Устройство для стереоскопической трехмерной съемки объектов
Решение относится к стереоскопическому телевидению и стереоскопической фотографии, а более конкретно к получению стереоскопического изображения на экранах дисплеев ПЭВМ, мониторов или иных средств отображения телевизионной информации, а также фотографий.
Устройство для стереоскопической трехмерной съемки объектов,
включающее блок разделения на множество изображений, спроецированных в пространство, для каждого зрителя индивидуально, как статичного, так и перемещающихся относительно экрана, где для каждого глаза, в зависимости от места нахождения, свое изображение, с использованием экрана, на поверхности которого расположен растр и ячейки матрицы, характеризуется тем, что для съемки объекта с разных точек с возможностью оглядывания зрителем объекта под разным углом использовано более двух камер, при этом для получения стереоскопических или трехмерных изображений использована площадка, на которой закреплены фото или видеокамеры.
Экран для просмотра и оглядывания трехмерных стереоскопических изображений без применения очков, включающий ячейки матрицы, характеризуется тем, что ячейки матрицы состоят из изображений, сжатых изображений или фрагментов изображений, ячейки матрицы имеют различные виды оснований, а экран имеет точечные источники света, в виде светящихся точек или узких светящихся полос, расположенные на расстоянии под основанием ячеек матрицы с изображениями, сжатыми изображениями или фрагментами изображений.
Экран характеризуется также тем, что имеет цилиндрические или сферические линзы, которые сфокусированы на поверхность основания ячеек матрицы, на которых размещены изображения, сжатые изображения или фрагменты изображений, предназначенные для наблюдения под разным углом. 2 н.п. ф-лы, 10 илл.
Решение относится к стереоскопическому телевидению и стереоскопической фотографии, а более конкретно к получению стереоскопического изображения на экранах дисплеев ПЭВМ, мониторов или иных средств отображения телевизионной информации, а также фотографий.
Чтобы запечатлеть объект в трехмерном стереоскопическом виде и с высоким качеством оглядывания при рассматривании, надо его отснять с разных точек, расположенных друг за другом с определенной периодичностью по плоскости или радиусу и как можно большим количеством точек съемки, чтобы при изменении угла просмотра не было скачкообразного перехода. Использование большого количества фотокамер или телевизионных камер делает общую систему громоздкой и невозможной для практического применения.
Существуют различные способы получения стереоскопических изображений, построеных для просмотра через оптический растр с цилиндрическими линзами (см., например, http://www.photoweb.ru/StereoPhotoContinue2.html, http://www.fototest.ru/stereoimaging/p2047_articleid/58 http://www.fototest.ru/stereoimaging/p2047_articleid/58 http://www.really.ru/index2.php?option=com_content&task=emailform&id=104&itemid=59)
Известно изобретение РФ по патенту 
2275754, в котором для разделения двух изображений для каждого глаза раздельно используется система зеркал, размещенных в пространстве; недостатком способа рассматривания изображения, описанного в патенте, построенного при помощи системы зеркал, является возможность просмотра такого изображения с экрана монитора только для одного человека и привязкой наблюдателя к линзам и к одному положению головы, что очень неудобно и утомительно (1).
Наиболее близким решением относительно заявляемого является решение, описанное в патенте 2117414, в котором для разделения двух изображений для каждого глаза раздельно используется штриховой растр, расположенный на поверхности экрана. Устройство для стереоскопической трехмерной съемки объектов включает блок разделения на множество изображений, спроецированных в пространство, для каждого зрителя индивидуально, как статичного, так и перемещающихся относительно экрана, где для каждого глаза, в зависимости от места нахождения, свое изображение, с использованием экрана, на поверхности которого расположен растр и ячейки матрицы. Экран для просмотра и оглядывания трехмерных стереоскопических изображений включает ячейки матрицы.
Недостатки рассматривания стереоизображения с использованием штрихового растра состоят в том, что из-за узких щелей штрихового растра изображение получается темным, так как свет изображения в большей степени поглощается стенками растра между щелей и разрешающая способность изображения получается невысокой (2).
Задачей настоящего решения является разработка устройств для съемки и просматривания стереоскопических и трехмерных изображений на экране монитора или фотографии, при этом не требуется использование очков, а технический результат - получение изображения достаточно высокой яркости, разрешающей способности плавной динамики оглядывания в процессе перемещения наблюдателя относительно экрана.
Для реализации указанного технического результата предлагается решение, описанное ниже. Предложено решение, включающее разделение двух изображений для каждого глаза с использованием экрана, на поверхности которого расположен растр и ячейки матрицы, характеризуется тем, что для получения объемных изображений осуществляют съемку объекта с разных точек для возможности оглядывания зрителем объекта под разным углом с использованием более двух камер, при этом для получения стереоскопических или трехмерных изображений используют площадку, на которой закреплены фото или видеокамеры.
Устройство для стереоскопической трехмерной съемки объектов, включающее блок разделения на множество изображений, спроецированных в пространство, для каждого зрителя индивидуально, как статичного, так и перемещающихся относительно экрана, где для каждого глаза, в зависимости от места нахождения, свое изображение, с использованием экрана, на поверхности которого расположен растр и ячейки матрицы, характеризуется тем, что для съемки объекта с разных точек с возможностью оглядывания зрителем объекта под разным углом использовано более двух камер, при этом для получения стереоскопических или трехмерных изображений использована площадка, на которой закреплены фото или видеокамеры.
Экран для просмотра и оглядывания трехмерных стереоскопических изображений без применения очков, включающий ячейки матрицы, характеризуется тем, что ячейки матрицы состоят из изображений, сжатых изображений или фрагментов изображений, ячейки матрицы имеют различные виды оснований, а экран имеет точечные источники света, в виде светящихся точек или узких светящихся полос, расположенные на расстоянии под основанием ячеек матрицы с изображениями, сжатыми изображениями или фрагментами изображений.
Экран характеризуется также тем, что имеет цилиндрические или сферические линзы, которые сфокусированы на поверхность основания ячеек матрицы, на которых размещены изображения, сжатые изображения или фрагменты изображений, предназначенные для наблюдения под разным углом.
Телевизионные камеры или фотокамеры расположены на некотором расстоянии друг от друга в ряд или по радиусу относительно снимаемого объекта, чтобы отображать объект с разных точек. Камеры могут располагаться и в несколько рядов один над другим Каждая камера отображения объекта относительно предыдущей создает параллакс смещения отснятого объекта на определенный угол смещения, что характеризует объемность пространства. Если зрителю перемещаться относительно этих точек съемки, то объект за счет оглядывания это изображение будет рассматривать скачками, возникающими для разного угла просмотра от точки съемки. Если между соседними камерами или точками съемки получать промежуточные изображения объекта, то количество скачков будет все больше, они будут чаще, и тогда они будут сливаться в единое движение изменения положения объекта в пространстве. Чем больше будет получено промежуточных точек отснятых изображений между соседними камерами отображения объекта, тем более частыми и плавным будут изменения объекта в пространстве относительного перемещающегося зрителя и тем более естественным будет выглядеть трехмерное пространство объекта в процессе оглядывания.
Для получения промежуточных точек съемки между двумя камерами А и Б, расположенными на некотором расстоянии друг от друга, можно использовать программы, например, Morpheus photo morpher или другие программы, которые из двух смещенных изображений одного и того же объекта, отснятых с точек А и Б, создают набор промежуточных изображений, которые будут соответствовать изображениям, полученным между точками А и Б или при значительном количестве таких изображений, плавный переход от одного изображения к другому, на которых детали объекта постепенно смещаются относительно друг друга, в зависимости от угла их рассматривания, модулируя промежуточные состояния.
На фиг.1 показано размещение камер съемки изображений для обычной стереосъемки с использованием двух камер А и В. Для получения объемных изображений требуется съемка объекта с разных точек для возможности оглядывания зрителем объекта под разным углом.
Устройство для получения стереоскопических или трехмерных изображений представляет собой ленту, площадку, на которой закреплены фото или видеокамеры.
На фиг.2 показаны варианты размещения фотографических и телевизионных камер: А - показано размещение камер съемки объекта на некотором расстоянии друг от друга в один ряд; В и С - размещение камер в несколько рядов; А - друг за другом по горизонтали, В - в несколько рядов друг за другом по горизонтали и вертикали, С - в несколько рядов в шахматном порядке через одну по горизонтали и вертикали.
Камеры съемки объекта на фиг.2 в варианте A, B и C., которые размещены в один ряд на плоскости, могут быть направлены оптическими осями в бесконечность - вариант B - могут быть направлены оптическими осями в некоторую точку в пространстве, находящуюся на некотором расстоянии от камер.
На фиг.3. показаны варианты размещения камер съемки в один ряд на плоскости - вид сбоку. Оптические оси могут быть направлены, как в бесконечность позиции B, так и в определенную точку, находящуюся на некотором расстоянии от камер, показанной на позиции A и C. На позиции С показано направление оптических осей на точку находящейся на некотором расстянии от камер съемки, за счет размещения камер съемки на ленте согнутой по радиусу.
На фиг.4. показано размещение камер съемки в несколько рядов: A на прямоугольной плоскости, B на поверхности с цилиндрическим радиусом и C на поверхности со сферическим радиусом.
Расположение камер съемки в один ряд позволяет отснять объект для дальнейшего просмотра зрителем в горизонтальном положении глаз и для перемещающегося зрителя в горизонтальном направлении. Расположение камер в несколько рядов (многорядное расположение), дает возможность в дальнейшем рассматривать объект в любом положении глаз, т.е. с любым наклоном головы и для перемещающегося зрителя, как по горизонтали, по вертикали и в любом направлении относительно экрана.
Устройства для наблюдения стереоскопических и трехмерных изображений состоят из ячеек матрицы, на которых размещены миниатюрные изображения, сжатые изображения или фрагменты изображений и средство, позволяющее видеть отдельно частицу от изображения, сжатого изображения или фрагмента изображения, в зависимости от угла просматривания зрителем относительно экрана. При рассматривании одновременно множества таких частиц ячеек, они сливаются в единое изображение, которое в зависимости от угла рассматривания будут постоянно меняться. Так как и глаза человека находятся на некотором расстоянии друг от друга и смотрят на объект под разным углом, то на экране, каждый глаз будет видеть свое изображение, которые будет являться стереопарой. При перемещении головы человека относительно экрана и стереопары для двух глаз будут синхронно меняться, что приведет к возможности оглядывания стереоизображения или к трехмерному восприятия изображения с экрана. Основания ячейки матрицы могут быть в виде чередующихся: вертикальных полос, кругов, квадратов, прямоугольников, многогранников. Фиг.5 позиция A, B (поперечный разрез и вид поверхности ячеек матрицы, на которых размещены фрагменты изображений от двух камер, соответственно) показаны вертикальные полосы матрицы, состоящие из сжатых по горизонтали изображений или фрагментов изображений. Для того чтобы зрителем можно было видеть изображения избирательно, каждое в зависимости от угла наблюдения и для каждого глаза раздельно, для разделения изображений в зависимости от угла просмотра, над ячейками изображения, в данном случае над вертикальными полосами, размещены цилиндрические линзы, сфокусированные на поверхность изображения. Изображение для одной ячейки может состоять из двух сжатых изображений или фрагментов изображений стереопары и более, с набором участков от разных изображений, согласно углу съемки.
На фиг.5 позиция A: показаны цилиндрические линзы в поперечном разрезе, которые сфокусированы на поверхность основания ячейки, на которых размещены фрагменты изображений стереопары для правого глаза b и левого глаза a, сжатых по горизонтали с боков. На фиг.5 позиция B: показаны поверхности оснований матрицы, на которых размещены два фрагмента изображения стереопары, для правого и левого глаза, a' и b', оптические оси, векторы от элементов изображения, предназначенные для правого и левого глаза. На фиг.5 позиция C: показаны поверхности оснований матрицы, на которых размещены несколько фрагментов изображения, которые соответствуют изображениям объекта под разным углом. Глаза при рассматривании изображений с экрана матрицы, всегда будут находить для каждого глаза свое изображение и вместе будут видеть стереоизображение объекта, а при перемещении головы относительно экрана, можно будет рассматривать изображение с эффектом оглядывания.
При съемке статичных и движущихся объектов можно получить гораздо большее количество точек съемки, чем количество используемых для этого фото и кинокамер или превосходить количество кадров, полученных сканированием при перемещении фото и кинокамеры для статичных объектов. Количество точек отображения объекта может превосходить количество фото и кинокамер во много раз и доходить до бесконечности и отображаться в виде функции объекта отображения для разных точек оглядывания.
Цилиндрические линзы могут быть расположены продольно друг к другу или разделенными на ячейки, расположенными в шахматном порядке (Фиг_6). На позиции A показана панель из матрицы в пространстве, на позиции В показан вид сверху и вид ячеек. Ячейки могут быть квадратные и прямоугольные.
Линзы могут быть и сферические и обрезанные по краям с основанием в виде квадрата или прямоугольника. Линзы можно соединить в матрицу ячеек, подобно, как на фиг.6. Использование сферических линз для матрицы и получения стереоизображений, позволит получить стереоэффект не только по горизонтальной плоскости, но и по вертикальной, а также и в промежуточных плоскостях с возможностью оглядывания трехмерных изображений. Линзы могут быть соединены, как в клеточном порядке, друг напротив друга, так и в шахматном порядке фиг.7.
Фиг.7 позиция A: расположение ячеек и линз в шахматном порядке, A1 - вид сверху ячеек и линз, B - расположение ячеек и линз в клеточном порядке.
Оптические схемы с использованием линз для разделения изображения для каждого глаза отдельно или для разных углов просматривания, предназначены для просмотра этих изображений в отраженном свете или в проходящем рассеянном свете. Такие схемы могут работать и в проходящем свете на просвет, если основания ячеек и изображения являются прозрачными и в качестве подсветки использовать матовый рассеянный свет.
Использование линз для получения стереоскопических изображений приводит к оптической аберрации. Для значительного снижения уменьшения аберрации, предлагается в качестве средства для разделения изображений с поверхности основания ячейки, в зависимости от угла рассматривания, вместо линз использовать точечные источники света, например: светодиодные точечные источники света, сфокусированные точки от источников света, светящиеся точки или светящейся полоски, которые находятся под основанием поверхности ячейки, на котором размещены элементы изображения. Такая схема возможна при условии, что основание ячейки поверхности с изображениями, или фрагментами изображений будут прозрачными и сквозь них будет просвечиваться световое пятно точечного источника света. Световые пятна проходя и проецируясь сквозь отдельные участки изображения на ячейках, в зависимости от угла просмотра, будут сливаться для каждого глаза отдельно в единое изображение. Фиг.8: показана схема без линз с точечными источниками света. Здесь показана такая же схема изображений, так же расположены ячейки матрицы, как и на фиг.5, только вместо цилиндрических линз для разделения изображений под поверхностью основания ячейки, на которых размещены изображения, на некотором расстоянии от изображения находятся точечные источники света. Если ячейки с изображениями вытянуты в виде полосы, то и точечный источник света под ними тоже вытянут в виде тонкой светящейся полоски света или тонкие щели, через которые проходит свет. Такая схема размещения точечных источников света под поверхностью изображений возможна, если изображения и поверхность на которых размещены изображения будут прозрачными, чтобы сквозь них проецировались источники света. На фиг.8 позиция A: показана схема размещения фрагментов изображений или изображения для правого и левого глаза a и b и источника света C. Поверхность на которых размещены изображения и сами изображения являются прозрачной средой, через которые проецируется точечные источники света. На фиг.8 позиция B: показана схема размещения фрагментов изображений или изображения для множества точек в пространстве в горизонтальной и продольной плоскости, где глаз может видеть изображение каждый свое или для двух глаз, при изменении угла просмотра, всегда будет своя стереопара, т.е. будет возможность оглядывания такого изображения при перемещении положения наблюдателя относительно экрана. На фиг.8 позиция C: показана поверхность ячейки с фрагментами изображения или изображениями, такие же, как на фиг.5 в позиции B и C., как для цилиндрических линз. D - точечные источники света в виде щели или светящихся полос. На фиг.9 A и B: показаны схемы расположения точечных источников света под основаниями ячейки с изображением или фрагментами изображений, которые могут быть светящимися круглыми точками малой величины, в случае, если среда после источника света прозрачная и световое пятно проходит сквозь поверхность и прозрачные красители. Чем меньше по размеру точка света или световое пятно, тем выше разрешающая способность изображения, т.е. резкость. Такая схема расположения источников света и изображений годится для ячеек обозначенных фиг.9 для C, D и E, такая же схема, как и на фиг.8 в позиции A и B, но там схема предназначена для точечных источников вытянутой формы, т.е. для щели, светящейся полосы или в виде светящихся полос. А на фиг.9 A, B, C, D и E, применены точечные источники света с, в виде светового пятна круглой формы маленькой величины. Чем меньше световое пятно или светящаяся точка относительно основания ячейки с фрагментом изображения или изображением, тем будет выше разрешающая способность изображения. На фиг.9 позиции C, D и E: показаны виды основания ячейки с фрагментом изображения или изображением, предназначенные для точечных источников света круглой формы для просмотра на просвет сквозь прозрачную среду. Фиг.9 позиция C: показана круглое основание ячейки с двумя фрагментами изображения a и b, относительно центральной точки основания ячейки c1, предназначенные для правого и левого глаза, под основанием ячейки с фрагментами изображений для правого и левого глаза a и b расположен на некотором расстоянии L от поверхности ячейки точечный источник света с, круглой формы. При условии, что основание ячейки является прозрачным и фрагмент изображения состоит из прозрачных красителей и световое пятно проецируется сквозь красители, то для каждого глаза отдельно от источника света c, будет проецироваться через красители от изображения или фрагментов изображения разный блик в зависимости от угла рассматривания. Эта схема удобна для просмотра изображений для глаз, которые могут иметь отклонения от паралельного расположения глаз относительно экрана. На фиг.9 позиция А: показана схема расположения точечного источника света с, круглой формы на некотором расстоянии L с двумя фрагментами изображений на основании ячейки a и b, на фиг.9 позиция C: показана плоскость основания ячейки с фрагментом изображения для правого и левого глаза для горизонтального расположения глаз относительно экрана во время просмотра изображений и на фиг.9 позиция D: показано основание ячейки с фрагментами изображений для правого и левого глаза, нанесенных по поверхности основания относительно центральной точки c1 в разные направления: от горизонтального до вертикального построения и с возможностью просмотра таких изображений относительно экрана, как при горизонтальном расположении глаз, так и при любом наклоне глаз относительно горизонтали. На фиг.9 позиции B и E: показана схема многоракурсного построения изображения, которое можно рассматривать с разных точек и под разным углом просмотра, с разным расположением глаз относительно горизонтального положения глаз и с возможностью оглядывания зрителем во время перемещения относительно экрана.
На фиг.9 позиция B: дана схема расположения точечного источников света с, относительно плоскости ячейки S на некотором расстоянии L, с проекцией лучей света r, через участки изображений или фрагменты изображений a, b, c, d, на плоскости S., r1, r2, r3, r4, r5, проекции лучей проходящих, каждый через свой участок: r1 через участок изображения a, r2 через участок b, r3 через участок c, r4 через участок d, r5 через участок c. Сколько участков будет размещено на плоскости S, столько проекций лучей можно будет построить от точки C на плоскости S через участки с фрагментом изображения или изображениями. На фиг.9 позиция E: показаны площадки, основания, на которых размещены фрагменты изображения или изображения в поперечной плоскости, которые показаны на фиг.9 позиция B. Площадки, основания ячеек, на которых размещены фрагменты изображений или изображения, прозрачные на просвет, могут быть разных форм, удобными для максимального сближения друг с другом, они могут быть: круглыми, квадратными, прямоугольными, шестигранными и других геометрических форм. Все варианты таких площадок, с основаниями ячеек, на которых размещены фрагменты изображений или изображения, прозрачные на просвет представляют матрицу для формирования изображений, которые в совокупности сливаются для наблюдателя в сплошной экран, на котором можно рассматривать стереоскопические и трехмерные изображения. Все варианты таких площадок с основаниями ячеек, на которых размещены фрагменты изображений или изображения, прозрачные на просвет, которые представляют матрицу для формирования изображений, могут быть получены на жидкокристаллических матрицах, жидкокристаллических дисплеях мониторах с прозрачными средами фильтрами, через которые проходит свет от источников света размещенного за панелью матрицы с фильтрами, только вместо традиционных источников рассеянного света за панелью матриц с фильтрами надо будет установить наборы точечных источников света, согласно схемам показанным на фиг.8 позиции A, B, C, D и на фиг.9 позиции A, B, C, D, E.
На фиг.10 показан отдельно вид по фиг.9 позиция B, который в поперечном разрезе является ячейкой с изображением или фрагментом изображения для построения стереоскопического объемного изображения со свойствами оглядывания для перемещающегося наблюдателя относительно экрана, на котором находятся множество таких ячеек, сливающиеся в единые изображения для наблюдателя. Вид основания ячейки может иметь разнообразную форму, удобную для максимального сближения: квадратную, прямоугольную, многогранную.
Создание экрана для получения стереоскопического трехмерного изображения - это создание принципиально нового качества отображения окружающего мира, чем традиционные плоские изображения, такие как на на картинах живописи, фотографии, телевидении.
Стереоскопические объемные изображения на стереоскопических экранах, это изображения со свойствами присутствия человека перед реальным миром. Это шаг к созданию принципиально нового стереоскопического трехмерного телевидения, фотографии и различных средств воспроизведения таких изображений.
Находясь перед таким экраном, человек видит стереоскопическое изображение какого либо объекта со свойствами оглядывания. Перемещаясь относительно экрана человек рассматривает объект с изменяемым углом осмотра. Это происходит благодаря сканированию ячейки матрицы за счет точечного источника света, просвечивающего частицу от изображения и места расположения глаз относительно множества таких ячеек.
Одним из основных преимуществ настоящего изобретения является то, что не требуется применения очков для разделения изображений для правого и левого глаза, что обычно характерно при использовании аналогичных решений.
Источники информации:
1. Патент РФ 2275754, Устройство для просмотра стереоскопического изображения, отображаемого видеодисплейным средством (варианты), МПК H04N 13/00, G02B 27/22, опубл 27.04.2006.
2. Патент РФ 2117414, Способ формирования стереоскопического изображения на экране дисплея и система для его реализации, МПК H04N 13/04, опубл. 10.08.1998.
Устройство для стереоскопической трехмерной съемки объектов, включающее площадку с расположенными на ней фото- и/или видеокамерами, отличающееся тем, что площадка представляет собой поверхность, на которой размещены фото и/или кинокамеры, поверхность выполнена в виде плоскости, цилиндрической поверхности, сферической поверхности, а камеры съемки закреплены на поверхности в ряд друг за другом, в несколько рядов друг над другом в клеточном порядке, в несколько рядов в шахматном порядке, при этом оптические оси камер съемки могут быть направлены как в бесконечность, так и в любую точку в пространстве, а также устройство включает блок разделения на множество изображений, который при помощи компьютерной программы из двух изображений от каждых двух соседних камер съемки может построить наборы промежуточных изображений, соответствующих дополнительным точкам съемки между камерами.
