CC BY
117
УДК 778.534.19
А.А. Большаков, А.В. Никонов АНАЛИЗ ТЕХНИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ ПРИ СОЗДАНИИ 3D-ДИСПЛЕЕВ И НОВЫЙ СПОСОБ РАЗРАБОТКИ ОБЪЕМНОГО ДИСПЛЕЯ
Приводится сравнительный анализ различных технических решений при построении 3-D дисплеев, описываются недостатки предложенных методов. Предлагается новый способ для разработки надежного объемного дисплея с круговым обзором, который позволяет в режиме реального времени воспроизводить полноцветные объемные объекты или сцены без применения индивидуальных средств стереонаблюдения.
Объемные объекты, 3D^TOone^ объемный дисплей,
стереонаблюдения, круговой обзор, трехмерные сцены
A.A. Bolshakov, A.V. Nikonov ANALYSIS OF TECHNICAL SOLUTIONS FOR THE CREATION OF 3D-DISPLAY AND A NEW METHOD OF THREE-DIMENSIONAL DISPLAY
The comparative analysis of the different technical solutions in the construction of 3-D displays, describes the pitfalls of the proposed methods. A new method of developing a reliable volumetric display full vision, which allows real-time play back full-color three-dimensional objects or scenes without the use of personal stereoscopic viewing.
Three-dimensional objects, 3D-display, volumetric display, stereoscopic, the panorama view, three-dimensional scenes
Введение
Разработка систем трехмерного отображения реального мира существенно влияет на все сферы деятельности человека и обусловливает создание и развитие соответствующих научных направлений и технологий. В связи с этим попытки разработки эффективных авто-стереоскопических дисплеев не прекращаются в течение многих лет.
Анализ технических решений при разработке 3D-дисплеев
Начнем рассмотрение существующих технических решений с одноракурсных авто-стереоскопических дисплеях с параллаксным барьером, которые применяют, 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 меж-зрачкового 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 чув-
332
ство 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. 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 множество патентов, практическая реализация голографического дисплея связана с множеством технических трудностей, 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. 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. 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 двухмерной 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 возвратнопоступательным, что реализуется гораздо труднее [9, 10], или вращательным [11]. Формируемый таким образом световой макет имеет все визуальные характеристики реального трехмерного изображения и поэтому 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 цветной объемный дисплей (Патент Яи 2111627 С2, кл. Н04Ш/31, в0903/06, публ. 20.05.1998 г.), содержащий лазер, блок сканирования и модуляции лазерного излучения, а также визуализатор, представляющий 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.
обзора заключается в том, что без применения специальных мер отображение Наиболее мощным и совершенным из существующих в настоящее время объемных дисплеев является монитор "Perspecta Spatial 3D" компании Actuality Systems (Патент US № 6554430 B2, кл. G03B21/28, G09G5/10, публ. 29.04.2003 г.), однако и в этом случае его система вывода изображений функционирует на пределе технических возможностей.
Как следует из проведенного анализа, основная сложность создания 3D-дисплеев кругового 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 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.
Приведенные частично результаты анализа 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 эти устройство и способ для вывода реальных трехмерных изображений и сцен в режиме реального времени не представляется возможным.
Разработка нового способа создания объемного дисплея
Задачей, решаемой в предлагаемом способе, является создание надежного и долговечного 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.
Для этого оценим необходимую производительность системы формирования стандартного объемного дисплея. Острота зрения человеческого глаза составляет примерно одну угловую минуту, т.е. с расстояния 1 м разрешимый интервал равен 3x10 -4 м. Диаметр и высоту цилиндрической область вывода изображений примем равными 0,2 м (с сечением 660x660 пикселей). Тогда количество вокселей (объемных пикселей) в области вывода равно
1,02x10 9. Для частоты 25 кадров/с поток данных составит 2,55x1010 вок/с, что при 24 битном изображении дает производительность 612 Гб/с.
Такая скорость вывода пока недостижима, так предельная производительность наиболее скоростного из существующих - DLP проектора, составляет величину порядка 22 Гб/сек, что в десятки раз меньше необходимого. При увеличении объема области вывода требуемая скорость возрастает пропорционально третьей степени ее размеров. Поэтому в известных моделях объемных дисплеев вынуждены существенно снижать разрешающую способность и качество изображения. Традиционные методы повышения качества объемного изображения, основанные на наращивании мощности обслуживающей техники в этом случае практически полностью исчерпали возможности. Необходим альтернативный способ формирования и вывода изображений, требующий существенно меньшего использования вычислительных операций.
Нами предлагается для уменьшения нагрузки на графический процессор (GPU) и систему вывода существенно сократить количество выводимых ими сечений объекта, а формирование промежуточных изображений предоставить наиболее быстрой из известных субстанций - свету.
Для пояснения сказанного, рассмотрим построение на рис. 1, где перпендикулярно плоскости чертежа проведем две взаимно параллельные плоскости Pi и P2, и повернем их относительно вертикальной оси на произвольный угол !ак90° вокруг общего центра O. Удаление плоскости Р2 от плоскости Р1 выберем равным расстоянию от плоскости Р1 до центра поворота O. Для наблюдателя, находящегося на вертикальной оси OK, центр опорного изображения, воспроизводимого на плоскости Р2 (точка A), отраженный в параллельном плоском зеркале (плоскость Р1), всегда будет совмещен с центром поворота (точкой O).
Из этого следует свойство построенной на этом принципе оптической системы — совмещать центрами опорные изображения (рис. 2), размещаемые на смежных гранях внешнего многогранника (назовем его многогранником изображений). Располагаясь на произвольном азимутальном направлении OK, находящемся внутри диапазона, границами которого являются направления OA и OB на смежные опорные изображения a и b, наблюдатель в зеркальном многограннике увидит составное изображение, являющееся комбинацией опорных. Причем, последние будут представлены в составном изображении относительными долями g/e и f/e, зависящими от относительных угловых расстояний между направлением OK и границами диапазона.
Таким образом, оптическая система (рис. 3), которая сможет «разгрузить» GPU должна состоять из многогранного проектора 1, на внутренних гранях которого воспроизводятся опорные образы 2 и зеркального многогранника 3, по форме подобного многограннику проектора, но имеющего вполовину меньшие расстояния от боковых граней до оси симметрии системы. Дополним эту конструкцию платформой 4, вращающейся вокруг оси симметрии со скоростью 25 об/с, и разместим на ней объектив 5 и экран 6. Для возвращения пучка света от объектива на экран дополним конструкцию неподвижным цилиндрическим зеркалом 7 и накроем вращающиеся части дисплея неподвижным прозрачным кожухом (на рисунке не показан). Таким образом, получим схему дисплея, способного формировать объемные изображения высокого качества.
Рис. 1. Способ формирования изображения
с ! D
Рис. 2. Схема компоновки изображений
Рис. 3. Схема оптической системы для объемного дисплея
Заключение
Таким образом, предложен новый способ создания объемного дисплея. Перспективными направления его реализации являются следующие: демонстрация реальных и виртуальных объектов на выставках и бьеннале; организация трансляций публичных выступлений и шоу в формате псевдо голографических изображений для экстерриториальных групп зрителей в реальном времени и в записи; визуализация обстановки в контролируемом воздушном или подводном пространстве; разработка и демонстрация дизайнерских и архитектурных решений; в медицине (хирургия, диагностика, магниторезонансная или рентгеновская томография); в образовательных учреждениях в виде объемных виртуальных наглядных пособий; для бытового использования в виде объемных круговых фотографий.
ЛИТЕРАТУРА
1. Пат. 2164702 Российская Федерация, МПК7 G 02 B 27/26. Устройство для демонстрации стереоскопических изображений / Никонов А.В., Долгов В.М., Долгов Ю.М., Никонов А.А. (все RU); заявитель и патентообладатель Саратовский государственный технический университет - № 99106816/28; заявл. 05.04.99; опубл. 27.03.01.
2. Пат. 2260829 Российская Федерация, МПК7 G 02 B 27/26. Устройство для демонстрации стереоскопических изображений/ Никонов А.В., Долгов В.М., Долгов Ю.М. (все RU); заявитель и патентообладатель Саратовский государственный технический университет - №2002112530/28; заявл. 13.05.02; опубл. 10.02.04.
3. Пат. 2447467 Российская Федерация, МПК G 02 B 27/22. Автостереоскопический дисплей / Честак Сергей (KR), Ким Дае-Сик (KR); заявитель и патентообладатель Самсунг Электроникс Ко. ЛТД. - № 2009113551/28; заявл. 10.10.07; опубл. 10.04.12, Бюл. № 10.
4. Woodgate G., Harrold J., Jacobs A., Mosley R., Ezra D. Flat panel autostreoscopic displays - characterization and enhancement // Proc. SPIE. Stereoscopic Displays and Virtual Reality Systems VII. 2000. V. 3957. P.153-164.
5. Morishima H., Nose H., Taniguchi N., Inoguchi K., Matsumura S. Rear cross lenticular 3D display without eyeglasses // Proc. SPIE. Stereoscopic Displays and Virtual Reality Systems VII. 1998. V. 3295. P.193-202.
6. Мухин И.А., Украинский О.В. Получение многоракурсного телевизионного изображения на матричном дисплее // Труды учебных заведений связи. Вып. 174. СПб, 2006. С.201-206.
7. Fans S. Novel 3-D stereoscopic imaging technology // Proc. SPIE. V.2177. 1994. P.180-195.
8. Hilaire P., Benton S., Lucente M. Synthetic aperture holography: a noval approach to three-demensional displays // Journal of Optical Society of America. 1992. V.9. P. 1969-1977.
9. Image Processing for 3D Information Displays // Proceedings of SPIE. V.5821. 2005.
10. I.N.Kompanets, S.A.Gonchukov. 3-D medium based displays // Proc. SPIE. V.5821. 2005. P.134-145.
11. Шэндл Д. Наконец-то реальная трехмерность! Электроника. 1990. 18. C.7-9. Большаков Александр Афанасьевич -
доктор технических наук, профессор кафедры «Системы искусственного интеллекта» Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А.
Никонов Анатолий Владимирович -
ведущий специалист научно-технологического парка «Волга-техника» Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А.
Статья поступила в редакцию 3.02.12, принята к опубликованию 12.03.12
