3D-дисплеи: воплощение мечты
Еще в 20-х годах прошлого века создатель одного из первых телевизионных приемников мечтал о возможности передачи цветного объемного изображения. В начале века нынешнего новейшие технологические достижения позволили воплотить эту, казалось бы, несбыточную мечту в реальность.
озможность
работы с трехмерными объектами при помощи компьютера давно уже ни у кого не
вызывает удивления. Технологии визуализации трехмерных виртуальных объектов
и пространств широко используются в конструкторских и архитектурных приложениях
и, конечно же, во многих современных играх. К этому все уже привыкли и воспринимают
как должное.
Однако, работая с традиционным компьютерным монитором, мы можем наблюдать лишь проекцию трехмерной сцены на плоскость экрана. Для того чтобы достичь иллюзии реального трехмерного изображения, были разработаны специальные технологии, на основе которых созданы многочисленные прототипы 3D-мониторов и проекционных систем. Однако в большинстве своем подобные системы обладают такими серьезными недостатками, как необходимость применения вспомогательных средств (специальных очков), весьма ограниченная зона стереоскопического эффекта, необходимость настройки системы под каждого конкретного пользователя и т.п. Кроме того, в большинстве случаев такие системы оказываются весьма дорогостоящими, что значительно сужает сферу их применения до ограниченного набора специфических профессиональных задач — таких, как работа с системами САПР и т.п.
Создание доступной для массовых пользователей системы визуализации, которая обеспечивала бы визуализацию трехмерных сцен сразу для нескольких зрителей и при этом не требовала бы применения вспомогательных средств, оказалось весьма сложной задачей. Найти ее решение удалось инженерам Philips Research Redhill, которые использовали новейшие достижения в области производства ЖК-панелей, оптических систем, а также программных и аппаратных средств для обработки изображений. Разработка получилась действительно уникальной: созданный инженерами прототип дисплея позволяет воспроизводить трехмерные изображения и видеоролики для нескольких зрителей одновременно, и при этом нет необходимости ни в использовании вспомогательных средств (очков и пр.), ни в индивидуальной настройке. Помимо этого, созданная Philips Research Redhill технология отличается универсальностью: ее можно с успехом использовать и в малогабаритных мобильных устройствах, и в настольных мониторах с диагональю экрана от 12 до 21 дюйма, и даже в проекционных телевизорах.
Рассмотрим устройство и принцип действия такого 3D-монитора. В качестве основы используется ЖК-матрица высокого разрешения, ничем не отличающаяся от применяемых в обычных ЖК-мониторах. С внешней стороны ЖК-панели прикрепляется лист с миниатюрными цилиндрическими линзами — так, чтобы плоскость, в которой формируется изображение пикселов ЖК-панели, оказалась в фокальной плоскости линз.
Таким образом, в поле зрения наблюдателя, взгляд которого направлен перпендикулярно линзам, попадает часть ЖК-панели, находящаяся под центральной частью линз. Если же наблюдатель смотрит на экран под некоторым углом, то он будет видеть уже другие области, смещенные относительно центральной части линз (рис. 1).
Рис. 1. Схематическое устройство монохромного 3D-дисплея
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 (например, стереопару), можно добиться иллюзии трехмерного изображения, аналогичной той, что возникает при просмотре стереослайдов.
Каждая из линз работает как миниатюрная проекционная система, размещающая 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 относительно экрана влево или вправо воспринимаемые наблюдателем пары изображений, формируемых различными группами субпикселов, будут чередоваться в циклической последовательности (рис. 2). Однако за счет того, что в каждый момент времени изображения, воспринимаемые левым и правым глазом, будут различны, стереоскопический эффект будет сохраняться независимо от положения головы наблюдателя. Более того, это свойство позволяет наблюдать стереоскопическое изображение на одном дисплее сразу нескольким пользователям.
Рис. 2. Непрерывный стереоскопический эффект достигается за счет того, что в каждый момент времени левый глаз наблюдателя воспринимает одно изображение, а правый — другое
Правда, здесь существует и определенная проблема: промежутки между отдельными пикселами ЖК-панели, увеличенные линзами, образуют хорошо заметные «прорехи» в формируемом изображении, разрушая его цельность. Для того чтобы избежать этого нежелательного эффекта, смежные линзы располагают таким образом, чтобы пикселы ЖК-панели находились между ними — иначе говоря, поверхность каждого пиксела перекрывается 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. 3 показано схематичное расположение линз на дисплее, обеспечивающем проецирование семи различных изображений, видимых под разными углами. Пунктирные линии показывают субпикселы, образующие различные изображения (ракурсы). На иллюстрации 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: одно постепенно исчезает, в то время как другое плавно проявляется.
Рис. 3. Наклонное расположение линз позволяет обеспечить плавный переход между отдельными изображениями (ракурсами). На иллюстрации приведена схема дисплея, позволяющего отображать семь различных ракурсов (цифры на субпикселах соответствуют номеру ракурса)
Первый работоспособный прототип 3D-дисплея, действующий по вышеописанному принципу, был создан на базе ЖК-панели без светофильтров, что позволило получить монохромное изображение с утроенным горизонтальным разрешением. Такой дисплей обеспечивал возможность наблюдать монохромную трехмерную сцену в четырех ракурсах.
Следующим шагом стало создание цветного устройства на базе 11,3-дюймовой ЖК-матрицы с разрешением SVGA, которое было оснащено наклонными линзами и позволяло отображать семь различных ракурсов трехмерной сцены. По мере совершенствования ЖК-технологии увеличивались размеры экранов 3D-дисплеев, а также количество отображаемых ракурсов. На проходившей нынешней весной выставке CeBit 2004 были продемонстрированы два новых прототипа 3D-дисплеев: 14,5-дюймовый (8 ракурсов) и 20-дюймовый (9 ракурсов). К настоящему времени создано несколько прототипов 3D-дисплеев, позволяющих отображать девять ракурсов трехмерной сцены: 15-дюймовый (XGA), 18-дюймовый (SXGA) и 20-дюймовый (UXGA). Реальное разрешение каждого ракурса составляет 341Ѕ256 пикселов для 15-дюймовой модели и 533Ѕ400 пикселов — для 20-дюймовой.
Для подготовки трехмерных изображений разработано специальное приложение — Octopus Multiview Editor. Эта программа позволяет упаковывать набор двумерных изображений (ракурсов) в единую сцену, отображаемую на 3D-дисплее.
В заключение следует упомянуть еще об одном важном преимуществе рассматриваемой технологии — о ее доступности. Для создания описанных выше 3D-дисплеев не требуется дорогостоящих механических и оптических компонентов, благодаря чему цена такого устройства дисплея будет определяться главным образом стоимостью используемой ЖК-панели.
Согласно прогнозам разработчиков, 3D-дисплеи являются весьма перспективными устройствами для применения в медицине (в частности, при проведении полостных исследований), в системах САПР, в охранных системах видеонаблюдения и в ряде других областей. Естественно, огромным потенциалом для использования 3D-дисплеев обладает сфера развлечений, в том числе компьютерные игры.
При подготовке статьи были использованы материалы компании Koninklijke Philips Electronics N.V.
