СР_Т4. Устройства формирования объемных изображений

Устройства формирования объемных (трехмерных) изображе­ ний появились в качестве весьма дорогостоящих и недостаточно совершенных элементов системы виртуальной реальности. Одна­ ко в настоящее время эти устройства интенсивно совершенству­ются, постепенно превращаясь в непременный атрибут домашне­го мультимедийного ПК, поскольку объемный характер изобра­жения имеет важнейшее значение для создания у пользователя подсознательного ощущения реальности наблюдаемой сцены.

По своей конструкции такие устройства принципиально отли­ чаются от традиционных мониторов, поскольку в их основе ле­ жит способ формирования трехмерных изображений, основанный на эффекте бинокулярного зрения, или стереозрения.

Шлемы виртуальной реальности ( VR -шлемы)

Шлемы виртуальной реальности ( VR -шлемы), называемые так­ же кибершлемами, являются в настоящее время наиболее совер­ шенными устройствами формирования трехмерных изображений. Помимо наличия двух индивидуальных экранов для каждого глаза VR -шлемы, благодаря своей конструкции, обеспечивают отсече­ние поля периферийного зрения человека, что усиливает эффект проникновения в виртуальный компьютерный мир.

В VR -шлемах используются миниатюрные экраны, выполнен­ ные на основе активных ЖК-матриц. Каждая из ЖК-матриц фор­мирует цветное изображение, которое, благодаря особой конст­ рукции шлема, видит только один глаз. Помимо экранов VR -шлем снабжен стереофоническими головными телефонами и микрофо­ном. Узел шлема, объединяющий в себе эти матрицы и органы регулировки, называют в и з о р о м. Визор дает возможность ре­ гулировать расстояние между матрицами по горизонтали, кото­ рое должно соответствовать расстоянию между зрачками пользо­ вателя, называемому IPD ( Inter Pupil Distance ). Визоры некоторых моделей шлемов оборудованы специальной оптической системой автоматического определения IPD , исключающей необходимость в индивидуальной настройке шлема.

Основным недостатком VR -шлема является недостаточно высо­кое разрешение стереоскопического изображения. Это обусловлено ограниченным количеством элементов ЖК-матрицы и малым рас­стоянием между глазом и визором, что делает зернистость ЖК-матриц заметной.

Важнейшей особенностью VR -шлемов является наличие так называемой системы виртуальной ориентации (СВО) ( Virtual Orientation System — VOS ), которая отслеживает движение голо­ вы и в соответствии с ним корректирует изображение на экра­ нах. В случае поворота головы в одну сторону панорамное изобра­жение «прокручивается» через ЖК-матрицы в противоположном направлении. В результате у пользователя возникает иллюзия ста­бильности наблюдаемой картины, ощущение реальности изобра­жения. В зависимости от принципа действия и типа используемого поля различают магнитные, ультразвуковые и инерциальные СВО. Магнитные СВО распространены наиболее широко. В них ис­пользуются миниатюрные магнитные датчики (катушки индук­тивности). Магнитная СВО включает в себя блок внешних непо­движных передатчиков, выполняющих роль радиомаяков; датчик-приемник, расположенный на шлеме; системный электронный блок, который формирует электрические сигналы, поступающие на передатчик, и обрабатывает сигналы, принятые приемником. Интенсивность и фаза принятых сигналов зависят от расстояния между передающими и приемными катушками, а также от их вза­имной ориентации. Обрабатывая передаваемые и принимаемые сигналы, системный электронный блок вычисляет пространствен­ные координаты приемника относительно передатчика. Результа­ты вычислений передаются в PC через стандартный последова­тельный интерфейс RS -232 с частотой 50 — 60 Гц.

В ультразвуковых СВО вместо магнитных используются мало­ габаритные пьезокерамические преобразователи, выполняющие функции передатчиков и приемников. Обычно используются три передатчика и приемника, размещенные в шлеме. Системный блок посылает на передатчики электрический сигнал и регистрирует ультразвуковой сигнал. Измеряя временную задержку между по­сланным и принятым сигналом, а также зная скорость распрост­ранения звуковой волны (около 330 м/с), можно достаточно точ­но определить расстояние между передатчиком и приемником. Путем обработки результатов измерений расстояния между тремя парами датчиков рассчитывают положение и ориентацию шлема (головы пользователя) в пространстве.

Инерциальные СВО используются в VR -шлемах моделей, пред­ назначенных в основном для профессионального применения. Свое название они получили благодаря использованию в них инерци-альных датчиков — гироскопов и акселерометров, не требующих для своей работы магнитных или ультразвуковых полей. С их по­мощью создается независимая инерциальная система координат, в которой отслеживается положение головы пользователя.

В качестве входного сигнала для VR -шлема может использо­ ваться либо видеосигнал от бытовой видеоаппаратуры, либо RGB - сигнал видеоадаптера ПК. VR -шлемы с визорами, способными обеспечить разрешение не хуже 640 х 480, обычно рассчитаны на подключение непосредственно к видеоадаптеру ПК.

Помимо визора VR -шлем оборудован высококачественной сте­ реофонической аудиосистемой. Источником звука может быть либо телевизор (видеомагнитофон), либо звуковая карта компью­ тера.

3 D -очки являются наиболее распространенными и доступными по цене устройствами формирования трехмерных изображений. Принцип их действия основан на использовании затворного ме­тода разделения элементов стереопары. З D -очки используются в качестве дополнения к обычному монитору и могут подсоеди­няться к видеоадаптеру ПК при помощи гибкого провода длиной 2-3 м.

Принцип действия З D -очков заключается в том, что при по­ следовательном отображении на мониторе левой и правой час­ тей стереопары синхронно меняется прозрачность стекол оч­ ков. В результате каждый глаз видит только свою часть стереопа­ры, что обеспечивает стереоэффект. Чтобы стекла З D -очков мог­ли «терять прозрачность» по командам компьютера, их выпол­ няют по технологии ЖК-ячейки просветного типа, использую­ щей эффект поляризации. Поэтому 3 D -очков иногда называют поляризационными. Поскольку прозрачность стекол 3 D -очков изменяется синхронно со сменой изображения на экране вслед­ствие управления сигналами видеоадаптера, их называют ак­ тивными.

Таким образом, термины «активные поляризационные очки», «3 D -очки» — синонимы; они обозначают устройства, работаю­ щие на одинаковом принципе.

Между З D -очками и шлемами виртуальной реальности есть принципиальные различия:

3 D -очки изображения не создают, хотя также содержат ЖК- линзы, которые используются в качестве электронно-управляе­мого фильтра (затвора), поэтому качество формируемого изобра­жения определяется монитором;

3 D -очки лишены системы виртуальной ориентации, поэтому изображение на экране монитора никак не корректируется в зави­симости от положения головы наблюдателя. В связи с этим при использовании З D -очков нет смысла перекрывать зону периферий­ ного зрения, поэтому они выполняются в форме обычных очков. Подключение 3 D -очков к ПК производится в большинстве слу­ чаев с помощью дополнительного устройства — контроллера, ко­ торый формирует синхросигнал для 3 D -очков, управляющий по­очередным затемнением стекол, и преобразует (при необходимо­сти) выходной видеосигнал и синхросигналы видеоадаптера та­ким образом, чтобы обеспечить раздельный последовательный показ элементов стереопары на экране монитора.

В большинстве моделей 3 D -очков контроллер выполняется в виде отдельного внешнего блока, хотя в настоящее время появи­лось много видеоадаптеров с интегрированными контроллерами для 3 D-очков.

Современный рынок 3 D -очков достаточно разнообразен. Пре­имущественно используются беспроводные модели, обеспечива­ющие связь с ПК с помощью инфракрасного передатчика, ана­логичного телевизионному пульту управления.

З D -мониторы

Одним из направлений получения стереоскопического изобра­ жения является использование З D -мониторов. Существуют устрой­ ства двух типов, которые можно отнести к категории 3 D - мониторов:

· плоскопанельные З D -мониторы на основе ЖК-экранов;

· мониторы на основе ЭЛТ, оборудованные поляризационным ЖК-фильтром.

Плоскопанельные З D -мониторы основаны на свойстве избира­ тельности ЖК-мониторов по отношению к поляризации прохо­ дящего излучения. Стереопара в таких мониторах создается за счет того, что ЖК-ячейки нечетных строк экрана пропускают свет с одной поляризацией, например, с горизонтальной, а ячейки чет­ных строк — с вертикальной. Нечетные строки растра использу­ются для отображения левой части стереопары, а четные — пра­вой. Наблюдение стереоэффекта производится с помощью пас­сивных поляризационных очков. Примером устройства, основан­ного на этом свойстве, служит З D -экран ПК типа Notebook Cyberbook .

Для работы с плоскопанельными мониторами другого типа 3 D - очки не требуются. Принцип действия этого монитора основан на использовании двух разработок фирмы Sony : так называемого двой­ного расщепителя изображения и специальной фотодиодной сис­темы слежения за положением головы пользователя. Расщепитель изображения состоит из двух прозрачных пластин, между кото­рыми размещен ЖК-экран. Благода­ря этому изображение на ЖК-экране может быть видно только под определенным углом. На экране одновременно отображаются оба элемента стереопары, причем пластины преломляют свет таким образом, что каждый глаз видит только один из элементов стереопары. Чтобы исключить нарушение стереоэффекта, кото­рый зависит от угла зрения, при изменении положения головы пользователя, применяется специальная система слежения за по­ложением, в которой в качестве датчиков используется линейка фотодиодов, расположенная над основным экраном. Эта система формирует электрический сигнал, связанный с изменением угла зрения пользователя, под действием которого изменяется коэф­фициент преломления панелей, обеспечивая устойчивый стерео­эффект. Такой принцип действия заложен в основу 15-дюймового З D -экрана ЖК-монитора фирмы Sony . Оптимальное расстояние до экрана составляет около 60 см, а максимальное разрешение — 1024x768.

Мониторы с поляризационным фильтром обеспечивают форми­рование трехмерного изображения с помощью обычного монито­ра на основе ЭЛТ, оборудованного специальным внешним элек­тронно-управляемым поляризационным фильтром, например, Monitor Zscreen 2000 производства фирмы StereoGraphics . Этотфильтр используется вместе с пассивными поляризационными очками. Фильтром управляют сигналы специального контролле­ра, подключаемого к выходу видеоадаптера, подобно контролле­ ру З D -очков. Однако, в отличие от активных очков, у фильтра изменяется не прозрачность, а направление поляризации прохо­дящей через него световой волны.

Контроллер управляет фильтром таким образом, что нечетные кадры оказываются поляризованными в одном направлении, а четные — в другом. В свою очередь, одно стекло пассивных очков пропускает свет с одним направлением поляризации, а другое —с другим. В результате один глаз видит только одну часть стереопа­ры, а второй — только вторую.

Таким образом, в фильтре реализован такой же, как и в актив­ ных З D -очках, затворный метод разделения элементов стереопары. Достоинством данного устройства, по сравнению с активными З D -очками, является возможность использования легких и удоб­ ных пассивных очков.

З D -проекторы предназначены для коллективного просмотра объемных изображений в больших аудиториях. Главными отличи­ ями З D -проекторов от мультимедийных являются сложная конст­рукция оптической системы и наличие специальных поляризаци­ онных фильтров (встроенных или внешних), при помощи кото­рых производится селекция элементов стереопары.

Для реализации последовательного метода показа элементов стереопары частота кадров проектора должна быть в два раза выше обычной. Мультимедийные проекторы на основе ЖК-матриц не удовлетворяют этому требованию из-за инерционности молекул ЖК-вещества. Поэтому в качестве источника изображения в ЗD-проекторах применяется электронно-лучевая трубка, экран которой покрыт люминофором, дающим высокую яркость свечения и малое время послесвечения. Вы­сокая яркость изображения, формируемого З D -проектором на про­екционном экране, обеспечивается использованием трех монохром­ных ЭЛТ для каждого из основных цветов ( R , G , В). На каждой ЭЛТ закреплен индивидуальный объектив. Проектор оснащен сложной электронной системой регистрации. Система автоматически опре­деляет расстояние от проектора до экрана и на основе полученных данных с высокой точностью совмещает три монохромных изоб­ражения, проецируемых тремя объективами. ЭЛТ и объектив пред­ставляют собой единый конструктивный узел.

Люминофор экрана светится очень ярко, поэтому для предот­ вращения перегрева экран ЭЛТ охлаждают с помощью специаль­ной жидкости, находящейся между экраном ЭЛТ и линзой объек­ тива. Специальные регулировочные винты служат для ручной юс­ тировки объектива. Примером такого устройства является проек­тор BARCOGRAPHICS 1209 s фирмы BARCO . Проектор способен отображать видеосигнал от различных источников: от видеомаг­ нитофона формата VHS до профессиональных графических стан ций, работающих с разрешением 2500x2000. Высокое разрешение проецируемого изображения связано с отсутствием зернистости люминофора, поскольку в монохромных ЭЛТ, которыми осна­ щен проектор, используется сплошное люминофорное покрытие. Для создания стереоэффекта при проецировании изображения необходимо обеспечить раздельное наблюдение элементов стерео­ пары левым и правым глазом. Для этого используются один или два проектора и поляризационные очки (активные или пассив­ ные) для каждого зрителя. В зависимости от используемой комби­ нации такого оборудования различают четыре схемы получения стереоскопической проекции.

Активная схема предполагает использование одного проектора на основе ЭЛТ, выполняющего последовательный показ элемент ов стереопары, в то время как зрители пользуются беспроводны ми активными поляризационными очками затворного типа. Пассивная схема строится с помощью одного проектора на основе ЭЛТ с внешним электронно-управляемым поляризационн ым затвором, последовательно показывающим элементы стерео­ пары с различной поляризацией. Зрители используют пассивные поляризационные очки.

Пассивная схема 2 предполагает использование двух проекто­ ров на основе ЭЛТ, выполняющих одновременный показ эле­ ментов стереопары. Каждый проектор оборудован внешним пас­ сивным поляризатором, обеспечивающим различную поляриза­ цию элементов стереопары, а зрители пользуются пассивными очками.

Пассивная схема 3 основана на использовании двух ЖК-проек торов, обеспечивающих одновременный показ элементов стерео­ пары. Зрители пользуются пассивными очками.

Вопросы для самоконтроля:

1. Устройства формирования объемных изображений: назначение, принцип действия стереоскопа, способы селекции;

2. VR -шлемы;

3. 3 D - очки;

4. 3 D мониторы;

5. 3 D - проекторы.