способ воспроизведения стереоскопического изображения от видеокамер со сходящимися осями

Формула изобретения

1. Способ воспроизведения стереоскопического изображения от двух видеокамер со сходящимися оптическими осями, изображение с которых воспроизводят на первом и втором экранах, установленных в вертикальных плоскостях и оптически связанных между собой с помощью светоделительной пластины, причем первый и второй экраны располагают симметрично относительно светоделительной пластины, отличающийся тем, что поворачивают, по крайней мере, один из экранов вокруг вертикальной оси, проходящей через центр экрана, обеспечивая наблюдение изображений от первого и второго экранов в разных плоскостях, пересекающихся под углом 2 , причем угол определяют из соотношения:

где V - расстояние от центра первого экрана до наблюдателя; М - увеличение кадра, с которым воспроизводят изображение на экранах; f - фокусное расстояние объективов видеокамер; - угол конвергенции оптических осей объективов видеокамер.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что экран поворачивают на угол 2 .

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что поворачивают первый и второй экраны в одном и том же направлении на угол .

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к способам воспроизведения стереоскопических телевизионных и видеоизображений (далее - стереоскопических изображений) и может быть использовано в таких областях, как наука, образование, медицина, производство, включая микроскопию, эндоскопию, телемедицину, подводное телевидение, где требуется получение в реальном времени качественных объемных изображений объектов.

В стереоскопических системах объемность наблюдаемого изображения достигается благодаря предъявлению зрителю двух плоских изображений (стереопары), соответствующих левому и правому ракурсам наблюдения трехмерной сцены, при которых каждый глаз зрителя видит только изображение соответствующего ракурса. Стереопару получают с помощью двух видеокамер, оптические оси объективов которых либо параллельны друг другу, либо сходятся в центре исследуемой сцены.

Схема со сходящимися осями имеет ряд преимуществ, однако в известных способах воспроизведения стереоскопических изображений при использовании стереопары от видеокамер со сходящимися осями качество воспроизводимого стереоскопического изображения оказывается недостаточно высоким (см. Валюс Н.А. Стереоскопия. М.: Изд-во Акад. Наук СССР, 1962. 379 с. Woods A., Docherty Т., Koch R. Image Distortions in Stereoscopic Video Systems // SPIE Proc., Stereoscopic Displays and Applications IV. 1993. V. 1915. P.36-48):

1) во-первых, возникает искажение стереоскопического изображения, называемое искривлением плоскости экрана; при таком искажении объекты, находящиеся в центре экрана, кажутся находящимися ближе к наблюдателю, чем объекты по краям экрана;

2) во-вторых, вертикальный параллакс, присутствующий в стереопаре, полученной от видеокамер со сходящимися осями, препятствует восприятию стереоскопического изображения за пределами центральной части экрана.

Указанные недостатки могут приводить к неверному впечатлению о пространственном расположении объектов в наблюдаемой сцене и к утомлению зрения, а при больших величинах вертикального параллакса - к исчезновению стереоэффекта.

Известен способ воспроизведения стереоскопических изображений, в котором видеосигнал, содержащий стереопары изображений, обрабатывают с помощью специального устройства и выводят на экран дисплея фрагменты изображений для левого и правого глаз (далее - левого и правого изображений) так, что эти фрагменты чередуются друг с другом на экране. Обеспечивают ортогональные линейные поляризации световых потоков, идущих от левого и правого изображений, помещая перед экраном матрицу микрополяризаторов, и наблюдают изображение на экране через очки с анализаторами (см. патент на изобретение US №6593959, МПК H04N 15/00).

Данный способ характеризуется недостаточным качеством воспроизводимого стереоскопического изображения, обусловленным двукратным снижением разрешения, а также искривлением плоскости экрана и затрудненным восприятием стереоскопического изображения за пределами центральной части экрана при воспроизведении стереопар, полученных съемкой со сходящимися осями.

Известен способ воспроизведения стереоскопических изображений, при котором левое и правое изображения поочередно выводят на экран дисплея, перед экраном располагают жидкокристаллический модулятор, переключают модулятор между первым и вторым состояниями поляризации синхронно с выводом левого и правого изображений, наблюдают изображение на экране через очки с анализаторами (см. патент на изобретение US №6975345, МПК H04N 13/04).

Данный способ позволяет получать стереоскопическое изображение без снижения разрешения, однако предъявляет повышенные требования к дисплею, который должен отображать кадры с удвоенной частотой. Кроме того, при воспроизведении стереопар, полученных съемкой со сходящимися осями, получаемое стереоскопическое изображение характеризуется недостаточным качеством, обусловленным искривлением плоскости экрана и затрудненным восприятием стереоэффекта за пределами центральной части экрана.

Наиболее близким к заявляемому способу является способ воспроизведения стереоскопических изображений, в котором изображения левого и правого ракурсов объемной сцены воспроизводят на двух экранах, установленных под углом 90° друг к другу и оптически связанных между собой с помощью полупрозрачного зеркала, которое располагают под углом 45° к каждому из экранов. Перед каждым из экранов помещают поляризатор и наблюдают левое и правое изображения в плоскости одного из экранов через очки с анализаторами (см. патент на изобретение US №2845618, НКИ: 340-369).

Данный способ позволяет наблюдать изображение без снижения разрешения и не предъявляют к дисплеям повышенных требований, связанных с необходимостью работы с удвоенной кадровой частотой. Однако при воспроизведении стереопар, полученных съемкой со сходящимися осями, наблюдаемое стереоскопическое изображение характеризуется недостаточным качеством, обусловленным искривлением плоскости экрана и затрудненным восприятием стереоэффекта за пределами центральной части экрана.

Задачей заявляемого изобретения является разработка способа воспроизведения стереоскопического изображения, позволяющего воспроизводить стереопару, полученную от видеокамер со сходящимися оптическими осями, как стереоскопическое изображение с неискаженным воспроизведением плоскостей, свободно наблюдаемое как в центре, так и за пределами центральной части экрана.

Технический результат заявляемого изобретения заключается в повышении качества стереоскопического изображения, получаемого в стереоскопических теле- и видеосистемах, использующих съемку со сходящимися оптическими осями объективов видеокамер.

Поставленная задача достигается тем, что при воспроизведении стереоскопического изображения от видеокамер со сходящимися оптическими осями, изображение с которых воспроизводят на первом и втором экранах, установленных в вертикальных плоскостях и оптически связанных между собой с помощью светоделительной пластины, причем первый и второй экраны располагают симметрично относительно светоделительной пластины, согласно предлагаемому решению поворачивают, по крайней мере, один из экранов вокруг вертикальной оси, проходящей через центр экрана, обеспечивая наблюдение изображений от первого и второго экранов в разных плоскостях, пересекающихся под углом 2 , причем угол определяют из соотношения

где V - расстояние от центра первого экрана до наблюдателя;

M - увеличение кадра, с которым воспроизводят изображение на экранах;

f - фокусное расстояние объективов видеокамер;

- угол конвергенции оптических осей объективов видеокамер.

В первом варианте реализации способа один из экранов поворачивают на угол 2 , a во втором варианте реализации способа поворачивают первый и второй экраны в одном и том же направлении на угол .

В качестве экранов используют, например, экраны дисплеев с электронно-лучевыми трубками, или жидкокристаллических дисплеев, или плазменных дисплеев, или дисплеев на светоизлучающих диодах.

В известных стереоскопических системах изображения для обоих глаз предъявляются зрителю в одной общей плоскости, что соответствует только геометрии съемки с параллельными осями видеокамер, где сенсоры видеокамер также находятся в одной плоскости. При съемке со сходящимися осями сенсоры видеокамер находятся в разных плоскостях и при воспроизведении изображений от обеих видеокамер в одной плоскости наблюдаемое стереоскопическое изображение оказывается искаженным. В заявляемом способе предлагается воспроизводить изображения от видеокамер со сходящимися осями в разных плоскостях, что соответствовало бы геометрии съемки со сходящимися осями. При определенном значении угла 2 между этими плоскостями, устанавливаемом согласно предложенному способу, качество получаемого стереоскопического изображения возрастает, а именно устраняется искривление плоскости экрана в стереоскопическом изображении и устраняется негативное влияние вертикального параллакса на восприятие стереоэффекта за пределами центральной части экрана.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 показана схема получения стереопары от видеокамер со сходящимися осями, на фиг.2 - схема воспроизведения стереоскопического изображения согласно заявляемому способу; на фиг.3 - схема получения стереопары прямоугольной решетки от видеокамер со сходящимися осями; на фиг.4 - представление левого и правого изображений решетки в общей плоскости наблюдения.

Позициями на чертежах обозначены: 1 - объект; 2, 3 - видеокамеры; 4 - светоделительная пластина; 5, 6 - положения первого и второго экранов до поворота; 7, 8 - центры первого и второго экранов; 9, 10 - положения первого и второго экранов после поворота; 11 - зритель; 12, 13 - объективы видеокамер; 14 - изображение экрана, помещенного в положение 10, наблюдаемое зрителем в отраженном от светоделительной пластины свете; 15 - плоскость конвергенции видеокамер; 16, 17 - сенсоры видеокамер; 18, 19 - левое и правое изображения, получаемые видеокамерами; 20 - общая плоскость наблюдения левого и правого изображений.

Для повышения качества воспроизводимого стереоскопического изображения согласно предлагаемому способу левое и правое изображения объекта 1, полученные от видеокамер 2 и 3 со сходящимися осями, воспроизводят на первом и втором экранах, установленных в вертикальных плоскостях и оптически связанных между собой с помощью светоделительной пластины 4. При этом левое изображение воспроизводят, например, на первом экране, а правое изображение воспроизводят, например, на втором экране. Первый и второй экраны размещают симметрично относительно светоделительной пластины 4, например, первый экран - в положении 5, а второй экран - в положении 6. Затем первый экран поворачивают вокруг вертикальной оси, проходящей через его центр 7 на угол , в результате первый экран оказывается в положении 9. Второй экран поворачивают вокруг вертикальной оси, проходящей через его центр 8 на угол , в результате второй экран оказывается в положении 10. При этом и первый, и второй экраны поворачивают в одном и том же направлении, а угол поворота определяют из соотношения (1):

где V - расстояние от центра 7 первого экрана до зрителя 11;

М - увеличение кадра, с которым воспроизводят изображение на экранах;

f - фокусное расстояние объективов 12 и 13 видеокамер 2 и 3;

- угол конвергенции оптических осей объективов 12 и 13 видеокамер 2 и 3.

Зритель 11 наблюдает изображение от первого экрана в положении 9 в прошедшем через делитель 4 свете, а изображение от второго экрана - в положении 14 в отраженном от делителя 4 свете, при этом сепарацию изображений от первого и второго экранов осуществляют любым известным способом. Таким образом, зритель наблюдает левое и правое изображения объекта в разных плоскостях, пересекающихся под углом 2 , из-за чего в наблюдаемом стереоскопическом изображении устраняется искривление плоскости экрана, а стереоэффект свободно воспринимается во всей области экрана.

Поясним более подробно, каким образом осуществление заявляемого способа приводит к устранению искажений в стереоскопическом изображении. Для этого сначала рассмотрим причины возникновения искажений в стереоскопическом изображении от видеокамер со сходящимися осями при наблюдении левого и правого изображений объекта в одной плоскости. Пусть в плоскости конвергенции 15 видеокамер 2 и 3 расположена прямоугольная решетка, причем оптические оси объективов 12 и 13 видеокамер сходятся в центре решетки. Так как сенсоры 16 и 17 видеокамер 2 и 3 не сопряжены с плоскостью конвергенции 15 в оптических системах объективов 12 и 13, то левое 18 и правое 19 изображения решетки получаются с переменным линейным увеличением. При совмещении таких изображений в общей плоскости наблюдения 20 их сопряженные точки характеризуются переменным горизонтальным параллаксом Р _H и ненулевым вертикальным параллаксом P _V. При раздельном бинокулярном наблюдении изображений 18 и 19 в общей плоскости 20 наличие параллаксов Р _H и P_V приводит к возникновению переменной горизонтальной и ненулевой вертикальной диспаратностей в изображениях, получаемых на сетчатках левого и правого глаз зрителя. Данная горизонтальная диспаратность не соответствует распределению точек решетки по глубине и поэтому приводит к искривлению наблюдаемого стереоскопического изображения решетки. Ненулевая вертикальная диспаратность затрудняет слитное восприятие левого и правого изображений решетки как единого объемного изображения. Подобные искажения имеют место не только для плоскости конвергенции, но и для других плоскостей по всей глубине воспроизводимого стереоскопического изображения.

При наблюдении левого и правого изображений в различных плоскостях, обеспечиваемом согласно заявляемому способу, в изображениях, получаемых на сетчатках левого и правого глаз зрителя, происходит компенсация геометрических искажений, возникших при съемке из-за несопряженности сенсоров видеокамер. В результате горизонтальная диспаратность сетчаточных изображений приводится в соответствие с распределением точек объекта по глубине, а вертикальная диспаратность устраняется. Таким образом, осуществление заявляемого способа обеспечивает устранение обеих причин, по которым в известных способах возникают искажения при воспроизведении стереоскопического изображения от видеокамер со сходящимися осями.

Заявляемый способ может быть осуществлен, например, следующим образом. Пусть необходимо воспроизвести качественное стереоскопическое изображение для наблюдения с дистанции V=60 см, имея левое и правое изображения объекта, получаемые от видеокамер с фокусным расстоянием о6ъективов f=0,35 см и углом конвергенции =5°. Для этого левое и правое изображения объекта воспроизводят с увеличением кадра М=50 на первом и втором экранах, установленных под прямым углом друг к другу и оптически связанных между собой с помощью светоделительной пластины, расположенной под углом 45° к каждому из экранов. Затем первый и второй экраны поворачивают по часовой стрелке вокруг вертикальных осей, проходящих через их центры, причем угол поворота определяют из соотношения (1)

Изображение от первого экрана наблюдают в прошедшем через делитель свете, а изображение от второго экрана - в отраженном от делителя свете, при этом любым известным способом обеспечивают сепарацию левого и правого изображений. Таким образом, зритель видит левое и правое изображения в разных плоскостях, пересекающихся под углом 2 , что согласно предлагаемому изобретению позволяет ему наблюдать стереоскопическое изображение объекта без искривления плоскостей, причем стереоэффект воспринимается как в центре, так и за пределами центральной части экрана.