Архивы: по дате | по разделам | по авторам

Тридевятое царство

Архив

автор : Марат Давлетханов 10.06.2002

Сегодня уже никого не удивишь 3D-очками. Да и мониторы с объемным изображением тоже перестали быть редкостью. Люди воспринимают эти устройства как должное, о них мечтают и недолюбливают, их оценивают и тестируют, ищут преимущества и недостатки, но мало кто знает, за счет чего обычная картинка становится трехмерной…

Как же «обмануть» наш мозг и заставить его воспринять обычную плоскую картинку в качестве трехмерной? Подобных способов несколько. Например, 3D-изображение можно создать игрой света и тени или особым расположением элементов картинки. Но в компьютерных устройствах обычно используется иной принцип. Дело в том, что каждый из наших глаз смотрит на мир под своим углом. Информация, получаемая обоими глазами, обрабатывается мозгом и «сливается» в одну картинку. Именно этот факт и используют разработчики в своих целях. Оказывается, достаточно показать каждому глазу свое, специальным образом рассчитанное изображение. Мозг анализирует полученную информацию и «обманывается», создавая у человека впечатление трехмерности увиденного.

Две картинки

Первый и самый очевидный способ реализации «двуглазого» принципа - простое разделение картинок. Достаточно предоставить каждому глазу свой собственный монитор, на котором и показывать нужное изображение. На способе пространственного разделения основывается множество устройств различных компаний. Наибольшее распространение получили всем известные шлемы виртуальной реальности, так называемые Helmet Mounted Display (HMD). Главный плюс HMD - полное погружение в виртуальную реальность, которое используется во многих областях, начиная с компьютерных игр и заканчивая шлемами для пилотов боевых истребителей.

Но не только шлемы виртуальной реальности основаны на принципе пространственного разделения. Во многих специальных областях и научных исследованиях применяются BOOM-дисплеи (Binocular Omni-Orientation Monitor). Внешне они очень похожи на обычные бинокли. Только зачастую их устанавливают на специальных «журавлях», увешанных датчиками, следящими за положением устройства в пространстве.

Цвет цвету рознь

Кстати, вы знаете, что первые трехмерные картинки были созданы аж в 1858 году? Именно тогда француз Джозеф д’Альмедиа изобрел цветовое мультиплексирование. В основе этого принципа лежит использование двуцветных картинок. Причем на каждой из них совмещены два изображения, отличающиеся лишь цветом, одно из них синее, другое красное. Чтобы увидеть трехмерное изображение, смотреть на картинку нужно специальные очки, где вместо линз установлены соответствующие светофильтры. В результате глаз, смотрящий через синее стекло, видит синюю картинку, но не замечает красную. Точно так же второй глаз видит красную картинку, но не замечает синюю.

Однако в компьютерных устройствах технология цветного мультиплексирования применения не нашла. Дело в том, что каждый человек по-своему воспринимают цвета, в результате чего одни вообще не видят стереоэффекта, а другим приходится долго всматриваться в изображение. К тому же нынешнего пользователя не соблазнишь двухцветными картинками, ему подавай как минимум 16-битный цвет.

Открыто, закрыто…

Не так давно был разработан еще один принцип трехмерного восприятия изображений, который применяется в большинстве современных устройств и называется временнЫм мультиплексированием. В нем тоже используются специальные очки, но не с линзами, а с оптическими затворами. Не путайте эти затворы с теми, что стоят в фотоаппаратах. Предназначение у них одно, но принципы действия совершенно разные. Если в фотоаппаратах используются механические шторки, то в 3D-устройствах -

В разработке Dresden 3D Display используется система слежения за головой пользователя, благодаря которой программа «знает», под каким углом человек смотрит на экран

жидкие кристаллы, которые при поляризации становятся непрозрачными. На компьютер устанавливается специальная программа, которая по очереди формирует изображение для правого и левого глаза. Когда показывается «правая» картинка, затвор на левом глазу закрывается, а когда «левая» - закрыт правый глаз. Изображения чередуются с большой частотой, и у человека создается впечатление, что он смотрит обоими глазами одновременно.

К плюсам временного мультиплексирования можно отнести высокое качество объемного изображения, отсутствие любых геометрических или цветовых искажений. Правда, недостатки у подобных систем тоже есть, и весьма существенные. Например, частота кадров картинки снижается вдвое, так как за одно и то же время нужно успеть вывести вдвое больше картинок. Конечно, можно попытаться увеличить частоту регенерации монитора, но на ЭЛТ это не получается из-за эффекта послесвечения люминофора. С ЖК-панелями дело обстоит лучше, но они все еще слишком дороги, как и сами модели, использующие принцип временного мультиплексирования.

Разумеется, были попытки удешевить технологию временнОго мультиплексирования, сделать ее доступной для рядовых пользователей. Так, компания Tentronix предложила специальную жидкокристаллическую панель, которая навешивается на монитор и выполняет функцию затвора. Правда, пользователям все равно нужны очки, но уже гораздо более простые. Эта разработка, впрочем, не дешевле других, но заметно удобнее: очки не такие тяжелые, громоздкие и дорогие, да и панель более долговечна.

Обойдемся без очков

Все вышеописанные технологии требовали надевания на голову различных устройств. К счастью, в последнее время появились стереоскопические дисплеи, позволяющие обойтись без очков и шлемов. В основе подобных дисплеев лежит принцип мультиплексирования по направлению, учитывающий то, что глаза человека смотрят на объект под разным углом. Поэтому если взять два изображения на одном экране и сделать так, чтобы каждое из них было видно только под определенным углом, можно добиться трехмерной картинки. Кстати, если на экране совместить не два, а несколько изображений, то появится возможность наблюдать за объектом с разных сторон.

3D из нашего детства

Помните, когда-то были очень популярными стереоскопические календарики? Если смотреть на них под одним углом, видишь одно, а под другим - другое. Это достигалось за счет особого рельефа поверхности картинки, который представлял собой чередование призм и линз. Подобный принцип используется и в наиболее распространенных автостереоскопических дисплеях.

Экран такого 3D-дисплея тоже рельефный и состоит из множества мельчайших цилиндрических линз, а за каждой линзой прячутся две колонки пикселов (стереопара). Когда монитор работает, свет от точек проходит через поверхность экрана и преломляется таким образом, что одна колонка каждой стереопары

Еще одна занятная схема формирования трехмерного изображения: управляемый по двум координатам лазер сканирует быстро вращающуюся винтовую почти прозрачную поверхность, дающую наблюдателю третье измерение

видна только одному глазу, а вторая - другому. Таким образом, получается стереоскопическое изображение с правильной геометрией и нормальным цветовым балансом. Но, конечно, и тут не обошлось без недостатков.

Во-первых, чтобы увидеть трехмерное изображение, нужно обязательно смотреть на экран прямо. Два человека уже не смогут одновременно взглянуть на картинку. Хотя это мелочь по сравнению со вторым минусом технологии. Подумайте сами, раз каждая колонка пикселов предназначена только для одного глаза, то общее разрешение по горизонтали снижается вдвое. Что же будет, если на экране разместить не два изображения, а больше? Правда, в этой ситуации отличились ученые из Philips. Они запатентовали технологию, которая позволяет выводить на жидкокристаллическую панель с разрешением 1024x768 сразу семь изображений (шесть стереопар). При этом реальное разрешение картинки, увиденной человеком, составит 438x256 пикселов, что, согласитесь, совсем неплохо. Устройства эти уже производятся и продаются. Состоят они из обычной жидкокристаллической панели, на которую «надевается» дополнительный экран с линзами.

Немного дальше продвинулись немецкие ученые. В своей разработке, продающейся под маркой Dresden 3D Display, они используют систему, которая следит за положением головы человека, благодаря чему программа «знает», под каким углом он смотрит на экран. Это позволило добиться лучшего качества изображения, а кроме того, появилась возможность «программного» переключения картинок. То есть пользователь может рассмотреть объект на дисплее под различными углами, просто поворачивая голову.

Зачем нужен параллакс?

Сейчас существует несколько разработок, использующих для разделения изображения эффект параллакса. Так, например, компания Sanyo применяет в своих устройствах барьерные сетки, которые очень похожи на апертурные решетки кинескопов. Сетки обычно располагаются между жидкокристаллической панелью и лампой подсветки и преломляют световые лучи таким образом, что они проходят только через определенные колонки пикселов под соответствующим углом. Таким образом, достигается тот же эффект, что и с линзовым экраном, то есть каждый глаз видит лишь свою картинку.

Инженеры компании Sharp разработали устройства, в которых между лампой подсветки и жидкокристаллической панелью располагаются цилиндрические линзы, преломляющие лучи и направляющие их на пиксели экрана нужным образом. Получается, что подсветка делается не рассеянным светом, а вертикальными лучами, каждый из которых проходит через два соседних столбца пикселей. Кстати, подобные устройства - самые дешевые из трехмерных дисплеев. Цена пятнадцатидюймовой модели уже меньше полутора тысяч долларов.

Технология будущего

Последняя технология, о которой я хочу рассказать сегодня, пожалуй, самая интересная. В ней для разделения изображения с обычного жидкокристаллического монитора используется голограмма. Да-да, вы не ослышались. Для получения трехмерного изображения перед экраном создается голограмма. Она таким образом преломляет световые лучи, что четные строки видны только левому глазу, а нечетные - правому. Между прочим, эти устройства уже поступили в продажу, а исследователи продолжают работу в области Holographic Optical Elements (именно так названа категория устройств, использующих голографические элементы).

Будем надеяться…

На что же надеяться нам, простым пользователям? Конечно, на появление новых, более совершенных, изделий и технологий, а также на то, что устройства для «трехмерного зрения» в самом ближайшем времени станут доступны, пока же цена в 10-20 тысяч долларов неподъемна даже для большинства американцев и европейцев. Правда, уже есть сдвиги к лучшему. Цены на 3D-устройства снижаются понемногу, но постоянно. А значит не за горами время, когда трехмерные дисплеи станут такими же привычными, как ныне ЭЛТ-мониторы.