3D-дисплеи — в массы
3D-дисплеи в портативных устройствах
В Кембридже создан уникальный голографический проектор
Variational Shape Approximation — сжатый формат записи трехмерных изображений
Над реализацией возможности воспроизводить объемное изображение ученые начали работать еще в начале прошлого столетия — сразу после того, как были изобретены первые телевизоры. Однако на массовом рынке подобные технологии начинают появляться только сегодня…
сли
зажмурить левый глаз, а затем открыть его и закрыть правый, то можно заметить,
что изображения, наблюдаемые каждым глазом по отдельности, несколько отличаются
друг от друга. Это явление, возникающее вследствие того, что наши глаза находятся
на некотором расстоянии друг от друга и соответственно обозревают окружающую
нас действительность с разных ракурсов, называется параллаксом. Однако почему
мы заговорили об этом и при чем здесь 3D-дисплеи?
Дело в том, что параллакс лежит в основе использования стереограмм — самого распространенного сегодня способа создания иллюзии объемного изображения. Стенограммы — это пары изображений одной и той же сцены, сделанные с различных ракурсов. Например, сфотографировав какой-либо объект с двух расположенных недалеко друг от друга точек, можно получить пару незначительно различающихся изображений. И если обеспечить такие условия просмотра, при которых на левый глаз будет спроецировано изображение только левого ракурса, а на правый — только правого, то за счет имитации параллакса у зрителя возникнет весьма правдоподобная иллюзия, будто наблюдаемый объект или сцена являются объемными.
Стереограммы уже довольно давно используются в стереофотографии, и многим из нас хотя бы однажды доводилось рассматривать стереослайды при помощи нехитрого устройства с двумя окулярами. Однако массовой подобная технология все же не стала — в первую очередь из-за сложности используемой фототехники и из-за необходимости применять специальные устройства для просмотра изображений.
Стереограммы можно использовать для имитации объемности не только статичных, но и видеоизображений. Правда, здесь возникают более сложные технические проблемы: необходимо не только произвести съемку одновременно с двух ракурсов, но и обеспечить четкую синхронизацию кадров-стереопар в процессе воспроизведения. И для этого было найдено весьма оригинальное и в то же время простое решение: тонировать каждое из изображений стереопары в определенный цвет, а затем совместить их (рис. 1). Такое изображение, называемое анаглифной стереограммой, можно показывать на обычном мониторе или проецировать на экран. Для просмотра анаглифных стереограмм используются специальные очки, снабженные разными светофильтрами для левого и правого глаза. Каждый из светофильтров беспрепятственно пропускает изображение соответствующего ракурса стереопары и блокирует изображение другого ракурса — таким образом происходит разделение исходного кадра на два различных изображения, каждое из которых попадает строго по назначению. Однако существенным недостатком такого способа является возможность работы только с монохромными стереоизображениями.
Рис. 1. Принцип создания двухцветной (анаглифной) стереограммы
Такие разные стереоочки
уществует
еще один способ воспроизведения стереоскопических изображений и видео на обычном
экране — при помощи так называемых активных очков. Суть его заключается в том,
что изображения стереопары отображаются на экране последовательно, сменяя друг
друга с высокой частотой. Для просмотра используются специальные очки, снабженные
электронными шторками (например, на жидких кристаллах), которые в зависимости
от состояния могут либо пропускать, либо полностью блокировать изображение.
Работа шторок очков синхронизируется с отображением кадров на экране: сначала
демонстрируется правый ракурс стереопары (шторка в это время закрывает левый
глаз наблюдателя), затем отображается левый ракурс стереопары (шторка очков
закрывает правый глаз) и т.д.
Указанный метод позволяет воспроизводить цветные изображения, однако при этом требует применения более сложного (по сравнению с анаглифными очками) оборудования. В 90-х годах некоторые производители выпускали видеоадаптеры со специальным разъемом для подключения активных очков и с поддержкой стереорежима на уровне драйверов, однако в силу ряда причин подобные решения не получили широкого распространения. Одной из самых сложных проблем в данном случае является необходимость обеспечения вдвое более высокой (по сравнению с «двумерным» режимом) частоты смены кадров, чего видеоадаптеры и мониторы того времени обеспечить просто не могли.
Вполне естественно, что на каком-то этапе возникла идея встроить дисплей (а точнее, два миниатюрных дисплея) непосредственно в очки, чтобы решить проблему разделения изображений стереопары (для каждого глаза предназначен свой дисплей) и одновременно обеспечить больший по сравнению с обычным монитором угол обзора. Однако практическое воплощение данной идеи натолкнулось на весьма серьезные технические проблемы. Производители не располагали технологией, позволяющей создавать относительно недорогие микродисплеи, которые обладали бы достаточно высоким разрешением и характеристиками, обеспечивающими получение если не высокого, то хотя бы приемлемого качества изображения. Тем не менее эксперименты в этой области продолжались, и в 90-х годах некоторые компании выпустили первые коммерческие версии подобных устройств — «шлемы виртуальной реальности». Самой известной стала модель VFX-1 (рис. 2), представлявшая собой довольно громоздкое устройство, совмещенное со стереофоническими наушниками и изготовленное на базе двух жидкокристаллических микродисплеев, с разрешением всего 320x240 пикселов. Понятно, что сочетание довольно высокой цены с крайне низким качеством изображения никак не могло способствовать росту популярности подобных шлемов, и потому всплеск интереса к подобным устройствам в скором времени сошел на нет.
Рис. 2. Игрок в «шлеме виртуальной реальности» VFX-1
С тех пор произошли значительные изменения в области технологий электронных дисплеев, и, сделав еще один виток эволюционного развития, шлемы виртуальной реальности, похоже, возвращаются, причем уже на качественно ином технологическом уровне. На выставке CeBIT 2005 компания eMagin продемонстрировала стереоскопические очки-дисплей Z800 3D Visor, предоставляющие возможность воспроизведения цветных и монохромных стереоскопических изображений с разрешением 800x600 пикселов (рис. 3). Это устройство создано на базе двух OLED-микродисплеев, обеспечивающих яркость более 70 кд/м2 и контраст 100:1. Весьма низкий уровень энергопотребления позволяет использовать для питания устройства ток, получаемый по интерфейсному кабелю от порта USB.
Рис. 3. Прототип современных стереоскопических очков компании eMagin в действии
Особенностью Z800 3D Visor является также встроенный датчик положения головы наблюдателя, благодаря которому возможно изменять изображение в соответствии с «направлением взгляда»: пользователь, поворачивая голову, может смещать видимую область влево или вправо по круговому панорамному изображению. Дополняют конструкцию высококачественные стереонаушники и шумозащищенный микрофон.
Среди возможных сфер применения Z800 3D Visor представители eMagin называют игровые приложения, просмотр видео с ПК и бытовых устройств, конструкторские программы для работы с трехмерными объектами. Кроме того, подобные очки, возможно, заинтересуют пользователей мобильных ПК, ибо они обеспечивают не только удобство использования в мобильных условиях, но и надежную защиту содержимого экрана от посторонних взглядов. Правда, цену Z800 3D Visor вряд ли можно назвать доступной — даже без учета налогов она составит около 900 долл.
К настоящему времени созданы не только стереоочки, но и стационарные конструкции, построенные на базе двух дисплейных панелей и снабженные специальной оптической системой для создания эффекта объемного изображения. В августе минувшего года на SIGGRAPH 2004 компания Kodak распространила информацию о новом устройстве для визуализации трехмерных изображений, названном разработчиками автостереографическим дисплеем. Известно, что в данном устройстве применены две ЖК-панели с разрешением 1280x1024 пикселов и особая оптическая система Kodak Monocentric Optics System.
В Кембридже создан уникальный голографический проекторГруппе ученых и инженеров Кембриджского университета под руководством Эдварда Бакли (Edward Buckley) удалось создать уникальный на сегодняшний момент лазерный голографический проектор, который значительно превосходит по своим возможностям и характеристикам созданные ранее конструкции. Кроме того, модуль проектора получился весьма компактным, что позволяет не только использовать его в стационарных условиях, но и встраивать в портативные электронные устройства. Голографический проектор создан на базе LCoS-микродисплея и позволяет генерировать 200 голографических кадров в секунду, а это более чем достаточно для полноценного воспроизведения видео. В качестве источника света используется мощный полупроводниковый лазер. Особенности конструкции позволили отказаться от сложной и громоздкой оптической системы, а также избавиться от одного из характерных недостатков голографических проекторов — спекл-шума (дифракционных пятен изображения, причиной появления которых является когерентная природа излучаемого лазером света). Действующий прототип проектора позволяет проецировать монохромные изображения, однако его создатели заявляют о принципиальной возможности сконструировать в будущем и полноцветное устройство. Согласно прогнозам специалистов, коммерциализация голографического проектора данной конструкции потребует от двух до четырех лет подготовительных работ. |
||
 |
|
Частоколы параллакс-барьеров
ока
одни группы разработчиков занимаются совершенствованием конструкции стереоочков,
другие не покладая рук работают над созданием 3D-мониторов, не требующих применения
каких-либо вспомогательных средств для достижения эффекта «объемности» изображения.
Одним из способов решения этой задачи является использование параллакс-барьера. Например, если поместить перед экраном монитора пленку с непрозрачными вертикальными полосками и узкими прозрачными зазорами между ними, то (в том случае, когда шаг этих полосок будет равен ширине двух пикселов) при отклонении в одну сторону от осевой линии монитора будут видны только четные столбцы пикселов, а при отклонении в другую — нечетные столбцы пикселов (рис. 4). Таким образом, отрегулировав расстояние между экраном монитора и параллакс-барьером, можно добиться того, чтобы правый глаз зрителя воспринимал изображение, сформированное нечетными столбцами пикселов, а левый — четными. Если вывести на экран такого монитора специальным образом подготовленную стереограмму (в которой будут через один перемежаться столбцы пикселов изображений левого и правого ракурсов), то у зрителя возникнет иллюзия трехмерности.
Рис. 4. Принцип действия параллакс-барьера, расположенного с внешней стороны
дисплейной панели
Используя описанный выше принцип, можно создавать 3D-мониторы на базе различных видов дисплейных панелей — ЖК, плазменных, OLED и пр. При этом параллакс-барьер может быть как пассивным (пленка с непрозрачными полосками), так и активным элементом (монохромная ЖК-панель). В последнем случае монитор можно сделать универсальным: с выключенным параллакс-барьером он будет работать в обычном «двумерном» режиме, а при активации параллакс-барьера — в «трехмерном».
Существует и несколько отличающийся по конструкции вариант 3D-монитора с параллакс-барьером, осуществимый лишь при условии использования дисплейных панелей на базе ЖК-технологии. Параллакс-барьер в этом случае расположен не с внешней стороны дисплейной панели, а внутри нее — между лампой подсветки и основной ЖК-панелью (рис. 5). Подобную конструкцию применяет в своих 3D-мониторах компания Sharp, а также ряд других японских производителей, входящих в состав организации 3D Consortium. Разработчики Sharp используют активный параллакс-барьер, обеспечивая возможность функционирования мониторов как в трехмерном, так и в обычном (двумерном) режиме.
Рис. 5. Принцип действия активного параллакс-барьера между ЖК-панелью и лампой подсветки
В прошлом году Sharp выпустила 3D-монитор LL-151-3D (рис. 6), который, в отличие от предшественников, предназначен не для специалистов, а для широкого круга пользователей. Дисплей создан на базе ЖК-панели с разрешением 1024x768 пикселов и размером видимой области 15 дюймов по диагонали. Максимальная яркость составляет 370 кд/м2 в двумерном и 140 кд/м2 в 3D-режиме.
Рис. 6. 3D-монитор Sharp LL-151-3D
За несколько дней до открытия выставки CeBIT 2005 компания Sharp представила новый ноутбук Actius AL3D, оснащенный 3D-дисплеем с экраном 15 дюймов по диагонали и разрешением 1024x768 пикселов. Этот портативный ПК стал уже второй (после представленного пару лет тому назад Actius RD3D) моделью линейки ноутбуков Sharp, оснащенной 3D-дисплеем. Встроенный дисплей Actius AL3D переключается между обычным и стереорежимом вручную посредством специальной кнопки.
|
|
Линзы вместо решетки
спользование
параллакс-барьера является довольно простым в технологическом плане способом
превращения обычного дисплея в стереоскопический. Однако вполне очевидно, что
непрозрачные полоски параллакс-барьера задерживают значительную часть светового
потока, вследствие чего яркость такого дисплея в 3D-режиме будет значительно
меньше, чем в двумерном. Один из способов решения данной проблемы — замена «полосатого»
параллакс-барьера на массив миниатюрных линз, установленных с внешней стороны
экрана и перенаправляющих излучаемый пикселами дисплейной панели свет в нужном
направлении.
3D-дисплей такой конструкции был создан специалистами из Philips Research Redhill, которые прикрепили с внешней стороны ЖК-панели лист с миниатюрными цилиндрическими линзами таким образом, чтобы плоскость, в которой формируется изображение пикселов ЖК-панели, оказалась в фокальной плоскости линз. Вследствие этого в поле зрения наблюдателя, взгляд которого направлен перпендикулярно линзам, попадает часть ЖК-панели, находящаяся под центральной частью линз. И если наблюдатель смотрит на экран под некоторым углом, то он будет видеть уже другие области, смещенные относительно центральной части линз (рис. 7).
Рис. 7. Схема устройства монохромного 3D-дисплея с массивом цилиндрических линз
Если на участке ЖК-панели, находящемся под одной линзой, разместить несколько субпикселов, то, рассматривая экран под различными углами, наблюдатель будет видеть различные группы субпикселов, каждая из которых образует отдельное изображение. Формируя из видимых под различными углами групп субпикселов разные изображения (стереопару), можно добиться иллюзии трехмерного изображения.
Каждая из линз в данном случае работает как миниатюрная проекционная система, помещающая изображение отдельного пиксела, находящегося непосредственно за ней, в пространстве перед пользователем. Поскольку глаза наблюдателя расположены на некотором расстоянии друг от друга, то один глаз будет воспринимать изображение, сформированное из одной группы субпикселов, а другой — изображение из второй группы. При перемещении головы наблюдателя относительно экрана влево или вправо воспринимаемые наблюдателем пары изображений, формируемых различными группами субпикселов, будут чередоваться в циклической последовательности (рис. 8). А поскольку в каждый момент времени изображения, воспринимаемые левым и правым глазом, будут различны, то стереоскопический эффект будет сохраняться независимо от положения головы наблюдателя. Более того, это свойство позволяет сразу нескольким пользователям наблюдать стереоскопическое изображение на одном дисплее.
Рис. 8. Непрерывный стереоскопический эффект достигается за счет того, что в каждый момент времени левый глаз наблюдателя воспринимает одно изображение, а правый — другое
Правда, здесь существует определенная проблема: промежутки между отдельными пикселами ЖК-панели, увеличенные линзами, образуют хорошо заметные прорехи в формируемом изображении, разрушая его цельность. Чтобы избежать этого нежелательного эффекта, смежные линзы располагают таким образом, чтобы пикселы ЖК-панели находились между ними — иначе говоря, чтобы поверхность каждого пиксела перекрывалась двумя соседними линзами.
Для обеспечения цельности изображений, формируемых отдельными группами субпикселов, линзы 3D-дисплея расположены под небольшим углом к вертикальной оси ЖК-матрицы. На рис. 9 дано схематичное расположение линз на дисплее, обеспечивающем проецирование семи различных изображений, видимых под разными углами. Пунктирные линии показывают субпикселы, образующие различные изображения (ракурсы): линия А соответствует ракурсу № 3, а линия С — ракурсу № 4. Здесь хорошо видно, что субпикселы, образующие изображение ракурса № 3, находятся на чередующихся строках матрицы. Благодаря использованию такой схемы при изменении угла обзора с позиции, соответствующей ракурсу № 3, в позицию, соответствующую ракурсу № 4, происходит плавное изменение видимого изображения: первое постепенно исчезает, а второе проявляется.
Рис. 9. Наклонное расположение линз обеспечивает плавный переход между отдельными изображениями (ракурсами).
На рисунке дана схема дисплея, позволяющего отображать семь различных ракурсов (цифры
на субпикселах соответствуют номеру ракурса)
На прошлогодней выставке CeBIT компания Philips продемонстрировала два новых прототипа 3D-дисплеев: 14,5-дюймовый (8 ракурсов) и 20-дюймовый (9 ракурсов). Уже создано несколько прототипов 3D-дисплеев, позволяющих отображать девять ракурсов трехмерной сцены: 15- (XGA), 18- (SXGA) и 20-дюймовый (UXGA). Реальное разрешение каждого ракурса составляет 341x256 пикселов для 15-дюймовой модели и 533x400 пикселов — для 20-дюймовой.
А совсем недавно, в дни проведения CeBIT 2005, группа исследователей немецкого института Fraunhofer Institute for Telecommunications представила собственный вариант конструкции 3D-дисплея под названием Free2C, построенного с использованием массива линз для разделения двух изображений, образующих стереопару.
|
|
3D-дисплеи в портативных устройствах
последнее время разработчики 3D-дисплеев присматриваются к весьма перспективному
и быстроразвивающемуся рынку мобильных телефонов, и в нынешних условиях вполне
вероятно, что именно мобильные телефоны могут оказаться первыми устройствами,
которые откроют широким массам пользователей доступ к технологиям визуализации
трехмерных изображений. Например, Sharp уже на протяжении двух лет поставляет
мобильные телефоны с трехмерными дисплеями компании NTT DoCoMo, и эти модели
пользуются очень большой популярностью в Японии.
В конце августа прошлого года компания NEC продемонстрировала на проходившей в Корее выставке Asia Display/IMD’04 прототип малогабаритного ЖК-дисплея (экран — 2,5 дюйма по диагонали), позволяющего воспроизводить стереоизображения. В отличие от обычных ЖК-дисплеев, каждый пиксел экрана этого прототипа состоит не из трех, а из шести субпикселов — по паре на каждый из базовых цветов. К тому же пары субпикселов выстроены не по горизонтали (как в обычных ЖК-мониторах), а по вертикали (рис. 10). Таким образом достигается двукратное увеличение разрешающей способности дисплейной панели в горизонтальной плоскости (Horizontally Double-Density Pixels, HDDP). При помощи двояковыпуклой линзы, расположенной с внешней части дисплейной панели, изображение одного «полупиксела», образованного тремя вертикально расположенными субпикселами, проецируется в правый глаз наблюдателя, а другого «полупиксела» — в левый.
Рис. 10. Схема расположения субпикселов в панели HDDP-дисплея
В начале нынешнего года Samsung SDI объявила об окончании работ по созданию собственной конструкции 3D-дисплея для мобильных телефонов. Было также заявлено, что подобные дисплеи появятся в ряде новых моделей мобильных телефонов Samsung уже в этом году.
Variational Shape Approximation — сжатый формат записи трехмерных изображенийПеренос трехмерной графики на мобильные платформы требует не только использования новых технологий визуализации, но и более компактных форматов представления трехмерных объектов. Работы в этом направлении уже ведутся. Так, специалисты одного из американских университетов разработали новый алгоритм под названием Variational Shape Approximation (что можно перевести примерно как «вариационное приближение формы»), позволяющий эффективно сжимать файлы с описанием 3D-изображений. С помощью данного алгоритма можно создавать очень компактные (приблизительно на порядок меньше, чем позволяют получить современные методы) файлы с высокоточным описанием каркасных моделей трехмерных объектов. Важным достоинством Variational Shape Approximation является полная совместимость с используемыми в настоящее время технологиями визуализации и обработки трехмерных цифровых изображений. В используемых ныне технологиях для описания каркасных моделей трехмерных объектов информация о форме поверхности обычно представлена в виде пространственной сетки, простейшим структурным элементом которой являются треугольники. Поэтому для того, чтобы передать форму объекта с высокой точностью, используется очень много треугольников, что, в свою очередь, требует больших вычислительных ресурсов для визуализации объекта. Американские ученые предложили упростить структуру каркасной сетки, значительно уменьшив количество составляющих ее фигур. При этом на участках с относительно ровной поверхностью допускается объединение нескольких смежных треугольников и замена их другими многоугольниками. Для выполнения данной операции используется метод кластеризации Ллойда (Lloyd Clustering), предложенный математиком Стюартом Ллойдом еще в 1959 году. При помощи данного метода объект сегментируется на непересекающиеся области, после чего проводится проверка, удовлетворяет ли такое представление объекта требуемой точности. В случае необходимости выполняется оптимизация сегментации с помощью небольшого числа итераций. Использование алгоритма Variational Shape Approximation позволит сделать значительный шаг вперед в области компьютерной графики. Так, указанный алгоритм дает возможность описывать различные участки одного и того же объекта с различной точностью и таким образом не только уменьшить объем используемых файлов, но и снизить требования к задействуемым для визуализации вычислительным ресурсам. |
||
|
|
Возможна ли 3D-революция?
настоящее время в области развития аппаратных средств для воспроизведения стереоизображений
наблюдается заметное оживление. Необходимо отметить, что хотя системы воспроизведения
трехмерных изображений (в том числе предназначенные для работы с ПК) разрабатываются
и производятся уже довольно давно, практически все эти устройства были предназначены
лишь для профессионального использования. Что же касается рынка бытовой электроники
и компьютеров общего назначения, то интерес к использованию технологий трехмерной
визуализации в этом сегменте рынка возник у производителей лишь в последние
годы. Судя по всему, сегодня многие производители, располагающие соответствующими
технологиями, готовятся к активной экспансии на массовый рынок.
Тем не менее, рассматривая перспективы развития устройств для визуализации трехмерных сцен на массовом рынке, стоит обратить внимание на то, что применение соответствующих аппаратных средств требует наличия и некоторых других компонентов, без которых сама по себе техническая возможность воспроизведения объемных изображений не имеет практического смысла. В первую очередь необходима поддержка технологий визуализации трехмерных изображений на уровне драйверов видеоадаптеров, используемых для подключения стереомониторов, стереоочков и прочих устройств. Но, пожалуй, еще более серьезной проблемой является доступность программных средств, изображений и видео, созданных для визуализации не только в привычном двумерном, но и в «трехмерном» режиме. Понятно, что превратить обычную фотографию или видеоролик в 3D-формат практически невозможно и для того, чтобы реализовать преимущества стереодисплеев, необходимо изначально применять специальную технику съемки, например с использованием двух расположенных на некотором расстоянии друг от друга камер. Значительно проще эта задача выглядит при визуализации трехмерной компьютерной графики, поскольку в данном случае можно использовать уже созданные каркасные модели и текстуры, применяя для визуализации лишь слегка модифицированный алгоритм рендеринга.
Вполне очевидно, что даже если завтра производители обеспечат всех желающих устройствами, оснащенными 3D-дисплеями, то никакой реальной пользы от этого не будет. Действительно, какой прок от самого совершенного 3D-дисплея, если на нем нечего воспроизводить? Именно поэтому рост популярности данных устройств будет напрямую зависеть от доступности приложений и медиаресурсов, которые позволят воспользоваться преимуществами стереовидения. Смогут ли производители программного обеспечения и поставщики медиаресурсов поддержать инициативу производителей аппаратных средств? Этот вопрос пока остается открытым…
