Файл: Принцип работы 3D монитора.pdf

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.

Достоинства

широкая зона стереоэффекта;
большая глубина объема воспроизведения;
возможность "оглядывания" и динамического параллакса;
наличие контента (потенциально);
возможность отображения непрозрачных объектов, т.е., потенциально, реалистичная
графика и видео

Недостатки

техническая сложность и себестоимость быстро возрастают с увеличением числа воспроизводимых ракурсов;
небольшой угол обзора (от 24 до 50 градусов против 160 и более у обычных мониторов);
требуется большая скорость потока данных (кратное числу ракурсов увеличение от моно) или существенный объем вычислений для кодирования и декодирования данных;
отсутствует программное обеспечение

Вряд ли в ближайшие год - два стоит ожидать появления недорогих серийных моделей мультивидовых 3D дисплеев для домашнего использования, хотя многие серьезные производители дисплеев имеют свои прототипы. Например, линейка дисплеев с 3, 5, 7, и 9-ю ракурсами у Philips, шестнадцатиракурсный дисплей у Samsung.

ГОЛОГРАФИЧЕСКИЕ 3D ДИСПЛЕИ

В первой было определено, что голографические 3D дисплеи воспроизводят непрерывное световое поле, соответствующее световому полю реальной 3D сцены. Однако, современная техника немыслима без цифровой обработки сигналов, стало быть, любая непрерывная функция с некоторой точностью апроксимируется рядом дискретных значений. Световое поле не исключение, поэтому H3D можно рассматривать как дальнейшее развитие мультивидовых дисплеев с очень большим количеством воспроизводимых ракурсов.

Схема работы голографических дисплеев

Работа голографического дисплея происходит через разделение объема воспроизведения множеством условных вертикальных плоскостей, проходящих через центр экрана. В каждой части разбитого плоскостями пространства наблюдается свой вид (ракурс) объемной сцены.

Обычно, когда речь заходит о H3D, имеют в виду устройство, способное воспроизводить на неком материале подобие традиционной голограммы, то есть вычислять и отображать фиксируемую ей в виде дифракционных структур интерференционную картину светового поля, причем делать это в реальном времени. Такой подход не учитывает, что каждый малый участок голограммы представляет из себя дифракционную решетку, выполняющую роль отклоняющего элемента и нет нужды каждый раз, когда нужно изменить угол отклонения луча, рассчитывать и отображать ее.

На данный момент есть группа ученых, активно изучающих данную сферу, несмотря на огромные финансовые и временные затраты. Например, американцы из Массачусетского технологического института разработали прототип, в котором воспроизводится изображение, рассчитанное на компьютере. Голограмма формируется с помощью акустооптического модулятора: луч лазера модулируется акустическими колебаниями, воздействующими на кристалл, который расположен перед фокусирующей линзой.

Прорисовка изображения выполняется механической зеркальной разверткой. Для монохромной картинки размером 15 x 15 x 20 см требуется поток данных около 2 гигапикселей в секунду. Японцы пытаются воспроизводить голограммы с помощью проекционных LCD матриц (используются в видеопроекторах), каждая из которых воспроизводит небольшой отдельный участок голограммы. Поскольку диагональ таких матриц не превышает 1,8 дюйма, для получения голограммы нужной площади пришлось использовать множественные конфигурации и устройства сведения для объединения различных частей голограммы. Поток данных, требуемый для воссоздания полноценного образа, достигает приблизительно одного терабайта в секунду. Монохроматическая голограмма с площадью проекции 1 кв.см - это пока максимум, чего удалось добиться исследователям.

Интересна разработка, названная ее авторами "офисный голографический принтер". Хотя это устройство не имеет непосредственного отношения к 3D дисплеям, полученные результаты могут быть использованы в будущем для создания H3D.

Принтер позволяет печатать на фоточувствительном материале однопроходные голограммы, качество которых во многих случаях превосходит качество традиционных голограмм. Голограмма получается путем последовательной экспозиции узких полосок фотоматериала через щелевую маску. На каждой полоске по традиционной технологии получения голограмм фиксируется образ цилиндрической линзы, за которой располагается LCD матрица с выведенным на нее специально подготовленным изображением. В результате получается голограмма линзового растра очень высокого разрешения (до 250 lpi), идеально совмещенного с изображением, содержащим до 150 ракурсов предварительно отснятой или смоделированной на компьютере 3D сцены.

Исследования, проведенные при разработке голографического принтера, показали, что голограмма 3D объекта может быть рассчитана как совокупность голографических образов, составляющих его вокселей. Образ вокселя представляет из себя фиксированный паттерн, зависящий только от "глубины залегания", т.е. Z-координаты вокселя и не зависящий от координат X и Y. Паттерны для всего диапазона значений Z могут быть рассчитаны заранее и помещены в таблицу, откуда будут извлекаться при выводе в реальном времени с минимальным количеством вычислительных операций.

Паттерны для систем на основе линзовых растров имеют простейший вид группы вертикальных штрихов и могут рассчитываться непосредственно в процессе вывода изображения. Отличие данного метода от классической голограммы состоит в том, что формируются изображения, имеющие только горизонтальный параллакс (как, впрочем, и у всех дисплеев, описанных выше). Принцип формирования образа вокселя P из опорного пучка света S классической голограммой показан ниже.

Можно заметить, что чем дальше от поверхности находится воксель, тем большая площадь голограммы принимает участие в его формировании.

Достоинства

самое реалистичное 3D изображение, обладающее всеми оптическими свойствами отображаемого реального объекта

Недостатки

техническая сложность на пределе современных возможностей аппаратуры, вычислительных мощностей хватает только для статических изображений

ВОЛЮМЕТРИЧЕСКИЕ (VOLUMETRIC) 3D ДИСПЛЕИ

Волюметрические 3D дисплеи (далее V3D) существенно отличаются от всех рассмотренных выше типов 3D дисплеев, формирующих изображение с помощью элементов, расположенных в одной плоскости.

Схема работы волюметрического дисплея

Объекты отображаются через воспроизведение объемного изображения в виде вокселей или векторов, реально разнесенных в рабочем объеме дисплея (объеме воспроизведения), четко ограниченном его конструкцией.

Для V3D потребуется дополнительная классификация, поскольку это самая многочисленная по разнообразным технологиям группа. Примем за основу классификации три параметра: наличие в конструкции движущихся частей, тип источника изображения, заполнение объема воспроизведения. Естественно, такая классификация условна и не претендует на полноту и окончательность.

Для V3D существует всего два способа воспроизведения изображения вокселя в заданной точке пространства:

Поместить в эту точку вещество, способное рассеивать свет и осветить его;
Поместить в эту точку вещество, способное излучать свет и заставить его светиться

Оба способа предполагают, что объем воспроизведения должен быть заполнен подходящим веществом, поскольку воксель может располагаться в любой точке этого объема по определению. Причем, для первого способа сразу возникает противоречие: если вещество рассеивает свет, то оно не может быть прозрачным и нельзя увидеть воксели, располагающиеся в его глубине. И здесь в очередной раз спасает инерционность зрительного аппарата человека. Сплошной объем вещества заменяется тонким рассеивающим экраном, который периодически "сканирует" объем воспроизведения так, что за один цикл поверхность экрана проходит через все точки этого объема.

Форма поверхности экрана вызывает интерес лишь постольку, поскольку для воспроизведения 3D объектов с минимальными геометрическими искажениями требуется учитывать ее при пересчете компьютерной модели в реальные координаты. Насколько разной может быть форма поверхности, видно из сравнения двух моделей V3D: FELIX 3D и Perspecta.

В качестве примера приведен проект FELIX 3D, который использует использует экран в виде одного витка спирали для проецирования лучей трех твердотельных лазеров основных цветов. Перемещение по осям X и Y обеспечивается механической зеркальной разверткой, а по Z - положением экрана в момент включения лазеров. В каждый момент времени формируется изображение только одного вокселя, а всего за 1 оборот - около 10 000 вокселей при скорости вращения экрана 20Гц. Такое небольшое количество вокселей ограничивает сферу применения FELIX 3D векторными приложениями, например в системах CAD/CAM.

Компания Actuality Systems использует в модели Perspecta плоский экран, вращающийся вместе с системой зеркал для проецирования изображения размером 768х768 пикселов одновременно. DLP проектор успевает сформировать за время одного оборота (при частоте вращения 24Гц) 198 плоских изображений (1 бит на цвет), составляющих "нарезку" (slices) 3D сцены. Таким образом, общее количество формируемых вокселей превышает 100 миллионов, что является пока абсолютным рекордом. Проблемой подготовки информации является необходимость поворота формируемого на экране проектора изображения синхронно с вращением экрана и расчёт "нарезки". Для этого используется DSP процессор производительностью 1600 MIPS и 6 Gb DDRAM.

Для рассмотрения второго примера нужно сказать, что идея V3D с вращающимся экраном давно привлекала внимание разработчиков. Оригинальная конструкция, в которой покрытый фосфором стеклянный диск помещался внутрь электронно-лучевой трубки и приводился в движение электромотором, ротор которого располагался внутри колбы, а статор снаружи. Изображение получали, управляя отклонением электронного луча.

Однако, практического применения эта конструкция, как и сотни подобных, не нашла, поскольку формирование сигналов, необходимых для получения объемного изображения, оказалось непосильной задачей. Действительно, даже с помощью современных мощных компьютеров не так просто вычислить положение точки пересечения наклонного луча и вращающейся плоскости в реальном времени.

В плане простоты расчетов, гораздо удобнее конструкции, в которых экран или монитор движутся возвратно-поступательно, но в них очень сложно совместить высокую скорость перемещения с хорошей линейностью и отсутствием вибраций.

Достоинства

Истинно объемное изображение, обеспечивающее естественную связь между конвергенцией и аккомодацией, динамический параллакс и другие пространственные эффекты
Большой угол обзора, вплоть до 360 градусов по горизонтали и 270 градусов по вертикали

Недостатки

Невозможность отображения непрозрачных объектов, нельзя отобразить реалистичную графику и видео.
Объем воспроизведения закрыт физически, невозможно совмещение с реальными объектами
Требуется очень большая скорость потока данных
Очень высокая стоимость, от многих десятков но нескольких сотен тысяч долларов

Актуальные решения для отображения 3D графики

3D-мониторы Philips

Компания Philips представила новые мониторы Comfort, которые созданы для работы с 3D-графикой. Мониторы с диагональю 42 дюйма обеспечивают 3D-эффект без использования специальных очков.

Более того, в отличие от других подобных разработок, где трехмерную картинку можно увидеть, только если смотреть на экран с определенной точки, эти мониторы дают возможность наслаждаться 3D-эффектом сразу нескольким зрителям, которые смотрят на дисплей под разным углом.