Объемный дисплей и способ формирования трехмерных изображений

Объемный дисплей и способ формирования трехмерных изображений

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Группа изобретений относится к средствам отображения информации и может быть использована для вывода полноцветных трехмерных объектов и сцен, наблюдаемых вкруговую без применения индивидуальных средств визуализации. Изобретения могут найти применение, в частности, в системах навигации, машинного проектирования и конструирования, для визуализации томографической информации и проведения сложных операций в медицине, при моделировании трехмерных задач в науке и технике, в компьютерных тренажерах и играх, в искусстве, рекламе, развлекательных мероприятиях и т.п.

Разработка систем трехмерного отображения реального мира существенно влияет на все сферы деятельности человека и инициирует создание и развитие целого ряда научных направлений и технологий. Поэтому попытки разработки эффективных автостереоскопических дисплеев не прекращаются в течение многих лет.

Из уровня техники известны одноракурсные автостереоскопические дисплеи с параллаксным барьером, использующие, например, вертикальный полосовой поляризационный фильтр [1-3], а также дисплеи с линзовым растровым фильтром [4, 5]. Оптические фильтры этих устройств (параллаксный барьер или растровая линза) используются для пространственного разделения стереопар по зонам видения. Стереоскопическое изображение наблюдатель может видеть только в том случае, когда оба его глаза расположены в соответствующих зонах. Ширина каждой из зон не превышает межзрачкового расстояния, при этом смещение глаз относительно центра зоны на два и более сантиметров приводит к существенному искажению наблюдаемого изображения. Если зритель меняет положение и выходит из зоны видения, стереоэффект инвертируется или теряется. Строгая фиксация положения головы относительно зон видения обычно вызывает чувство дискомфорта и быструю утомляемость зрителя, таким образом, основным недостатком при использовании этих устройств является необходимость неподвижного удержания головы зрителя в зонах избирательного стереоскопического видения.

Известны многоракурсные автостереоскопические дисплеи [6], в которых зоны видимости образованы воспроизведением шести и более ракурсов единой трехмерной сцены. Причем все смежные изображения этой группы образуют стереопары, а разделение ракурсов по зонам видимости производится использованием, например, наклонного линзового растра. При угле наклона растра около 10 градусов появляется возможность раздельного воспроизведения до девяти ракурсов объекта. В этом случае разрешение каждого из ракурсов снижается по горизонтали и по вертикали в три раза^{(Наклонный линзовый растр применяется в дисплеях SynthaGram американской фирмы StereoGraphics, дисплеях 3DWOW голландской фирмы Philips и аналогичных дисплеях других фирм, например SuperD (HDL-46))}. Однако многоракурсный способ формирования изображений требует применения мощных вычислительных средств, существенно уменьшает разрешающую способность единичного изображения и не обеспечивает полного угла обзора демонстрируемой сцены [7].

Известны также способы и устройства создания объемного голографического изображения с использованием когерентного лазерного излучения [8]. Голограмма - наиболее совершенный, однако относительно сложный способ получения автостереоскопического изображения. Несмотря на обилие патентов ^{(Например, патенты США №4359758 и №4484219 или патент РФ №2115148)}, практическая реализация голографического дисплея сопряжена с множеством технических трудностей и, в первую очередь, с решением задачи скоростной обработки данных, быстрой записи и стирания голограмм на объемных средах. Эта задача решена только частично, обработка одного кадра голографического изображения требует сверхмощных вычислительных средств и больших временных затрат (порядка 8 мин на кадр), что существенно затрудняет вывод движущегося изображения ^{(Поток данных, требуемый для воссоздания полноценного образа методом голографии достигает величины порядка 1 Тб/с (1012 бит в сек). Как хранить и тем более передавать такое количество информации, пока не известно)}. Причем при успешном решении этой задачи тем не менее голографический метод относительно продолжительное время останется на стадии лабораторных экспериментов. Известные голографические дисплеи воспроизводят пока только монохромное изображение и так же, как и многоракурсные дисплеи, не обеспечивают кругового обзора объектов демонстрации ^{(Размеры обслуживающей топографию аппаратуры огромны по сравнению с размерами формируемого изображения, а необходимость применения лазеров для съемки и демонстрации привносит дополнительные неудобства и затрудняет воспроизведение биологических объектов)}. Исходя из этих недостатков можно сделать вывод, что голографические дисплеи в классическом понимании, т.е. использующие явление интерференции на дифракционных решетках, не имеют реальных перспектив широкого распространения, в т.ч. и в достаточно отдаленном будущем.

Этих недостатков лишены устройства, основанные на оптико-механическом принципе, так называемые волюметрические дисплеи, в которых для отображения данных используется рассеяние излучения на быстроперемещающихся телах [9]. Если светорассеивающее тело двигается с частотой, превышающей видимую для человека частоту световых мельканий, а сканирование излучения синхронизовано с движением тела, то для наблюдателя происходит усреднение последовательно освещаемых точек и из их совокупности формируется объемное изображение. Быстрое сканирование инициирующим лучом двумерной плоскости позволяет сформировать светящуюся точку в заданном месте светорассеивающего тела, что обеспечивает две координаты, а движение собственно светорассеивающего тела обеспечивает третью координату формируемого светового макета объекта демонстрации. Движение тела может быть возвратно-поступательным, что реализуется гораздо труднее [9, 10], или вращательным [11]. Формируемый таким образом световой макет имеет все визуальные характеристики реального трехмерного изображения и потому не требует применения индивидуальных средств и не ограничивает зрителей в выборе позиции наблюдения. При этом не возникает глазной и нервной усталости, присущей использованию стереоочков, а также перескоков изображения, часто сопровождающих перемещение зрителей относительно автостереоскопических дисплеев, т.е. достигается наибольшая реалистичность восприятия объекта демонстрации.

К категории волюметрических принадлежит и известный из уровня техники цветной объемный дисплей (Патент RU 2111627 С2, кл. H04N 9/31, G09G 3/06, публ. 20.05.1998 г.), содержащий лазер, блок сканирования и модуляции лазерного излучения, а также визуализатор, представляющий собой тело сложной формы с возможностью вращения вокруг своей оси. Визуализатор дисплея выполнен в виде набора пластин, установленных наклонно к плоскости, перпендикулярной оси вращения, причем число пластин кратно числу основных цветов используемой колориметрической системы и каждая из пластин покрыта веществом, преобразующим инфракрасное излучение лазера в видимое излучение одного из основных цветов используемой колориметрической системы.

Главным условием успешной работы волюметрического дисплея является высокая скорость вывода и визуализации изображений сечений или проекций объекта. Если время визуализации одного сечения t, то для качественного воспроизведения трехмерного изображения объекта (сцены) должно выполняться соотношение t*N≤1/25 секунды, где N - число сечений, выводимых за один оборот визуализатора. Чем большее число сечений используется для воспроизведения объекта, тем более достоверным и объемным представляется этот объект наблюдателю, но тем быстрее эти сечения должны быть сформированы и отображены на визуализаторе. И наоборот, известное значение времени визуализации одного сечения устанавливает предельное число отображаемых сечений объекта N, что определяет достижимое качество визуализации объема сцены с помощью этого дисплея при работе в реальном времени.

Основным недостатком дисплея (патент RU №2111627) является недостаточное быстродействие устройства формирования изображения. Действительно, при времени позиционирования лазерного луча около 0.4 мкс ^{(Стандартная система сканирования лазерного луча позволяет проецировать от 30 до 60 тысяч точек в секунду (kpps), прецизионная высокоскоростная система имеет производительность в 1.5-1.8 раза выше (www.x-light.ru))} за 1/25 секунды можно визуализировать только около 100 тысяч точек. Учитывая, что для получения необходимого цвета инфракрасный лазерный луч должен высветить точки "… последовательно на каждой пластине, число которых кратно числу основных цветов используемой колориметрической системы …" (т.е. в RGB минимально три точки на трех пластинах) количество высвечиваемых цветных точек за один оборот визуализатора не превышает 34 тысяч. Это пригодно, например, для указания положения самолетов в заданных эшелонах контролируемой воздушной зоны, однако не обеспечивает визуализацию одного среза стандартного полноцветного изображения, где минимально требуется порядка полумиллиона пикселей (800×600).

Существенный рывок в создании волюметрических систем совершен при разработке дисплея «Perspecta Spatial 3D» ^{(Впервые коммерческий вариант работающего в реальном времени трехмерного дисплея «Perspecta Spatial 3D Platform» с объемным экраном был продемонстрирован в 2002 г. американской компанией Actuality Systems, Inc. (www.actuality-systems.com). В дисплее использовался светорассеивающий дисковый экран диаметром около 25 см, который со скоростью 25 об/сек вращался в свободном пространстве внутри прозрачной полусферы высотой 50 см)}. Из описания этого изобретения (Патент US 6554430 В2, кл. G03B 21/28, G09G 5/10, публ. 29.04. 2003 г.) известен трехмерный объемный дисплей, включающий передающую оптику с линзами переноса и полевыми линзами, двигатель, опорную структуру (платформу), соединенную с двигателем, плоский проекционный экран, расположенный на опорной структуре так, что ось вращения лежит в его плоскости и проекционный объектив расположен по оси вращения таким образом, чтобы ось объектива составляла с осью вращения угол от 4.9° до 5°. Во время работы дисплея линза переноса получает луч света от источника света и передает луч света на полевую линзу, полевая линза передает луч света на проекционный объектив, который проецирует луч света на проекционный экран, двигатель вращает опорную структуру, проекционный экран и проекционный объектив вокруг оси вращения.

В состав устройства могут также входить три дополнительных зеркала, закрепленных на опорной структуре так, что первое зеркало получает луч света от проекционного объектива и направляет луч света на второе зеркало, второе зеркало направляет луч света на проекционный экран или на третье зеркало (при его наличии), которое направляет луч света на проекционный экран.

Наряду с таким несомненным достоинством этого решения, как использование излучения видимого диапазона, данному устройству присущи и недостатки. Основным из них является (так же, как и в предыдущем случае) необходимость высокой скорости формирования и вывода изображения сечений объекта демонстрации. При недостаточной скорости этого процесса резко падает качество получаемого отображения из-за уменьшения количества выводимых сечений или снижения колористических характеристик изображений.

Вывод изображения сечений демонстрируемого объекта в дисплее «Perspecta Spatial 3D» осуществлялся на основе цифрового трехчипового видеопроектора DLP фирмы Texas Instruments, Inc. [12], наиболее быстродействующего из существующих в настоящее время (производительность до 22 Гб/сек). Видеопроектор создан на основе микродисплея, представляющего матрицу легких отклоняемых микрозеркал (DMD), работающих по двоичной системе. Шкала серого и, соответственно, оттенки цветов в изображениях обеспечиваются повторением отклонений с разными частотой и скважностью. Проектор способен в реальном времени выводить до 1000 полноцветных изображений форматом 1024×748 пикселей в секунду. Однако применительно к описываемому устройству на один оборот проекционного экрана (при частоте вращения 25 об/сек) приходится только 40 полноцветных сечений объекта, что не позволяет получить его качественный объемный макет. Поэтому разработчикам устройства пришлось отказаться от градаций серого, требующих больших затрат времени, соответственно, и от цветовых оттенков, требующих 24 битного представления, и свести формируемое изображение сечений объекта к 6 битной схеме (три основных, три дополнительных цвета плюс белый и черный). Это дало возможность в три раза повысить скорость вывода и получить до 198 сечений объекта за один оборот ^{(В другой модификации выводятся две серии сечений по 198 срезов в каждой, при этом выводимое изображение сведено к 3 битной схеме)} при скорости вращения проекционного экрана около 900 об/мин.

Для обоснованности изложения оценим скорость вывода, которую должна обеспечивать система формирования качественного объемного полноцветного изображения объекта, при использовании описанной выше схемы оптической системы устройства.

Средняя острота зрения человеческого глаза составляет примерно одну угловую минуту. При удалении наблюдателя на расстояние l от центра трехмерной сцены необходимое разрешение системы вывода изображений δ можно рассчитать согласно выражению:

δ = l ⋅ S i n ( 2 ⋅ π 360 ⋅ 60 ) .

Ограничим область воспроизведения трехмерной сцены цилиндром высотой h и радиусом r и определим количество диаметральных сечений цилиндра N, необходимое для слитного восприятия объектов сцены с любого азимутального направления при круговом обзоре сцены:

N = 2 π r δ .

Определим количество плоскостных единиц изображения (пикселей) k, помещающихся на площади одного диаметрального сечения цилиндрической области воспроизведения:

k = 2 π r δ .

Количество объемных единиц изображения (векселей) m, составляющих один кадр трехмерной сцены в этом случае равно: m = k ⋅ N = 2 r h δ 2 ⋅ 2 π r δ = 4 π r 2 ⋅ h δ 3 = 4 π r 2 ⋅ h ( l ⋅ S i n ( 0.000291 ) ) 3 ≈ 5.1 ⋅ 10 11 ⋅ r 2 ⋅ h l 3 векселей.

Пусть область воспроизведения трехмерной сцены имеет размеры r=0.1 и h=0.2 м. Примем расстояние от центра объема воспроизведения до наблюдателя l=1 м (разрешимый интервал в этом случае равен δ≈0.0003 м), тогда количество векселей в одном кадре сцены равно m=1.021·10⁹ векселей.

При частоте вывода изображений 25 кадров/секунду объем вывода составит величину 2.55·10¹⁰ векселей в секунду ^{(Предельная скорость вывода DLP проектора составляет 766 Мпиксел/сек, что примерно в 30 раз ниже полученной величины)}. Для стандартного 24 битного изображения производительность системы вывода должна быть не менее чем P=24·2.55·10¹⁰=612 Гб/с.

Такая скорость вывода данных при существующем уровне техники пока недостижима и неизвестно, будет она достигнута в ближайшее время. Для сравнения напомним, что предельная производительность наиболее быстрого из существующих - трехчипового DLP проектора составляет величину порядка 22 Гб/сек, что в десятки раз меньше расчетной величины. Данная оценка проведена для весьма скромной по размерам площади сечения области воспроизведения трехмерных объектов (всего 660×660 пикселей). При увеличении размеров этой области требуемая скорость вывода изображений возрастает пропорционально третьей степени ее размеров.

Как следует из проведенного анализа, основная сложность создания 3D дисплеев кругового обзора заключается в том, что без применения специальных мер отображение трехмерных сцен даже небольшого размера требует слишком больших скоростей отображения информации, пока недоступных современной технике.

Кроме указанного выше недостатка, свойственного существующим моделям волюметрических дисплеев, решение по патенту США №6554430 обладает еще рядом недостатков, к которым относятся, в первую очередь, жесткие требования к производительности графического процессора и систем хранения и передачи данных. Последнее осложнено еще и тем, что для построения изображения объемной модели объекта рассматриваемое устройство выводит последовательную серию его двумерных азимутальных сечений, что предполагает наличие математической модели объекта и обработку данных «на проход» для расчета текущих сечений объекта демонстрации ^{(Производительность наиболее быстродействующего из современных графических процессоров не превышает величины 76.8 Гб/с, что на порядок меньше требуемой производительности вывода, не учитывая дополнительную обработку данных на проход)}.

Дополнительные машинные мощности необходимы и для компенсации масштабных искажений и оптических аберраций, вносимых проекционной оптикой дисплея (например, за счет неперпендикулярности оптической оси системы и плоскости проекционного экрана ^{(Частично масштабные искажения и расфокусировка изображений, возникающие из-за неперпендикулярности экрана падающему световому потоку, компенсируются в устройстве отклонением на 5° (согласно принципу Шаймпфлюга) оси объектива от оптической оси системы. Однако полностью скомпенсировать таким образом все искажения проецируемого изображения невозможно - необходима компьютерная корректировка)}), что также следует отнести к недостаткам устройства.

К существенным недостаткам устройства относится и то, что поворот подвижной части оптики (объектив, зеркала, экран) относительно ее неподвижной части (проектор, передающая оптика) вызывает нежелательный поворот изображения в плоскости экрана (изменение ориентации изображения). Для устранения этого недостатка требуется применение специальной компенсирующей оптики с собственным приводом ^{(Например, применение "K"- образной системы зеркал, вращающейся вдвое медленнее подвижной части оптики и проекционного экрана (см. патент США №4943851))} либо упреждающий поворот сечений объекта еще до его вывода, что вызывает дополнителные нагрузки уже перегруженной системы подготовки изображений и влечет за собой повышенные требования к синхронности работы частей дисплея.

Резюмируя, можно утверждать, что реализация устройства требует применения дорогостоящих сложных и поэтому не всегда надежных ^{(Используемая в проекторе матрица DMD не отличается высокой надежностью и долговечностью (служит 2-3 года))} обслуживающих систем, выполненных на пределе возможностей современной техники, однако не обеспечивает в полной мере качество получаемого трехмерного изображения.

Недостатки, являющиеся следствием неоптимальной конфигурации оптической системы дисплея по патенту US №6554430, частично устранены в известном устройстве (патент на полезную модель RU №91646, U1, кл. G09G 3/00, H04N 3/00, публ. 20.02.2010 г.), принятом в данном описании в качестве ближайшего аналога к предлагаемому устройству.

Согласно описанию этот объемный дисплей содержит вращающийся рассеивающий экран и проектор, закрепленный на одном монтажном основании с экраном, воспроизводящий в динамике растровые образы трехмерной сцены, причем питание электроники проектора осуществляется с помощью индукционного генератора, вырабатывающего электричество из энергии механического вращения экрана, а передача графической информации в проектор осуществляется по радиоканалу (например, при помощи модулей Bluetooth).

При такой простой конфигурации оптической системы, когда источник изображения, проекционный объектив и рассеивающий экран жестко закреплены на одной платформе (монтажном основании), не возникает необходимости наклонять экран по отношению к плоскости первичного изображения в проекторе, т.е. не возникает дефокусировка и разномасштабность частей изображения, что позволяет избавиться от корректировки изображений на проход.

Оптическая длина пути луча света от матрицы проектора через проекционный объектив до рассеивающего экрана не меняется при вращении платформы, что позволяет избежать динамических изменений масштаба. При перекосах и биениях платформы не возникает смещение изображения относительно рассеивающего экрана, что позволяет избежать дрожания изображения для наблюдателя.

Вращение экрана и проекционного объектива устройства не вызывает поворот изображения на экране относительно изображения на матрице проектора, что позволяет избежать применения оптических или компьютерных систем корректировки изображений.

Таким образом, оптическая система этого объемного дисплея для работы не требует математической обработки и корректировки данных на проход, что обеспечивает возможность использовать его не только для воспроизведения 3-мерных компьютерных объектов, но и реальных сцен и предметов. В этом случае в качестве составляющих объемного образа объекта можно использовать не только сечения предмета (или сцены) азимутальными плоскостями, а проекции объекта на эти азимутальные плоскости, т.е. кадры съемки реальной сцены вкруговую с разных сторон. Последнее существенно упрощает дополнительную математическую подготовку объекта для демонстрации и при определенных условиях ^{(Эти условия изложены в описании ниже)} может сделать ее ненужной, что обеспечивает возможность воспроизведения 3-мерных образов реальных предметов в реальном времени. Это важное качество отсутствует практически во всех известных моделях объемных дисплеев (или в их описаниях), что и предопределило выбор прототипа для предлагаемого изобретения.

Наряду с несомненными достоинствами это устройство обладает очевидными недостатками. К ним относится недостаточная скорость передачи информации. Для передачи данных в этом устройстве предлагается использование радиоканала, в частности модулей Bluetooth. Радиочастотные модули Bluetooth производства National Semiconductor (например, LMX9820, как следует из описания патента) имеют предельную скорость передачи данных порядка 1 Мбит/с. Наиболее скоростные из известных модулей Bluetooth имеют предельную производительность около 24 Мбит/с (при работе по протоколу Wi-Fi). Причем при скорости вращения монтажного основания 20-24 об/с на один оборот экрана, т.е. на все срезы объекта в пределах 360°) придется всего 1 Мбит переданной информации, что на несколько порядков меньше, чем в дисплее "Perspecta", и существенно меньше расчетных скоростей вывода, т.е. это решение также не в состоянии обеспечить качественное воспроизведения 3-мерных объектов и сцен.

К другим недостаткам этого решения следует отнести питание проектора от индукционного генератора, что неоправданно усложняет устройство, дополнительно нагружает вращающееся монтажное основание и влечет ускоренный износ подвижных частей дисплея.

Известен способ формирования трехмерных изображений (Патент US №6302542 B1, кл. G03B 21/28, публ. 16.10.2001 г.), включающий последовательное отображение 2D кадров на панели создания изображения, быстрое вращение дисплейной плоскости (экрана) вокруг первой оси, вращение мультизеркального отражателя вокруг второй оси с половинной скоростью от скорости вращения дисплея, проецирование двумерных кадров изображения вначале через средства компенсации проекционного пути, затем путем отражения их от мультизеркал на дисплей. Компенсация проекционного пути при этом проводится по одной из следующих двух вариаций - пропускание пучка изображений от панели изображений через объектив, затем отражение его от возвратно-поступательной системы отражателей, которая совершает возвратно-поступательное движение в согласовании с угловым положением вращающихся мультизеркал или проецирование пучка изображений от панели изображений через масштабируемую оптику и изменение оптической силы этой оптики в согласовании с угловым положением вращающихся мультизеркал.

Второй вариант способа включает отображение в последовательности набора 2D кадров на панели создания изображений, быстрое вращение плоскости дисплея и тем самым определение пространства отображения, вращение ортогональной системы переключаемых отражателей со скоростью, равной половине от скорости вращения дисплея, и проецирование указанных двумерных кадров изображения на плоскость дисплея путем отражения их от указанной ортогональной системы переключаемых отражателей. При этом переключение отражателей между прозрачным и отражающим состояниями производится в соответствии с их угловым положением.

К недостаткам этого способа, в первую очередь, относится последовательный вывод двумерных кадров (представляющих собой либо сечения отображаемого объекта, либо его проекции) на панель создания изображения, что влечет за собой повышенные требования к скорости их отображения. Как уже упоминалось ранее, при последовательном выводе двумерных кадров на одном проекционном устройстве требуемая производительность этого устройства для создания качественного объемного отображения трехмерного объекта или сцены находится за пределами возможностей современной техники. Попытки ускорить процесс вывода этих кадров существующими средствами ведут к снижению либо цветности либо разрешения выводимого изображения, что неизбежно влечет за собой снижение качества отображения трехмерного объекта.

К недостаткам данного решения следует отнести и предложенный в нем способ проецирования изображения на экран ^{("… дисплейную плоскость" в редакции этого патента, однако во избежание путаницы с предметом изобретения в дальнейшем изложении при упоминании светорассеивающего тела будет употребляться слово "экран")} для обеспечения стабильной ориентации двумерных проекций (сечений) относительно экрана, который предполагает использование мультизеркального отражателя, либо двух переключаемых отражателей, вращаемых с половинной скоростью по отношению к скорости вращения экрана. Все это влечет за собой неоправданное усложнение оптической системы и привода дисплея и снижает надежность работы устройства.

В первом варианте способа применение мультизеркальной системы потребовало введение средств компенсации изменений проекционного пути луча на основе возвратно-поступательной системы отражателей либо масштабируемой оптикой (каждое со своим приводом), а во втором варианте - введение системы синхронного переключения ортогональных отражателей. Все это неоправданно усложняет конструкцию дисплея и приводит к возникновению дополнительных искажений в воспроизведении двумерных срезов трехмерного образа, снижая качество его воспроизведения.

Кроме того, применение мультизеркального отражателя в виде многогранника с осью вращения, смещенной относительно оси вращения экрана (фиг.10 патента US №6302542), при использовании одной панели изображений (одного проектора изображений) не обеспечивает кругового обзора отображаемого объекта ^{(Кроме того, по мере поворота экрана будет наблюдаться горизонтальное смещение центра изображения относительно центра экрана)}. В этом случае дисплей будет отображать световую модель объекта только в азимутальном угле, не превышающем 180°.

Во втором варианте вращение двух ортогональных отражателей с половинной скоростью от скорости экрана и синхронное переключение их из зеркального состояния в прозрачное при использовании одной панели изображений (проектора) также не обеспечивает кругового обзора объекта наблюдений. Дополнительно следует отметить, что отражение лучей света от зеркала, проходящих почти параллельно его поверхности, вызывает сильные искажения отраженного изображения, вызванные неидеальностью поверхности зеркал. Однако в рассматриваемом способе отражающее зеркало переключается в режим прозрачности тогда, когда его поверхность становится параллельной оси падающего луча, т.е. непосредственно перед моментом переключения отражателей проецируемое на экран изображение подвергается сильному искажению. Последнее не может способствовать качественному воспроизведению отображаемого объекта при таком способе его формирования.

Наиболее близок по технической сущности к заявляемому решению способ формирования трехмерных изображений (патент US 6554430 В2, кл. G03B 21/28, G09G 5/10, публ. 29.04. 2003 г.), принятый в данном описании за ближайший аналог заявляемого способа.

Способ включает в себя вращение проекционной оптики и проекционного экрана вокруг оси вращения, подачу светового луча от стационарного источника света и проецирование луча света через проекционный объектив на проекционный экран, а также регулировку наклона проекционного объектива так, чтобы его оптическая ось составляла с осью вращения угол не более 10 градусов. Способ дополнительно включает вращение первого и второго зеркала вокруг оси вращения, причем проекционная оптика может являться проекционным объективом и этот объектив проецирует луч света на первое зеркало, первое зеркало направляет луч света на второе зеркало, а второе зеркало направляет луч света на проекционный экран.

В вариантах способ дополнительно включает вращение третьего зеркала вокруг оси вращения, при этом третье зеркало получает луч света от второго зеркала и направляет луч света на проекционный экран, а луч света от источника света к проекционному объективу подается при помощи передающей оптики, включающей в себя зеркало, регулируя которое центрируют луч света на проекционном экране.

Как следует из описания, для компенсации трапециедальных искажений изображения в плоскости экрана программное обеспечение дисплея предварительно вводит в него дисторсию и выполняет корректировку ориентации текущего сечения объекта. Последнее производится для устранения поворота изображения в плоскости экрана по мере вращения подвижной части дисплея.

К основным недостаткам этого способа формирования объемных изображений следует отнести работу только с вычислительными моделями объектов демонстрации и требует предварительной подготовки объектов для показа (например, в виде создания трехмерной компьютерной модели объекта). В процессе демонстрации способ предполагает наличие серьезной обработки данных на проход, что подтверждается необходимостью таких операций, как вычисление текущего сечения объекта, введение корректирующей дисторсии и корректировка ориентации текущего изображения в плоскости экрана. Необходимость этих операций следует из устройства оптической системы дисплея ^{(См. выше)} и последовательности действий по передаче и формированию трехмерных изображений согласно формуле и описанию данного способа.

Необходимость использования на всех стадиях процесса подготовки и формирования трехмерных изображений вычислительных средств на пределе их производительности ограничивает возможность повышения качества получаемого изображения и не позволяет воспроизводить реальные объекты и сцены в режиме реального времени.

К другим недостаткам способа относится последовательный вывод текущих сечений визуализируемого объекта при помощи только одного проектора, что предъявляет серьезные требования к его производительности, повышаемой часто путем снижения качества изображения, что серьезно ограничивает возможности применения менее скоростных, однако более надежных его аналогов и снижает надежность изделия в целом.

Приведенный анализ уровня техники свидетельствует о том, что вышеперечисленные устройства и способы, включая такие ближайшие аналоги, как устройство по патенту RU №91646 и способ по патенту US №6554430, не обеспечивают необходимой надежности и долговечности объемного дисплея и ограничивают качество формируемого трехмерного изображения. Использовать это устройство и способ для вывода реальных трехмерных изображений и сцен в режиме реального времени не представляется возможным.

Задачей, решаемой в предлагаемом изобретении, является создание надежного и объемного дисплея с круговым обзором, способного формировать и визуализировать с высоким качеством в реальном времени и при минимальном использовании средств вычислительной техники трехмерные изображения объектов и сцен, в том числе и реально существующих.

Из вышесказанного следует, что для решения этой задачи необходимо создание как собственно дисплея на основе новой более оптимальной схемы его оптической системы и более надежных и доступных проекционных средств, так и нового способа формирования и вывода изображений проекций (или сечений) трехмерного объекта, требующего существенно меньшего использования вычислительных операций.

Технический результат, который может быть получен при реализации заявленной группы изобретений, заключается в обеспечении возможности воспроизведения полноцветных объемных объектов или сцен, видимых без применения индивидуальных средств стереонаблюдения.

Поставленная задача решается тем, что в предлагаемом объемном дисплее, содержащем рассеивающий экран, закрепленный по центру оси вращения платформы, проектор, воспроизводящий растровые образы трехмерной сцены, которые передаются на экран через проекционную оптику и систему зеркал, согласно техническому решению система зеркал размещена соосно платформе и выполнена в виде неподвижного осесимметричного зеркального многогранника, в основании которого находится правильный многоугольник, причем зеркальными выполнены внешние поверхности боковых граней многогранника, проекционная оптика закреплена на вращающейся платформе, а проектор выполнен в виде многогранника, подобного зеркальному многограннику, при этом средние линии боковых граней проектора параллельны средним линиям соответствующих боковых граней зеркального многогранника и удалены от оси вращения платформы на расстояние, равное удвоенному расстоянию от нее средних линий зеркального многогранника, а внутренние поверхности боковых граней проектора выполнены с возможностью воспроизведения на них растровых образов трехмерной сцены.

Преимущество предложенного объемного дисплея заключается в свойстве его оптической системы формировать составные изображения из двух опорных (фиг.1) для произвольного азимутального направления "K", лежащего внутри диапазона, границами которого являются направления на эти опорные растровые образы "A" и "B", воспроизведенные на внутренних поверхностях смежных боковых граней многогранного проектора ^{(Азимутальный угол между двумя смежными боковыми гранями многогранных пирамиды или призмы определяется углом между проекциями на основание нормалей к этим граням и может быть найден исходя из количества сторон правильного многоугольника, лежащего в основаниях этих фигур)}. Эти составные изображения являются комбинацией двух одинаково ориентированных и совмещенных центрами опорных растровых образов (например, "a" и "b"), представленных в составном изображении их относительными долями g / e = D C + D и f / e = C C + D (где "g" и "f" - части по горизонтали опорных образов "a" и "b" в составном изображении "e"), зависящими от относительного расстояния данного азимутального направления - "K" от границ диапазона