Способы отображения

Проще всего «окунуться» в виртуальный мир можно, наблюдая за ним с помощью обычного дисплея ПК. В таком случае говорят о «настольной» или «оконной» системе ВР. Такая система имеет более высокое разрешение и не нуждается в дополнительных аппаратных средствах. Недостаток же состоит в том, что это по сути всего лишь система трехмерной визуализации, которая показывает перспективный вид сцены, но не позволяет зрителю ощутить себя внутри этого пространства [6].

Стереоизображение. Многие млекопитающие, в том числе и человек, обладают уникальным даром природы – стереоскопическим зрением. Оно позволяет визуально ощущать не только очертания предмета, но и удаленность каждой точки рассматриваемого предмета. Происходит это потому, что в глаз идет не параллельный пучок лучей в виде трубы, а в виде конуса. К тому же каждый глаз видит изображение под своим углом. В результате совмещения всех лучей в нашем мозгу возникает 3D-изображение действительности [87].

Чтобы приблизить восприятие сцены к естественному, отображение можно сделать стереоскопическим. При этом скорость построения изображения снизится вдвое, так как нужно создавать два разных изображения (для левого и правого глаза). Но можно построить алгоритмы формирования изображений так, чтобы в них учитывалась корреляция между обоими изображениями, и тогда дополнительная вычислительная нагрузка составит менее 20 % [88].

Очень простой способ создания стереоэффекта состоит в использовании анаглифических изображений в виде пары частично перекрывающихся контурных изображений объекта (красное – слева, зеленое – справа), которые рассматриваются через очки с красным и зеленым стеклами. К сожалению, при этом искажаются цвета и почти невозможно полностью разделить изображения, наблюдаемые каждым глазом, что приводит к помехам.

Еще один способ добиться стереоэффекта – использовать специальные очки, например, ЖК-очки с затворами, попеременно закрывающими поле зрения каждого глаза. Работу затворов можно синхронизировать со сменой кадров на экране, а каждому глазу показывать свое изображение. Таким образом, получится дисплей с мультиплексированием во времени.

Существует и другой тип очков – с ортогонально поляризованными стеклами, при работе в которых используется поляризующий фильтр перед экраном дисплея, меняющий свою поляризацию при каждом следующем кадре. Как известно из курса физики, поляризация – это оптическое явление, возникающее при воздействии на луч света, в результате чего колебания всех точек луча происходят не во всех перпендикулярных его оси направлениях, а только в одной плоскости, проходящей через эту ось. Достоинство этого варианта в том, что очки и дисплей никак не связаны. Оба последних способа могут давать искажения, вызванные взаимным влиянием соседних кадров и зависящие от скорости угасания свечения люминофора электронно-лучевой трубки (ЭЛТ) [6].

В некоторых рабочих станциях, особенно в наиболее мощных моделях компании Silicon Graphics, работа дисплеев в режиме мультиплексирования обеспечивается за счет удвоения частоты кадров. Вместо одного кадра с полным разрешением на экран последовательно выводятся два изображения, правда, с половинным разрешением.

Альтернативой (и весьма недорогой) временному мультиплексированию изображений является пространственное мультиплексирование. Суть этого метода сводится к тому, что два изображения выдаются на разные половины экрана и с помощью специальной оптики каждое из них проецируется на соответствующий глаз наблюдателя. Например, так функционирует устройство CyberScope фирмы Simsalabim Systems, которое прикрепляется к экрану дисплея. Изображения выдаются на верхнюю и нижнюю части экрана. Устройство считывает их, поворачивает на 90º и проецирует каждое через отдельную линзу на глаз наблюдателя [6].

Автостереоскопические системы отображения не требуют использования специальных очков, так как сам дисплей создает трехмерное по своей природе изображение. Существует ряд экспериментальных систем, создающих трехмерное изображение в пространстве с помощью лазерных лучей и вращающихся зеркал.

В менее экзотических разработках на изображение на экране дисплея накладывается какая-нибудь оптическая решетка, сконструированная так, что один глаз видит только четные, а другой – нечетные строки развертки. А изображение перед выдачей на экран нужно соответствующим образом подготовить, используя специальную программу или аппаратные средства дисплея.

3D-дисплеи.Каким образом человек воспринимает мир в объеме? Объемный образ мира виртуален, он вычисляется мозгом с помощью алгоритмов, учитывающих множество факторов, среди которых различие между изображениями, воспринимаемыми левым и правым глазом (параллакс) хотя и является важным, но отнюдь не единственным. Поэтому кроме стереоскопических дисплеев бывают и другие 3D-дисплеи.

3D-дисплеем называется любое устройство, способное вывести изображение, воспринимаемое человеком как объемное, без очков или других дополнительных устройств. Тогда объем воспроизведения –пространство, в котором можно наблюдать изображение, формируемое 3D-дисплеем, а – объем наблюдения – пространство, в котором находится зритель. Только находясь внутри объема наблюдения, человек вправе рассчитывать на восприятие неискаженного 3D-изображения, заключенного в объем воспроизведения. Обычно 3D-дисплей характеризуется углами видимости 3D-эффекта для пользователя. По способности отображения 3D-информации все 3D-дисплеи делятся на 3 группы:

· автостереоскопические – воспроизводят 2 ракурса объемной сцены, один из которых предназначен для левого, а другой – для правого глаза. Объем воспроизведения делится на 2 части условной вертикальной плоскостью, перпендикулярной плоскости экрана и проходящей через его центр. Слева от плоскости наблюдается изображение для левого глаза, справа - для правого. Но подход не лишен недостатков. Когда вы видите стереокартинку, ваш мозг легко впадает в заблуждение, что перед вами истинно объемное изображение, но лишь до тех пор, пока вы неподвижны. Стоит чуть наклонить голову или переместиться, как изображение претерпевает искажения, совершенно не свойственные реальным предметам, поскольку каждый глаз по-прежнему видит изображение, полученное соответствующей ему камерой из фиксированной точки пространства. Строго говоря, изображение, сформированное стереодисплеем, воспринимается без искажений лишь в одной точке наблюдения, когда положение каждого глаза наблюдателя точно соотносится с положением камер при съемке. По той же причине невозможны такие эффекты, как «оглядывание» и динамический параллакс. Очевидно, что для наблюдения стереоизображения человек должен располагать голову так, чтобы каждый глаз находился в «своем» пространстве, что утомительно;

· волюметрические (V3D) – воспроизводят изображение в виде набора точек (вокселов) или векторов, физически (реально) разнесенных в ограниченном рабочем пространстве дисплея (объеме воспроизведения). Термин «воксел» (объемный пиксел, кубик) образован от voxel = volumetric (объемный) + pixel. Используются еще и докселы – вокселы, изменяющиеся во времени. Как ряд картинок составляет анимацию, так и ряд воксельных моделей во времени могут составлять 3D- анимацию. Это самая насыщенная технологиями группа (с различиями вида: в конструкции подвижные элементы – есть/нет; тип источника изображения – стационарный проектор, матрица светодиодов и др.; заполнение объема воспроизведения – вращающийся /колеблющийся экран/светодиодная панель и др.). Для V3D существует всего 2 способа воспроизвести изображение воксела в заданной точке пространства: поместить в эту точку вещество, способное рассеивать свет и осветить его; излучать свет и заставить его светиться;

· голографические (H3D) – воспроизводят непрерывное световое поле, соответствующее световому полю реальной 3D-сцены [86]. Они имитируют пространственное размещение световых волн так, как они располагались бы при отражении света от реального 3D-объекта.

Слежение за положением головы наблюдателя. Все рассмотренные методы дают стереоскопический эффект лишь при определенном положении головы наблюдателя в пространстве. При всех других положениях будут наблюдаться более или менее сильные искажения. Во избежание этого можно использовать устройство, следящее за положением головы, и изменять выдаваемые на экран изображения с учетом того, в каком месте находится наблюдатель. Тогда получается нечто вроде голограммы, около которой можно перемещаться и рассматривать ее с разных точек, однако заглянуть за объект пользователь все же не сможет [6]. А чтобы стало осуществимым и это, можно, например, окружить пользователя очень большими экранами, как в системе CAVE, разработанной в Иллинойском университете (США). Такого рода системы могут быть стереоскопическими и использовать датчики положения головы, а могут и не иметь этих средств.

Следование экрана за наблюдателем. Для имитации трехмерного пространства можно заставить экран следовать за наблюдателем (не отказываясь, впрочем, от датчика положения головы), т.е. создать шлем-дисплей (Head-Mounted Display, HMD), показывающий наблюдателю то, что находится перед ним в виртуальном пространстве. Это называют «погружающей» (immersive) или «охватывающей» (inclusive) ВР [6].

В HMD обычно используются миниатюрные TV-приемники с ЖК-экранами. Их достоинствами считаются невысокая цена, компактность и маленький вес, а недостатками – низкая контрастность, медленная смена кадров и низкое разрешение.

Типичный HMD – Virtual Research Flight Helmet – имеет ЖК-экраны с разрешением 208×139 точек. Разрешением 416×277 точек обладает устройство VPL HRX EyePhones. Сравнивая эти цифры с обычным для графических рабочих станций разрешением 1280×1024 точек, нетрудно понять, что низкая детализация является одним из основных недостатков при проектировании любого интерфейса. Следует также учесть, что острота зрения (разрешающая способность) человеческого глаза составляет около 1`=1º/60 при монокулярном поле зрения (140×80)º, обеспечивая разрешение до 8400×4800 точек для каждого глаза.

Но HMD состоит не только из экранов. Так как приходится укреплять их очень близко к глазам пользователя, то нужна еще оптика для того, чтобы отодвинуть фокус на некоторое расстояние. Иногда во избежание неправильного восприятия глубины изображения при разной аккомодации (привыкании) глаз фокус относят в бесконечность, однако во многих современных HMD фокус располагается на расстоянии около 0,5 м от глаз.

Кроме того, желательно иметь возможность подстройки ракурсов и регулировки оптики для того, чтобы учитывать (межцентровое) расстояние между глазами у разных людей, варьируемое в широких пределах. Но оптика, используемая в HMD, имеет настолько большую выходную апертуру (отверстие), что нет необходимости механически перемещать сами линзы, достаточно лишь подстраивать центры проекции при формировании изображений.

К сожалению, спроецированное таким образом изображение дает очень узкий обзор, создавая у пользователя эффект «туннельного зрения», что плохо как для ориентации, так и для стереоскопического восприятия. Для создания эффекта «погружения» обычно минимально допустимым считают поле зрения в 60º (нормальное поле зрения у человека составляет около 180º, в чем можно убедиться самостоятельно, если, не двигая головой, попробовать посмотреть до предела вверх-вниз и вправо-влево).

Чтобы расширить поле зрения (обычно примерно до 100º), используют специальную оптику. Но при этом угловое разрешение, и без того уже чересчур низкое, становится еще хуже – примерно 20`` на один пиксел. А поскольку экран находится близко к глазам, то наблюдатель еще увидит отдельно его красные, зеленые и синие точки. Некоторые изготовители HMD пытаются бороться с этим с помощью специального рандомизатора волнового фронта – диффузионного экрана, который «размывает» изображения в достаточной степени, и разные цветовые точки сливаются. Но при этом, к сожалению, изображение потеряет четкость. А чтобы подобное не происходило, можно наложить на изображение случайный шум, который прибавит высокие частоты и сделает изображение визуально лучше воспринимаемым.

Следует учесть также, что сама оптика вносит в изображение нелинейные искажения, корректировать которые приходится программным способом. Правда, для высококачественных трехмерных изображений и обычный экран дисплея вносит заметные искажения [6].

Чтобы повысить разрешение, можно было бы, в принципе, попробовать использовать обыкновенные миниатюрные TV-мониторы, но даже самые маленькие ЭЛТ имеют довольно большой вес и нуждаются в высоких рабочих напряжениях, что делает их малопригодными для ношения на голове. Кроме того, очень сильные электромагнитные поля, излучаемые цветными ЭЛТ, вызывают крайнее нежелание пользователей иметь такие устройства в непосредственной близости от своего тела. В некоторых системах военного назначения применяются волоконно-оптические кабели, по которым изображения передаются от источника, расположенного на безопасном расстоянии, но стоимость такого оборудования весьма высока.

В устройстве ВООМ компании Fake Space Labs использованы две монохромные ЭЛТ, подвешенные на системе сбалансированных рычагов. В модели ВООМ2С применяются красный и зеленый фильтры, создающие цвета в красно-зеленой области спектра.

Компания Tektroniх выпустила устройство NuColor на ЖК-затворах, которые переключают цвета на R, G и B. Его можно поместить перед монохромной ЭЛТ и работать на тройной частоте, выдавая R-, G- и B- компоненты изображения поочередно. В результате они сливаются в полноцветное изображение. При этом достигаются беспрецедентные разрешение и четкость цвета. Такой HMD выпускает компания N-Vision.

Дисплей Private Eye компании Reflection Technology обеспечивает средний уровень разрешения (720×280 точек), используя ЖК-матрицу, содержащую изображение, отраженное от колеблющегося зеркала. Он легок настолько, что его даже удалось встроить в солнцезащитные очки.

Интересна идея построения лазерного сканера, который должен проецировать изображение прямо на сетчатку каждого глаза зрителя, создавая изображения с полным пространственным разрешением, доступным человеческому глазу, и учитывая параметры аккомодации для лучшего восприятия глубины.

Изображения, созданные компьютером, можно проецировать на полупрозрачные зеркала, чтобы картинка наложилась на картину реального мира. Группа Стивена Файнера в Колумбийском университете проводила эксперименты, комбинируя HMD с невысоким разрешением и дисплей рабочей станции. Пользователь видел прямо перед собой четкое окно с высоким разрешением, а боковое поле зрения заполнялось виртуальной сферой вокруг экрана рабочей станции, в результате доступная область «рабочего стола» резко расширялась [6]. Исследователям, видимо, на давал покоя успех известной идеи создания бифокальных очков.

Видеошлем VIEW (Virtual Interface Environment Workstation) – рабочая станция среды виртуального интерфейса, похожая на шлем мотоциклиста. На нем смонтирована широкоугольная, стереоскопическая дисплейная система, которая управляется голосом оператора, его жестами и положением. Перед каждым глазом наблюдателя располагается ЖК-панель с разрешением 640×220 точек и 16-ти градационной шкалой серого. Широкоугольный экран обеспечивает такое же поле зрения, как при нормальном бинокулярном зрении. Изображение на дисплее полностью заполняет поле зрения, создавая у наблюдателя иллюзию окружающей среды. Такие шлемы сейчас выпускают несколько фирм. Шлем VIM, например, весит всего 320 граммов. Это контрастирует с обычным видеотерминалом и его «амбразурой», через которую пользователь смотрит в «виртуальный» мир [9].