Бинокулярная визуализация
В естественных условиях человек рассматривает трехмерную сцену двумя глазами, расположенными в среднем на расстоянии
1. Стереоскопические системы.
В основу стереоскопического принципа бинокулярной визуализации положен тот факт, что изображение на сетчатке глаза является двумерным. Поэтому можно ожидать, если «предъявить» глазам два изображения некоторой 3D-сцены, полученные с двух точек, соответствующих расположению оптических центров глаз, то центральный отдел зрительного анализатора (проделав «необходимую работу» по воссозданию слитного образа) должен в конечном итоге создать у наблюдателя иллюзию наблюдения 3D-сцены. На самом деле так и происходит, причем, как оказалось, реконструктивные возможности зрительного анализатора чрезвычайно мощны. Об этом свидетельствуют, в частности некоторые эксперименты Б.Джулеса [5], который с помощью компьютера формировал стереограммы из точек со случайным расположением. Эти стереограммы вызывали у испытуемых ощущение трехмерного пространства, в котором на разной глубине располагаются точки, изображения которых на стереограммах зрительный анализатор интерпретирует как «стереопарные». Очевидно, что такое возможно лишь для некоторого подмножества точек, тем не менее в определенных условиях зрительный анализатор способен справиться и с такой задачей.О возможностях стереоскопической визуализации стало известно достаточно давно, и устройство для рассматривания стереокартинок (стереоскоп) имеет более чем
Рис. 1. Рисунок Леонардо
В настоящее время в системах виртуальной реальности для бинокулярной визуализации 3D-сцен чаще всего применяется именно стереоскопия. Одной из основных технологических проблем стереоскопии является создание условий для разнесения изображений стереопары по разным оптическим каналам, предназначенным соответственно для левого и правого глаза, — сепарация полей стереопары. Для этой цели применяются различные оптические схемы, из которых наиболее распространенными являются, пространственная, временная, поляризационная, а также цветовая (анаглифическая) и схема Пульфриха.
Перечисленные схемы (кроме пространственной) объединяет одна особенность — для наблюдения стереокартинки нужны различные очки (их тип зависит от способа сепарации). Схема с пространственной сепарацией отличается от остальных тем, что поля стереопары располагаются на физически разных носителях изображения (либо на одном, но без перекрытия), а для визуализации необходима дополнительная линзовая (иногда зеркально-линзовая) система. Во всех остальных схемах для вывода изображений совместно используется один и тот же носитель, причем изображения стереопары перекрываются.
В последние годы все большее распространение получают и безочковые системы, в которых оптические пучки, соответствующие полям стереопары, разделяются в пространстве таким образом, что достигают левого и правого глаз «без посторонней помощи» (очки становятся не нужными). Наиболее отработанными (на столько, что начато серийное производство безочковых стерео-мониторов) являются схемы с так называемым барьером параллакса, а также линзо-растровые, хорошо известные по стерео-открыткам
Пространственная сепарация
Самым известным устройством, в котором используется пространственная сепарация, является «старый добрый» стереоскоп, принцип действия которого был положен в основу всех носимых шлем-дисплейных систем. Изображения, образующие стереопару (поля стереопары) располагаются на двух разных носителях, либо на одном носителе, но разделенном на две половинки. Приниципиальным является то, что изображения не перекрываются и могут независимо подводиться к глазам по разным оптическим каналам.Основной недостаток этой схемы до последнего времени заключался в том, что из-за больших геометрических размеров носителей изображения (дисплеев) расстояние между геометрическими центрами изображений существенно превышало межзрачковое расстояние. Это приводило к необходимости применения зеркальных систем для сведения оптических осей. В настоящее время, благодаря развитию LCD/OLED-технологий появилась возможность миниатюризации дисплеев и замены шлем-дисплейных конструктивов на очковые оправы (отпала необходимость в зеркалах). Следует заметить, что такую систему принципиально нельзя считать очками, хотя она и имеет вид очков. При этом в «очково-дисплейных» системах остается актуальной задача размещения мнимого 2D-изображения 3D-сцены на комфортном расстоянии
Временная сепарация
В системах с временной сепарацией (иногда эти системы называют системами «активного стерео», cвето-клапанными, стерео-обтюраторными, временного мультиплексирования и т.п.) на один и тот же носитель (экран дисплея) последовательно выводятся правое и левое изображения стереопары. Синхронно с выводом изображений последовательно открываются и перекрываются правое и левое поля зрения. Для перекрытия используются высокоскоростные оптические затворы, чаще всего жидкокристаллические, размещенные в очковой оправе. Для синхронизации применяется специальная электронная или электронно-оптическая схема.При электронной синхронизация используются сигналы кадровой развертки; видеокарта должна иметь соостветствующую подсистему синхронизации и интерфейс для подключения затворов. При электронно оптической синхронизации изображения стереопары должны содержать специальные метки. Эти метки располагаются на периферии полей стереопары и предназначены для распознавания фотодачиками, связанными с затворами; таким образом, видеокарта может быть обычной, а подсистема синхронизации автономной.
Основной недостаток систем с временной сепарацией заключается в их сложности, так как нужны дополнительные устройства и синхронизация их работы. Кроме этого монитор, на который последовательно выводятся взаимно перекрывающиеся левое и правое изображения, должен обладать специальными характеристиками, в частности, достаточно высокой частотой кадровой развертки (не менее
Поляризионая сепарация.
Иногда системы с поляризационной сепараций называются системами «пассивного стерео». Они чаще всего используются для аудиторной стереовизуализации на больших экранах.Используются два проектора, снабженные поляризационными ориентированными ортогонально фильтрами. Оба изображения одновременно проецируются на экран из специального материала, обладающего минимальной степенью деполяризации. Для прямой (зрители и проекторы находытся по одну сторон от экрана) и обратной (по разные) проекции используются разные материалы. Используются очки (широко применяемые в стерео-кинотеатрах) с поляризационными фильтрами, ориентированными параллельно соответствующим фильтрам проекторов, вследствие чего каждый глаз получает предназначенное для него изображение.
Достоинствами поляризационных стерео-систем является возможность наблюдения стереоизображения одновременно большим числом зрителей, а также относительная простота и дешевизна изготовления большого количества поляризационных стерео-очков (в частности, по сравнению с ЖК-затворами).
Применяется несколько видов поляризации:
Цветовая сепарация.
В системах с цветовой сепарацией (иногда их называют анаглифическими, цветового мультиплексирования и т.п.) используется особенность восприятия дополнительных цветов зрительным анализатором человека. В частности при использовании пар «красный-синезеленый», «пурпурный-зеленый», «желтый- синий», «оранжевый-зелено-синий» и т.д. В настоящее время стандартом является пара «красный-синезеленый» («red-cyan»). Фильтрация приводит к маскировке одного из цветов пары. Благодаря этой особенности, на одном и том же носителе можно с перекрытием разместить два изображения, образующие стереопару, но окрашенные в дополнительные цвета. Анаглифические стерео-изображения нужно рассматривать через цветные фильтры, пропускающие световые пучки дополнительных цветов, к разным глазам (так называемые красно-синие или красно-зеленые очки).Достоинством этой схемы является предельная простота устройства наблюдения стереопары-анаглифа (достаточно двух разноцветных стекол или прозрачных пленок). Недостатком является то, что при наблюдении возникает ощущение своеобразной цветовой гаммы, которое является неестественным и может утомлять. Кроме этого анаглифы позволяют воспроизводить только монохромные (точнее, «бихромные») изображения.
Эффект Пульфриха
Эффект Пульфриха связан с запаздыванием создания зрительным анализатором образа 3D-сцены в одном из каналов. Запаздывание происходит, если, перед одним глазом размещается затемняющий светофильтр, а второй глаз воспринимает сцену без затемнения. Таким образом, если сцена движется относительно наблюдателя в таком направлении, что глаз с затемняющим фильтром видит сцену раньше, чем глаз без такого фильтра, слитный образ воссоздается по двум изображениям, которые при определенных условиях можно считать стереопарой.Наиболее сильно эффект Пульфриха проявляется при рассматривании вращающихся тел, или видеофильмов, снятых при движении камеры по кругу (желательно, чтобы оптическая ось была направлена к центру этого круга). Эффект заметно проявляется и при просматривании видеофильмов снятых при линейном движении камеры (например, из окна автомобиля и т.п.).
Автостереоскопия.
Приставку «авто» в данном случае не следует по смыслу связывать с автомобилями; она означает лишь отсутствие необходимости применения очков для сепарации полей стереопары. Исследования и экспериментальные разработки автостереоскопических систем начаты еще вПринцип действия таких систем легче всего понять на примере принципа действия кинескопа «тринитрон», но его нужно применить «в обратную сторону». Напомним, что в тринитроне каждый из трех электронных прожекторов, благодаря апертурной решетке (сетка из вертикальных струн), «светит» на нужные линии растра (красный прожектор — на красные, зеленый — на зеленые, синий — на синие). Уберем одну лишнюю пушку (у человека два глаза). Вместо электронных прожекторов рассмотрим глаза, а потоки электоронов заменим на потоки световых лучей, причем идущих в обратную сторону — от линейчатого цветового растра изображения по направлению к глазу. Таким образом, если образовать изображение из чередующихся вертикальных растровых полосок, на каждой из будет размещен фрагмент изображения, предназначенный «своему глазу», и кроме этого перекрыть каждому глазу «чужое» изображение струнами апертурной решетки, то глаза увидят «свои» поля стереопары. При этом каждое изображение будет «прорежено» черными вертикальными полосками.
Схема, которая в настоящее время применяется стереодисплеях в действительности несколько отличается от описанной выше. Апертурная решетка (еще ее называют задним барьером параллакса) используется для создания вертикальных теней от плоской осветительной лампы на растре ЖК-экрана (см. рис. 2). Таким образом, она размещается не между наблюдателем и экраном (как в схеме тринитрона), а между прозрачным ЖК- экраном и плоской осветительной лампой.
Стереодисплей с барьером параллакса может фунционировать в двух режимах — моно и стерео. В стереорежиме барьер параллакса, представляющий собой еще один дополнительный ЖК-экран с вертикальными полосками, активирован. При этом полоски непрозрачны и создают тени от лампы в нужных местах основного экрана. В моно режиме задний ЖК-экран полностью прозрачен (тени на основном экране отсутствуют), и наблюдается моноскопическое изображение.
а) стереорежим (барьер параллакса включен)
б) монорежим (барьер параллакса отключен)
Рис. 2. Упрощённая схема принципа действия апертурно-растрового автостереодисплея
2. Системы с 3D-разверткой.
Еще во второй половине прошлого века были начаты разработки систем непосредственной визуализации 3D-объектов в объеме, которые в определенном смысле можно считать альтернативой голографическим системам. Использование голографии для 3D-визуализации имеет большие перспективы и одновременно большие препятствия в виде трудностей технологического характера. В частности, необходимо иметь разрешающую способность носителя изображения, соизмеримую с длиной волны; для визуализации динамических сцен в голограммы необходимо «закачивать» огромные объемы информации, и т.д. Поэтому голографические системы для 3D-визуализации применяются достаточно редко (для статических сцен в некоторых видах тренажеровПринцип визуализации системах c 3D-разверткой основан на построении изображения 3D-объекта лазерным лучом на подвижном носителе (рис.3). В качестве подвижных носителей использовались самые разные объекты — колеблющиеся мембраны (например, майларовые, натянутые вместо диффузора в кромкоговорителе, работающем на звуковых частотах, [164, 165]), зеркала, вращающиеся поверхности (плоские, винтовые и т.п.). Проводились и проводятся опыты по непосредственной 3D-визуализации в жидкостях и газах, содержащих мелкие частицы, рассеивающие свет (пар, дым, аэрозоли, взвеси в жидкостях и т.п.).
Рис. 3. Визуализация в объёме (3D-развёртка на винтовой поверхности)
Несмотря на то, что системы c 3D-разверткой гораздо проще голографических с точки зрения реализации, в настоящее время они представляют собой, в основном, экспериментальные лабораторные образцы, и пока не получили массового распространения.