Система получения и восстановления объемного изображения
Полезная модель относится к средствам получения и воспроизведения объемного изображения и может быть использована в телевидении при съемке сюжетов в трехмерном формате, а также при восстановлении трехмерного изображения на телевизорах зрителей, в компьютерных играх, в наружной рекламе, в оформлении витрин, в автомобильных и авиационных тренажерах, в медицине для визуализации исследуемых органов, в научных лабораториях, в дизайнерских проектах и т.д. Технический результат заключается в упрощении восстановления объемного изображения с возможностью использования матриц обычных современных жидкокристаллических телевизоров, что в целом позволяет упростить и удешевить технологию реализации; реализуется возможность получения объемного изображения на телевизоре без использования специальных стереоочков. Заявленный технический результат достигается за счет того, что система получения и восстановления объемного изображения, содержащая плоский экран, который выполнен в виде сдвоенной матрицы, внешняя матрица которого выполнена из управляемых ячеек, обладающих свойством попеременно пропускать свет от объекта съемки, а внутренняя матрица выполнена непосредственно отображающей объект съемки, причем каждая ячейка внешней матрицы представляет собой управляемую на основе жидкокристаллической или иной структуры микроскопическую линзу или отверстие малого диаметра, реализующее эффект камеры-обскуры, отличающаяся тем, что внутренняя матрица выполнена в виде прозрачного матового экрана, с функцией проецирования на него множества элементарных ракурсов исходного изображения, формируемых с помощью линзового растра, расположенного перед внешней матрицей, а за матовым экраном расположена видеокамера, функцией которой является фиксирование многоракурсного изображения, формируемого на матовом экране, причем каждый кадр подобран равным одному состоянию внешней матрицы, состоящей из управляемых ячеек, которые либо пропускают свет от объекта съемки, либо не пропускают; причем первые расположены с шагом, размер которого постоянен и равен размеру элементарного ракурса, а на внешней матрице с помощью ячеек, которые пропускают свет от объекта съемки, образованы вертикальные щели, с функцией прохода через них света, и образующие в каждой строке пикселей ряд элементарных ракурсов.
Область применения
Полезная модель относится к средствам получения и воспроизведения объемного изображения и может быть использована в телевидении при съемке сюжетов в трехмерном формате, а также при восстановлении трехмерного изображения на телевизорах зрителей, в компьютерных играх, в наружной рекламе, в оформлении витрин, в автомобильных и авиационных тренажерах, в медицине для визуализации исследуемых органов, в научных лабораториях, в дизайнерских проектах и т.д.
Уровень техники
Известен способ получения фотографий, реализующих эффект объемного изображения, с использованием набора мелких набор мелких цилиндрических линз. Приклеенный к ней отпечаток представляет собой картинку из полос, каждая полоса отклоняется микролинзой под определенным углом так, что в левый и правый глаз попадают немного различающиеся картинки, и мы видим либо объемное изображение, либо меняющиеся с углом поворота вариокадры. Оптическим аналогом линзового растра является решетчатый растр, состоящий из чередующихся прозрачных и непрозрачных полос. Точно также небольшие отверстия - камеры-обскуры - являются аналогом линзы, (журнал «ФОТО Сибирский успех», 2003, г.Новосибирск, статья «История растровых стерео- и варио-изображений»)
Габриэлю Липпману принадлежит идея получения объемной фотографии с помощью пластины, состоящей из набора мелких сферических линз (интегральная фотография). Подобный способ применительно к объемной кинематографии и телевидению упоминался в патенте 
2098855 (10.12.1997), автор Голенко Г.Г. (по данным на 29.04.2008 прекратил действие). Источник изображения в этом патенте выполнен в виде единого двумерного объекта, а линзы оптического линзового растра выполнены в сагиттальном сечении с переменным радиусом кривизны, изменяющимся по закону стохастически осциллирующей или периодической функции.
Недостатком такого способа при получении телевизионного объемного изображения является снижение разрешающей способности изображения, поскольку каждой микролинзе соответствует набор пикселей, то есть разрешающая способность изображения соответствует количеству микролинз в растре, количество которых в несколько раз меньше количества пикселей в передаваемом изображении. Известны также способы создания объемного изображения с помощью стереоскопической системы, сепарация ракурсов для левого и правого глаз зрителя осуществляется при помощи поляроидных очков (патенты 2006123344, 2096926, 2113771, 2202860) В некоторых случаях предлагается модификация телевизионных сигналов при трансляции объемных изображений в виде стереоизображений (патент 2211545).
Недостатком такого способа является использование зрителями дополнительного оборудования - поляроидных очков, для разделения изображений для разных глаз. Известны способы формирования и восстановления объемных изображений путем измерений координат снимаемых объектов, определения положения глаз зрителя, вычисления требуемого параллакса для каждого зрителя (патент 2097940). Подобная технология слишком сложна для реализации и массового использования, как в телевидении, так и в кинематографе. Наиболее перспективное использование целесообразно в компьютерных играх, тренажерах. Также публиковались способы получения и восстановления объемных изображений с использованием светоизлучающих элементов, перемещающихся по циклической траектории в пространстве (путем вращения) и создающих реалистичное объемное изображение (патент 2173893).
Такой способ также довольно сложен для реализации при создании объемного телевидения или кинематографа и наиболее применим при создании в рекламных целях изображения определенных объектов.
Наиболее близким аналогом является патент РФ на полезную модель 78958.
Описана система получения и восстановления объемного изображения содержит плоский экран, который выполнен в виде сдвоенной матрицы, внешняя матрица которого выполнена из управляемых ячеек, обладающих свойством попеременно пропускать свет от объекта съемки, а внутренняя матрица выполнена из светочувствительных ячеек, непосредственно отображающих объект съемки, причем каждая ячейка внешней матрицы представляет собой управляемую на основе жидкокристаллической или иной структуры микроскопическую линзу или отверстие малого диаметра, реализующее эффект камеры-обскуры; система выполнена с возможностью формировать камеру съемки в виде участка внешней матрицы, центральная ячейка которой открыта для пропускания света, и кадра внутренней матрицы, состоящего из прямоугольного массива пикселей, фиксирующих изображение; причем в системе присутствует n камер, число которых определяется по формуле: 
где di - размер камеры, w - ширина экрана и h - высота экрана. Каждая ячейка внутренней матрицы представляет собой светочувствительный элемент, соответствующий одному пикселю изображения. В указанном решении приводится система получения и восстановления объемного изображения, которая рассчитана на формирование и горизонтального, и вертикального параллаксов. Такая система требует значительных аппаратных ресурсов для ее применения, в частности весьма малого времени отклика используемых матриц, тогда как современный уровень техники позволяет обеспечить такие жесткие требования, но с большими затратами. В перспективе возможно появление технических решений, способствующих реализации системы такого уровня. Кроме того, изготовление внутренней матрицы, состоящей из светочувствительных элементов также технологически сложно.
Технический результат заключается в упрощении восстановления объемного изображения с возможностью использования матриц обычных современных жидкокристаллических телевизоров, что в целом позволяет упростить и удешевить технологию реализации; реализуется возможность получения объемного изображения на телевизоре без использования специальных стереоочков.
Реализация полезной модели
Заявленный технический результат достигается за счет того, что система получения и восстановления объемного изображения, содержащая плоский экран, который выполнен в виде сдвоенной матрицы, внешняя матрица которого выполнена из управляемых ячеек, обладающих свойством попеременно пропускать свет от объекта съемки, а внутренняя матрица выполнена непосредственно отображающей объект съемки, причем каждая ячейка внешней матрицы представляет собой управляемую на основе жидкокристаллической или иной структуры микроскопическую линзу или отверстие малого диаметра, реализующее эффект камеры-обскуры, отличающаяся тем, что внутренняя матрица выполнена в виде прозрачного матового экрана, с функцией проецирования на него множества элементарных ракурсов исходного изображения, формируемых с помощью линзового растра, расположенного перед внешней матрицей, а за матовым экраном расположена видеокамера, функцией которой является фиксирование многоракурсного изображения, формируемого на матовом экране, причем каждый кадр подобран равным одному состоянию внешней матрицы, состоящей из управляемых ячеек, которые либо пропускают свет от объекта съемки, либо не пропускают; причем первые расположены с шагом, размер которого постоянен и равен размеру элементарного ракурса, а на внешней матрице с помощью ячеек, которые пропускают свет от объекта съемки, образованы вертикальные щели, с функцией прохода через них света, и образующие в каждой строке пикселей ряд элементарных ракурсов. Перед внешней матрицей расположены лентикулярные растровые линзы, при этом лентикулы по ширине соответствуют размеру одной ячейки внешней матрицы. Для съемки трехмерных сюжетов ячейки, которые пропускают свет от объекта съемки, выполнены в виде отверстий в непрозрачном материале, причем либо в виде вертикальных линий, либо в виде наклонных линий.
Краткое описание чертежей
На Фиг.1 показана блок-схема системы при использовании и вертикального, и горизонтального параллаксов и внутреннее строение оборудования для съемки трехмерных сюжетов, где 1 - исходный сюжет, 2 - внешняя матрица, 3 - шаг открытых ячеек внешней матрицы, 4 - матовый прозрачный экран, 5 - видеокамера. На Фиг.2 показан принцип съемки трехмерных сюжетов только с горизонтальным параллаксом с увеличением фрагментов внутреннего строения матриц, где 6 - лентикулярные линзы, 7 - строки пикселей, 8 - открытые ячейки внешней матрицы. На Фиг.3 схема формирования и восстановления многоракурсного изображения с горизонтальным параллаксом в виде алгоритма «сканирования» внешней матрицы для получения последовательных многоракурсных изображений, которые и создают эффект объема, где 9 - элементарный ракурс, 10 - пиксели одной строки внутренней матрицы, 11 - закрытые ячейки внешней матрицы.
Осуществление полезной модели В предлагаемой системе (см. Фиг.1, Фиг.2, Фиг.3) съемка телевизионных сюжетов осуществляется в трехмерном формате, при этом в отличие от решения, предложенного в патенте 78958, внутренняя матрица не состоит из светочувствительных элементов, а представляет собой прозрачный матовый экран (4), на который проецируется множество элементарных ракурсов исходного изображения (1), формируемых с помощью линзового растра, расположенного перед внешней матрицей (2). За этим матовым экраном располагается одна видеокамера (5), которая фиксирует многоракурсное изображение, формируемое на матовом экране (4). Каждый кадр соответствует одному состоянию внешней матрицы (2), состоящей из управляемых ячеек, которые либо пропускают свет от объекта съемки (далее «открытые» ячейки (8)), либо не пропускают (далее «закрытые» ячейки (11)). Открытые ячейки (8) располагаются с шагом (3), размер которого постоянен и должен соответствовать стандартизируемым характеристикам. При этом размер элементарного ракурса (9) равен шагу (3) открытых ячеек внешней матрицы и зависит от расстояния между внешней матрицей (2) и матовым экраном (4). В свою очередь угол обзора трехмерного изображения зависит от размера элементарного ракурса (9). После фиксации очередного кадра многоракурсного изображения происходит сдвиг открытых (8) и закрытых ячеек (11) и, соответственно, сдвиг ракурсов на матовом экране (4). Разрешение трехмерного изображения при таком способе равно разрешению внешней матрицы. Кроме того, в отличие от телевизоров, реализующих стереоскопический эффект, при реализации данной системы доступна возможность «оглядывания», то есть можно увидеть объект, заслоненный другим объектом, просто заглядывая за него. Телевизоры могут иметь дополнительную функцию одновременного просмотра разных телепрограмм разными зрителями, когда из разных мест перед экраном видны разные телепрограммы, необходимо только разделение звукового сопровождения. Компьютерные мониторы также могут показывать несколько изображений, которые видны из разных мест перед ними, то есть для переключения какого-либо изображения достаточно сместиться вбок относительно экрана.
Чтобы избежать мерцания снимаемого сюжета, частота следования кадров многоракурсного изображения должна быть не ниже 24-кратного произведения вертикального и горизонтального шага открытых ячеек внешней матрицы. В целях упрощения реализации при современном уровне техники системы получения и восстановления объемного изображения, приведенного в описании патента 78958, в заявленной системе предлагается использовать только горизонтальный параллакс, в этом случае элементарный ракурс (9) имеет вид фрагмента строки пикселей (10). Перед внешней матрицей (2) могут располагаться лентикулярные растровые линзы (6), при этом лентикулы по ширине соответствуют размеру одной ячейки внешней матрицы. На внешней матрице (6) открытые ячейки (8) образуют вертикальные щели, через которые проходит свет, образуя в каждой строке пикселей ряд элементарных ракурсов. Эти щели непрерывно смещаются с частотой, не меньше 24-кратного количества шага открытых ячеек внешней матрицы в одном элементарном ракурсе. Например, при количестве пикселей в одном элементарном ракурсе, равном 17 единиц, частота сканирования внешней матрицы должна быть 408 раз в секунду, такая частота уже является достижимой при современном уровне техники (соответствует времени отклика матрицы около 2,5 мс). При восстановлении полученного таким способом изображения трехмерный телевизор формирует объемное изображение также только горизонтальным сканированием внешней матрицы, эффект объема, соответственно, создается только с помощью горизонтального параллакса.
На Фиг.3 приведены одиннадцать состояний внешней матрицы (2), поскольку шаг (3) открытых ячеек внешней матрицы равен 11. Этому числу равно расстояние от начала одной открытой ячейки до начала ближайшей к ней открытой ячейки. Практически это число может быть другим, от него будет зависеть доступный угол обзора, а также частота сканирования внешней матрицы и матового экрана при съемке и частота обновления внешней и внутренней матриц у воспроизводящего устройства.
Пиксели должны считываться (согласно Фиг.3) в порядке справа налево согласно указанной нумерации на них. Это связано с тем, что при формировании элементарного растра изображение получается зеркальным, а для воспроизведения изображения необходим обратный порядок построчного следования пикселей.
Еще одно упрощающее решение в качестве варианта предлагаемой системы заключается в том, что при съемке трехмерных сюжетов (для получения объемных изображений) сканирование внешней матрицы не осуществляется, открытые ячейки являются просто отверстиями в непрозрачном материале, причем либо в виде вертикальных линий, либо в виде наклонных линий. Многоракурсное изображение формируется с частотой, соответствующей частоте кадров современного телевидения. Размер одного элементарного ракурса, например, состоящего из 17 пикселей и при размерах одного пикселя 0,25÷0,28 мм, будет находиться в пределах 4÷5 мм. Поскольку многоракурсное изображение, тем не менее, остается избыточным, то в дальнейшем, после передачи полученного трехмерного изображения по обычным телевизионным каналам, а именно в электронной части принимающего телевизора, осуществляется заполнение отсутствующих элементарных ракурсов на основе избыточной информации из имеющихся окружающих элементарных ракурсов. При этом из одного кадра многоракурсного изображения, снятого неподвижной матрицей, формируется количество кадров, равное шагу открытых ячеек внешней матрицы, в приведенном примере для 17 пикселей будет 17 многоракурсных изображений. Восстановленное таким способом полное многоракурсное изображение демонстрируется на телевизоре, имеющем две матрицы, внешнюю и внутреннюю. Такое техническое решение дает наиболее дешевый способ получения и передачи по стандартным каналам телевещания трехмерных телевизионных изображений.
1. Система получения и восстановления объемного изображения, содержащая плоский экран, который выполнен в виде сдвоенной матрицы, внешняя матрица которого выполнена из управляемых ячеек, обладающих свойством попеременно пропускать свет от объекта съемки, а внутренняя матрица выполнена непосредственно отображающей объект съемки, причем каждая ячейка внешней матрицы представляет собой управляемую на основе жидкокристаллической или иной структуры микроскопическую линзу или отверстие малого диаметра, реализующее эффект камеры-обскуры, отличающаяся тем, что внутренняя матрица выполнена в виде прозрачного матового экрана, с функцией проецирования на него множества элементарных ракурсов исходного изображения, формируемых с помощью линзового растра, расположенного перед внешней матрицей, а за матовым экраном расположена видеокамера, функцией которой является фиксирование многоракурсного изображения, формируемого на матовом экране, причем каждый кадр подобран равным одному состоянию внешней матрицы, состоящей из управляемых ячеек, которые либо пропускают свет от объекта съемки, либо не пропускают; причем первые расположены с шагом, размер которого постоянен и равен размеру элементарного ракурса, а на внешней матрице с помощью ячеек, которые пропускают свет от объекта съемки, образованы вертикальные щели, с функцией прохода через них света, и образующие в каждой строке пикселей ряд элементарных ракурсов.
2. Система получения и восстановления объемного изображения по п.1, отличающаяся тем, что перед внешней матрицей расположены лентикулярные растровые линзы, при этом лентикулы по ширине соответствуют размеру одной ячейки внешней матрицы.
3. Система получения и восстановления объемного изображения по п.1 или 2, отличающаяся тем, что ячейки, которые пропускают свет от объекта съемки, выполнены в виде отверстий в непрозрачном материале, причем либо в виде вертикальных линий, либо в виде наклонных линий.
