Virtual & Really.Ru - Реально о Виртуальном

Виртуальная реальность и 3D Стерео Технологии

Tuesday, Sep 19th

Last update08:45:36 AM GMT

Вы здесь: Статьи VR и 3D Устройства Обзор 3D Дисплеев

Обзор 3D Дисплеев

Печать PDF
о 3D дисплеях много пишут, но,

В этой статье предпринята попытка систематизировать накопленный автором обширный материал по технологиям воспроизведения 3D, одно только перечисление которых заняло бы несколько страниц. Правда, большая их часть существует в виде патентов и описаний, гораздо меньше "живых" прототипов, и уж совсем малая часть реализована...  

11/03/2007. Обзор 3D дисплеев
(3D Display).

Обзор 3D Дисплеев
(3D Displays review)


  1.  
    1.  
      1.  
        1. Введение, терминология, определения
        2. Стереоскопические 3D дисплеи
        3. Многоракурсные (MULTIVIEW) 3D дисплеи
        4. Голографические 3D дисплеи
        5. Волюметрические (VOLUMETRIC) 3D дисплеи
        6. Заключение

В последнее время о 3D дисплеях много пишут, но, как правило, речь идет о какой-либо конкретной модели или модельном ряде конкретного производителя. Немногочисленные же обзорные статьи содержат описания случайного набора из очков, шлемов и, собственно, 3D дисплеев.

Практически отсутствует классификация существующих 3D дисплеев, что приводит к запутанной терминологии. Даже солидные фирмы-производители зачастую называют свои изделия не тем, что они есть на самом деле.

В этой статье предпринята попытка систематизировать накопленный автором обширный материал по технологиям воспроизведения 3D, одно только перечисление которых заняло бы несколько страниц. Правда, большая их часть существует в виде патентов и описаний, гораздо меньше "живых" прототипов, и уж совсем малая часть реализована...

Начнем с терминов:

Во-первых, 3D дисплеем мы будем называть любое устройство, способное вывести изображение, воспринимаемое человеком как объемное, без очков или других дополнительных устройств.

Во-вторых, назовем 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.

И в-третьих, поделим все 3D дисплеи на группы, по способности отображения 3D 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).

Каким образом человек воспринимает мир в объеме? На самом деле, это очень непростой вопрос. Два глаза? Тогда закройте один глаз и посмотрите вокруг. Можно заметить, что картина не поменялась радикально, изображение не стало плоским! Все дело в том, что объемный образ мира виртуален, он вычисляется мозгом с помощью алгоритмов, учитывающих множество факторов, среди которых различие между изображениями, воспринимаемыми левым и правым глазом (параллакс) является важным, но отнюдь не единственным.

При наблюдении реальных трехмерных сцен эти факторы связаны между собой вполне определенным образом, что зафиксировано в нашем опыте. Соответственно, 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. При этом, мы не станем вдаваться в технические тонкости конкретных технологий (кстати, иногда тщательно скрываемые производителями), достаточно будет установить, к какому из перечисленных типов относится конкретное устройство.

Для каждого типа будет выделен ПРИНЦИП работы, ПЛЮСЫ и МИНУСЫ.

СТЕРЕОСКОПИЧЕСКИЕ 3D ДИСПЛЕИ

Dresden3D
рисунок 2Dresden 3D

Сразу отметим, 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.

ПРИНЦИП . 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. (рис 1)

stereo Barrier
рисунок 1 Stereo
рисунок 3Barrier

Очевидно, что для наблюдения стереоизображения человек должен располагать голову так, чтобы каждый глаз находился в "своем" пространстве, а это несколько утомительно.

"Однопользовательскую" конфигурацию легко дополнить автоматикой, которая поворачивает разделительную плоскость вслед за движением головы пользователя (tracking). Слежение может осуществляться разными способами, например с помощью пары видеокамер, вмонтированных в корпус дисплея. (рис 2)

Технически для производства стереоскопических 3D дисплеев лучше всего подходят LCD или плазменные панели, поскольку пикселы 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 у вас есть 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. (рис 3)

Обратите внимание на зазор между растром и панелью, обеспечивающий необходимый угол обзора. Осталось вывести на экран специально подготовленное изображение, в котором чередуются пикселы левого (L) и правого (R) ракурсов. Подробнее о щелевых растрах можно прочесть в статье Е. Вазенмиллер "Щелевые растры". 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. (рис 4)

Существенным недостатком метода параллакс-барьера, независимо от его технической реализации, является то, что он формирует не одну условную плоскость, а несколько. (рис 5)

Lenticular Pseudoscop Barrier Light 2
рисунок 4Lenticular
рисунок 5Pseudoscop
рисунок 7Barrier Light 2

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 пикселы нужно делить между двумя ракурсами стереоизображения. Определенные усилия разработчиков направлены на возможность полного использования разрешения 3D дисплея в моно-режиме.

Ocuity 2D-3D Lenticular
рисунок 6Ocuity 2D-3D Lenticular

Щелевые растры делают электрически отключаемыми, например, на основе жидких кристаллов. Казалось бы, линзовый растр отключить невозможно, но такие решения тоже существуют. Например, фирма Ocuity использовала для этого эффект двойного лучепреломления в жидких кристаллах. Проходя через слой жидких кристаллов, луч света расщепляется на два луча, отличающиеся плоскостью поляризации и коэффициентами преломления. Передняя стенка жидкокристаллической панели, выполненная из прозрачного пластика, соприкасается со слоем жидких кристаллов по поверхности, имеющей форму линзового растра. Коэффициент преломления пластика равен коэффициенту преломления одного из лучей. Таким образом, для лучей с одной поляризацией панель работает как линзовый растр, а лучи с другой поляризацией проходят сквозь нее, как через простое стекло. Остается только выбрать нужные лучи. Для этого служит вторая жидкокристаллическая панель, разворачивающая плоскость поляризации света на 90 градусов при снятии с нее напряжения и пассивная поляризационная пленка, пропускающая лучи только с вертикальной поляризацией. (рис 6)

Другой вариацией на тему параллакс-барьера является метод параллаксного освещения. LCD панель освещается набором тонких вертикальных источников света. (рис 7)

Включением второго набора источников (на рисунке обозначены голубым цветом) дисплей переводится в режим моно.

И, наконец, самый главный недостаток. Стереоизображение недаром называют самой большой иллюзией в истории человечества. Когда вы видите стереокартинку, ваш мозг легко впадает в заблуждение, что перед вами истинно объемное изображение. Но лишь до тех пор, пока вы неподвижны. 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.

Строго говоря, 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. Как ни перемещайся перед стереодисплеем, если мы даже не выходим из зоны стереоэффекта, то картинку все равно видим ту же самую, а если закрыть один глаз, все ухищрения разработчиков и вовсе пропадут даром - ничего, кроме моноизображения, мы не увидим.

nVIDIA stereo driver
рисунок 8 nVidia Stereo Driver
Так почему же при таком количестве серьезных недостатков идея стереоскопического 3D дисплея столь популярна? Все определяется доступностью той или иной технологии при данном уровне развития техники. Для стереодисплея сегодня существует вся технологическая цепочка УСТРОЙСТВО-ДРАЙВЕР-ПРОГРАММА-КОНТЕНТ. Проще говоря, стереодисплей есть куда включить, есть чем согласовать, есть что и с помощью чего увидеть. Это видеоадаптеры с двумя и более видеовыходами, стереодрайверы, множество игр и немного (пока) стереофильмов. (рис 8)

Маховик индустрии уже раскручивается, наличие контента создает спрос на устройства, наличие устройств создает спрос на контент.

Цены на стереоскопические 3D дисплеи достаточно высоки (примерно от $1500 и выше), хотя себестоимость собственно "железа" не очень существенно отличается от обычных LCD мониторов. Все дело лишь в незначительном пока объеме выпуска, так что не за горами тот день, когда и мы с вами сможем себе позволить покупку стереомонитора.

Подведем итог первой части.

ПЛЮСЫ:

  • 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

МИНУСЫ:

  • 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. О них пойдет речь в следующих статьях цикла.

 

МНОГОРАКУРСНЫЕ (MULTIVIEW) 3D ДИСПЛЕИ

Как следует из определения, данного в первой части статьи, многоракурсные 3D дисплеи (далее, для краткости М3D) воспроизводят объемное изображение в виде нескольких последовательных ракурсов объемной сцены, любые два из которых составляют стереопару.

ПРИНЦИП : Разделение объема воспроизведения несколькими условными вертикальными плоскостями, проходящими через центр экрана. В каждой части разбитого плоскостями пространства наблюдается свой вид (ракурс) объемной сцены. (рис. 9)

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 пикселов, сколько ракурсов изображения мы хотим получить. Очевидно, что существующие сегодня LCD панели не позволяют получить по такой схеме приличный M3D.

Возьмем 17" монитор, имеющий 1280х1024 пиксела размером 0,27мм. Если мы хотим получить 5 ракурсов, придется взять линзовый растр с шагом 1,35мм, а горизонтальное разрешение станет аж целых 256 пикселов! Не впечатляет… При этом вертикальное разрешение остается без изменения, становясь «избыточным» по сравнению с горизонтальным.

Но есть технологии, позволяющие использовать массив пикселов лучшим способом. Одна из них - голографические оптические элементы (Holographic Optical Elements - HOE ). Перед LCD панелью помещается пленка, состоящая из миниатюрных голограмм, каждая из которых закрывает один пиксел и направляет проходящий свет в одном из заданных направлений. (рис. 10)

Multiview HOE Philips
рисунок 9 Multiview
рисунок 10HOE
рисунок 11Philips

Голограммы, формирующие столько различных направлений, сколько нужно ракурсов, образуют фрагмент, 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 пиксел соответственно. Конечно, для работы с текстом такой монитор уже не годится, а вот графика и видео будут выглядеть вполне прилично (для сравнения: видеомагнитофон формата VHS воспроизводит изображение с разрешением примерно 384х288 пикселов). Учитывая, что разрешение LCD панелей непрерывно растет, а производство голографической пленки реально уже сейчас, можно ожидать появление серийных моделей M3D по этой технологии в недалеком будущем.

Другая технология, активно продвигаемая на рынок фирмой Филипс, это технология субпиксельных элементов в сочетании с линзовыми растрами, установленными под небольшим углом к столбцам пикселов LCD панели.

Известно, что каждый пиксел LCD панели составляют три отдельных элемента, совмещенные со светофильтрами красного, зеленого и синего цветов – субпикселы, расположенные горизонтально. Информация в субпикселы одного пиксела записывается одновременно.

Наклонное расположение линзового растра позволяет получить большее количество ракурсов, если использовать субпикселы, принадлежащие разным пикселам. Желтыми линиями на рисунке условно показаны границы участков, формирующих соседние ракурсы. Перед выводом на дисплей, изображение обрабатывается программой, учитывающей местоположение субпикселов относительно линзового растра. (рис 11.)

Кроме того, Филипс принадлежит рад патентов по оптимизации формы и расположения пикселов в LCD панелях для применения в M 3D с различным количеством ракурсов.

Но вот действительно важный вопрос: а сколько ракурсов необходимо? Ответ зависит от конкретного назначения M3D и поддается точному рассчету. 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 (например, можно взять сколько нужно проекторов и экран из двух совмещенных линзовых растров - очень старый патент), сколько в получении необходимой для отображения информации. Разрабатываются два диаметрально противоположных подхода к этой проблеме. Первый предполагает получение многоракурсной информации с ее последующей обработкой для уменьшения скорости потока данных, второй - восстановление промежуточных ракурсов из стереопары.

Многоракурсные видеокамеры громоздки, дороги, требуют точной юстировки, что ограничивает их применение.

NeurOK Projection
рисунок 13NeurOK Projection

Например, разработанная в Кембридже проекционная система, состоящая из 16 видеокамер высокого разрешения, компьютеров обработки сигнала, специальной системы автоматической калибровки, 16 видеопроекторов и линзового экрана, позволяет получить очень качественное изображение, эквивалентное 12 миллионам пикселов. Информация от каждой видеокамеры подвергается MPEG -2 сжатию, передается по отдельному скоростному каналу, декодируется и поступает на соответствующий проектор. При 12 кадрах в секунду, общий поток данных достигает 1 Гигабита в секунду, несмотря на то, что в системе задействовано 16 компьютеров 3 GHz Pentium -4. Запись и передача по каналам связи такого сигнала весьма проблематична, поэтому исследуется возможность его сжатия с учетом межракурсных разностей. (рис 12)

Стереокамеры гораздо дешевле и проще в эксплуатации (хотя и они до сих пор остаются экзотикой), их сигнал не слишком сложно передавать по существующим каналам (например, спутникового и наземного цифрового телевидения), но для воспроизведения с помощью M3D необходимо на основе двух имеющихся ракурсов вычислить другие, обычно расположенные между исходными.

Прототип такой системы с четырьмя видеопроекторами, ретрорефлективным экраном и компьютером, вычисляющим два промежуточных ракурса с помощью нейросетевых алгоритмов был разработан и успешно продемонстрирован компанией НейрОК Оптикс. Восстановление большего числа ракурсов требует существенных вычислительных мощностей. (рис. 13)

Еще большие ресурсы необходимы для построения множества ракурсов 3D сцены, описанной набором векторов или массивом вокселов, однако трехмерное представление самой разнообразной информации «внутри» компьютера стало скорее нормой, чем исключением, поэтому нет причин сомневаться, что проблема ее вывода будет решена, например, с помощью специализированных видеокарт.

ПЛЮСЫ:

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

МИНУСЫ:

  • 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 многоракурсных 3D дисплеев "для дома, для семьи", хотя многие серьезные производители дисплеев имеют свои прототипы. Например, линейка готовящихся к серийному производству дисплеев с 3, 5, 7, и 9-ю ракурсами у Philips, шестнадцатиракурсный дисплей у Samsung.

ГОЛОГРАФИЧЕСКИЕ 3D ДИСПЛЕИ

В первой части мы определили, что голографические 3D дисплеи (далее H3D) 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 многоракурсных дисплеев с очень большим количеством воспроизводимых ракурсов. По некоторым оценкам, классическая голограмма формирует от 450 до 600 ракурсов.

ПРИНЦИП: 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 некоемом 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. Самое удивительное, что есть ученые, разрабатывающие это финансово и информационно сверхзатратное направление. Например, американцы из Массачусетского технологического разработали прототип, в котором воспроизводится изображение, рассчитанное на компьютере. Голограмма формируется с помощью восемнадцатиканального акустооптического модулятора: луч гелий-неонового лазера модулируется акустическими колебаниями, воздействующими на кристалл, который расположен перед фокусирующей линзой. (рис. 14)

MIT Holo Holo Printer Holo Poster
рисунок 14 MIT Holo
рисунок 15Holo Printer
рисунок 16 Holo Poster

За один цикл горизонтальной развертки формируется одновременно 18 строк по 256 тысяч элементов в каждой. Всего же изображение состоит из 144 строк. Для монохромного изображения объемом 150 x 75 x 75 мм 3 требуется поток данных примерно 1 гигабайт в секунду при частоте обновления 30Гц.

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. (рис. 15)

Pattern
рисунок 17Pattern

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. (рис. 16)

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. (рис. 17)

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).

Подведем итог: все известные на сегодняшний день голографические дисплеи воспроизводят монохромное изображение, имеющее только горизонтальный параллакс, размеры аппаратуры просто огромны по сравнению с размерами формируемого изображения. Вероятно, даже в достаточно отдаленном будущем голографические дисплеи в классическом понимании (использующие явление интерференции на дифракционных решетках), не найдут широкого распространения, поскольку уже существуют более простые технологии, дающие лучшие результаты.

ПЛЮСЫ:

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

МИНУСЫ:

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

Как говорил классик в другом месте и по другому поводу " Узок круг этих революционеров. Страшно далеки они от народа". Именно так обстоит дело с голографическими 3D дисплеями. К счастью, для определенного круга задач существуют другие решения, позволяющие получить реальное 3D. Это волюметрические 3D дисплеи, о которых пойдет речь в заключительной части статьи.

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.
ПРИНЦИП:воспроизведение объемного изображения в виде вокселов или векторов, реально разнесенных в рабочем объеме дисплея (объеме воспроизведения), четко ограниченном его конструкцией.

V3D Pixel V3D Vector
рисунок 18 V3D Pixel
рисунок 19 V3D Vector

Для V3D нам 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. В таблице приведены некоторые примеры технологий V3D.

Подвижность

Изображение формирует

В объеме воспроизведения находится

Пример

В конструкции есть подвижные элементы

 

Стационарный проектор

Вращающийся экран

1

Колеблющийся экран

 

Электронный прожектор CRT

Электролюминесцентный вращающийся экран внутри CRT

2

Матрица светодиодов

Вращающаяся светодиодная панель

3

Подвижный монитор

Колеблющаяся CRT

 

Все элементы конструкции неподвижны

Стационарный проектор

Пакет жидкокристаллических просветных экранов

4

Инфракрасные лазеры с пересекающимися лучами

Фотолюминисцентное стекло на редкоземельных элементах

5

Пары рубидия

Стационарный проектор с выходом на оптоволокно

«вокселы», засвечиваемые через оптоволокно

6

Матрица светодиодов

Трехмерная матрица светодиодов

7

По большому счету, для V3D существует всего два способа воспроизвести изображение воксела в заданной точке пространства:

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

Оба способа предполагают, что объем воспроизведения должен быть заполнен подходящим веществом, поскольку воксел 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 вокселы, распологающиеся 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 интересует нас 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.

Пример 1

Проект FELIX 3D (рис. 20) 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 воксела, а всего за 1 оборот – около 10 000 вокселов при скорости вращения экрана 20Гц. Такое небольшое количество вокселов ограничивает сферу применения FELIX 3D векторными приложениями, например в системах CAD/ CAM.

Компания Actuality Systems использует в модели Perspecta (рис. 21) 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) 3 D сцены. Таким образом, общее количество формируемых вокселов превышает 100 миллионов, что является пока абсолютным рекордом. Проблемой подготовки информации является необходимость поворота формируемого на экране проектора изображения синхронно с вращением экрана и рассчет «нарезки». Для этого используется DSP процессор производительностью 1600 MIPS и 6 Gb DDRAM.

Felix 3D Perspecta Shem
рисунок 20 Felix 3D
рисунок 21 Perspecta Shem
Пример 2
Rotating disk in CRT
рисунок 22 Rotating disk in CRT

Нужно сказать, что идея V3D с вращающимся экраном давно привлекала внимание разработчиков. Вот, например, 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 снаружу. Изображение получали, управляя отклонением электронного луча. (рис. 22)

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.

 

Пример 3

 Новым толчком к развитию V3D послужило появление светодиодов и персональных компьютеров. Появилась возможность заменить вращающийся экран светодиодной панелью, благодаря чему положение вокселов в объеме воспроизведения оказалось жестко заданным и достаточно легко вычисляемым, чтобы изготовить вполне работоспособный прототип, что и было сделано впервые в 1979 году. Простые расчеты показывают, что современная элементная база позволяет создать по этой схеме V3 D, воспроизводящие более миллиона цветных вокселов, но, к сожалению, информация о таких разработках отсутствует. (рис. 23)

Пример 4

Модель VIZTA 3D Z20/20 – пример удачной реализации известной схемы с неподвижным проектором и линейно движущимся экраном на новом технологическом уровне. Физически движущийся экран заменен в нем пакетом жидкокристаллических пластин – экранов, прозрачность которых меняется под воздействием управляющего напряжения. (рис. 24)


Пакет состоит из 20 пластин диагональю 20 дюймов, что отражено в названии модели. В одном состоянии каждая из пластин прозрачна и пропускает свет, в другом мутнеет и становится просветным рассеивающим экраном. Установленный за пакетом DLP проектор формирует изображения «срезов» 3D сцены синхронно с переключением прозрачности пластин. Сглаживание изображения по глубине достигается специальной программной обработкой.
DualLaser
рисунок 25 DualLaser
MacFarlane
рисунок 26 MacFarlane
3D Display Cube
рисунок 27 3D Display Cube
Пример 5

Известно несколько прототипов V3D, использующих эффект фотолюминесценции, то есть способность некоторых кристаллов и газов излучать свет с определенной длиной волны под воздействием излучения с другой длиной волны, например, видимый красный свет под воздействием невидимого инфракрасного излучения. (рис. 25)

Лучи двух инфракрасных полупроводниковых лазеров отклоняются таким образом, что пересекаются в заданной точке объема воспроизведения, заполненного активным веществом. Фотолюминофоры имеют определенный энергетический порог возбуждения. Мощности и длины волн излучения лазеров подбирают таким образом, чтобы энергия одного луча была ниже порога и не вызывала свечения, а суммарная энергия двух лучей превышала этот порог. Таким образом, свечение возникает только в точке пересечения лучей. Управляя отклонением лучей с помощью зеркал или акустооптических элементов, добиваются сканирования всего объема воспроизведения, а модулируя один из лучей засвечивают нужные вокселы.

Пример 6

Одна из тех конструкций, которые, вероятно, никогда не будут реализованы на практике. Объем воспроизведения заполнен пластиковыми шариками, к каждому из которых подведена нить оптоволокна.

Освещая противоположные торцы нитей, собранные в упорядоченный оптоволоконный кабель, можно заставить светиться отдельные шарики-«вокселы». Для этого каждая нить сопряжена с отдельной ячейкой оптического модулятора. Сложность только в том, что шарики должны были бы рассеивать свет, поступающий через оптоволокно, но, в то же время, свободно пропускать свет от других шариков. (рис. 26)

Пример 7

Если шарики- «вокселы» из предыдущего примера заменить на светодиоды, получится еще одна конструкция, которая имеет шансы на развитие в будущем (рис. 27) Достаточная прозрачность объема воспроизведения в этом случае легко достижима, поскольку сами излучающие кристаллы светодиодов имеют размер примерно 0.3х0.3мм 2, а шаг между ними может быть выбран намного больше. Существующие прототипы имеют очень скромное количество вокселов (на фото куб 10х10х10 = 1000 вокселов), но единственным реальным препятствием к созданию серьезных V3D по этой технологии является цена светодиодов.

Полноцветный дисплей с миллионом вокселов (100х100х100) обойдется примерно в миллион долларов! Для сравнения, большие светодиодные экраны, которые можно видеть на улицах многих крупных городов, содержат примерно такое же количество светодиодов и стоят примерно столько же.

Итог последней части:

ПЛЮСЫ:

  • 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.

МИНУСЫ:

  • 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.

Заключение

Тема 3D дисплеев очень интересна, поскольку назрела необходимость их применения во многих сферах деятельности человека. Ежедневно в этой области появляется новая информация, поэтому прочитаный вами материал можно рассматривать только как историческую справку (да и то не полную), отражающую состояние “здесь и сейчас”. Что мы увидим завтра своими глазами?

 

 

Сергей Книгин aka Ledmaster
 
Author :
Сергей Книгин
(aka Ledmaster)

 

AddThis Social Bookmark Button