3D-дисплей с естественным изображением
Высокоэкономичный 3D-дисплей с максимально возможной для данной технологии согласованностью настроек «естественно» формирует объемную картинку под каждого пользователя.
Трехмерный дисплей, способный подстраиваться под пользователя, разработали сотрудники Лаборатории сверхбыстродействующей оптоэлектроники и обработки информации ФИАН совместно с инженерами Исследовательского центра Samsung Electronics в Москве. Идея создания дисплея принадлежит сотруднику ФИАН, к.ф.-м.н. Андрею Путилину. «Рассматривая объемный предмет, мы меняем свое положение относительно него или крутим его. Так у человека создается трехмерная картинка, – рассказывает Путилин. – Для естественного формирования объемного изображения недостаточно создать разные картинки для правого и левого глаз – главное, чтобы мозг воспринял модель предмета как трехмерную. Только после этого для человека предмет становится объемным. Так же должно быть и с трехмерным изображением предмета – человек должен погружаться в 3D-картинку с точки зрения своих действий».
Если ощущение от объема предмета у человека формируется не естественным образом, то и модель предмета складывается неправильная (здесь дело даже не столько в пропорциях, сколько в изменениях относительно нашего поведения). Например, в реальности, если мы повернемся в какую-то сторону относительно предмета, то и он должен повернуться к нам, то есть должен дать рассмотреть себя. В современных 3D кинотеатрах при изменении нашего положения объект не меняется – человек поворачивает голову, и объект поворачивается – «гуляет» вместе с ней. В этом и заключается неестественность, поэтому головная боль – это естественный спутник почти всех стерео-дисплеев, включая автостереоскопические, когда не надо одевать стереоочки. Эффект, когда объект «гуляет» за головой наблюдателя, возникает как следствие прежнего опыта человека в разглядывании предметов. А вот естественное «показывание предмета с новой стороны» при изменении положения зрителя называется эффектом оглядывания.
Второй эффект-паразит возникает при приближении наблюдателя к объекту. Когда это происходит, человеческий глаз, что вполне понятно, пытается сфокусироваться на самом объекте, а это не возможно, так как объект не реальный, а сформированный плоским дисплеем. При этом фокусировка сопровождается еще и небольшим сдвигом оптической оси глаз. Грубо говоря, если объект находится близко, то глаза сходятся, и если далеко – расходятся. Эти механизмы называются аккомодацией (настройка по фокусу) и конвергенцией (настройка по углу схождения оптических осей на предмете). Работать аккомодация и конвергенция должны согласованно, однако в большинстве дисплеев этой согласованности нет, а значит – еще один фактор в копилку причин возникновения головной боли.
«Когда объект «вылезает» из экрана, это называется выносом, то настройка у человека по фокусу находится в плоскости дисплея, а конвергенция в виртуальной плоскости выноса, где он должен быть по параллаксу ракурсов правого и левого изображения. Получается противоречие. Если объект вышел из плоскости экрана не сильно, то и противоречие не очень сильное, или если предмет ушел за экран, это называется выносом на бесконечность, то противоречие тоже не очень сильное, но чем больше мы делаем вынос изображения за плоскость экрана, тем больше у нас рассогласование конвергенции и аккомодации. То есть во всех эффектных выносах это рассогласование значительное».
Для решения этих проблем и родилась схема адаптивного дисплея – не просто стереодисплея, целой системы, показывающей многоракурсную стереоинформацию, причем каждому человеку – индивидуально. В общей зарисовке схема состоит из системы слежения за положением глаз человека, линзы и системы микропроекторов, которые строят в области линзы увеличенное стереоизображение под каждый глаз, которое затем фокусируется на область их расположения.
Сглаживание проблем восприятия стереоизображения достигается благодаря конструкции линзы (в патенте рассматриваются примеры голографических и микропризменных линз) и микропроекторам, которые сразу проектируют стереоизображение, при этом осуществляется подвижная настройка по фокусу, и расстояние между проекторами также адаптивно меняется. С помощью такой системы удается не только получить наилучшее стереоизображение, но и значительно сэкономить энергопотребление и вычислительные ресурсы.
«Объем световой энергии, который попадает в человеческий глаз от дисплея, составляет порядка миллионной (!) доли от излучаемой энергии, всё остальное просто теряется. Поэтому, продумывая нашу адаптивную систему, мы решили, что не будем потреблять лишнюю энергию, а будем доставлять ее только в то место, где находится зритель. И двух маленьких светодиодов будет достаточно для того, чтобы отобразить информацию. Человеку же это покажется очень ярким», – объясняет Андрей Николаевич.
Экономия вычислительных ресурсов обеспечивается за счет распараллеливания компьютерной реализации системы, то есть для отображения и обработки информации нужно именно столько «роботов», сколько человек участвует в просмотре видео. «Представьте: у нас есть модель или трехмерное изображение какого-то объекта, тогда при изменении модели или угла зрения человека необходимо мгновенно выдавать новую информацию согласно произошедшим изменениям или новому углу зрения. Когда вычислительные мощности естественным образом распараллеливаются – работают на каждого человека в отдельности, это также значительно удешевляет систему», – говорит Путилин.
Уже разработаны и запатентованы макет дисплея и программное обеспечение для него.
27 апреля 2012
