способ и устройство для получения стереоскопических видеоизображений

Формула изобретения

1. Способ получения стереоскопических видеоизображений от двух видеокамер со сходящимися оптическими осями, изображение с которых воспроизводят на двух экранах, установленных в вертикальных плоскостях под углом друг к другу и оптически связанных между собой с помощью светоделительной пластины, при этом экраны располагают с обеспечением симметрии их центральных частей относительно светоделительной пластины, отличающийся тем, что определяют угол расположения экранов, для этого размещают плоскую прямоугольную решетку в плоскости конвергенции видеокамер, воспроизводят левое и правое изображения решетки на соответствующих экранах, снимают изображение решетки с каждого экрана и после совмещения изображений по центру находят, по крайней мере, две пары сопряженных точек левого и правого изображений решетки, определяют среднюю точку для каждой пары, по найденным средним точкам с учетом положения оптических центров глаз зрителя определяют расчетные положения экранов для левого и правого глаза, определяют угол между ними, при этом один из экранов устанавливают в одном из расчетных положений, а угол расположения второго экрана, определяют из соотношения

=2 ± ,

где - угол между экраном, установленным в расчетном положении, и светоделительной пластиной, выбираемый из интервала значений от 0 до 90°.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что сопряженные точки левого и правого изображений решетки определяют по пересечению вертикальных линий изображений левого и правого ракурсов решетки с горизонтальной линией, проходящей через центр решетки.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что расчетные положения экранов с изображениями для левого и правого глаза находят по пересечению прямых, проходящих через оптический центр левого или правого глаза зрителя и средние точки, с концентрическими полуокружностями, имеющими центры, совпадающие с центром решетки, и проходящими через точки левого или правого изображения решетки.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что при определении расчетных положений экранов оптические центры глаз зрителя равноудалены от центра совмещенного изображения решетки.

5. Устройство для получения стереоскопических видеоизображений, содержащее видеокамеры со сходящимися оптическими осями, экраны с установленными перед ними поляризаторами, очки с анализаторами, светоделительную пластину, через которую оптически связаны экраны с возможностью получения полезных прошедшего и отраженного световых потоков, при этом экраны расположены в вертикальных плоскостях под углом друг к другу с обеспечением симметрии их центральных частей относительно светоделительной пластины, отличающееся тем, что светоделительная пластина расположена по отношению к экрану, предназначенному для получения полезного прошедшего светового потока, под углом , выбранным из интервала значений от 0 до 90°, а угол расположения экранов определяют из соотношения

=2 ± ,

где - угол между расчетными положениями экранов с левым и правым изображениями соответственно.

6. Устройство по п.5, отличающееся тем, что в качестве экранов используют экраны дисплеев с электронно-лучевыми трубками или плазменных дисплеев или дисплеев на органических светоизлучающих диодах (OLED).

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к способам и устройствам получения стереоскопических телевизионных и видеоизображений (далее - стереоскопических изображений) и может быть использовано в науке, образовании, медицине, производстве, включая микроскопию, эндоскопию, телемедицину, подводное телевидение, где требуется получение в реальном времени качественных цветных 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 котором 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 устройствах получения стереоскопических изображений, предъявляющих изображения обоих ракурсов в общей плоскости наблюдения, при воспроизведении стереопары, полученной по такой схеме, возникает искажение стереоскопического изображения, называемое искривлением плоскости экрана [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.]. При таком искажении объекты, находящиеся в центре экрана, кажутся находящимися ближе к наблюдателю, чем объекты по краям экрана [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.]. При этом плоский экран устройства кажется выгнутым и то же самое происходит с другими плоскостями на всем протяжении воспроизводимого пространства. В результате зритель получает неверное впечатление о пространственном расположении объектов в наблюдаемой сцене и может принять ошибочное решение.

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. (Патент на изобретение US №6593959, МПК: H04N 15/00).

Известно устройство для осуществления данного способа, содержащее жидкокристаллический дисплей, матрицу из микрополяризаторов, помещаемую перед экраном дисплея, устройство для обработки видеосигнала, очки с анализаторами. Матрица микрополяризаторов состоит из чередующихся областей с первым и со вторым направлениями линейной поляризации. Устройство обработки видеосигнала обеспечивает вывод на экран фрагментов изображений для левого и правого глаз, при котором фрагменты левого изображения отображаются напротив микрополяризаторов с первым направлением поляризации, а фрагменты правого изображения - напротив микрополяризаторов со вторым направлением поляризации. (Патент на изобретение US №6593959, МПК: H04N 15/00).

Данные способ и устройство характеризуются недостаточным качеством воспроизводимого стереоскопического изображения, обусловленным двукратным снижением разрешения, а также искривлением плоскостей в стереоскопическом изображении при воспроизведении стереопар, полученных съемкой со сходящимися оптическими осями объективов камер.

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. (Патент на изобретение US №6975345, МПК: H04N 13/04).

Известно также устройство для осуществления данного способа, содержащее дисплей с электронно-лучевой трубкой, жидкокристаллический модулятор с возможностью переключения между первым и вторым состояниями поляризации, устройство управления модулятором с возможностью синхронизации переключения модулятора с воспроизведением левого и правого изображений. (Патент на изобретение US №6975345, МПК: H04N 13/04).

Данные способ и устройство позволяют получать стереоскопическое изображение без снижения разрешения, однако предъявляют 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 плоскостей в воспроизводимом пространстве.

Наиболее близким к заявляемому способу является способ получения стереоскопических изображений, в котором с помощью двух видеокамер получают изображения левого и правого ракурсов объемной сцены, воспроизводят полученные изображения 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. (Патент на изобретение US №2845618, НКИ: 340-369).

Наиболее близким к заявляемому устройству является устройство для получения стереоскопических изображений, содержащее две видеокамеры для получения изображений левого и правого ракурсов объемной сцены, устройство для преобразования получаемых изображений в телевизионный сигнал, передающее устройство, приемное устройство, два дисплея с электронно-лучевыми трубками, два поляризатора, полупрозрачное зеркало для совмещения изображений экранов дисплеев в общей плоскости наблюдения и очки с анализаторами для раздельного бинокулярного наблюдения совмещенных изображений. Дисплеи располагают симметрично относительно полупрозрачного зеркала под углом 90° друг к другу. (Патент на изобретение US №2845618, НКИ: 340-369).

Данные способ и устройство позволяют наблюдать изображение без снижения разрешения и не предъявляют к дисплеям повышенных требований, связанных с необходимостью работы с удвоенной кадровой частотой. Однако при ориентации видеокамер по схеме со сходящимися осями наблюдаемое стереоскопическое изображение характеризуется недостаточным качеством, обусловленным искривлением плоскостей в воспроизводимом трехмерном пространстве.

Задачей заявляемого изобретения является разработка способа и устройства для получения стереоскопического изображения, позволяющих воспроизводить стереопары от видеокамер со сходящимися оптическими осями без эффекта искривления плоскости 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 двух экранах, установленных в вертикальных плоскостях под углом друг к другу и оптически связанных между собой с помощью светоделительной пластины, при этом экраны располагают с обеспечением симметрии их центральных частей относительно светоделительной пластины, согласно предлагаемому решению определяют угол расположения экранов, для чего размещают плоскую прямоугольную решетку в плоскости конвергенции видеокамер, воспроизводят левое и правое изображения решетки на соответствующих экранах, снимают изображение решетки с каждого экрана и после совмещения изображений по центру находят, по крайней мере, две пары сопряженных точек левого и правого изображений решетки, определяют среднюю точку для каждой пары, по найденным средним точкам с учетом положения оптических центров глаз зрителя определяют расчетные положения экранов для левого и правого глаз, определяют угол между ними, при этом один из экранов устанавливают в одном из расчетных положений, а угол расположения второго экрана определяют из соотношения

=2 ± ,

где - угол между экраном, установленным в расчетном положении, и светоделительной пластиной, выбираемый из интервала значений от 0 до 90°.

Сопряженные точки левого и правого изображений решетки определяют по пересечению вертикальных линий изображений левого и правого ракурсов решетки с горизонтальной линией, проходящей через центр решетки. Расчетные положения экранов с изображениями для левого и правого глаз находят по пересечению прямых, проходящих через оптический центр левого или правого глаз зрителя и средние точки, с концентрическими полуокружностями, имеющими центры, совпадающие с центром решетки, и проходящими через точки левого или правого изображения решетки. При этом оптические центры глаз зрителя равноудалены от центра совмещенного изображения решетки.

Под сопряженными точками понимают точки в двух изображениях одного и того же объекта, являющиеся изображениями одной и той же точки этого объекта. При этом имеются в виду изображения объекта, полученные с точек зрения, соответствующих ракурсам наблюдения объекта левым и правым глазами (стереопара) [Валюс Н.А. Стереоскопия. М.: Изд-во Акад. Наук СССР, 1962. 379 с.].

В известных стереоскопических видеосистемах 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 искривленным. 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 между этими плоскостями, определяемом согласно предложенному способу, качество получаемого стереоскопического изображения возрастает, а именно устраняется искривление плоскостей в стереоскопическом изображении.

В заявляемом техническом решении предложены способ и устройство, позволяющие наблюдать стереопару, получаемую съемкой со сходящимися осями, как стереоскопическое изображение с неискаженным воспроизведением плоскостей.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 представлена диаграмма получения совмещенного изображения решетки в заявляемом способе, на фиг.2 показана схема определения расчетных положений экранов в заявляемом способе; на фиг.3 представлен вариант исполнения устройства, осуществляющего заявляемый способ; на фиг.4, 5 и 6 продемонстрировано устранение искривления в изображении тестовой прямоугольной решетки с помощью заявляемого способа.

Позициями на чертежах обозначены: 1 - тестовая плоская решетка, 2 - плоскость конвергенции видеокамер, 3, 4 - видеокамеры, 5, 6 - изображения левого и правого ракурсов плоской решетки, 7, 8 - экраны дисплеев, 9 - средняя точка для пары сопряженных точек левого и правого изображений решетки, 10, 11 - сопряженные точки изображений левого и правого ракурсов решетки, 12, 13 - оптические центры глаз зрителя, 14, 15 - расчетные положения экранов с левым и правым изображениями соответственно, 16 - горизонтальная линия, проходящая через центр решетки, 17, 18 - поляризаторы, 19 - очки с анализаторами, 20 - светоделительная пластина, 21 - исследуемый объемный объект, 22 - зритель, 23 - изображение экрана 7, наблюдаемое зрителем в отраженном от светоделительной пластины свете, 24 - наблюдаемое стереоскопическое изображение.

Согласно предлагаемому способу воспроизведения изображения от видеокамер со сходящимися оптическими осями сначала определяют угол расположения экранов с изображениями для левого и правого глаз. Для этого (фиг.1) плоскую решетку 1 помещают в плоскость конвергенции 2 видеокамер 3 и 4, расположенных по схеме со сходящимися оптическими осями. На экран 7 выводят изображение 5 левого ракурса решетки, получаемое от видеокамеры 3, а на экран 8 - изображение 6 правого ракурса решетки, получаемое от видеокамеры 4. Полученные изображения решетки 5 и 6 снимают с экранов и совмещают по центру. Находят, по крайней мере, две пары сопряженных точек, например пару сопряженных точек 10 и 11 и любую другую пару. Для каждой пары определяют среднюю точку, например среднюю точку 9 для пары сопряженных точек 10 и 11.

По найденным средним точкам с учетом положений оптических центров глаз зрителя 12 и 13 (фиг.2) определяют расчетное положение 14 экрана с изображением, предназначенным для левого глаза. Аналогично определяют расчетное положение 15 экрана с изображением, предназначенным для правого глаза. Измеряют угол между найденными расчетными положениями экранов 14 и 15. Далее устанавливают один из экранов (первый экран) в расчетное положение, устанавливают светоделительную пластину под углом к первому экрану, располагают центр второго экрана симметрично относительно пластины с центром первого экрана, устанавливают второй экран - под углом к первому экрану, причем угол определяют из соотношения

=2 ± (1)

Угол выбирают из интервала значений от 0 до 90°, в предпочтительном варианте реализации изобретения - близким к значению 45°.

При этом сопряженные точки левого и правого изображений решетки, например точки 10 и 11, определяют по пересечению вертикальных линий изображений левого и правого ракурсов решетки с горизонтальной линией 16, проходящей через центр решетки.

Расчетное положение 14 экрана с изображением для левого глаза (фиг.2) находят по пересечению прямых, проходящих через оптический центр 12 левого глаза зрителя и найденные средние точки, например точку 9, с концентрическими полуокружностями, имеющими центры, совпадающие с центром решетки, и проходящими через точки левого изображения 5 решетки, например точку 10. Аналогично расчетное положение 15 экрана с изображением для правого глаза находят по пересечению прямых, проходящих через оптический центр 13 правого глаза зрителя и найденные средние точки, например точку 9, с концентрическими полуокружностями, имеющими центры, совпадающие с центром решетки, и проходящими через точки правого изображения 6 решетки, например точку 11. При этом оптические центры глаз зрителя равноудалены от центра совмещенного изображения решетки.

Устройство (фиг.3) для осуществления заявляемого способа содержит видеокамеры 3 и 4, расположенные так, что оптические оси их объективов сходятся в одной точке, экраны 7 и 8 с установленными перед ними поляризаторами 17 и 18, очки с анализаторами 19, светоделительную пластину 20, через которую оптически связаны экраны с возможностью получения полезных прошедшего и отраженного световых потоков, при этом экраны расположены в вертикальных плоскостях под углом друг к другу с обеспечением симметрии их центральных частей относительно светоделительной пластины.

При этом светоделительная пластина расположена по отношению к экрану 8, предназначенному для получения полезного прошедшего светового потока, под углом , выбранным из интервала значений от 0 до 90°, а угол расположения экранов определен из соотношения (1).

Поляризаторы 17 и 18 ориентированы с возможностью поляризации светового потока в ортогональных направлениях, и соответствующим образом ориентированы анализаторы в очках 19. В качестве светоделительной пластины 20 используется полупрозрачное зеркало, например, с многослойным диэлектрическим покрытием.

Устройство (фиг.3) работает следующим образом. Изображение левого ракурса исследуемого объемного объекта 21 получают с помощью видеокамеры 3 и воспроизводят на экране 7. Изображение правого ракурса объекта 21 получают с помощью видеокамеры 4 и воспроизводят на экране 8. Зритель 22 наблюдает через очки 19 экран 8 в прошедшем через пластину 20 свете и изображение 23 экрана 7 в отраженном от пластины 20 свете. При этом из-за наличия поляризаторов 17, 18 левый глаз зрителя видит только изображение экрана 23, а правый глаз - только экран 8, в результате чего зритель воспринимает представляемый объект объемным, то есть видит стереоскопическое изображение объекта. Так как угол был выбран в соответствии с соотношением (1), зритель видит экран 8 и изображение экрана 23 расположенными в разных плоскостях, пересекающихся под требуемым углом . Вследствие этого в плоских изображениях, видимых каждым из глаз зрителя, происходит компенсация геометрических искажений, возникших при съемке из-за непараллельности сенсоров видеокамер, и в результате зритель наблюдает стереоскопическое изображение объекта без искривления плоскостей.

На фиг.4-6 продемонстрировано устранение искривления в изображении тестовой прямоугольной решетки, находящейся в плоскости конвергенции видеокамер со сходящимися осями, с помощью заявляемого способа. На линии 16 фиг.4 показаны положения сопряженных точек левого и правого изображений решетки, соответствующие стереопаре решетки, полученной с помощью двух видеокамер со сходящимися осями с базисом съемки 8 см и дистанцией конвергенции 30 см, причем решетка состоит из квадратов со стороной 4 см.

На фиг.4 показано, что при представлении левого и правого изображений исследуемой решетки в общей плоскости, что соответствует известным стереоскопическим видеосистемам, ее стереоскопическое изображение искривлено. На фиг.5 продемонстрировано определение расчетных положений экранов с левым и правым изображениями решетки согласно заявляемому способу. На фиг.6 продемонстрировано устранение искривления стереоскопического изображения решетки, происходящее после помещения каждого из экранов в соответствующее расчетное положение, определенное согласно заявляемому способу.

На фиг.4 положения точек наблюдаемого стереоскопического изображения 24 найдены по пересечению зрительных линий, проведенных между оптическими центрами глаз зрителя и соответствующими точками левого и правого изображений. Стереоскопическое изображение 24 (фиг.4), полученное известным способом представления стереопары в одной плоскости, искривлено и не соответствует форме реального объекта.

На фиг.5 показано нахождение расчетного положения 14 для экрана с левым изображением и расчетного положения 15 для экрана с правым изображением в соответствии с заявляемым способом.

На фиг.6 изображение 23 экрана с левым изображением и экран 8 с правым изображением помещены в найденные расчетные положения 14 и 15 и построено стереоскопическое изображение решетки 24, причем изображение 24 построено по тем же правилам, что и на фиг.4. Заметно, что теперь искривление изображения решетки устранено, и форма наблюдаемого изображения соответствует форме реального объекта. Таким образом, тестовая стереопара, наблюдаемая в известных стереоскопических видеосистемах как стереоскопическое изображение с искривлением плоскости экрана, может быть воспроизведена без искривления с помощью предложенного изобретения.