mYYlywjooy

И другие.

В целом, можно отметить высокую перспективность данной технологии и некоторую недооцененность ее на современном рынке. Возможно, с развитием лазерных технологий и снижением цены, лазерные дисплеи (телевизоры) составят серьезную конкуренцию другим типам мониторов и телевизоров.

1.5. Стереомониторы

Устройство вывода, позволяющее пользователю получать визуальную информацию от вычислительной системы таким образом, что у пользователя может возникать иллюзия многомерности (трех и более изменений) визуализируемых объектов может называться объемным (стерео) дисплеем. Одним из наиболее распространенных подходов, используемых для того, чтобы добиться иллюзии трехмерного (объемного изображения) и/или погружения (полного или частичного) пользователя в визуализацию, является стереоскопия.

Кроме стереоскопии существуют и другие способы получения иллюзий объемных визуализаций. Спектроскопия это только один из многих существующих на сегодняшний день способов. Однако, не следует путать «объемные», «стереоскопические» и «трехмерные» визуализации и дисплеи. Каждый из них имеет свои отличительные характеристики и свойства.

Например, реализовать монитор, позволяющий получать трехмерную визуализацию можно и не прибегая к спектроскопии. Кроме того, необходимо учитывать также тот факт, что существуют и специальные методы построения псевдотрехмерных визуализаций, которые могут восприниматься конечным пользователем на экране монитора как полностью трехмерные объекты.

Общий вид стереоскопического дисплея с полупрозрачным зеркалом представлен на Рис. 20.

31

Рисунок 20. Внешний вид современного стереоскопического дисплея с полупрозрачным зеркалом

На сегодняшний день принято считать, что наиболее близко к получению трехмерных изображений подошли различные методы голографии. Соответственно, голографические дисплеи являются одними из наиболее перспективных в области визуализации трехмерных объектов реального мира. Однако, известные методы голографии, применяемые сегодня, обладают рядом существенных недостатков, ограничивающих их практическое применение. Среди них можно выделить высокую сложность получения качественных голограмм, огромные потоки данных, которые необходимо обеспечить для создания качественных голограмм и, как следствие, высокую стоимость конечных продуктов. [6] Большая часть современных голограмм создаются с использованием различных лазеров, хотя существуют и принципиально другие подходы, основанные на использовании отличных от лазерных технологий. [7]

С практической точки зрения, целесообразно разделять трехмерные мониторы на две категории:

1.Устройства визуализации, которые продуцируют индивидуальное, независимое изображение для каждого глаза пользователя. В основе таких устройств лежит учет особенностей бинокулярного зрения человека и давно и хорошо известный принцип стереоскопии. Такие

32

устройства называют трехмерными (3D) мониторами или стереоскопическими дисплеями;

2.Устройства визуализации, позволяющие создавать проекции из отдельных точек, в ограниченном объеме. Такие устройства относят к объемным мониторам. В основе их работы заложены различные физические принципы проекции, включая использование лазеров и нетрадиционных «подложек».

1.5.1. Стереоскопические мониторы

Мониторы, построенные на основе принципов стереоскопии можно представить в виде двух отдельных групп:

1.Мониторы, для полноценного использования которых не нужны дополнительные устройства (автостереоскопические);

2.Мониторы, для полноценного использования которых нужны дополнительные устройства.

1.5.1.1.Мониторы, не нуждающиеся в дополнительных устройствах

(автостереоскопические)

Использование автостереоскопических мониторов не подразумевает применение дополнительный устройств, таких, как, например, специальные шлемы, очки, устройства для позиционирования головы пользователя и так далее. Необходимый эффект достигается за счет сфокусированного воздействия световым пучком на каждый глаз пользователя в отдельности.

Для обеспечения разделения изображения для каждого глаза могут быть использованы различные методы и средства. В настоящее время популярно использование специальных светоделителей – линз для каждого глаза пользователя. Применяются также различные модификации барьерных сеток и другие методы.

Однако, использование мониторов, не нуждающихся в дополнительных устройствах связано с рядом ограничений данной технологии. Одним из которых являются ограничения на положение головы пользователя при просмотре изображения. В случае, если пользователь выходит из заранее определенной области просмотра, иллюзия трехмерности изображения может либо вовсе пропасть, либо ее качество может снизиться до неприемлемого уровня.

Принципиального решения данной проблемы в настоящее время не найдено. В качестве одного из подходов, применяемых для устранения указанного выше недостатка, используется существенное повышение избыточности данных для формирования изображения. Однако, это решение является дорогим и неуниверсальным.

Существуют и другие подходы, связанные с использованием отдельных жидкокристаллических дисплеев для каждого глаза (High-Rank 3D

33

Display using Content-Adaptive Parallax Barriers), методов восстановления поля света при смене ракурса просмотра изображения, подвижных светоделителей, детекторов положения глаз, головы, тела пользователя, многоракурсных мониторов, добавления «служебных» каналов в результирующее изображение, и др.

Одной из многообещающих технологий, является технология

(Holographic Optical Elements - HOE). Эта технология построена на обра-

ботке множества точек специальным образом. Она позволяет манипулировать отдельными голографическими элементами, которые воспринимает конечный пользователь. Технология использует возможности перенаправления пучков света с помощью множества голограмм, расположенных перед жидкокристаллическим монитором. Таким образом, манипулируя направлением пучков света, можно менять способы визуализации объектов, воспринимаемых пользователем, как объемные.

1.5.1.2. Мониторы, для полноценного использования которых нужны дополнительные устройства

Мониторы, для полноценного использования которых нужны дополнительные устройства, относятся ко второй группе рассматриваемых нами дисплеев. Чаще всего, в роли «дополнительного устройства» выступают специальные очки, которые необходимо надеть при просмотре изображений, чтобы ощутить стереоскопический эффект. Иногда очки такого типа называют 3D очками.

Все виды очков, использующихся для получения стереоэффекта можно однозначно разделить на две группы:

1.Очки активные;

2.Очки пассивные.

Отличить их друг от друга довольно просто по совокупности признаков. Те очки, для использования которых не нужны дополнительные источники питания (батарейки, аккумуляторы и т.п.) а также управляющие схемы и сигналы, относятся к группе очков пассивного типа. Они, в свою очередь, также делятся на две группы поляризационных очков:

1.С круговой поляризацией (поляризационная система);

2.С линейной поляризацией.

Очки, работа которых основана на линейной поляризации часто намного дешевле аналогов и массово используются в кинотеатрах. Однако, для эффективного функционирования таких очков необходимо, чтобы на экране были отображены сразу два изображения (одно – для левого глаза, второе – для правого глаза). Очки отвечают за то, чтобы «разделить» информацию, получаемую с экрана, для разных глаз.

Несмотря на свою дешевизну и относительную простоту конструкции, очки с линейной поляризацией имеют ряд существенных недостатков. Одним из самых значительных недостатков является то, что яркость про-

34

сматриваемого изображения в таких очках падает почти на четверть от исходной. Это приводит к необходимости повышать яркость исходного изображения, чтобы пользователь не чувствовал существенного дискомфорта при просмотре.

Что касается снижения разрешения при использовании очков с линейной поляризацией, то тут необходимо отметить, что в зависимости от используемой технологии, разрешение может, как не изменяться, так и падать в два раза.

Немного другой подход используется в поляризационных системах. Такая система обеспечивает совместную работу экрана и очков. Основной принцип работы заключается в том, что проходящий свет поляризуется строками изображения на экране. Свет может быть поляризован как против часовой стрелки, так и по часовой стрелке. В свою очередь, таким же образом происходит поляризация света и в очках. В результате удается получить отдельное, изображение для каждого глаза. Изображение, естественно, получается чересстрочным, но его яркость не уменьшается.

Принципиально другой подход используется в очках активных. В них используются специальные затворы, которые могут «закрывать» одну из линз очков. Под «закрытием» имеется ввиду такое затемнение затвора, что визуальная информация не может достигнуть глаза пользователя. Таким образом, получается, что пользователь видит изображение не одновременно двумя глазами, а, как бы, то одним, то другим глазом поочередно.

В этом случае особенно важно добиться полной синхронизации работы затворов очков и экрана, который выводит изображения то для одного, то для другого глаза по очереди. В противном случае возникнет рассогласование режима работы затворных механизмов и визуализации изображения, что может привести к существенному искажению или полной потере стереоскопического эффекта, который достигается за счет инерционности человеческого зрения.

Одно из существенных ограничений технологии, это необходимость обеспечения высокой частоты кадров на мониторе, т.к. каждый глаз будет видеть только половину от общего количества кадров. Это приводит к удорожанию таких систем.

Кроме того, подобные системы чувствительны к положению пользователя в пространстве. При выходе пользователя из допустимых границ, падение яркости может достигать катастрофических восьмидесяти процентов от оригинальной.

1.5.2. Объемные мониторы

Отдельным классом устройств визуализации, которые позволяют получить объемное изображение, являются дисплеи, построенные на методах

35

и механизмах использования вокселей. Под вокселем понимается трехмерная экранная точка – некоторый аналог пикселя, но представленного в трех измерениях. Важной особенностью таких устройств является то, что, как правило, большинство из них могут визуализировать данные только в заранее определенном, и, как правило, относительно небольшом объеме. [8]

Для получения объемного изображения современные объемные мониторы могут использовать различные методы. Некоторые из них позволяют создавать объемное изображение за счет быстро движущихся зеркальных или светящихся пластин. Другие, используют в качестве источников света светодиоды, управляемые специальными контроллерами и программным обеспечением. Существуют варианты использования спиралей или колец для размещения светодиодных лент и раскручивания их до больших скоростей с помощью электродвигателей, и так далее. Но большая часть таких методов использует эффект инерционности зрения человека, чтобы добиться эффекта объемного изображения.

Первый объемный монитор, создающий объемное изображение внутри 25-сантиметрового шара был представлен компанией Actuality Systems. Он мог отображать цветную объемную модель с частотой 10 кадров («объемосмен») в секунду. Разрешающая способность данного монитора измеряется в вокселях. Каждый срез передается с телевизионным разрешением 758х758 точек (вокселей), а в полной круговой панораме таких срезов 400 за 1/10 секунды, или 4000 в секунду. [24]

Внешний вид представлен на Рис. 21.

Работает устройство следующим образом. Внутри шара вращается прозрачный жидкокристаллический дисплей, на котором и загораются в нужном месте и в нужные микросекунды цветные точки, образующие оболочки объемных объектов. [24]

Рисунок 21. Внешний вид объемного монитора объемного монитора от компании Actuality Systems

36

Сцену можно рассматривать с любого направления по горизонтали и в угле 270 градусов по вертикали. Сам шар установлен на непрозрачном пьедестале, и обзор сцены снизу невозможен.

Диаметр шара составлял всего 25 сантиметров при весе в 27 килограммов, число отображаемых цветов не превышало восьми, а стоимость составляла примерно 40 тысяч долларов. [24] Кроме того на момент представления устройства широкой публике практически не существовало программных средств, с помощью которых можно было бы организовать его программирование и работу. Это и ряд других факторов привели к тому, что данная технология не нашла широкого применения в то время.

Другая известная сегодня реализация технологии объемного монитора носит название pCube. Устройство pCube, разработанное специалистами из Университета Британской Колумбии (University of British Columbia), выполнено в форме куба, состоящего из шести ЖК-дисплеев. 3D-сцена формируется на каждом экране, но под разными углами обзора. В итоге у пользователя создается ощущение, что он рассматривает со всех сторон какой-то предмет внутри стеклянного куба.

Одной из важных особенностей pCube является возможность взаимодействия отображаемых предметов с пользователем за счет интегрированного акселерометра и дополнительного набора сенсоров.

Так, наклоняя куб, можно перемещать шарик по виртуальному лабиринту или ударить по нему реальным стилусом. В основе этого устройства лежит графическое ядро от компании NVIDIA, а для просчета взаимодействия формируемых предметов с пользователем применяется технология

NVIDIA PhysX.

В своем текущем состоянии pCube выглядит довольно громоздко, и в основном его внешний вид портят широкие рамки вокруг дисплеев. По словам представителя из Университета Британской Колумбии, замена ЖК на OLED-дисплеи позволит избавиться от этого недостатка. Внешний вид объемного монитора pCube представлен на Рис. 22.

Что касается области применения такого устройства, то этот вопрос сейчас изучается разработчиками. Они уверены, что pCube может использоваться не только как рабочий инструмент, но и в качестве развлекательного устройства в качестве игровой консоли нового поколения.

37

Рисунок 22. Общий внешний вид объемного монитора pCube,

разработанного в University of British Columbia

Еще один подход продемонстрировала компания Holocube. В ее разработке Holocube Touch применяются проектор для создания 3Dголограммы, которая прикрыта прозрачной сенсорной панелью. Эта панель используется для управления голограммой, 3D-меню и т. д. Кроме того, Holocube работает над созданием коммерческого 42-дюймового голографического дисплея без сенсорной панели.

На данный момент оба проекта еще далеки от завершения, и о внедрении таких технологий в потребительские продукты пока говорить рано. Особенно если учесть, что попытки реализации подобных технологий ведутся уже очень давно разработчиками из разных стран, включая Южную Корею.

1.5.3. Перспективы развития стереомониторов

Большое количество различных компаний занимается созданием стереомониторов или технологий для них. Среди наиболее заметных в этой области, можно выделить следующие:

Holografika;

SeeReal Technologies; SeeFront;

DDD; Аpple; VisuMotion;

Dimension Technologies Inc.; Fraunhofer HHI;

Аrt;

38

NewSight; Аlioscopy; StereoPixel; 3D Icon;

Spatial View Inc.; Tridelity;

Zero Creative (xyZ).

Еще в 2008 году был представлен стереомонитор с высоким разрешением и большим количеством возможных положений просмотра изображения без потерь в качестве. Этот стереомонитор поддерживал рабочее разрешение в 2160 на 3840 экранных точек, а количество положений просмотра равнялось сорока шести, что было выдающимися характеристиками для своего времени.

Всего через два года многие производители бытовой техники уже предлагали на рынке телевизоры и мониторы с поддержкой технологии трехмерных изображений 3D серийного производства. Среди наиболее крупных и известных производителей можно отметить такие компании,

как Toshiba, Samsung и LG.

Отдельно нужно отметить тот факт, что компания Toshiba вышла на рынок с новой технологией, позволявшей получать эффект 3D без использования специальных очков. Особенность этой технологии состояла в том, что линзы, которые необходимы для разделения изображения, как было рассмотрено выше, были размещены не в очках, а прямо на фронтовой области экрана.

Такой подход позволял получать стереоскопический эффект лишь в нескольких точках, находящихся непосредственно перед монитором. В первых моделях количество таких точек было невелико – всего около девяти, что существенно ограничивало комфорт пользователя при просмотре изображений.

Кроме того, угол обзора при такой технологии оставался слишком маленьким, как правило, он не превышал пятидесяти – пятидесяти пяти градусов, что стало одним из главных препятствий на пути распространения этой технологии.

Другой проблемой, которая была в полной мере осознана и доведена до сведения массового потребителя являлись некоторые «побочные эффекты» просмотра 3D изображений. Человеческий мозг и органы чувств, не рассчитанные на восприятие подобной информации, выдавали реакции схожие с теми, что испытывают люди при сильном укачивании, например, в долгих поездках.

Поэтому, некоторые компании даже выпустили специальные рекомендации о том, что детям и людям с некоторыми заболеваниями стоит

39

воздержаться или существенно ограничить просмотр 3D изображений во избежание возникновения неблагоприятных эффектов для здоровья. [23]

1.6. Free-Space Display или аэрозольный экран

Устройства визуализации, позволяющие строить изображения в некоторых относительно однородных средах, таких как туман, облако мелких частиц или пыли, аэрозоль и тому подобных, часто объединяют в одну группу, под названием free-space display.

Название free-space display обусловлено основной особенностью таких способов визуализации, а именно, тем, что они способны визуализировать изображение в «свободном пространстве». Другими словами, для такого способа визуализации не нужен «экран» или «подложка», на которые проецируются изображения при традиционных методах визуализации.

Несмотря на довольно очевидный перевод названия технологии, в русском языке эта технология обозначается чаще всего как аэрозольный экран, то есть, по типу используемой «подложки».

В основе технологии лежит способ проецирования изображений на некоторый аэрозоль. Для обеспечения необходимого качества изображения, аэрозоль должен соответствовать заданным характеристикам. Поэтому, частью конкретной реализации технологии free-space display часто являются и способы производства, рассеивания и поддержания аэрозоля нужной консистенции в нужном месте. Пример того, как может выглядеть стереоизображение, сформированное на аэрозольном экране представлен на Рис. 23.

Получаемое изображение как бы «висит в воздухе». Наблюдатели могут видеть изображение практически с любого ракурса без использования каких-либо дополнительных приспособлений (линз, очков и т.п.). Для создания проекций, как правило, используют сложную систему взаимодействующих лазеров.

Но у такого способа визуализации есть и ряд присущих именно ему недостатков. Одной из технических проблем, которую нужно решать, является обеспечение ламинарности, то есть обеспечение таких условий потока, при которых в нем отсутствуют завихрения и исключается какаялибо турбулентность. Другая проблема, это проблема, связанная с уникальностью таких систем визуализации. Другими словами, для нормальной работы таких систем в настоящее время применяются уникальные аппаратные и программные средства, что исключает их массовое распространение и реализацию на основе уже существующей, широко распространенной программно-аппаратной базы.

40