3D дисплеї. Частина 2

Автор: Сергій Книгін

МУЛЬТИВІДОВІ (MULTIVIEW) 3D ДИСПЛЕЇ

Як випливає з визначення, даного в першій частині статті, мультивідові 3D дисплеї (далі, для короткості M3D) відтворюють об'ємне зображення у вигляді декількох послідовних ракурсів об'ємної сцени, будь-які два з яких складають стереопару.

ПРИНЦИП: Розділення об'єму відтворення кількома умовними вертикальними площинами, що проходять через центр екрана. У кожній частині розбитого площинами простору спостерігається свій вид (ракурс) об'ємної сцени.

Оскільки M3D є розвитком ідеї стереодисплея, то для їх побудови застосовні ті ж технології паралакс-бар'єрів і лінзових растрів, тільки за кожною лінзою повинно розташовуватися стільки пікселів, скільки ракурсів зображення ми хочемо отримати. Очевидно, що існуючі сьогодні LCD панелі не дозволяють отримати за такою схемою пристойний M3D.

Візьмемо 17 «» монітор, що має 1280х1024 пікселя розміром 0,27мм. Якщо ми хочемо отримати 5 ракурсів, доведеться взяти лінзовий растр з кроком 1,35мм, а горизонтальна роздільна здатність стане аж цілих 256 пікселів! Не вражає...

Але є технологія, що дозволяє використовувати масив пікселів кращим способом. Це голографічні оптичні елементи (Holographic Optical Elements - HOE). Перед LCD панеллю розміщується плівка, що складається з мініатюрних голограм, кожна з яких закриває один піксел і направляє проходить світло в одному з заданих напрямків.

Голограми, що формують стільки різних напрямків, скільки потрібно ракурсів, об'єднуються в патерн, що повторюється по всій поверхні екрану. Для отримання чотирьох ракурсів використовуються групи 2х2 піксела, для дев'яти ракурсів - 3х3, тобто для того ж 17 «» монітора роздільна здатність буде 640х512 і 427х341 піксел відповідно. Звичайно, для роботи з текстом такий монітор вже не годиться, а ось графіка і відео будуть виглядати цілком пристойно (для порівняння: відеомагнітофон VHS відтворює зображення з роздільною здатністю приблизно 384х288 пікселів). Враховуючи, що роздільна здатність LCD панелей безперервно зростає, а виробництво голографічної плівки реально вже зараз, можна очікувати появу серійних моделей M3D в недалекому майбутньому.

Але ось дійсно важливе питання: а скільки ракурсів необхідно? Відповідь залежить від конкретного призначення M3D і піддається точному розрахунку. Для комфортного перегляду відео буває достатньо 4-6 ракурсів, тоді як для серйозних застосувань, таких як 3D-томографія і рентген, графічні робочі станції CAD/CAM, відображення оперативної обстановки (авіадиспетчерські, аварійно-рятувальні служби) і т. д., може, знадобиться від 40 до 150 ракурсів. Відомо кілька прототипів M3D з числом ракурсів понад 40.

В одному з них електромеханічна дзеркальна система розгортає пакет променів від 48 напівпровідникових лазерів, по одному на кожен ракурс, в іншому близько 100 ракурсів формуються за допомогою оптичних волокон товщиною 10 мікрон, з'єднаних в упорядкований оптичний кабель, за яким зображення від декількох серійних відеопроекторів підводиться до лінзового росту

Проблема M3D полягає не стільки у виготовленні самого пристрою (наприклад, можна взяти скільки потрібно проекторів і екран з двох поєднаних лінзових растрів - дуже старий патент), скільки в отриманні необхідної для відображення інформації.

Навіть стереовідеокамери досі залишаються екзотикою, восьмиракурсна відеокамера застосовувалася в прототипі багаторакурсної телевізійної системи НІКФІ, а відеокамеру з великим числом ракурсів уявити складно. Настільки ж проблематичний запис і передача по каналах зв'язку такого сигналу.

Розробляються два діаметрально протилежних підходи до цієї проблеми. Перший передбачає стиснення багаторакурсної інформації на основі міжракурсних різниць (практично та ж MPEG-технологія) з подальшою розпакуванням при відтворенні, другий - відновлення проміжних ракурсів зі стереопари.

Прототип системи другого типу з чотирма відеопроекторами, ретрорефлективним екраном і комп'ютером, що обчислює проміжні ракурси за допомогою нейросетевих алгоритмів був розроблений і успішно продемонстрований компанією НейрОК Оптікс. Відновлення більшої кількості ракурсів вимагає істотних обчислювальних потужностей. Ще більші ресурси необхідні для побудови безлічі ракурсів 3D сцени, описаної набором векторів або масивом вокселів.

ПЛЮСИ:

• широка зона стереоефекту;
• велика глибина об'єму відтворення;
• можливість «» оглядання «» та динамічного паралаксу;
• наявність контенту (потенційно);
• можливість відображення непрозорих об'єктів, тобто, потенційно, реалістична
• графіка і відео

МІНУСИ:

• технічна складність і собівартість швидко зростають зі збільшенням числа відтворюваних ракурсів;
• невеликий кут огляду (від 24 до 50 градусів проти 160 і більше у звичайних моніторів);
• потрібна велика швидкість потоку даних (кратне числу ракурсів збільшення від моно) або істотний обсяг обчислень для кодування і декодування даних;
• відсутнє програмне забезпечення

Навряд чи в найближчі рік - два варто очікувати появи недорогих серійних моделей мультивідових 3D дисплеїв «» для дому, для сім'ї «», хоча багато серйозних виробників дисплеїв мають свої прототипи. Наприклад, лінійка дисплеїв з 3, 5, 7, і 9-ма ракурсами у Philips, шістнадцятиракурсний дисплей у Samsung.

ГОЛОГРАФІЧНІ 3D ДИСПЛЕЇ

У першій частині ми визначили, що голографічні 3D дисплеї (далі H3D) відтворюють безперервне світлове поле, що відповідає світловому полю реальної 3D сцени. Однак, сучасна техніка немислима без цифрової обробки сигналів, стало бути, будь-яка безперервна функція з деякою точністю апроксимується низкою дискретних значень. Світлове поле не виняток, тому H3D можна розглядати як подальший розвиток мультивідових дисплеїв з дуже великою кількістю відтворюваних ракурсів.

ПРИНЦИП: Розділення об'єму відтворення безліччю умовних вертикальних площин, що проходять через центр екрана. У кожній частині розбитого площинами простору спостерігається свій вид (ракурс) об'ємної сцени.

Зазвичай, коли мова заходить про H3D, мають на увазі пристрій, здатний відтворювати на деякому матеріалі подобу традиційної голограми, тобто обчислювати і відображати фіксовану нею у вигляді дифракційних структур інтерференційну картину світлового поля, причому робити це в реальному часі. Такий підхід не враховує, що кожна мала ділянка голограми представляє з себе дифракційну решітку, що виконує роль відхиляючого елемента і немає потреби кожен раз, коли потрібно змінити кут відхилення променя, розраховувати і відображати її. Найдивовижніше, що є вчені, які розробляють це фінансово та інформаційно надзатратний напрямок. Наприклад, американці з Массачусетського технологічного розробили прототип, в якому відтворюється зображення, розраховане на комп'ютері. Голограма формується за допомогою акустооптичного модулятора: промінь лазера модулюється акустичними коливаннями, що впливають на кристал, який розташований перед фокусуючою лінзою.

Малювання зображення виконується механічною дзеркальною розгорткою. Для монохромної картинки розміром 15 x 15 x 20 см потрібен потік даних близько 2 гігапікселів на секунду. Японці намагаються відтворювати голограми за допомогою проекційних LCD матриць (використовуються у відеопроекторах), кожна з яких відтворює невелику окрему ділянку голограми. Оскільки діагональ таких матриць не перевищує 1,8 дюйма, для отримання голограми потрібної площі довелося використовувати множинні конфігурації та пристрої відомості для об'єднання різних частин голограми. Потік даних, необхідний для відтворення повноцінного образу, досягає приблизно одного терабайта в секунду. Монохроматична голограма з площею проекції 1 кв. м - це поки максимум, чого вдалося досягти дослідникам.

Цікава розробка, названа її авторами «» офісний голографічний принтер «». Хоча цей пристрій не має безпосереднього відношення до 3D дисплеїв, отримані результати можуть бути використані в майбутньому для створення H3D.

Принтер дозволяє друкувати на фоточутливому матеріалі однопрохідні голограми, якість яких у багатьох випадках перевершує якість традиційних голограм. Голограма виходить шляхом послідовної експозиції вузьких смужок фотоматеріалу через лужну маску. На кожній смужці за традиційною технологією отримання голограм фіксується образ циліндричної лінзи, за якою розташовується LCD матриця з виведеним на неї спеціально підготовленим зображенням. У результаті виходить голограма лінзового растру дуже високої роздільної здатності (до 250 lpi), ідеально поєднаного із зображенням, що містить до 150 ракурсів попередньо відзнятої або змодельованої на комп'ютері 3D сцени.

Дослідження, проведені при розробці голографічного принтера, показали, що голограма 3D об'єкта може бути розрахована як сукупність голографічних образів складових його вокселів. Образ вокселу являє собою фіксований патерн, що залежить тільки від «» глибини залягання «», тобто Z-координати вокселя і не залежить від координат X і Y. Патерни для всього діапазону значень Z можуть бути розраховані заздалегідь і поміщені в таблицю, звідки будуть витягуватися при виведенні в реальному часі з мінімальною кількістю вигукування. Патерни для систем на основі лінзових растрів мають найпростіший вигляд групи вертикальних штрихів і можуть розраховуватися безпосередньо в процесі виведення зображення. Відмінність цього методу від класичної голограми полягає в тому, що формуються зображення, які мають тільки горизонтальний паралакс (як, втім, і у всіх дисплеїв, описаних вище). Принцип формування образу вокселища P з опорного пучка світла S класичною голограмою показаний нижче.

Можна помітити, що чим далі від поверхні знаходиться воксель, тим більша площа голограми бере участь у його формуванні.

ПЛЮСИ:

• найбільш реалістичне 3D зображення, що має всі оптичні властивості показаного реального об'єкта

МІНУСИ:

• технічна складність на межі сучасних можливостей апаратури, обчислювальних
• потужностей вистачає тільки для статичних зображень

Як говорив класик в іншому місці і з іншого приводу «» Вузьке коло цих революціонерів. Страшно далекі вони від народу «». Саме так йде справа з голографічними 3D дисплеями. На щастя, для певного кола завдань існують інші рішення, що дозволяють отримати реальне 3D. Це волюметричні 3D дисплеї, про які піде мова в заключній частині статті.

 Коментувати () 

Якщо Ви помітили помилку - виділіть її мишею і натисніть CTRL + ENTER.

Матеріали за темою

 Підсумки 2020 року: монітори. Стабільність - ознака професіоналізму!

Огляд 24-дюймового WUXGA-монітора Dell P2421: любов за розрахунком

Огляд 27-дюймового WQHD-монітора ASUS ProArt PA278QV: доступний професіонал

Огляд ігрового UWQHD-монітора Gigabyte G34WQC: особливий випадок

Огляд ігрового 27-дюймового WQHD-монітора Acer Nitro VG272UV: їхати без шашечок

Огляд платформи «Яндекс.ТВ»: розумне ТБ по-російськи

"