображений из двух, однако для целей зарождавшейся анимации применялся в праксиноскопе. Праксиноскоп (англ. praxinoscope) - оптический прибор, запатентованный Эмилем Рейно (фр. Emile Reynaud) 30 августа 1877 года (Википедия)). Доли опорных изображений в основном пропорциональны угловому смещению объектива 8 по отношению к азимутальным направлениям на смежные грани проектора 4 (см. схему на фиг.1), а состыковка изображений осуществляется по вертикальной границе (или по границе, проходящей под небольшим углом к вертикали (В зависимости от того, какие фигуры (призмы или усеченные пирамиды) использованы как формообразующие тела оптической системы дисплея)). Ширина зоны совмещения двух смежных опорных изображений на экране 1 зависит от степени округленности стыка двух смежных отражающих плоскостей зеркального многогранника 6. При перемещении объектива 8 от одного из этих растровых образов к другому происходит постепенное замещение первого изображения вторым примерно так, как замещается изображение на экране монитора компьютера, только по горизонтали, т.е. каждому текущему азимутальному положению объектива 8 соответствует собственное изображение на экране 1, которое немного отличается от предыдущего. Сформированное изображение, отразившись от зеркала 9, проецируется на экран 1, который движется вместе с платформой 3 и объективом 8 и в каждый момент времени перпендикулярен азимутальному положению объектива 8. Для корректировки искажений от зеркала 9 в состав объектива 8 вводится цилиндрическая линза (При использовании плоского подвижного зеркала 7 (фиг.5 или 6) в такой дополнительной коррекции не возникает необходимости), немного растягивающая изображение по горизонтали.When you rotate from this position of the
Вариант дисплея с неподвижным цилиндрическим зеркалом (фиг.7) обладает также высокой устойчивостью получаемого объемного изображения к смещениям (фиг.8а) и перекосам (фиг.8b), которые могут возникнуть в процессе вращения платформы 3. При значительном осевом и вертикальном смещениях S1 платформы 3 (на схеме фиг.8а смещенное положение платформы обозначено как 3a) от собственного исходного положения (на схеме - более светлые линии) из-за стационарности элементов оптической системы дисплея - проектора 4, зеркального многогранника 6 и цилиндрического зеркала 9 ход лучей до объектива 8а не изменяется. Плоскопараллельное смещение объектива 8а относительно собственного исходного положения 8 (показан более светлым) практически не вносит изменений в ход лучей (пунктир) к экрану 1a по сравнению с их исходной траекторией (показана светлыми линиями). Таким образом, для наблюдателя смещение итогового изображения S2 остается существенно меньшим смещения платформы S1.The display variant with a fixed cylindrical mirror (Fig. 7) also has high stability of the resulting volume image to displacements (Fig. 8a) and distortions (Fig. 8b) that may occur during rotation of the
Аналогичные рассуждения можно привести и для случая перекоса σ1 (фиг.8b) платформы 3b относительно исходного положения 3, т.к. в параксиальном приближении изображение предмета нечувствительно к небольшому смещению и отклонению оси проецирующей линзы. Оно в значительно большей степени зависит от положения собственно предмета. Как показано выше, положение предмета и для этого случая остается статичным, что способствует статичности получаемого объемного образа.Similar reasoning can be given for the case of skew σ 1 (Fig.8b)
При использовании простого проекционного объектива 8 изображение в нем переворачивается сверху вниз и справа налево (В действительности оно переворачивается еще и при отражении в зеркалах, но при использовании четного количества отражений эти перевороты взаимно компенсируются) (см. схему на фиг.9). Чтобы наблюдатель увидел правильное изображение на экране 1, этот факт необходимо учитывать при компоновке многогранного проектора 4 из элементарных источников изображений, т.е. либо подавать опорные изображения соответствующим образом перевернутыми (на основе чтения изображений в обратном направлении), либо перевернутыми монтировать элементарные источники изображения на гранях многогранного проектора 6.When using a
Этого можно избежать, если в состав объектива 8 (фиг.7) ввести две линзы переноса, одна из которых создает в пространстве между ними (в промежуточной фокальной плоскости) перевернутое изображение, а вторая возвращает его в исходное положение.This can be avoided if two transfer lenses are introduced into the lens 8 (Fig. 7), one of which creates an inverted image in the space between them (in the intermediate focal plane), and the second returns it to its original position.
Для правильного восприятия трехмерных образов в случае, когда в качестве опорных используются фото- или видеоизображения, поверхность экрана 1 желательно покрыть материалом, отражающим (рассеивающим) свет в узком азимутальном направлении. Для этого можно использовать световозвращающие покрытия (пленки), выпускаемые в большом разнообразии, в т.ч. и с большей степенью анизотропии рассеяния (См., например, http://www.orafol.com.), чем это необходимо для этой задачи. Важным свойством таких покрытий для данного применения является высокая эффективность использования отраженного света. При правильном выборе параметров покрытия в направлении наблюдения уходит практически весь получаемый от источника световой поток, что позволяет существенно увеличить яркость наблюдаемого изображения.For the correct perception of three-dimensional images in the case when photo or video images are used as reference images, it is desirable to cover the surface of the
Отношение светового потока, уходящего в заданном направлении к падающему, описывается коэффициентом рассеяния по направлению. Угловое распределение этого коэффициента характеризуется индикатриссой рассеяния покрытия. Для применения в предлагаемом объемном дисплее желательно, чтобы вертикальная индикатрисса покрытия имела плоский смещенный максимум, а горизонтальная - угловую ширину порядка 3° и максимум, совпадающий с направлением на источник света. Такая характеристика может быть получена на покрытиях с использованием преломляющих стеклянных микроволокон (микронитей), ориентированных вдоль вертикальной оси экрана.The ratio of the light flux leaving in a given direction to the incident one is described by the directional scattering coefficient. The angular distribution of this coefficient is characterized by the scattering indicatrix of the coating. For use in the proposed volumetric display, it is desirable that the vertical indicatrix of the coating has a flat offset maximum, and the horizontal — an angular width of the order of 3 ° and a maximum that matches the direction to the light source. Such a characteristic can be obtained on coatings using refractive glass microfibers (microfilaments) oriented along the vertical axis of the screen.
Используемые в дисплее смежные опорные образы получены с довольно близких направлений на объект демонстрации и различия между ними становятся тем меньше, чем большее их количество применяется для формирования объемного изображения. Граница между такими изображениями в смешанном изображении практически незаметна, особенно, если демонстрируемое изображение подвижное.The adjacent reference images used in the display were obtained from fairly close directions to the object of the demonstration, and the differences between them become smaller the larger the number of them used to form a three-dimensional image. The border between such images in a mixed image is almost invisible, especially if the displayed image is moving.
Учитывая, что горизонтальная индикатриса любого световозвращающего покрытия имеет конечную ширину, т.е. существует не равный нулю угол наблюдения изображений на экране с таким покрытием, то наблюдатель увидит одновременно несколько близких друг к другу (пакет) изображений, соответствующих этим углам наблюдения. Границы в изображениях пакета проходят немного по-разному, поэтому наложение этих изображений дополнительно способствует сглаживанию перехода между частями смешанного изображения. Однако, если индикатрису покрытия выбрать слишком широкой, то наблюдатель увидит нечеткое изображение объекта. Для предлагаемого дисплея оптимальным углом рассеяния покрытия является угол, не превышающий 3°.Given that the horizontal indicatrix of any retroreflective coating has a finite width, i.e. if there is a non-zero viewing angle of images on the screen with such a coating, then the observer will see simultaneously several images (close) to each other (packet) corresponding to these viewing angles. The boundaries in the images of the package go a little differently, so the superposition of these images additionally helps smooth the transition between parts of the mixed image. However, if the coverage indicatrix is chosen too wide, the observer will see a fuzzy image of the object. For the proposed display, the optimum angle of dispersion of the coating is an angle not exceeding 3 °.
Из-за того что правый и левый глаза наблюдателя имеют несколько разные азимутальные углы в системе координат дисплея (на расстоянии 1.2 м угловая разница положения глаз составляет примерно 3°), суммарные изображения, получаемые глазами наблюдателя, также будут несколько разные. При соблюдении правильной последовательности размещения опорных образов на гранях проектора 6 левый глаз наблюдателя получит изображения объекта немного с левой стороны, а правый - соответственно с правой. Два этих изображения, составляющих псевдостереопару, интерпретируются мозгом как объемное изображение объекта. Любому азимутальному положению наблюдателя вокруг дисплея соответствует собственная стереопара, т.е. перемещаясь по кругу, наблюдатель без применения специальных средств наблюдения увидит объемный объект с соответствующей стороны. При приближении наблюдателя к дисплею разница азимутальных положений его глаз в системе координат дисплея будет возрастать, следовательно, он будет видеть изображения с большими различиями или стереопару с большим параллаксом, что соответствует приближению наблюдателя к реальному объекту. Таким образом, при перемещении относительно изображения, формируемого предлагаемым объемным дисплеем, наблюдатель будет испытывать ощущения, аналогичные ощущениям при перемещении относительно реального объекта.Due to the fact that the right and left eyes of the observer have slightly different azimuthal angles in the coordinate system of the display (at a distance of 1.2 m, the angular difference in the position of the eyes is approximately 3 °), the total images obtained by the eyes of the observer will also be slightly different. Subject to the correct sequence of placing the reference images on the edges of the
Таким образом, предлагаемый объемный дисплей и применяемый в нем способ формирования трехмерных изображений могут воспроизводить трехмерный образ демонстрируемого объекта, видимый вкруговую без использования индивидуальных средств, не налагая существенных ограничений на цветность и качество получаемого изображения. При использовании фото- и видеокадров в качестве опорных образов, применение предлагаемой группы изобретений позволяет не подвергать изображения серьезной математической обработке на проход. Если одновременно с демонстрацией реальной сцены или объекта (субъекта) осуществлять передачу текущих опорных образов в эфир (или по выделенным линиям), то для организации трансляций таких сцен на широкую экстерриториальную аудиторию ограничения практически отсутствуют.Thus, the proposed three-dimensional display and the method of forming three-dimensional images used in it can reproduce a three-dimensional image of the object being demonstrated, visible round-the-clock without the use of individual means, without imposing significant restrictions on the color and quality of the resulting image. When using photo and video frames as reference images, the application of the proposed group of inventions allows not to subject the image to serious mathematical processing for the passage. If, simultaneously with the demonstration of a real scene or object (subject), the current reference images are broadcast (or along dedicated lines), then there are practically no restrictions for organizing broadcasts of such scenes to a wide extraterritorial audience.
На основании изложенного можно сделать вывод, что предлагаемое изобретение обеспечивает решение поставленной в описании задачи и достижение заявленного технического результата.Based on the foregoing, we can conclude that the invention provides a solution to the problem described in the description and the achievement of the claimed technical result.
Предлагаемый объемный дисплей может быть использован для:The proposed volumetric display can be used for:
- демонстрации объемных полноцветных динамических реальных и виртуальных объектов для массовой неоснащенной аудитории на выставках и бьеннале;- Demonstration of volumetric full-color dynamic real and virtual objects for a mass un-equipped audience at exhibitions and biennials;
- организации трансляций публичных выступлений и шоу в формате псевдотопографических изображений для экстерриториальных групп зрителей в режиме реального времени, а также в режиме воспроизведения записи;- the organization of broadcasts of public performances and shows in the format of pseudo-topographic images for extraterritorial groups of viewers in real time, as well as in recording playback mode;
- объемной визуализации обстановки в контролируемом воздушном или подводном пространстве в режиме реального времени;- volumetric visualization of the situation in a controlled air or underwater space in real time;
- организации презентаций в форматах 3D "дополненная реальность" и 3D "дополненная виртуальность" для массовой неоснащенной аудитории;- organization of presentations in 3D “augmented reality” and 3D “augmented virtuality” formats for a mass un-equipped audience;
- разработки и демонстрации дизайнерских и архитектурных решений на основе трехмерных автостереоскопических дисплеев с круговым обзором индивидуального и студийного использования;- development and demonstration of design and architectural solutions based on three-dimensional autostereoscopic displays with a circular overview of individual and studio use;
- применения в медицине (хирургия, диагностика, магниторезонансная или рентгеновская томография) в виде круговых трехмерных дисплеев с функцией управления изображением объекта;- medical applications (surgery, diagnostics, magnetic resonance or X-ray tomography) in the form of circular three-dimensional displays with the function of controlling the image of the object;
- школ и других учебных заведений в виде дешевого слайдпроектора с обзором 360° в качестве объемных виртуальных наглядных пособий;- schools and other educational institutions in the form of a cheap slide projector with a 360 ° view as a large virtual visual aids;
- домашних коллекций объемных круговых фотографий, виртуальных скульптур и архитектурных ансамблей, изображений реальной и фантастической техники, знаковых и арт-объектов.- home collections of voluminous circular photographs, virtual sculptures and architectural ensembles, images of real and fantastic equipment, iconic and art objects.
Из перечисленных наиболее простым по составу является объемный слайд-проектор, который может использоваться как недорогое наглядное пособие в учебных заведениях и в качестве "фоторамок" для объемных фотографий в домашних условиях.Of these, the simplest in composition is a volumetric slide projector, which can be used as an inexpensive visual aid in educational institutions and as "photo frames" for volumetric photographs at home.
Источником изображений для многогранного проектора 4 (фиг.5) в дисплее может являться, например, цветная слайдовая фотопленка с продольным расположением кадров (36 кадров размером 24×36 мм, промежутки - 2 мм, шаг изображения - 38 мм). Опорные изображения демонстрируемого объекта снимаются по кругу через каждые 10 градусов, пленка проявляется по процедуре E-6. Со стороны основания слайд-проектора готовая пленка вставляется в щелевую круговую кассету диаметром 436 мм так, чтобы центры кадров совпадали с центрами зеркальных граней многогранника 6. Расстояние от центра до середины зеркальной грани многогранника 6 должно быть равно 109 мм. В качестве зеркального многогранника 6 применяется полая алюминиевая призма с 36 полированными гранями, которая на стойках крепится к неподвижному основанию дисплея.The image source for the multi-faceted projector 4 (Fig. 5) in the display can be, for example, a color slide film with a longitudinal arrangement of frames (36 frames 24 × 36 mm in size, gaps - 2 mm, image pitch - 38 mm). The reference images of the displayed object are shot in a circle every 10 degrees, the film appears according to the E-6 procedure. From the base of the slide projector, the finished film is inserted into the slotted circular cassette with a diameter of 436 mm so that the centers of the frames coincide with the centers of the mirror faces of the
Внутри полости зеркального многогранника 6 размещаются узлы осветительной системы дисплея и приводной механизм платформы (на схеме не показаны). Вращающаяся платформа 3 служит для крепления подвижного зеркала 7, осветительного зеркала, объектива 8 (например, OP-451 или OP-452), экрана 1 и аэродинамического кожуха (не показан). Платформа 3 выполняется из легкого светонепроницаемого материала (например, дюраль). Платформа снабжена осью с двумя опорными подшипниками качения, закрепленными внутри полости многогранника 6. На оси платформы размещен шкив, связанный ременной передачей (1:2) со шкивом приводного двигателя (не показан). Приводной двигатель (например, ДАК86-40-1.5 IM3681 или ДА086-18-1,5-Д48) размещается внутри полости зеркального многогранника 6 и крепится к верхнему его торцу, на котором также закреплен верхний подшипник оси платформы 3. Ось платформы своим нижним концом проходит сквозь нижний опорный подшипник, а ее выступающая часть служит для крепления подвижных узлов осветительной системы дисплея.Inside the cavity of the
Осветительная система дисплея состоит из неподвижной осветительной лампы и подвижных узлов - светоотражающего кожуха, конденсорной линзы и осветительного зеркала. Осветительная лампа (например, OSRAM POWERSTAR HQI-T 150/D) закрепляется по центру основания дисплея. Осветительное зеркало закрепляется на платформе 3 непосредственно под подвижным зеркалом 7 проекционной оптики 5 так, чтобы световой луч, сформированный светоотражающим кожухом и конденсорной линзой, попадал на осветительное зеркало, а затем проходил сквозь опорные изображения на пленке многогранного проектора 4. Светоотражающий кожух (сферический отражатель) и конденсорная линза (например, линза Френеля) закрепляются на выступающей части оси платформы 3 так, чтобы формируемый ими световой пучок был направлен в сторону осветительного зеркала. Платформа вместе с закрепленными узлами подвергается динамической балансировке.The lighting system of the display consists of a fixed lighting lamp and movable units - a reflective casing, a condenser lens and a lighting mirror. A lighting lamp (e.g. OSRAM POWERSTAR HQI-T 150 / D) is mounted in the center of the display base. The lighting mirror is mounted on the
На платформе закреплен прозрачный аэродинамический кожух (полиакрил) в виде полого усеченного конуса. Нижнее основание кожуха в нескольких местах по периметру крепится к платформе так, чтобы кожух можно было снять для перенастройки дисплея. В этот кожух вставляется рассеивающий экран 1, который для показа фотоизображений может быть оснащен специальной вставкой. Экран выполняется из листового материала (например, из стеклотекстолита), оклеивается светоусиливающей пленкой (например, Scotchcal 3635-100) и снабжается вставкой, облицованной световозвращающим покрытием (например, пленка Т-5500 «Эйвери Деннисон»). В другом варианте экран 1 может быть выполнен в двух сменных модификациях с рассеивающим и световозвращающим покрытиями. Дисплей закрывается защитным съемным корпусом (не показан), верхняя часть которого выполняется из прозрачного материала (полиакрил). Корпус крепится к основанию дисплея.A transparent aerodynamic casing (polyacryl) in the form of a hollow truncated cone is fixed on the platform. The lower base of the casing in several places around the perimeter is attached to the platform so that the casing can be removed to reconfigure the display. A
Работа слайд-проектора принципиально от работы описанного выше дисплея не отличается за исключением того, что слайд-проектор может демонстрировать только статические объемные изображения. Для быстрой смены этих изображений в слайд-проекторе может быть предусмотрен механизм перемотки пленки на 36 кадров вперед. Для демонстрации объекта со всех сторон можно предусмотреть механизм медленного поворота дисплея вокруг своей оси. Привод движений может осуществляться от приводного двигателя слайд-проектора.The operation of the slide projector does not differ fundamentally from the operation of the display described above, except that the slide projector can show only static three-dimensional images. To quickly change these images in the slide projector can be provided with a mechanism for rewinding the film 36 frames forward. To demonstrate the object from all sides, you can provide a mechanism for slow rotation of the display around its axis. The motion drive can be carried out from the drive motor of the slide projector.
Приведенный пример реализации показывает перспективность использования заявленного устройства и способа для перечисленных применений. Пример позволяет наглядно проиллюстрировать факт, что для формирования и показа трехмерных изображений в некоторых модификациях предлагаемого дисплея отсутствует необходимость использовать вычислительные мощности и скоростные устройства вывода. В остальных модификациях дисплея эти мощности существенно высвобождаются, что позволяет повысить качество изображения и надежность работы дисплея. Именно такой технический результат достигается применением предлагаемого изобретения.The given implementation example shows the promise of using the claimed device and method for the listed applications. An example allows you to clearly illustrate the fact that for the formation and display of three-dimensional images in some modifications of the proposed display there is no need to use computing power and high-speed output devices. In other versions of the display, these powers are significantly released, which improves image quality and reliability of the display. This is the technical result achieved by the application of the invention.
Приведенные выше варианты исполнения изложены с единственной целью проиллюстрировать предлагаемую группу изобретений. Специалистам понятно, что возможны различные модификации, добавления и замены, не выходящие из объема и смысла настоящей группы изобретений, раскрытых в прилагаемой формуле изобретения.The above embodiments are set forth for the sole purpose of illustrating the proposed group of inventions. It will be appreciated by those skilled in the art that various modifications, additions and substitutions are possible without departing from the scope and meaning of the present group of inventions disclosed in the attached claims.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИINFORMATION SOURCES
1. Пат.2164702 Российская Федерация, МПК7 G02B 27/26. Устройство для демонстрации стереоскопических изображений. / Никонов А.В., Долгов В.М., Долгов Ю.М., Никонов А.А. (все RU); заявитель и патентообладатель Саратовский государственный технический университет - №99106816/28; заявл. 05.04.99; опубл. 27.03.01.1. Pat. 2164702 Russian Federation, IPC 7 G02B 27/26. Device for demonstrating stereoscopic images. / Nikonov A.V., Dolgov V.M., Dolgov Yu.M., Nikonov A.A. (all RU); Applicant and patent holder Saratov State Technical University - No. 99106816/28; declared 04/05/99; publ. 03/27/01.
2. Пат.2260829 Российская Федерация, МПК7 G02B 27/26. Устройство для демонстрации стереоскопических изображений. / Никонов А.В., Долгов В.М., Долгов Ю.М. (все RU); заявитель и патентообладатель Саратовский государственный технический университет - №2002112530/28; заявл. 13.05.02; опубл. 10.02.04.2. Pat. 2260829 Russian Federation, IPC 7 G02B 27/26. Device for demonstrating stereoscopic images. / Nikonov A.V., Dolgov V.M., Dolgov Yu.M. (all RU); Applicant and patent holder Saratov State Technical University - No. 20022112530/28; declared 05/13/02; publ. 02/10/04.
3. Пат.2447467 Российская Федерация, МПК7 G02B 27/22. Автостереоскопический дисплей / Честак Сергей (KR), Ким Дае-Сик (KR); заявитель и патентообладатель Самсунг Электроникс Ко., ЛТД. -№2009113551/28; заявл. 10.10.07; опубл. 10.04.12, Бюл. №10.3. Pat. 24747467 Russian Federation, IPC 7 G02B 27/22. Autostereoscopic display / Chestak Sergey (KR), Kim Dae-Sik (KR); Applicant and patent holder Samsung Electronics Co., Ltd. -2009113551 / 28; declared 10/10/07; publ. 04/10/12, Bull. No. 10.
4. Woodgate G., Harrold J., Jacobs A., Mosley R., Ezra D. Flat panel autostreoscopic displays - characterization and enhancement // Proc. SPIE. Stereoscopic Displays and Virtual Reality Systems VII. 2000. Vol.3957. P.153-164.4. Woodgate G., Harrold J., Jacobs A., Mosley R., Ezra D. Flat panel autostreoscopic displays - characterization and enhancement // Proc. SPIE. Stereoscopic Displays and Virtual Reality Systems VII. 2000. Vol. 3957. P.153-164.
5. Morishima H., Nose H., Taniguchi N., Inoguchi K., Matsumura S. Rear cross lenticular 3-D display without eyeglasses // Proc. SPIE. Stereoscopic Displays and Virtual Reality Systems VII. 1998. Vol.3295. P.193-202.5. Morishima H., Nose H., Taniguchi N., Inoguchi K., Matsumura S. Rear cross lenticular 3-D display without eyeglasses // Proc. SPIE. Stereoscopic Displays and Virtual Reality Systems VII. 1998. Vol. 3295. P.193-202.
6. Мухин И.А., Украинский О.В. Получение многоракурсного телевизионного изображения на матричном дисплее. // Труды учебных заведений связи. Вып.174. - СП б, 2006. - С.201-206.6. Mukhin I.A., Ukrainian O.V. Getting a multi-angle television image on a matrix display. // Proceedings of educational institutions of communication. Issue 174. - SP b, 2006. - S.201-206.
7. Fans S. Novel 3-D stereoscopic imaging technology. Proc. SPIE, v. 2177, pp.180-195 (1994).7. Fans S. Novel 3-D stereoscopic imaging technology. Proc. SPIE, v. 2177, pp. 180-195 (1994).
8. Hilaire P., Benton S., Lucente M. Synthetic aperture holography: a noval approach to three-demensional displays. Journal of Optical Society of America, v.9, pp.1969-1977 (1992).8. Hilaire P., Benton S., Lucente M. Synthetic aperture holography: a noval approach to three-demensional displays. Journal of Optical Society of America, v. 9, pp. 1969-1977 (1992).
9. Image Processing for 3D Information Displays (edited by V.V.Petrov). Proceedings of SPIE, v.5821 (2005).9. Image Processing for 3D Information Displays (edited by V.V. Petrov). Proceedings of SPIE, v. 5821 (2005).
10. I.N.Kompanets, S.A.Gonchukov. 3-D medium based displays. Proc. SPIE, v.5821, 134-145 (2005).10. I.N. Kompanets, S. A. Gonchukov. 3-D medium based displays. Proc. SPIE, v. 5821, 134-145 (2005).
11. Шэндл Д. Наконец-то реальная трехмерность! Электроника. 1990,18, с.7-9.11. Shandl D. Finally, real three-dimensionality! Electronics. 1990.18, p. 7-9.
12. www.dlp.com.12. www.dlp.com.
Claims (13)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2013103443/28A RU2526901C1 (en) | 2013-01-25 | 2013-01-25 | Three-dimensional display and method of forming three-dimensional images |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2013103443/28A RU2526901C1 (en) | 2013-01-25 | 2013-01-25 | Three-dimensional display and method of forming three-dimensional images |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2013103443A RU2013103443A (en) | 2014-07-27 |
RU2526901C1 true RU2526901C1 (en) | 2014-08-27 |
Family
ID=51264748
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2013103443/28A RU2526901C1 (en) | 2013-01-25 | 2013-01-25 | Three-dimensional display and method of forming three-dimensional images |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2526901C1 (en) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2672144C1 (en) * | 2017-07-17 | 2018-11-12 | Александр Константинович Еремея | Method of optical correction of spatial form of premises |
RU2718777C2 (en) * | 2018-09-18 | 2020-04-14 | Александр Афанасьевич Большаков | Volumetric display |
Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US6554430B2 (en) * | 2000-09-07 | 2003-04-29 | Actuality Systems, Inc. | Volumetric three-dimensional display system |
JP2004279888A (en) * | 2003-03-18 | 2004-10-07 | Hitachi Ltd | Display device |
RU91646U1 (en) * | 2009-06-01 | 2010-02-20 | ООО "Завод "ПРОМ Оборудования" | VOLUME DISPLAY |
-
2013
- 2013-01-25 RU RU2013103443/28A patent/RU2526901C1/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US6554430B2 (en) * | 2000-09-07 | 2003-04-29 | Actuality Systems, Inc. | Volumetric three-dimensional display system |
JP2004279888A (en) * | 2003-03-18 | 2004-10-07 | Hitachi Ltd | Display device |
RU91646U1 (en) * | 2009-06-01 | 2010-02-20 | ООО "Завод "ПРОМ Оборудования" | VOLUME DISPLAY |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2672144C1 (en) * | 2017-07-17 | 2018-11-12 | Александр Константинович Еремея | Method of optical correction of spatial form of premises |
RU2718777C2 (en) * | 2018-09-18 | 2020-04-14 | Александр Афанасьевич Большаков | Volumetric display |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
RU2013103443A (en) | 2014-07-27 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Jones et al. | Rendering for an interactive 360 light field display | |
US6595644B2 (en) | Dynamic time multiplexed holographic screen with 3-D projection | |
JP6489482B2 (en) | System and method for generating three-dimensional image media | |
JP3022558B1 (en) | Three-dimensional display method and device | |
US9036003B2 (en) | Multi-pitching angle suspended 3D display device with 360-degree field of view | |
CN101750868B (en) | Panoramic space three-dimensional display device simultaneously having horizontal and pitching multiple visual fields | |
US20060171008A1 (en) | Three-dimensional hologram display system | |
CN111158162B (en) | Super multi-viewpoint three-dimensional display device and system | |
US10078228B2 (en) | Three-dimensional imaging system | |
WO2006047487A2 (en) | Systems and methods for displaying three-dimensional images | |
WO2015043098A1 (en) | Multi-viewing angle naked-eye three-dimensional display system and display method therefor | |
JP2016500829A (en) | True 3D display with convergence angle slice | |
US20120139908A1 (en) | Multi-view point 3d display apparatus | |
Luo et al. | Pepper's Cone: An Inexpensive Do-It-Yourself 3D Display | |
US6055100A (en) | Doublet based large aperture free space imaging system | |
CN207625712U (en) | Vision display system and head-wearing display device | |
JP2000503781A (en) | 3D observation and projection system | |
WO2023143505A1 (en) | Image generation apparatus, display device and image generation method | |
Yoshida | fVisiOn: interactive glasses-free tabletop 3D images floated by conical screen and modular projector arrays | |
US8717425B2 (en) | System for stereoscopically viewing motion pictures | |
RU2718777C2 (en) | Volumetric display | |
RU2526901C1 (en) | Three-dimensional display and method of forming three-dimensional images | |
WO2021227945A1 (en) | Display apparatus, system and method | |
CN112970247A (en) | System and method for displaying multiple depth-of-field images | |
JP2003519445A (en) | 3D system |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
PC41 | Official registration of the transfer of exclusive right |
Effective date: 20150515 |
|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20200126 |