RU2375840C2 - Method of forming three-dimensional colour virtual video image and device for creating effect of reality for user (versions) - Google Patents
Method of forming three-dimensional colour virtual video image and device for creating effect of reality for user (versions) Download PDFInfo
- Publication number
- RU2375840C2 RU2375840C2 RU2007114783/09A RU2007114783A RU2375840C2 RU 2375840 C2 RU2375840 C2 RU 2375840C2 RU 2007114783/09 A RU2007114783/09 A RU 2007114783/09A RU 2007114783 A RU2007114783 A RU 2007114783A RU 2375840 C2 RU2375840 C2 RU 2375840C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- video signal
- scanner
- video image
- scanning
- color
- Prior art date
Links
Images
Abstract
Description
Область техники, к которой относится изобретениеFIELD OF THE INVENTION
Изобретение относится к видеотехнике и предназначено для формирования трехмерного цветного виртуального видеоизображения и создания эффекта виртуальной реальности у пользователя с помощью бинокулярного сканера (двух сканеров-окуляров). Впервые пользователь видеотехники имеет возможность «входить» в виртуальное трехмерное пространство, получая иллюзию участия в виртуальных событиях. Эффект виртуальной реальности у пользователя значительно превосходит по иллюзорности объемный эффект голографии.The invention relates to video equipment and is intended for forming a three-dimensional color virtual video image and creating a virtual reality effect for a user using a binocular scanner (two eyepiece scanners). For the first time, a user of video equipment has the ability to "enter" into virtual three-dimensional space, receiving the illusion of participation in virtual events. The user’s virtual reality effect far surpasses the volumetric effect of holography in illusory nature.
Изобретение предназначено для просмотра в режиме виртуальной реальности различных видеоизображений, в том числе видеофильмов, телевизионных передач, компьютерных игр и программ. Особый эффект присутствия достигается в компьютерных играх, когда у игрока создается полная иллюзия непосредственного участия в реальной игре. Использование изобретения на тренажерах при подготовке водителей, летчиков и других специалистов создает полную иллюзию действительности, ускоряя процесс обучения. Изобретение может быть использовано как прибор ночного видения или прибор видения в инфракрасном, ультрафиолетовом и других диапазонах электромагнитного излучения. Изобретение может заменять собой дисплей компьютера и телевизора, выполнено преимущественно в виде бинокулярного сканера и надевается на голову пользователя, подключая его к виртуальному пространству. Кроме того, изобретение может быть использовано для проецирования видеоизображения на плоский экран.The invention is intended for viewing in virtual reality various video images, including video films, television broadcasts, computer games and programs. A special presence effect is achieved in computer games, when the player creates a complete illusion of direct participation in a real game. The use of the invention on simulators in the training of drivers, pilots and other specialists creates a complete illusion of reality, accelerating the learning process. The invention can be used as a night vision device or a vision device in the infrared, ultraviolet and other ranges of electromagnetic radiation. The invention can replace the display of a computer and a TV, made primarily in the form of a binocular scanner and is worn on the user's head, connecting it to the virtual space. In addition, the invention can be used to project video onto a flat screen.
Уровень техникиState of the art
Известны способы создания объемного голографического телевидения с использованием когерентного лазерного излучения (см. Патент США №4359758 (1982), H04N 9/54 (US Cl 358/90) и Патент США №4484219 (1984), H04N 9/54 (US Cl 358/90). Несмотря на наличие патентов, практическая реализация голографического телевидения (трехмерной движущейся цветной картинки) сопряжена с множеством технические трудностей, и в первую очередь, с решением задачи быстрой записи и стирания голограмм на специальных носителях (объемных средах). Эта задача пока технически не решена. Но даже при ее решении голографическое объемное видеоизображение не позволяет пользователю входить в виртуальное пространство, наблюдая виртуальную картину событий, как реальную.Known methods for creating surround holographic television using coherent laser radiation (see US Patent No. 439758 (1982),
Наиболее близким техническим решением (прототипом) предлагаемому изобретению является способ широкоформатной высокоскоростной развертки лазерного луча в телевизионном и других изображениях и устройство для его реализации (B.C.Леонов, В.Е.Пилкин «Возможность быстрого сканирования лазерным лучом с большим углом развертки». Лазер Информ. Информационный бюллетень лазерной ассоциации. Выпуск №22 (349), ноябрь 2006). Использование способа широкоформатной и высокоскоростной развертки лазерного луча позволяет проецировать видеоизображение на экран по типу сканирования экрана методом строчной и кадровой развертки телевизионного видеоизображения. Для этого необходимо иметь предварительную запись исходного видеоизображения объектов наблюдения в виде аналогового или цифрового электрического сигнала с модуляцией яркости лазерного луча.The closest technical solution (prototype) of the present invention is a method for large-format high-speed scanning of a laser beam in television and other images and a device for its implementation (BCLeonov, V.E. Pilkin "The ability to quickly scan a laser beam with a large scan angle." Laser Inform. Laser Association Newsletter Issue No. 22 (349), November 2006). Using the method of large-format and high-speed scanning of the laser beam allows you to project a video image on the screen by the type of screen scanning by the method of horizontal and vertical scanning of a television video image. For this, it is necessary to have a preliminary record of the initial video image of the objects of observation in the form of an analog or digital electrical signal with modulation of the brightness of the laser beam.
Устройство для широкоформатной и высокоскоростной развертки лазерного луча, именуемое в дальнейшем сканер, включает два линейных механически сопряженных полосковых резонатора, причем первый резонатор снабжен возбудителем колебаний и выполнен в виде пластины, на конце которой закреплен второй резонатор в виде тонкой упругой полоски с отражающим зеркальным покрытием. При возбуждении колебаний резонаторов амплитуда колебаний второго резонатора значительно превосходит амплитуду колебаний первого резонатора и позволяет производить строчную широкоформатную и высокоскоростную развертку лазерного луча на частотах стандартного видеосигнала. При снабжении данного устройства дополнительным устройством кадровой развертки получаем прибор, именуемым в дальнейшем сканером. Сканер позволяет производить строчную и кадровую развертку лазерного луча по горизонтали и вертикали.A device for large-format and high-speed scanning of the laser beam, hereinafter referred to as the scanner, includes two linear mechanically conjugated strip resonators, the first resonator being equipped with an excitation oscillator and made in the form of a plate, at the end of which a second resonator is fixed in the form of a thin elastic strip with a reflective mirror coating. When excitation of resonator vibrations, the amplitude of the second resonator oscillations significantly exceeds the amplitude of the oscillations of the first resonator and allows for horizontal line-format and high-speed scanning of the laser beam at the frequencies of a standard video signal. When supplying this device with an additional frame scanning device, we obtain a device, hereinafter referred to as the scanner. The scanner allows horizontal and vertical scanning of the laser beam horizontally and vertically.
Однако данный способ широкоформатной и высокоскоростной развертки лазерного луча и устройство для его реализации не позволяют непосредственно формировать трехмерное цветное виртуальное видеоизображение и не позволяют пользователю «входить» в виртуальное пространство.However, this method of large-format and high-speed scanning of a laser beam and a device for its implementation do not allow directly to form a three-dimensional color virtual video image and do not allow the user to "enter" into virtual space.
Сущность изобретенияSUMMARY OF THE INVENTION
Техническим решением, на достижение которого направлено изобретение, является создание условий для формирования трехмерного цветного виртуального видеоизображения и создания эффекта виртуальной реальности у пользователя с помощью бинокулярного сканера (двух сканеров-окуляров).The technical solution to which the invention is directed is to create conditions for forming a three-dimensional color virtual video image and creating a virtual reality effect for a user using a binocular scanner (two eyepiece scanners).
Реализация предлагаемого технического решения позволяет создать у пользователя иллюзию вхождения в виртуальное пространство за счет формирования трехмерного цветного виртуального видеоизображения на сетчатке глаза методом сканирования. Сканирование осуществляется двумя сканерами-окулярами, закрепленными на шлеме, который одевается на голову пользователя.The implementation of the proposed technical solution allows you to create the illusion of entering the virtual space by creating a three-dimensional color virtual video image on the retina by scanning. Scanning is performed by two eyepiece scanners mounted on a helmet that is worn on the user's head.
Раскрытие изобретенияDisclosure of invention
Указанный технический результат достигается тем, что в способе трехмерное цветное виртуальное видеоизображение формируют методом строчного и кадрового сканирования непосредственно самой сетчатки глаза световым лучом белого цвета (смешение красного, зеленого и синего цветов). При этом компенсируют оптическую кривизну хрусталика и/или расширяют угол вхождения светового луча в глазное яблоко за счет размещения дополнительного фокуса схождения световых лучей внутри хрусталика или глазного яблока. Причем видеоизображение на сетчатке глаза формируют перевернутым сверху вниз на 180°. И таким образом, сканируют одновременно и независимо сетчатку правого и левого глаза, а изображение на каждом глазу формируют от двух различных видеосигналов, полученных при записи исходного видеоизображения объектов наблюдения под различным углом зрения.The specified technical result is achieved by the fact that in the method a three-dimensional color virtual video image is formed by the line and frame scanning method directly of the retina itself with a white light beam (mixing of red, green and blue colors). At the same time, the optical curvature of the lens is compensated and / or the angle of entry of the light beam into the eyeball is expanded by placing an additional focus for the convergence of light rays inside the lens or eyeball. Moreover, the video image on the retina is formed upside down by 180 °. And thus, the retina of the right and left eyes is scanned simultaneously and independently, and the image on each eye is formed from two different video signals obtained when recording the original video image of the objects of observation from a different angle of view.
Кроме того, строчное сканирование сетчатки глаза в кадре производят световым лучом по закону, близкому к синусоидальному, на частоте, равной половине частоты строчной развертки исходного видеосигнала, предварительно проводят селекцию видеосигнала для нечетных и четных строчек развертки на два потока прямой и обратной последовательности. Видеосигнал для нечетных строчек прямой последовательности задерживают во времени, а видеосигнал для четных строчек инвертируют во времени в видеосигнал обратной последовательности. Далее видеосигналы смешивают в единый адаптированный видеосигнал, который записывают в блок электронной памяти. Затем видеосигнал извлекают синхронно с работой сканера, обеспечивая чересстрочную развертку обратного хода луча в обратной последовательности, а время прохождения строчки ограничивают линейной частью синусоиды. Таким образом, формируют одновременно два кадра для прямой и обратной последовательности хода светового луча, а затем кадры прямой и обратной последовательности совмещают в единый кадр, управление цветом и яркостью видеоизображения осуществляют изменением мощности и длительности светового луча одновременно для каждого цвета (красного, зеленого, синего) в отдельности.In addition, line scanning of the retina of the eye in the frame is performed by a light beam according to a law close to sinusoidal, at a frequency equal to half the line frequency of the initial video signal, the video signal is preliminarily selected for odd and even scan lines into two streams of direct and reverse sequence. The video signal for odd stitches of the direct sequence is delayed in time, and the video signal for even stitches is inverted in time into the video signal of the reverse sequence. Next, the video signals are mixed into a single adapted video signal, which is recorded in the electronic memory unit. Then the video signal is extracted synchronously with the scanner, providing interlaced scanning of the reverse beam in the reverse sequence, and the time of passage of the line is limited to the linear part of the sinusoid. Thus, two frames are formed simultaneously for the direct and reverse sequence of the light beam, and then the direct and reverse sequence frames are combined into a single frame, the color and brightness of the video image are controlled by changing the power and duration of the light beam simultaneously for each color (red, green, blue ) separately.
Указанный технический результат достигается тем, что при реализации способа по п.1 и 2 формулы изобретения устройство для создания эффекта виртуальной реальности у пользователя выполнено в виде бинокулярного сканера (два сканера-окуляра, разнесенные на межосевое расстояние глаз человека), состоящего из двух корпусов сканеров-окуляров, линз, шлема, устройства строчной и кадровой разверток, светодиодного трехцветного излучателя или лазера белого цвета, датчиков синхронизации, системы управления: сканерами, видеосигналом и светодиодным трехцветным излучателем, звуковой системы и системы питания. Причем корпуса сканеров-окуляров размещены внутри шлема, а внутри каждого корпуса сканера-окуляра встроены устройства строчной и кадровой разверток, трехцветный излучатель белого цвета, датчики синхронизации. Причем устройство строчной развертки дополнено жесткой отражающей пластиной, установленной на конце упругой полоски второго резонатора, а само устройство строчной развертки размещено в герметичном корпусе с прозрачным окном. Устройство кадровой развертки выполнено по типу строчной развертки или содержит отражающую пластину с виброприводом или приводом от микродвигателя, например шагового, трехцветный излучатель белого цвета включает три чипа (красный, зеленый, голубой) и снабжен оптоволоконной системой для смешивания цветов, установленных в едином корпусе.The specified technical result is achieved by the fact that when implementing the method according to
Кроме того, устройство по п.3 формулы изобретения, отличающееся тем, что система управления сканерами-окулярами, видеосигналом и светодиодным трехцветным излучателем включает строчной селектор, блок задержки, два блока памяти (первый и второй), блок считывания, смеситель, блок синхронизации с фотодатчиками, шины соединения, генератор тактовых импульсов, блок питания. Причем строчной селектор соединен шинами с блоком задержки и первым блоком памяти, блок считывания соединен шинами с первым блоком памяти и смесителем, который соединен шинами с блоком задержки, а смеситель соединен шинами со вторым блоком памяти, который соединен шинами с блоком синхронизации с фотодатчиками, а фотодатчики установлены как концевые датчики строчной и кадровой разверток внутри сканера-окуляра.In addition, the device according to
Краткое описание чертежейBrief Description of the Drawings
На фиг.1 представлена схема глаза человека в разрезе по вертикали и показано, что реальное изображение на сетчатке глаза перевернуто.Figure 1 presents a diagram of the human eye in a vertical section and shows that the real image on the retina is inverted.
На фиг.2 показано, что все существующие способы формирования видеоизображения связаны с использованием экрана (дисплея).Figure 2 shows that all existing methods of forming a video image are associated with the use of a screen (display).
На фиг.3 представлена схема сканирования сетчатки глаза световым (лазерным) лучом с нанесением на сетчатку видеоизображения.Figure 3 presents the scheme of scanning the retina with a light (laser) beam with a video image applied to the retina.
На фиг.4 представлена схема компенсации оптической кривизны хрусталика глаза.Figure 4 presents a compensation scheme for the optical curvature of the lens of the eye.
На фиг.5 представлена схема расширения угла вхождения светового луча в глазное яблоко за счет схождения световых лучей в фокусе внутри хрусталика или глазного яблока.Figure 5 presents a diagram of the expansion of the angle of entry of the light beam into the eyeball due to the convergence of the light rays in focus inside the lens or eyeball.
На фиг.6 представлена схема формирования объемного видеоизображения в трехмерном пространстве.Figure 6 presents a diagram of the formation of three-dimensional video in three-dimensional space.
На фиг.7 (а, b, с) представлена схема работы сканера на различных этапах развертки светового луча.Fig. 7 (a, b, c) shows a diagram of the operation of the scanner at various stages of the scanning of the light beam.
На фиг.8 представлена гармоническая кривая, близкая к синусоидальной, по которой происходит строчная развертка светового луча сканером.On Fig presents a harmonic curve close to sinusoidal, along which there is a horizontal scan of the light beam by the scanner.
На фиг.9 представлена пилообразная кривая стандартной строчной развертки, например, электронного луча кинескопа телевизора.Figure 9 presents a sawtooth curve of a standard horizontal scan, for example, an electron beam of a kinescope of a television set.
На фиг.10 представлено совмещение синусоиды и пилообразной кривой.Figure 10 shows the combination of a sinusoid and a sawtooth curve.
На фиг.11 представлено ограничение времени строчки линейной частью синусоиды.Figure 11 presents the limitation of the line time by the linear part of the sine wave.
На фиг.12 представлены графики стандартного видеосигнала (а) и этапы (b, с, d) его преобразования в адаптированный видеосигнал.On Fig presents graphs of a standard video signal (a) and the steps (b, c, d) of its conversion into an adapted video signal.
На фиг.13 представлена блок-схема преобразования стандартного видеосигнала, адаптированного для прямого и обратного хода луча чересстрочной развертки.On Fig presents a block diagram of the conversion of a standard video signal adapted for forward and reverse beam interlaced.
На фиг.14 представлен растр кадра видеоизображения, полученный методом прямого и обратного хода луча чересстрочной развертки.On Fig presents a raster frame of the video image obtained by the method of forward and reverse beam interlaced.
На фиг.15 представлена блок-схема управления цветом и яркостью видеоизображения.On Fig presents a block diagram of the control color and brightness of the video image.
На фиг.16 представлен цифровой импульс цветного видеосигнала в световом луче.On Fig presents a digital pulse of a color video signal in the light beam.
На фиг.17 представлена схема бинокулярного сканера в разрезе (вид сверху) для создания эффекта виртуальной реальности.On Fig presents a diagram of a binocular scanner in section (top view) to create the effect of virtual reality.
На фиг.18 представлен сканер-окуляр в разрезе (виды сбоку - А и сверху - В).On Fig presents the scanner eyepiece in section (side views - A and top - B).
На фиг.19 представлено устройство строчной развертки.On Fig presents a horizontal scanning device.
На фиг.20 представлен в разрезе светодиодный трехцветный излучатель.On Fig presents in the context of the LED three-color emitter.
На фиг.21 представлена блок-схема системы управления сканерами-окулярами, видеосигналом и светодиодным трехцветным излучателем.On Fig presents a block diagram of a control system for scanners, eyepieces, video signal and LED tri-color emitter.
На фиг.22 показан бинокулярный сканер для создания эффекта виртуальной реальности у пользователя устройством по изобретению.On Fig shows a binocular scanner to create the effect of virtual reality for the user of the device according to the invention.
На фиг.23 представлено выполнение второго резонатора в виде оптического волновода.On Fig presents the implementation of the second resonator in the form of an optical waveguide.
На фиг.24 представлено выполнение сканера-окуляра с размещением в нем сканирующей вращающейся головки.On Fig presents the implementation of the scanner-eyepiece with the placement of a scanning rotating head.
Осуществление изобретенияThe implementation of the invention
На фиг.1 представлена схема глаза человека в разрезе по вертикали. Глаз человека (глазное яблоко) 1 имеет сложное устройство, но для работы способа формирования трехмерного цветного виртуального видеоизображения из элементов глаза достаточно указать хрусталик 3 и сетчатку 2. Изображение реального объекта 4 (стрелка) проецируется через хрусталик 3 на сетчатку глаза 2. Хрусталик является линзой. Световые лучи, идущие от объекта, преломляются хрусталиком по законам геометрической оптики. Поэтому на сетчатке глаза изображение 5 перевернуто. Кроме того, сетчатка представляет собой не плоский экран, а сферу, и проецируемое изображение 5 представлено изогнутым по сфере. Сетчатка 2 преобразует оптическое изображение в нервные сигналы, которые поступают в мозг, и человек видит реальные предметы. Мозг человека работает так, что перевернутое на сетчатке и изогнутое по сфере изображение воспроизводится мозгом не перевернутым и не изогнутым. Человек видит реальный мир.Figure 1 presents a diagram of the human eye in a vertical section. The human eye (eyeball) 1 has a complex device, but for the method of forming a three-dimensional color virtual video image from the eye elements, it is enough to indicate the
Все известные способы искусственного воспроизведения видеоизображения связаны с проецированием изображения на экран (дисплей), кино, телевидение, компьютер. Экран - это промежуточное устройство между человеком и воспроизводимым видеоизображением.All known methods of artificially reproducing video images are associated with projecting an image onto a screen (display), film, television, computer. A screen is an intermediate device between a person and a reproduced video image.
На фиг.2 показано, что изображение с экрана (дисплея) 6 проецируется на сетчатку 2 глаза. Изображение стрелки 6 в эллипсе на сферической сетчатке глаза искажается и перевернуто. Но пользователь видит плоский экран и плоское видеоизображение с экрана, которое не является реальным отображением трехмерного мира. В этом заключается сложная работа мозга по восприятию изображения. Кстати, в физике не существует цветов, а только длина волны световых фотонов. Это мозг дает цветное восприятие мира, проявляя свои уникальные возможности.Figure 2 shows that the image from the screen (display) 6 is projected onto the
Чтобы трехмерное цветное видеоизображение воспринималось мозгом человека как реальное, необходимо создать условия восприятия видеоизображения, аналогичные восприятию реального трехмерного пространства. Для этого необходимо убрать экран (дисплей) как промежуточное звено между человеком и реальным пространством и проецировать видеоизображение непосредственно на сетчатку глаза. Этим техническим приемом достигается обман восприятия мозгом видеоизображения, который при отсутствии промежуточного экрана воспринимает видеоизображение, напрямую проецируемое на сетчатку глаза, как реальное, несмотря на иллюзорность видеокартинки. Данный технический прием позволяет создать полную иллюзию реальной действительности (виртуальной реальности).In order for a three-dimensional color video image to be perceived by the human brain as real, it is necessary to create conditions for the perception of video images similar to the perception of real three-dimensional space. To do this, you need to remove the screen (display) as an intermediate link between a person and real space and project the video image directly onto the retina. This technique tricks the brain into perceiving a video image, which, in the absence of an intermediate screen, perceives a video image directly projected onto the retina as real, despite the illusory nature of the video image. This technique allows you to create a complete illusion of reality (virtual reality).
Чтобы создать полную иллюзию виртуальной реальности, необходимо видеосигналом модулировать световой луч и, сканируя напрямую световым лучом сетчатку глаза, воспроизвести на сетчатке видеоизображение, минуя его воспроизведение на промежуточном экране. Глаз оценивает только прямое видеоизображение на сетчатке, полученное без проецирования на промежуточный экран, как это происходит в действительности. Изначально записанное с реального объекта видеоизображение, при проецировании его, таким образом, на сетчатку глаза воссоздает исходное изображение объекта.In order to create a complete illusion of virtual reality, it is necessary to modulate the light beam with a video signal and, by scanning the retina directly with a light beam, reproduce the video image on the retina, bypassing its playback on the intermediate screen. The eye evaluates only the direct video image on the retina obtained without projecting onto the intermediate screen, as it actually happens. The video image originally recorded from a real object, when projecting it in this way onto the retina, recreates the original image of the object.
Рассмотрим особенности формирования трехмерного цветного виртуального видеоизображения на сетчатке глаза. Но прежде уточним, что лазерный луч представляет когерентное излучение на конкретной частоте. При смешивании нескольких цветов лазерный луч является носителем нескольких световых частот. Поэтому термин «световой луч» (используемый ранее и далее по тексту) как более широкое понятие включает лазерное излучение, а также светодиодное и другие виды световых излучений, поскольку световой луч можно формировать, используя фокусировку и диафрагмирование расходящегося светового излучения.Consider the features of the formation of three-dimensional color virtual video images on the retina. But first, we clarify that the laser beam represents coherent radiation at a specific frequency. When mixing several colors, the laser beam is a carrier of several light frequencies. Therefore, the term “light beam” (used earlier and hereinafter) as a broader concept includes laser radiation, as well as LED and other types of light radiation, since a light beam can be formed using the focus and iris of diverging light radiation.
На фиг.3 представлена схема сканирования сетчатки глаза световым лучом с нанесением на сетчатку видеоизображения. Сканирующий по строчкам и кадрам световой луч выходит из сканера 7, проходит хрусталик 3 и воссоздает на сетчатке 2 исходное видеоизображение 5, которое пользователю кажется реальным 4, находящимся за сканером 7. Исключение экрана и прямое проецирование изображения на сетчатку глаза позволяет создавать виртуальную картину событий, близкую к реальной. Сканирующий световой луч наносит напрямую на сетчатку глаза виртуальное видеоизображение, создавая иллюзию реальности.Figure 3 presents the scheme of scanning the retina with a light beam with a video image applied to the retina. The light beam scanning through the lines and frames exits the
В формуле изобретения предлагаемый способ отличается тем, «что виртуальное видеоизображение у пользователя воссоздают методом строчного и кадрового сканирования непосредственно самой сетчатки глаза световым лучом». Это является существенным отличительным признаком способа, поскольку прямое нанесение на сетчатку глаза видеоизображения методом строчного и кадрового сканирования светового луча ранее не было известно. И только прямое сканирование сетчатки глаза световым лучом дает положительный эффект восприятия виртуальной реальности.In the claims, the proposed method is characterized in that "the user creates a virtual video image by the line and frame scanning of the retina itself with a light beam." This is a significant distinguishing feature of the method, since direct application of a video image to the retina using the line and frame scanning of a light beam was not previously known. And only direct scanning of the retina with a light beam gives a positive effect on the perception of virtual reality.
Однако прямое сканирование сетчатки глаза световым лучом сопряжено и с биологическими особенностями его строения, которые требуют введения дополнительных признаков (приемов) при формировании прямого видеоизображения.However, direct scanning of the retina of the eye with a light beam is also associated with biological features of its structure, which require the introduction of additional features (tricks) in the formation of a direct video image.
Прежде всего, необходимо отметить, что хрусталик глаза предназначен для фокусировки изображения на сетчатке. При лазерном нанесении изображения методом сканирования тонким лучом исключается сама необходимость фокусировки изображения на сетчатке глаза. В данном случае хрусталик становится лишним элементом, вносящим искажения в проецируемое лазерным лучом видеоизображение на сетчатке глаза (фиг.3).First of all, it should be noted that the lens of the eye is designed to focus the image on the retina. When laser image is applied by scanning with a thin beam, the necessity of focusing the image on the retina of the eye is eliminated. In this case, the lens becomes an extra element that introduces distortion into the projected laser beam video image on the retina (Fig.3).
Чтобы компенсировать негативное действие оптической кривизны хрусталика, между хрусталиком 3 и сканером 7 устанавливается компенсирующая вогнутая линза 8 с обратной кривизной (фиг.4). В этом случае световой луч из сканера по прямой линии проецируется на сетчатку глаза (с целью упрощения картинки на фиг.4 не показано преломления луча на хрусталике и компенсирующей линзе). Компенсирующая линза может быть контактной.In order to compensate for the negative effect of the optical curvature of the lens, a compensating
В формуле изобретения данный элемент способа отражен фразой: «при этом компенсируют оптическую кривизну хрусталика». То, что это делается с помощью линзы 8, в дальнейшем находит свое отражение в формуле на устройство.In the claims, this element of the method is reflected by the phrase: "while compensating for the optical curvature of the lens". The fact that this is done using
Однако при маленьких размерах хрусталика и зрачка глаза сканер 7 необходимо очень близко приближать к глазу, что создает неудобства пользователю. Чтобы отодвинуть сканер от глаза необходимо расширить угол вхождения светового луча в глазное яблоко. Для этого между хрусталиком 3 и сканером 7 устанавливается выпуклая линза таким образом, чтобы схождение световых лучей в фокусе линзы находилось внутри хрусталика 3 или глазного яблока (фиг.5). В этом случае создается эффект, как будто сканер находится внутри хрусталика 3 или глазного яблока, расширяя угол вхождения светового луча в глазное яблоко. Для этого достаточно сравнить фиг.3 и 5. Кроме того, схождение световых лучей внутри хрусталика также компенсирует оптическую кривизну хрусталика. При этом, независимо от оптической системы линз, необходимо формировать видеоизображение на сетчатке глаза перевернутым сверху вниз на 180°, как это происходит в действительности.However, with the small size of the lens and pupil of the eye, the
В формуле изобретения данный элемент способа отражен фразой: «при этом компенсируют оптическую кривизну хрусталика и/или расширяют угол вхождения светового луча в глазное яблоко за счет схождения световых лучей в фокусе внутри хрусталика или глазного яблока, причем видеоизображение на сетчатке глаза формируют перевернутым сверху вниз на 180°». Это делается с помощью линзы 9 и в дальнейшем находит свое отражение в формуле изобретения на устройство. Кроме того, перевернуть изображение на сетчатке глаза можно, сканируя сетчатку снизу вверх.In the claims, this element of the method is reflected by the phrase: “at the same time, the optical curvature of the lens is compensated and / or the angle of entry of the light beam into the eyeball is expanded due to the convergence of light rays in focus inside the lens or eyeball, and the video image on the retina is formed upside down by 180 °. " This is done using
Чтобы получить объемное изображение «сканируют одновременно и независимо сетчатку правого и левого глаза, а изображение на каждом глазу формируют от двух различных видеосигналов, полученных при записи исходного видеоизображения объектов наблюдения под различным углом зрения». Для записи объектов наблюдения под различным углом зрения необходимо использовать две совмещенные видеокамеры с разнесенными объективами на расстоянии, равном или более межзрачкового расстояния человека, синхронизируя двухканальную запись на единый носитель. При воспроизведении двухканальной записи по предлагаемому способу, каждый из глаз пользователя видит свое видеоизображение, а сами изображения в каждом глазу сдвинуты в ракурсе под различным углом зрения, как будто глаза наблюдают реальную картину в трехмерном пространстве. Этим достигается оптическая иллюзия объема.To obtain a three-dimensional image, “the retina of the right and left eyes is scanned simultaneously and independently, and the image on each eye is formed from two different video signals obtained by recording the original video image of the objects of observation from a different angle of view”. To record objects of observation from a different angle of view, it is necessary to use two combined video cameras with spaced apart lenses at a distance equal to or more than the interpupillary distance of a person, synchronizing two-channel recording on a single medium. When playing back a two-channel recording according to the proposed method, each of the user's eyes sees his own video image, and the images in each eye are shifted from different angles, as if the eyes were observing a real picture in three-dimensional space. This achieves the optical illusion of volume.
На фиг.6 представлена схема формирования объемного видеоизображения в трехмерном пространстве. Левый и правый сканеры 7 создают независимые изображения в левом и правом глазу под различным углом зрения по двум каналам от двух видеосигналов, изначально записанных под различным углом зрения. Мозг пользователя воспринимает изображения каждого глаза и создает виртуальную картину пространства-времени, близкую к реальной.Figure 6 presents a diagram of the formation of three-dimensional video in three-dimensional space. The left and
Если пользователь, например, смотрит футбольный матч по телевизору, то предлагаемый способ формирования виртуального видеоизображения создает полную иллюзию присутствия на футбольном матче. И даже более, пользователь может виртуально приближаться к футболисту вплотную, получая иллюзию присутствуя на футбольном поле. Это зависит от ракурса кадра, снимаемого телеоператором. При этом каждый футболист 4 на поле будет восприниматься пользователем как реальный живой человек (фиг.6).If the user, for example, watches a football match on television, the proposed method for generating a virtual video image creates the complete illusion of being present at a football match. And even more, the user can virtually approach the footballer closely, getting the illusion of being on the football field. It depends on the camera angle shot by the cameraman. Moreover, each
Далее перейдем к техническим решениям формирования цветного изображения, управления видеосигналом и его синхронизацией со сканером.Next, we move on to technical solutions for generating a color image, controlling the video signal and its synchronization with the scanner.
Из физики известно, что белый цвет является смешением трех цветов: красного, зеленого, синего. Известны лазеры белого цвета, состоящие из трех лазеров: красного, зеленого, синего цветов. Известны также трехцветные светодиоды, состоящие из трех светодиодов: красного, зеленого, синего цветов. Использование известного технического решения по новому назначению, дающему новый эффект, является отличительной частью изобретения. Сканирование непосредственно самой сетчатки глаза световым лучом белого цвета (смешение красного, зеленого и синего цветов) ранее не было известно и дает новый эффект формирования цветного виртуального видеоизображения, поэтому данный элемент формулы включен в ее отличительную часть.It is known from physics that white is a mixture of three colors: red, green, blue. White lasers are known, consisting of three lasers: red, green, blue. Tri-color LEDs are also known, consisting of three LEDs: red, green, blue. The use of a well-known technical solution for a new purpose, giving a new effect, is a distinctive part of the invention. Scanning directly of the retina itself with a white light beam (a mixture of red, green and blue) was not previously known and gives a new effect of the formation of a color virtual video image, therefore this element of the formula is included in its distinctive part.
Использование «Способа широкоформатной высокоскоростной развертки лазерного луча для передачи и получения видео- и других изображений и устройства для его реализации» (Заявка №2006136455/28(039706) от 17.10.2006) для формирования объемного цветного виртуального видеоизображения имеет свою специфику. Прежде всего, это резонансный способ возбуждения сканеров для развертки светового луча, который требует принципиально новых технических приемов синхронизации.The use of the “Method for large-format high-speed scanning of a laser beam for transmitting and receiving video and other images and a device for its implementation” (Application No. 2006136455/28 (039706) of 10/17/2006) for the formation of volumetric color virtual video image has its own specifics. First of all, this is a resonant method of exciting scanners for scanning a light beam, which requires fundamentally new synchronization techniques.
На фиг.7 (а, b, с) представлена схема работы сканера на различных этапах развертки светового луча, например на угол 150°. Сканер включает первый резонатор 10; второй резонатор 11 с отражающей зеркальной поверхностью; возбудитель колебаний 12; входящий и отраженный световые лучи 13. Второй резонатор 11 колеблется в резонансе по гармоническому закону, близкому к синусоидальному, разворачивая световой луч по такому закону.Fig. 7 (a, b, c) shows a diagram of the operation of the scanner at various stages of scanning a light beam, for example, at an angle of 150 °. The scanner includes a
На фиг.8 представлена гармоническая кривая, близкая к синусоидальной, по которой происходит строчная развертка светового луча сканером (ωt - циклическая частота, рад/с; T1 - период развертки светового луча, с; Х - отклонение светового луча по горизонтали или отклонение колеблющейся отражающей поверхности резонатора 11 (фиг.7).On Fig presents a harmonic curve close to sinusoidal, along which there is a horizontal scan of the light beam by the scanner (ωt is the cyclic frequency, rad / s; T 1 is the scanning period of the light beam, s; X is the horizontal deviation of the light beam or the deviation of the oscillating the reflective surface of the resonator 11 (Fig.7).
На фиг.9 представлена пилообразная кривая стандартной строчной развертки, например, электронного луча кинескопа телевизора. Период «пилы» - Т2. Отклонение луча по горизонтали Х происходит на линейном участке a1-a2 «пилы». Время прохождения строчки - t1. Именно на этом участке воспроизводится видеоизображение одной строчки на экране кинескопа. Обратный ход луча на участке b1-b2 за время t2 гасится и не виден на экране.Figure 9 presents a sawtooth curve of a standard horizontal scan, for example, an electron beam of a kinescope of a television set. The period of the “saw” is T 2 . The horizontal deflection of the beam X occurs in the linear section a 1 -a 2 "saw". The line travel time is t 1 . It is on this section that the video image of one line on the picture tube screen is reproduced. The return path of the beam in the section b 1 -b 2 during time t 2 is extinguished and is not visible on the screen.
Сравним форму кривой резонансной строчной развертки светового луча сканером (фиг.8) и стандартную пилообразную кривую строчной развертки электронного луча кинескопа (фиг.9). Как видно, резонансная строчная синусоидальная развертка светового луча не соответствует стандартной пилообразной развертке видеосигнала. Необходимо новое техническое решение, направленное на адаптацию предлагаемого способа формирования виртуального видеоизображения. В формуле изобретения вместо термина «лазерный луч» применяем более широкое понятие «световой луч».Compare the shape of the resonant line scan curve of the light beam with the scanner (Fig. 8) and the standard sawtooth line scan curve of the electron beam of the picture tube (Fig. 9). As you can see, the resonant horizontal sinusoidal scan of the light beam does not correspond to the standard sawtooth scan of the video signal. A new technical solution is needed aimed at adapting the proposed method of forming a virtual video image. In the claims, instead of the term "laser beam" we use the broader concept of "light beam".
Для этого строчное сканирование сетчатки глаза в кадре производят световым лучом по закону, близкому к синусоидальному, на частоте, равной половине частоты строчной развертки исходного видеосигнала, предварительно проводят селекцию видеосигнала для нечетных и четных строчек развертки на два потока прямой и обратной последовательности, видеосигнал для нечетных строчек прямой последовательности задерживают во времени, а видеосигнал для четных строчек инвертируют во времени в видеосигнал обратной последовательности, далее сигналы смешивают в единый адаптированный видеосигнал, который записывают в блок электронной памяти, а затем видеосигнал извлекают синхронно с работой сканера, обеспечивая чересстрочную развертку обратного хода луча в обратной последовательности, а время прохождения строчки ограничивают линейной частью синусоиды, таким образом, формируют одновременно два кадра для прямой и обратной последовательности хода светового луча, а затем кадры прямой и обратной последовательности совмещают в единый кадр. Поясним эти действия более подробно.For this, line scanning of the retina of the eye in the frame is carried out by a light beam according to a law close to sinusoidal, at a frequency equal to half the line frequency of the initial video signal, the video signal is preliminarily selected for odd and even scan lines into two streams of direct and reverse sequence, the video signal for odd stitches of the direct sequence are delayed in time, and the video signal for even stitches is inverted in time into the video signal of the reverse sequence, then the signals they are sewn into a single adapted video signal, which is recorded in an electronic memory unit, and then the video signal is extracted synchronously with the scanner, providing interlaced scanning of the reverse beam in the reverse sequence, and the line travel time is limited to the linear part of the sinusoid, thus forming two frames simultaneously for the direct and the reverse sequence of the light beam, and then the forward and reverse sequence frames are combined into a single frame. Let us explain these steps in more detail.
На фиг.10 представлено совмещение синусоиды X1 и пилообразной кривой Х2. Для этого синусоиду сдвигают на величину ΔT1 относительно «пилы». Как видно, период синусоиды T1 в два раза больше периода Т2 «пилы». Период обратно пропорционален частоте колебаний. Это доказывает, что частота синусоидальной развертки должна быть в два раза меньше частоты «пилы», чтобы обеспечить эквивалентную скорость развертки светового луча. Например, стандартная частота строчной развертки при количестве 625 строк в кадре на частоте кадровой развертки 25 кадров в секунду составляет 15625 Гц. При переходе с «пилы» на синусоиду частота кадровой развертки и частота строчной развертки уменьшится в 2 раза и составит половину от 15625 Гц, то есть 7812,5 Гц.Figure 10 shows the combination of a sinusoid X 1 and a sawtooth curve X 2 . For this, the sinusoid is shifted by ΔT 1 relative to the “saw”. As can be seen, the period of the sinusoid T 1 is twice the period T 2 "saw". The period is inversely proportional to the oscillation frequency. This proves that the frequency of the sinusoidal sweep should be half the frequency of the “saw”, in order to ensure the equivalent sweep speed of the light beam. For example, the standard horizontal scan frequency with 625 lines per frame at a frame frequency of 25 frames per second is 15625 Hz. When switching from a “saw” to a sinusoid, the vertical frequency and horizontal scanning frequency will decrease by 2 times and will be half of 15625 Hz, that is 7812.5 Hz.
На фиг.11 представлено ограничение времени строчки линейной частью синусоиды. Для этого синусоиду обрезают сверху и снизу, а строчную развертку ведут на ее линейной части для прямого хода луча слева направо по линии a1-a2, и для обратного хода луча справа налево по линии b1-b2. Как видно, для формирования изображения используется прямой и обратный ход луча. В течение периода T1 прописывается две строчки - прямая и обратная. Поэтому на частоте 7812,5 Гц строчной синусоидальной развертки получаем на растре стандартные 625 строчек, при частоте кадровой развертки 25 кадров в секунду.Figure 11 presents the limitation of the line time by the linear part of the sine wave. For this, a sinusoid is cut off from the top and bottom, and a horizontal scan is carried out on its linear part for a direct beam path from left to right along the line a 1 -a 2 , and for a reverse beam path from right to left along the line b 1 -b 2 . As you can see, for the formation of the image is used forward and backward beam. During the period T 1, two lines are registered - forward and backward. Therefore, at a frequency of 7812.5 Hz horizontal sinusoidal scanning, we obtain standard 625 lines on a raster, with a frame scanning frequency of 25 frames per second.
На фиг.12 представлены графики стандартного видеосигнала (а) и этапы (b, с, d) его преобразования в адаптированный видеосигнал. Нечетные 15 и четные 16 строчки стандартного цифрового видеосигнала разделены синхроимпульсами 14 (фиг.12а). На фиг.12 не показаны тактовые импульсы цифрового видеосигнала. Первая строчка 1 видеосигнала 15 синхронизируется с прямым ходом светового луча на участке a1-a2 (фиг.11) Вторая строчка 2 стандартного видеосигнала 16 попадает на участок b1-b2 развертки обратного хода светового луча, нарушая единство видеоизображения.On Fig presents graphs of a standard video signal (a) and the steps (b, c, d) of its conversion into an adapted video signal. The odd 15 and even 16 lines of the standard digital video signal are separated by sync pulses 14 (figa). 12 does not show clock pulses of a digital video signal. The
Чтобы адаптировать стандартный видеосигнал к синусоидальной форме строчной развертки, необходимо задействовать участок b1-b2 развертки обратного хода светового луча в обратной последовательности. Для этого вторую строчку 2 видеосигнала 16 необходимо инвертировать по времени в обратной последовательности. Напрямую и сразу это сделать не удается. Инвертирование четной второй строчки видеосигнала 16 проходит несколько этапов (фиг.12b, с, d). Вначале необходимо наладить селекцию нечетных и четных строчек, разделив их на два видеосигнала 17 и 18 (фиг.12b). Получили два потока нечетных 17 и четных 18 строчных видеосигналов прямой последовательности с чересстрочным чередованием.In order to adapt the standard video signal to the sinusoidal horizontal scanning form, it is necessary to use the section b 1 -b 2 of the scan of the reverse light beam in the reverse sequence. To do this, the
Чтобы четные сигналы 18 инвертировать по времени в обратную последовательность необходимо его записать в память оперативного запоминающего устройства (ОЗУ), а затем считать в обратной последовательности на той же тактовой частоте считывания. При этом нечетным видеосигналам 19 необходимо обеспечить временную задержку относительно исходного видеосигнала 17, равную времени экспозиции строчки между синхроимпульсами. На фиг.12с представлены графики инвертированных четных строчных видеосигналов 18 в видеосигнал 20 обратной последовательности и временная задержка нечетных строчных видеосигналов 19 прямой последовательности. На фиг.12d представлены график совмещенного строчного видеосигнала из последовательных видеосигналов прямой 19 и обратной 20 последовательности. Полученный видеосигнал адаптирован для примененной системы строчной развертки.In order to invert the even signals 18 in time in the reverse sequence, it is necessary to write it to the memory of the random access memory (RAM), and then read it in the reverse sequence at the same clock read frequency. In this case, the odd video signals 19 must provide a time delay relative to the
На фиг.13 представлена блок-схема преобразования стандартного видеосигнала, адаптированного для прямого и обратного хода луча чересстрочной развертки. Стандартный видеосигнал поступает в строчной селектор 20 и разделяется на две чересстрочных группы 17 и 18 прямой последовательности (фиг.12b). Видеосигнал 17 поступает на блок 21 временной задержки. Видеосигнал 18 поступает в блок 22 памяти оперативного запоминающего устройства (ОЗУ). Блок 23 считывает из ОЗУ (блок 22) в обратной последовательности видеосигнал четных строчек. Далее видеосигналы прямой и обратной последовательности из блоков 23 и 21 поступают в смеситель 24, а затем в блок 25 памяти оперативного запоминающего устройства (ОЗУ) На выходе из блока 25 получаем видеосигнал прямой 19 и обратной 20 последовательности (фиг.12d), адаптированный для строчной развертки прямого и обратного хода светового луча Извлечение видеосигнала из блока 25 синхронизировано с ходом светового луча на участках a1-а2 и b1-b2 (фиг.11). Для этого в указанных точках устанавливаются фотодатчики. В блоке памяти 14 может быть записан видеосигнал из нескольких кадров. Поэтому адаптированный видеосигнал на выходе блока 17 будет испытывать задержку по времени относительно исходного видеосигнала.On Fig presents a block diagram of the conversion of a standard video signal adapted for forward and reverse beam interlaced. The standard video signal enters the
На фиг.14 представлен растр кадра видеоизображения, полученный методом прямого и обратного хода луча чересстрочной развертки. Прямой луч a1-a2 прописывает строчку слева направо, а обратный луч b1-b2 справа налево, заполняя 625 строчек в растре кадра и формируя видеоизображение. Получается, что в одном кадре совмещено два чересстрочных кадра для прямого и обратного ходя луча. Это позволяет при настройке совместить картину двух чересстрочных кадров в один общий кадр. При проецировании видеоизображения на сетчатку глаза развертка кадра ведется снизу вверх, переворачивая изображение.On Fig presents a raster frame of the video image obtained by the method of forward and reverse beam interlaced. The direct beam a 1 -a 2 prescribes the line from left to right, and the return beam b 1 -b 2 from right to left, filling in 625 lines in the raster of the frame and forming a video image. It turns out that in one frame two interlaced frames are combined for the forward and reverse walking rays. This allows you to configure the picture to combine two interlaced frames into one common frame. When projecting a video image onto the retina, the frame is scanned from the bottom up, turning the image over.
Управление цветом и яркостью видеоизображения осуществляют изменением мощности и длительности светового луча одновременно для каждого цвета (красного, зеленого, синего) в отдельности.The color and brightness of the video image are controlled by changing the power and duration of the light beam simultaneously for each color (red, green, blue) individually.
На фиг.15 представлена блок-схема управления цветом и яркостью видеоизображения. Адаптированный видеосигнал из блока 25 (фиг.13) подается через блок цветности 26 на лазер 27 белого цвета, включающий три монохромных лазера с раздельным управлением: красный 28, зеленый 29, синий 30. После прохождения блока 31 смешивания цветов световой луч подается на сканер 32, включающий системы строчной 33 и кадровой 34 разверток. В результате формируется видеоизображение или на экране 35, или на сетчатке глаза 2 (фиг.6). Необходимо отметить, что при формировании видеоизображения на сетчатке глаза преимущественно используются светодиодные лазеры очень малой мощности.On Fig presents a block diagram of the control color and brightness of the video image. The adapted video signal from block 25 (Fig. 13) is fed through a
На фиг.16 представлен цифровой импульс цветного видеосигнала в световом луче, включающий три цвета: красный 28, зеленый 29, синий 30. Изменением амплитуды (мощности) импульсов и их длительности регулируется яркость и цветность видеоизображения по определенному алгоритму и программе. Последовательность цифровых импульсов определяет структуру видеосигнала.On Fig presents a digital pulse of a color video signal in a light beam, including three colors: red 28, green 29, blue 30. By changing the amplitude (power) of the pulses and their duration, the brightness and color of the video image is controlled by a certain algorithm and program. The sequence of digital pulses determines the structure of the video signal.
Таким образом, завершено описание предлагаемого способа формирования объемного цветного виртуального видеоизображения на сетчатке глаза человека. Описание отражает все элементы формулы изобретения.Thus, the description of the proposed method for forming a volumetric color virtual video image on the retina of a human eye is completed. The description reflects all the elements of the claims.
Далее рассмотрим конструкцию и работу устройства для создания эффекта виртуальной реальности у пользователя, реализующие способ формирования объемного цветного виртуального видеоизображения.Next, we consider the design and operation of the device to create a virtual reality effect for the user, implementing a method of forming a volumetric color virtual video image.
В качестве прототипа устройства использовано устройство строчной развертки, состоящее из двух линейных механически сопряженных полосковых резонатора, первый резонатор снабжен возбудителем колебаний, второй резонатор представляет упругую полоску, закрепленную на конце первого резонатора (заявка №2006136455/28(039706) от 17.10.2006 «Способ широкоформатной высокоскоростной развертки лазерного луча для передачи и получения видео- и других изображений и устройство для его реализации».As a prototype of the device, a horizontal scanning device consisting of two linear mechanically conjugated strip resonators was used, the first resonator was equipped with a vibration exciter, the second resonator was an elastic strip fixed at the end of the first resonator (application No. 2006136455/28 (039706) dated 10/17/2006 “Method "large-format high-speed scanning of a laser beam for transmitting and receiving video and other images and a device for its implementation."
По варианту 1 на фиг.17 представлена схема устройства в разрезе (вид сверху) для создания эффекта виртуальной реальности, выполненная в виде бинокулярного сканера 37 (два сканера-окуляра 38 и 39, разнесенные на межосевое расстояние между глазами человека), включающего два корпуса 40 и 41 сканеров-окуляров, линз 42 и 43, шлема 44, устройства строчной 45 и кадровой 46 разверток, светодиодного трехцветного излучателя 47 (или лазера белого цвета), датчиков синхронизации, системы управления сканерами, звуковой системы и системы питания (не показаны).In
Бинокулярный сканер 37 состоит из двух сканеров-окуляров 38 и 39, разнесенных на межосевое расстояние между глазами человека. Анализ состояния видеотехники показывает, что бинокулярный сканер и сканеры-окуляры предложены впервые и являются предметом изобретения. Сканеры-окуляры закреплены в шлеме 44, который одевается на голову пользователя таким образом, чтобы сканеры-окуляры располагались напротив глаз человека. Рассмотрим более подробно конструкцию сканеров-окуляров.The
На фиг.18 представлен сканер-окуляр 38 в разрезе (виды сбоку - А и сверху - В), включающий корпус 40 с встроенными внутри корпуса сканера-окуляра линзой 42, устройствами строчной 45 и кадровой 46 разверток, светодиодного трехцветного излучателя 47, фотодиодных датчиков синхронизации 48. Устройство кадровой развертки выполнено по типу строчной развертки с полосковыми резонаторами или содержит отражающую пластину 49, расположенную на оси 50 с виброприводом или приводом от микродвигателя 51, например шагового. В случае использования шагового привода преимущественным режимом является режим отработки шага двигателя, равного смещению одной строчки в кадре.On Fig presents a scanner-
На фиг.19 представлено устройство строчной развертки 45, состоящее из герметичного корпуса 52 с прозрачным окном 53, первого полоскового резонатора 10, возбудителя колебаний 12, второго резонатора в виде упругой полоски 11, жесткой отражающей пластины 54, магнита 55. Жесткая отражающая пластина 54 установлена на конце упругой полоски 11 второго резонатора. Магнит 55 закреплен на первом полосковом резонаторе 10. Возбудитель колебаний 12 состоит из катушки 56 с обмоткой и магнитного сердечника 57, который располагается в корпусе 52 из немагнитного материала напротив магнита 55. Первый полосковый резонатор 10 может быть выполнен из пьезокерамики. В этом случае отпадает необходимость в электромагнитном возбудителе колебаний 12. Жесткая отражающая пластина 54 обеспечивает сохранение плоской поверхности отражения в режиме колебаний. Кроме того, наличие отражающей пластины 54 на конце упругой полоски 11 второго резонатора создает небольшую дополнительную массу, стабилизирующую работу развертки, исключая самовозбуждение дополнительных гармонических колебаний в режиме «флаттера». Стабилизацию работы развертки обеспечивает также создание вакуума внутри герметичного корпуса. При линейной скорости конца упругой полоски 11, достигающей 10…20 м/с, наличие воздуха создает серьезные помехи процессу колебаний. Прозрачное окно 53 обеспечивает вход и выход светового луча в режиме развертки, сохраняя вакуум в корпусе 52.On Fig presents a
Работает устройство строчной развертки 45, как и в прототипе (фиг.7). Частоту колебаний строчной развертки устанавливают в соответствии с предлагаемым способом, например, на частоту 7812,5 Гц. Генератор электрических колебаний с частотой 7812,5 Гц (не показан) питает катушку 56 возбудителя колебаний. Переменное магнитное поле магнитного сердечника 57 воздействует на магнит 55 первого полоскового резонатора 10, вызывая его резонансные колебания, которые усиливаются вторым резонатором в виде упругой полоски 11, обеспечивая поворотные колебания отражающей пластины 54 и развертку светового (лазерного) луча на угол до 120° и более.The
На фиг.20 представлен в разрезе светодиодный трехцветный излучатель 47, включающий корпус 58, три излучающих полупроводниковых чипа (красный 59, зеленый 60, синий 61), оптоволоконные световоды 62, световодный смеситель цветов 63, линзу 64, выходное отверстие 65 для светового луча. Три излучающих чипа (59, 60, 61) расположены на одной подложке (основании). Чтобы вывести излучение с чипов используются оптоволоконные световоды 62, закрепленные одним концом в точке излучения чипов, а другие концы световодов 62 совмещаются вместе в единый световод и состыковываются со световодным смесителем цветов 63, выполненным из оптически прозрачного материала. Смешение трех цветов (красного, зеленого, синего) дает на выходе смесителя 63 белый цвет. Чтобы получить световой луч белого цвета излучение из смесителя 63 пропускают через линзу 64 и отверстие 65 в корпусе 58. Подбирая фокусное расстояние линзы, добиваются фокусировки светового луча непосредственно на сетчатке глаза. На 1 мм2 сетчатки глаза располагается порядка 400000 фотоприемников (фоторецепторов), диаметром порядка 0,0016 мм. Если принять диаметр внутренней сферы сетчатки глаза равным 20 мм, то размеры кадра на сетчатке могут составить ориентировочно 30×30 мм. При количестве строк в кадре 625, высота строчки, прописываемая световым лучом по сетчатке глаза, составит около 0,05 мм. Это позволяет захватывать по высоте строчки порядка 30 фоторецепторов сетчатки глаза. Есть резерв повышения разрешающей способности сканера-окуляра за счет повышения частоты строчной развертки.FIG. 20 is a cross-sectional view of a three-
Конструктивные особенности бинокулярного сканера 37 нашли отражение в формуле изобретения на устройство под пунктом 3.The design features of the
Работает бинокулярный сканер 37 (фиг.17) следующим образом. Сканеры-окуляры 38 и 39 проецируют на сетчатку левого и правого глаза видеоизображения от двух параллельных видеосигналов, полученные при записи от бинокулярной камеры с двумя разнесенными объективами под различным углом зрения. У пользователя создается эффект виртуальной реальности.The binocular scanner 37 (FIG. 17) operates as follows. The
На фиг.21 представлена блок-схема системы управления сканерами, видеосигналом и светодиодным трехцветным излучателем, включающая строчной селектор 20, блок задержки 21, первый блок памяти 22, блок считывания 23, смеситель 24, второй блок памяти 25, блок синхронизации 66 с фотодатчиками 48 (фиг.18), шины соединения, генератор тактовых сигналов, блок питания (на фиг.21 не показаны). Строчной селектор 20 шинами соединен с блоком задержки 21 и первым блоком памяти 22. Блок считывания 23 соединен шинами с первым блоком памяти 22 и смесителем 24. Блок задержки 21 соединен шинами со смесителем 24, а смеситель 24 соединен шинами со вторым блоком памяти 25, который соединен шинами с блоком синхронизации 66. Блок синхронизации 66 соединен с фотодатчиками 48, которые установлены на линейной части a1-a2 и b1-b2 (фиг.11) строчной развертки светового луча, а также в начале и конце развертки кадра, как концевые датчики строчной и кадровой разверток внутри сканера.On Fig presents a block diagram of a control system for scanners, video signal and LED three-color emitter, including a
Работает система управления сканерами, видеосигналом и светодиодным трехцветным излучателем следующим образом (частично рассмотрена при описании способа фиг.13). Стандартный цифровой видеосигнал подается на строчной селектор 20 и разделяется на два потока прямой последовательности для нечетных и четных строчек развертки (фиг.12). Видеосигнал прямой последовательности (нечетные строчки) имеет временную задержку в блоке задержки 21, который представляет собой блок памяти и считывания для управления временем задержки (не показаны). Видеосигнал четных строчек инвертируется в видеосигнал обратной последовательности, используя первый блок памяти 22 оперативного запоминающего устройства (ОЗУ) и блок считывания 23 (фиг.13). Смешивание видеосигналов прямой и обратной последовательности производится смесителем 24. Далее адаптированный видеосигнал прямой и обратной последовательности поступает во второй блок памяти 25 (ОЗУ), с которого синхронно считывается под управлением блока синхронизации 66. Импульсы строчной и кадровой разверток на блок синхронизации 66 подаются от фотодатчиков 48, установленных внутри окуляров 40 (фиг.18).The control system for scanners, video signal and LED three-color emitter operates as follows (partially discussed in the description of the method of Fig.13). A standard digital video signal is supplied to the
Фотодатчики установлены в начале и в конце строчки, обеспечивая выработку синхроимпульсов для запуска строчной развертки для строчек прямой и обратной последовательности. Фотодатчики установлены также в начале и в конце развертки кадра, обеспечивая запуск кадровой развертки как сверху вниз, так и снизу вверх (изображение перевернуто). Считывание цифрового видеосигнала внутри строчки производится тактовыми импульсами от отдельного генератора (не представлены). Разделение видеосигнала по цветности (на красный, зеленый, синий) производится известными схемами и не рассматривается в материалах изобретения. Для более четкой работы системы синхронизации сканера-окуляра питание систем строчной и кадровой разверток синхронизируется с исходным видеосигналом по известным схемам и не рассматривается в материалах заявки.The photosensors are installed at the beginning and at the end of the line, providing the generation of clock pulses to start horizontal scanning for lines of direct and reverse sequence. The photosensors are also installed at the beginning and at the end of the frame scan, ensuring the launch of the frame scan both from top to bottom and from bottom to top (image is upside down). The reading of the digital video signal inside the line is performed by clock pulses from a separate generator (not shown). The separation of the video signal by color (red, green, blue) is carried out by known schemes and is not considered in the materials of the invention. For a more accurate operation of the synchronization system of the scanner-eyepiece, the power of the horizontal and vertical scanning systems is synchronized with the original video signal according to known schemes and is not considered in the application materials.
Стандартный видеосигнал поступает в строчной селектор 20 и разделяется на две чересстрочных группы 17 и 18 прямой последовательности (фиг.12b). Видеосигнал 17 поступает на блок 21 временной задержки. Видеосигнал 18 поступает в блок 22 памяти оперативного запоминающего устройства (ОЗУ). Блок 23 считывает из ОЗУ (блок 22) в обратной последовательности видеосигнал четных строчек. Далее видеосигналы прямой и обратной последовательности из блоков 23 и 21 поступают в смеситель 24, а затем в блок 25 памяти оперативного запоминающего устройства (ОЗУ). На выходе из блока 25 получаем видеосигнал прямой 19 и обратной 20 последовательности (фиг.12d), адаптированный для строчной развертки прямого и обратного хода светового луча. Извлечение видеосигнала из блока 25 синхронизировано с ходом светового луча на участках a1-a2 и b1-b2 (фиг.11). Для этого в указанных точках устанавливаются фотодатчики. В блоке памяти 14 может быть записан видеосигнал из нескольких кадров.The standard video signal enters the
Конструктивные особенности системы управления сканерами, видеосигналом и светодиодным трехцветным излучателем нашли отражение в формуле изобретения на устройство под пунктом 4.The design features of the control system for scanners, video signal and LED three-color emitter are reflected in the claims for the device under
На фиг.22 показан бинокулярный сканер для создания эффекта виртуальной реальности у пользователя. Бинокулярный сканер 37 включает шлем 44, сканеры-окуляры 38 и 39, звуковые наушники 67. Бинокулярный сканер 37 встроен в шлем 44 из непрозрачного материала и включает два сканера-окуляра 38 и 39. Для восприятия звукового сопровождения служат наушники 67.On Fig shows a binocular scanner to create a virtual reality effect in the user. The
По варианту 2 на фиг.23 представлено выполнение второго резонатора в виде оптического волновода из упругого материала (вид сбоку и сверху в сечении А-А).In
Устройство строчной развертки 68 включает второй резонатор 11, выполненный в виде оптического световода из упругого материала, который проходит вдоль или внутри первого резонатора 10, причем неподвижный конец оптического световода соединен с трехцветным излучателем белого цвета 69 посредством герметичного корпуса 52. Корпус 52 имеет прозрачное окно 53. При изготовлении оптического световода используются оптоволоконные технологии преимущественно с плоским или круглым сечением световода. Трехцветный излучатель белого цвета 69 представлен в виде отдельного чипа, но могут быть использованы и три чипа (красный, зеленый, синий) как на фиг.20. В качестве первого резонатора 10 использована пьезокерамическая трубка, внутри которой проходит световод. Но первый резонатор 10 может быть плоским с прохождением оптического световода вдоль его поверхности. Выходящий из первого резонатора 10 подвижный конец световода является вторым резонатором 11. В качестве первого резонатора 10 может быть использован любой другой возбудитель колебаний.The
Световой луч (показан стрелкой) от трехцветного излучателя белого цвета 69 поступает на неподвижный конец оптического световода второго резонатора 11 и выходит из его подвижного конца (световой луч показан стрелкой). При возбуждении колебаний первого резонатора 1 резонансные колебания второго резонатора 2, выполненного в виде оптического световода из упругого материала, приводят к колебаниям его подвижного конца, разворачивая световой луч на определенный угол строчной развертки (фиг.23, сечение А-А).A light beam (shown by an arrow) from a white
На фиг.24 представлено выполнение сканера-окуляра 70 с размещением в нем сканирующей вращающейся головки 71. Сканер-окуляр 70 включает корпус 40, линзу 42, электродвигатель 51 с валом 50, сканирующую вращающуюся головку 71, несколько устройств строчной развертки 68, систему синхронизации (не показана), коллектор для электрических цепей (не показан). Устройства строчной развертки 68 (фиг.23) размещены внутри вращающейся головки 71. Устройства строчной развертки 68 обеспечивают развертку светового луча по горизонтали. При вращении головки 71 обеспечивается кадровая развертка светового луча по вертикали с одновременной строчной разверткой по горизонтали. Описание процесса формирования видеоизображения было приведено выше.On Fig presents the implementation of the scanner-
Работает бинокулярный сканер 37 (фиг.22) следующим образом. Шлем 44 одевается на голову пользователя. Сканеры-окуляры 38 и 39 (или выполненные по типу сканера-окуляра 70, фиг.24) проецируют на сетчатку левого и правого глаза видеоизображения от двух параллельных видеосигналов, полученные при записи от бинокулярной камеры с двумя разнесенными объективами под различным углом зрения. Воспроизводится объемное трехмерное цветное исходное видеоизображение. У пользователя создается эффект виртуальной реальности и производится впечатление, что он присутствует в трехмерном пространстве, наблюдая виртуальные события мало различимые от реальных. Таким образом, реализуется способ формирования трехмерного цветного виртуального видеоизображения.The binocular scanner 37 (FIG. 22) operates as follows. The
Использование предложенного технического решения впервые обеспечивает создание эффекта виртуальной реальности у пользователя устройством по изобретению, позволяя ему «входить» в виртуальное пространство, наблюдая происходящие в нем видеособытия как реальные. Кроме того, данное техническое решение найдет широкое применение в телевидении, компьютерных дисплеях, компьютерных играх и программах, тренажерах, приборах ночного видения и других областях, где требуется визуализация информации. Изобретение может быть использовано для проецирования видеоизображения на большой экран.The use of the proposed technical solution for the first time ensures the creation of the virtual reality effect for the user with the device according to the invention, allowing him to "enter" into the virtual space, observing the video events taking place in him as real. In addition, this technical solution will find wide application in television, computer displays, computer games and programs, simulators, night vision devices and other areas where information visualization is required. The invention can be used to project video onto a large screen.
Claims (5)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2007114783/09A RU2375840C2 (en) | 2007-04-19 | 2007-04-19 | Method of forming three-dimensional colour virtual video image and device for creating effect of reality for user (versions) |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2007114783/09A RU2375840C2 (en) | 2007-04-19 | 2007-04-19 | Method of forming three-dimensional colour virtual video image and device for creating effect of reality for user (versions) |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2007114783A RU2007114783A (en) | 2007-10-10 |
| RU2375840C2 true RU2375840C2 (en) | 2009-12-10 |
Family
ID=38952682
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2007114783/09A RU2375840C2 (en) | 2007-04-19 | 2007-04-19 | Method of forming three-dimensional colour virtual video image and device for creating effect of reality for user (versions) |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2375840C2 (en) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2627131C2 (en) * | 2011-12-12 | 2017-08-03 | МАЙКРОСОФТ ТЕКНОЛОДЖИ ЛАЙСЕНСИНГ, ЭлЭлСи | Display of the shadows by a transparent display device |
| RU2665872C2 (en) * | 2014-04-07 | 2018-09-04 | Нокиа Текнолоджиз Ой | Stereo image viewing |
-
2007
- 2007-04-19 RU RU2007114783/09A patent/RU2375840C2/en not_active IP Right Cessation
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| ЛЕОНОВ B.C., ПИЛКИН В.Е. Возможность быстрого сканирования лазерным лучом с большим углом развертки. Лазер-информа // Информационный бюллетень лазерной ассоциации, вып. №22, 2006. * |
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2627131C2 (en) * | 2011-12-12 | 2017-08-03 | МАЙКРОСОФТ ТЕКНОЛОДЖИ ЛАЙСЕНСИНГ, ЭлЭлСи | Display of the shadows by a transparent display device |
| RU2665872C2 (en) * | 2014-04-07 | 2018-09-04 | Нокиа Текнолоджиз Ой | Stereo image viewing |
| US10455221B2 (en) | 2014-04-07 | 2019-10-22 | Nokia Technologies Oy | Stereo viewing |
| US10645369B2 (en) | 2014-04-07 | 2020-05-05 | Nokia Technologies Oy | Stereo viewing |
| US11575876B2 (en) | 2014-04-07 | 2023-02-07 | Nokia Technologies Oy | Stereo viewing |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2007114783A (en) | 2007-10-10 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US6700552B2 (en) | Scanning display with expanded exit pupil | |
| CN107850784B (en) | Collimated fiber scanner design with inward pointing angle in virtual/augmented reality systems | |
| US6734835B2 (en) | Patent scanned beam display with adjustable light intensity | |
| US8730129B2 (en) | Advanced immersive visual display system | |
| US7944465B2 (en) | Apparatus and system for reproducing 3-dimensional images | |
| US6271808B1 (en) | Stereo head mounted display using a single display device | |
| US20040130783A1 (en) | Visual display with full accommodation | |
| US20060033992A1 (en) | Advanced integrated scanning focal immersive visual display | |
| JP3744559B2 (en) | Stereo camera, stereo display, and stereo video system | |
| JPS59500298A (en) | 3D image television system | |
| US9041624B2 (en) | Method and apparatus for three-dimensional display of images | |
| Schowengerdt et al. | 47.4: Invited Paper: 3D Displays using Scanning Laser Projection | |
| JP2007519958A (en) | 3D display | |
| RU2375840C2 (en) | Method of forming three-dimensional colour virtual video image and device for creating effect of reality for user (versions) | |
| US20030156253A1 (en) | Retinal image display device | |
| JP3403048B2 (en) | Three-dimensional image reproducing device and three-dimensional subject information input device | |
| JP4107102B2 (en) | Image display device | |
| JPH11103474A (en) | Stereoscopic picture display device | |
| JPH05191838A (en) | Recording and reproducing device for three-dimensional information | |
| JP2585614B2 (en) | Stereoscopic image output device | |
| KR100406335B1 (en) | An image presentation method and arrangement | |
| RU2121768C1 (en) | Method for generation of three-dimensional picture and device which implements said method | |
| JPH05103282A (en) | Personal video equipment | |
| KR100407924B1 (en) | Three dimensional display device by laser | |
| JPH10260374A (en) | Video observation device |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PC4A | Invention patent assignment |
Effective date: 20100715 |
|
| PC41 | Official registration of the transfer of exclusive right |
Effective date: 20111003 |
|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20120420 |