Файл: Принцип работы 3D монитора.pdf

Введение

На сегодняшний день сфера 3D дисплеев вызывает интерес, о ней много пишут, в основном о конкретном производителе или модельном ряде. Та часть технических обзоров или статей содержат в себе описания случайного набора из очков, шлемов и, собственно, 3D дисплеев.

В данный момент на рынке отсутствует классификация существующих 3D дисплеев, что приводит к путанице при попытке их классификации. Это приводит к систематическим ошибкам, солидные фирмы-производители зачастую называют свои изделия не тем, чем они являются на самом деле.

Целью написания данного реферата является систематизация материала о принципах работы, достоинствах и недостатках моделей, и прототипах, присутствующих на рынке. Т.к. большая часть инновационных технологий в сфере отображения 3D находится лишь на стадии патентной документации.

Классификация

На данный момент 3D дисплеем называется любое устройство, способное вывести изображение, воспринимаемое человеком как объемное, без очков или других дополнительных устройств.

Пространство, в котором можно наблюдать изображение, формируемое 3D дисплеем, объемом воспроизведения, а пространство, в котором находится зритель - объемом наблюдения. Только находясь внутри объема наблюдения человек вправе рассчитывать на восприятие неискаженного объемного изображения, заключенного в объем воспроизведения.

3D дисплеи подразделяются на группы, по способности отображения объемной информации:

1. Стереоскопические. Воспроизводят два ракурса объемной сцены, один из которых предназначен для левого, а другой - для правого глаза.
2. Мультивидовые. Воспроизводят несколько последовательных ракурсов объемной сцены, любые два из которых составляют стереопару.
3. Голографические. Воспроизводят непрерывное световое поле, соответствующее световому полю реальной 3D сцены.
4. Волюметрические. Воспроизводят изображение в виде набора точек (вокселей) или векторов, физически разнесенных в ограниченном рабочем пространстве дисплея (объеме воспроизведения).

Вопрос объемного восприятия окружающего мира является непростым. При наблюдении происходящих вокруг событий мозг, с помощью алгоритмов учитывающих множество факторов «вычисляет» объем.

3D дисплей должен формировать изображение с учетом различных факторов и их взаимосвязей. Исходя из этого, можно проанализировать перечисленные выше типы 3D дисплеев и выделить их достоинства и недостатки.

СТЕРЕОСКОПИЧЕСКИЕ 3D ДИСПЛЕИ

Стоит отметить, что на сегодняшний день к этому типу относятся практически все серийно выпускаемые устройства, какими бы эпитетами вроде "реальное 3D", "суперобъемный", "ошеломляюще реалистичный", "голографический" и пр. не украшались их рекламные буклеты и пресс-релизы.

Схема работы стереоскопического 3D дисплея

Во время работы стереоскопического дисплея происходит разделение объема воспроизведения на две части условной вертикальной плоскостью, перпендикулярной плоскости экрана и проходящей через его центр. Слева от плоскости наблюдается изображение для левого глаза, справа - для правого.

Очевидно, что для наблюдения стереоизображения человек должен располагать голову так, чтобы каждый глаз находился в "своем" пространстве, подобные дисплеи быстро вызывают чувство утомления, усталость глаз.

"Однопользовательскую" конфигурацию легко дополнить автоматикой, которая поворачивает разделительную плоскость вслед за движением головы пользователя (tracking).

Технически для производства стереоскопических 3D дисплеев лучше всего подходят LCD или плазменные панели, поскольку пиксели в них жестко привязаны к месту, в отличии от CRT мониторов, где изображение может слегка сдвигаться и изменять свой масштаб.

Параллакс-барьер, самый простой способ разделения стереоракурсов (осуществимый даже в "домашних" условиях, если в наличии имеется LCD монитор). Нужно напечатать на прозрачной пленке рисунок, состоящий из вертикальных черных полосок с шагом в два пиксела вашего монитора, такой ширины, чтобы между ними остались узкие прозрачные полоски. Если наложить полученный растр на экран, с определенной позиции будут видны только четные пикселы, а с другой - только нечетные.

Необходимо обратить внимание на зазор между растром и панелью, обеспечивающий необходимый угол обзора. Осталось вывести на экран специально подготовленное изображение, в котором чередуются пиксели левого (L) и правого (R) ракурсов.

Недостатком щелевого растра является существенное снижение яркости монитора, поскольку часть световой энергии поглощается черными полосками. Естественным развитием щелевых растров являются линзовые растры, так же, как объектив фотоаппарата является развитием маленького отверстия камеры-обскуры.

Существенным недостатком метода параллакс-барьера, независимо от его технической реализации, является то, что он формирует не одну условную плоскость, а несколько.

В разделяемых ими областях наблюдения чередуются L и R ракурсы, так, что при смещении наблюдателя на некоторый угол от главной плоскости возникает неприятный эффект, называемый "псевдоскопическим", когда правый глаз видит левую картинку и наоборот.

Следующий недостаток - снижение горизонтального разрешения 3D дисплея вдвое по сравнению с моно, ведь пиксели нужно делить между двумя ракурсами стереоизображения. Определенные усилия разработчиков направлены на возможность полного использования разрешения 3D дисплея в моно-режиме.

Щелевые растры делают электрически отключаемыми, например, на основе жидких кристаллов. Естественно, что линзовый растр отключить невозможно. Другой вариацией параллакс-барьера является метод параллаксного освещения. LCD панель освещается набором тонких вертикальных источников света.

И, наконец, самый главный недостаток. Стереоизображение недаром называют самой большой иллюзией в истории человечества. Во время отображения стереокартинки, мозг легко впадает в заблуждение, что перед объектом показа находится истинно объемное изображение. Но лишь до тех пор, пока зритель неподвижен. Стоит чуть наклонить голову или переместиться, как изображение претерпевает искажения, совершенно не свойственные реальным предметам, поскольку каждый глаз по-прежнему видит изображение, полученное соответствующей ему камерой из фиксированной точки пространства.

Изображение, сформированное стереодисплеем, воспринимается без искажений лишь в одной точке наблюдения, когда положение каждого глаза наблюдателя точно соотносится с положением камер при съемке. По той же причине невозможны такие эффекты, как "оглядывание" и динамический параллакс.

Популярность данной технологии при большом количестве недостатков обусловлена ее доступностью при текущем уровне технического прогресса. Для стереодисплея сегодня существует вся технологическая цепочка уровня

устройство-драйвер-программа-контент, имеется полная инфраструктура для производства, продажи и использования, имеется все необходимое программное обеспечение.

Индустрия производства 3D дисплеев быстро развивается, наличие отображаемого контента увеличивается, что в свою очередь создает спрос на подобный класс устройств.

Цены на стереоскопические 3D дисплеи все еще высоки, хотя себестоимость аппаратной части не имеет существенных отличий от обычных LCD мониторов. Причина в незначительном пока объеме выпуска, однако соразмерно росту индустрии и доступности производства цена будет постепенно опускаться.

Достоинства

• Достоинством стереоскопических дисплеев является относительная простота изготовления, есть серийно выпускаемые модели;
• невысокая себестоимость, возможно снижение цены в обозримом будущем;
• реально достижимая скорость потока данных (двукратное увеличение от моно);
• наличие контента, драйверов, программ

Недостатки

• невозможность "оглядывания" и динамического параллакса;
• очень ограниченная зона стереоэффекта;
• наличие зон "неправильного" псевдоскопического эффекта;
• вдвое меньшее горизонтальное разрешение в стереорежиме

Естественно, не все из сказанного выше верно для любого конкретного дисплея, существует множество способов преодоления того или иного недостатка, но главный недостаток можно устранить только в 3D дисплеях, относящихся к другим группам.

МУЛЬТИВИДОВЫЕ (MULTIVIEW) 3D ДИСПЛЕИ

Как следует из определения, данного в первой части данного реферата, мультивидовые 3D дисплеи воспроизводят объемное изображение в виде нескольких последовательных ракурсов объемной сцены, любые два из которых составляют стереопару.

Схема работы мультивидового дисплея

Во время работы дисплея происходит разделение объема воспроизведения несколькими условными вертикальными плоскостями, проходящими через центр экрана. В каждой части разбитого плоскостями пространства наблюдается свой вид (ракурс) объемной сцены.

Поскольку M3D являются развитием идеи стереодисплея, то для их построения применимы те же технологии параллакс-барьеров и линзовых растров, только за каждой линзой должно располагаться столько пикселей, сколько ракурсов изображения необходимо получить. Очевидно, что существующие сегодня LCD панели не позволяют получить по такой схеме достойное качество изображения.

В качестве примера приведен монитор 17", имеющий 1280х1024 пикселя размером 0,27мм. В случае, если необходимо получить 5 ракурсов, придется использовать линзовый растр с шагом 1,35мм, а горизонтальное разрешение уменьшится до 256 пикселов.

Однако существует технология, позволяющая использовать массив пикселей лучшим способом. Это голографические оптические элементы (Holographic Optical Elements - HOE ). Перед LCD панелью помещается пленка, состоящая из миниатюрных голограмм, каждая из которых закрывает один пиксель и направляет проходящий свет в одном из заданных направлений.

Голограммы, формирующие столько различных направлений, сколько нужно ракурсов, объединяются в патерн, повторяющийся по всей поверхности экрана. Для получения четырех ракурсов используются группы 2х2 пиксела, для девяти ракурсов - 3х3, т.е. для того же 17" монитора разрешение будет 640х512 и 427х341 пиксель соответственно.

Конечно, для работы с текстом такой монитор уже не годится, а вот графика и видео будут отображаться в лучшем разрешении (для сравнения: видеомагнитофон формата VHS воспроизводит изображение с разрешением примерно 384х288 пикселей). Учитывая, что разрешение LCD панелей непрерывно растет, а производство голографической пленки реально уже сейчас, можно ожидать появление серийных моделей M3D в недалеком будущем.

Исходя из вышеизложенного становится важным вопрос количества отображаемых ракурсов. Ответ зависит от конкретного назначения M3D и поддается точному расчёту. Для комфортного просмотра видео бывает достаточно 4-6 ракурсов, тогда как для серьезных применений, таких как 3D-томография и рентген, графические рабочие станции CAD/CAM, отображение оперативной обстановки (авиадиспетчерские, аварийно-спасательные службы) и т.д., может, понадобится от 40 до 150 ракурсов. Известно несколько прототипов M3D с числом ракурсов более 40.

В одном из них электромеханическая зеркальная система разворачивает пакет лучей от 48 полупроводниковых лазеров, по одному на каждый ракурс, в другом около 100 ракурсов формируются с помощью оптических волокон толщиной 10 микрон, соединенных в упорядоченный оптический кабель, по которому изображение от нескольких серийных видеопроекторов подводится к линзовому растру.

Проблема M3D состоит не столько в изготовлении самого устройства, сколько в получении необходимой для отображения информации.

Даже стереовидеокамеры до сих пор остаются экзотикой, восьмиракурсная видеокамера применялась в прототипе многоракурсной телевизионной системы НИКФИ, а видеокамеру с большим числом ракурсов представить сложно. Настолько же проблематична запись и передача по каналам связи такого сигнала.

На данный момент разрабатываются два диаметрально противоположных подхода к этой проблеме. Первый предполагает сжатие многоракурсной информации на основе межракурсных разностей (имеется большое сходство с технологией MPEG) с последующей распаковкой при воспроизведении, второй - восстановление промежуточных ракурсов из стереопары.

Прототип системы второго типа с четырьмя видеопроекторами, ретрорефлективным экраном и компьютером, вычисляющим промежуточные ракурсы с помощью нейросетевых алгоритмов был разработан и успешно продемонстрирован компанией НейрОК Оптикс. Восстановление большего числа ракурсов требует существенных вычислительных мощностей. Еще большие ресурсы необходимы для построения множества ракурсов 3D сцены, описанной набором векторов или массивом вокселей.