О контрасте комбинированных изображений в 3D дисплеях, стимулирующих аккомодацию глаза Текст научной статьи по специальности «Математика»

О КОНТРАСТЕ КОМБИНИРОВАННЫХ ИЗОБРАЖЕНИЙ В 3D ДИСПЛЕЯХ, СТИМУЛИРУЮЩИХ АККОМОДАЦИЮ ГЛАЗА

Евгений Владимирович Власов

Конструкторско-технологический институт научного приборостроения СО РАН, 630058, Россия, г. Новосибирск, ул. Русская, 41, младший научный сотрудник, тел. (893)134-49-38, e-mail: [email protected]

Аристарх Михайлович Ковалев

Конструкторско-технологический институт научного приборостроения СО РАН, 630058, Россия, г. Новосибирск, ул. Русская, 41;

Институт автоматики и электрометрии СО РАН, 630090, Россия, просп. Академика Коптюга,

1, доктор технических наук, главный научный сотрудник, e-mail: [email protected]

Рассматривается контраст линейной комбинации изображений на двух планах, разнесенных вдоль зрительной оси глаза для стимулирования аккомодации. Предложен способ повышения контраста при заданном диаметре зрачка глаза и разрешении изображений.

Ключевые слова: 3D изображение, стимул аккомодации, планы изображений, аккомодация, комбинированные изображения, контраст.

THE CONTRAST OF THE COMBINED IMAGES IN A 3D DISPLAYS WITH EYE ACCOMODATION STIMULATING

Evgenii V. Vlasov

Technological Design Institute of Scientific Instrument Engineering (TDI SIE), Siberian Branch, Russian Academy of Sciences, 630058, Russia, Novosibirsk, Russkaya street, 41, Associate Scientist, tel. (893)134-49-38, e-mail: [email protected]

Aristarkh M. Kovalev

Technological Design Institute of Scientific Instrument Engineering (TDI SIE), Siberian Branch, Russian Academy of Sciences, 630058, Russia, Novosibirsk, Russkaya street, 41;

Institute of Automation and Electrometry, 630090, Russia, Novosibirsk, Academician Koptug ave. 1, Ph.D., Chief Scientific Officer, e-mail: [email protected]

We consider the contrast of a linear combination of the two planes-images spaced along the visual axis of the eye to stimulate accommodation. A method for increasing the contrast with a given diameter of the eye pupil and the images resolution is providing.

Key words: 3D image, stimulus of accommodation, planes-images, combined images, contrast.

Введение

В трехмерных дисплеях с согласованными стимулами аккомодации и конвергенции [1 - 4] изображение формируется путем линейной комбинации ограниченного числа плоскопараллельных планов-изображений, распределенных по глубине пространства.

В [2, 5] при дифракционном анализе линейной комбинации двух планов изображений показано, что глаз аккомодирует на пиковое значение аксиальной интенсивности при любых аберрациях оптической системы «окуляр + глаз». Однако при этом возникают большие потери контраста - от 10 до 45 % [2].

Целью настоящей работы является поиск решений по повышению контраста комбинированных изображений в трехмерных дисплеях.

Комбинации планов-изображений

Рассматривается биплановая система [1], формирующая объемное изображение путем линейной комбинации планов-изображений, отстоящих по глубине пространства на 0,56 дптр при стандартном разрешении изображений 2 угл. мин. и использовании модели глаза Атчисона с типовым входным зрачком 3 мм.

На рис. 1 показаны линейные комбинации аксиальных распределений интенсивностей изображений P1 и P2 для разных значений относительного положения точки в по глубине между планами. Линия max - это линия пиковых интенсивностей линейных комбинаций, рассчитанных по формуле

(3) из [2]:

I(x,y,z) =I(x,y) [PSFA(z - Zn) (1 - P(x,y)) + PSFA(z - Zf) fi(x,y)],

(1)

где I(x,y) - двумерное изображение сцены; PSFA(z) - аксиальное распределение интенсивности; Zn , Zf - глубина планов Р1, Р2 в дптр; в(х,у) -относительное положение точки на интервале [ZnZf]. Как видно из кривой max в данном случае появляются потери контраста < 20%, которые желательно устранить.

Рис. 1. Линейные комбинации аксиальных интенсивностей изображений

Рис. 2. Нормирование коэффициентов линейной комбинации

Повышение контраста

Одним из способов повышения контраста является нормирование комбинаций (1) с помощью специально заданных коэффициентов. Пусть в линейной комбинации изображений Р1, Р2 для пиксела, заданного в позиции (х,у), коэффициенты Ы=(1-Р) и k2=в (рис. 2). Тогда, согласно (1):

и для некоторого значения z, интенсивность 1(х’)=1тах, т. е. получено пиковое значение. Нормируем интенсивность (2) по 1тах: I’ (г)=1(г)/1(г’), или

где k1’= k1 ■ I(z)/Imax и k2’= k2■ I(z)/Imax.

Таким образом, «нормированные» коэффициенты k1’ и k2’ (рис. 2) можно посчитать априори для известной функции аксиального распределения PSFA(z) при заданном диаметре зрачка глаза и разрешении изображения, которые и определяют допустимый интервал между планами [ZnZf] по глубине [6]. В системе обработки изображений нелинейные функции k1’ и k2’ удобно хранить либо в табулированном виде, либо в виде полиномов 3-й степени.

При использовании нелинейных коэффициентов k1’ и k2’ в (2) получают комбинации интенсивностей, приведенные на рис 3. Как видно по линии max провал контраста устраняется полностью.

К сожалению, данный способ не решает проблемы линейности стимула аккомодации в заданном диапазоне глубины (1, рис. 4). Погрешность стимула аккомодации (2, рис. 4) может достигать 0,06 дптр. Можно заметить, что максимальное отклонение от линейности приходится на ближний план. Это объясняется несимметрией ветвей аксиальной интенсивности PSFA(z) относительно фокуса при z = 0.

I(z) =I [PSFA(z - Zn) k1 + PSFA(z - Z) k2],

(2)

I’ (z) =PSFA(z - Zn) k1’+ PSFA(z - Z) k2’,

(3)

$ 0,8

I

H

o

-0

H

о

о

X

0,6

m 0,4

о

X

<D

x 0,2

0 -|-------1----т------1-----1-----1------1-----1--------

-0,28 -0,14 0 0,14 0,28 0,42 0,56 0,7 0,84

Дефокусировка, дптр

0 0,14 0,28 0,42 0,56

Дефокусировка, дптр

Рис. 3. Линейные комбинации с нормированными коэффициентами для разных значений в при а = 3 мм

Рис. 4. Зависимость аккомодации от дефокусировки:

1) стимул аккомодации, 2) погрешность стимула

Заключение

В работе рассмотрен способ повышения контраста путем нормирования комбинированных изображений в трехмерных дисплеях. Способ требует априорных сведений о функции аксиального распределения интенсивностей в системе «окуляр + глаз» и предварительного расчета коэффициентов линейной комбинации планов-изображений.

1. Бифокальный объемный стереоскопический дисплей / А. М. Ковалев, Ю. Л. Кравченко, С. В. Хрящев, Н. А. Елыков, Е. В. Власов, А. О. Морозов // ГЕО-Сибирь-2011. VII Междунар. науч. конгр. : сб. материалов в 6 т. (Новосибирск, 19-29 апреля 2011 г.). -Новосибирск: СГГА, 2011. Т. 5, ч. 1. - С. 94-97.

2. Ковалев А. М. Власов Е. В. О качестве трехмерного изображения, стимулирующего аккомодацию глаза // Автометрия. - 2012. - Т. 48. - № 4.- С. 33-40.

3. Akeley K., Watt S. J., Girshick A. R., Bancks M. S. A stereo display prototype with multiple focal distances // ACM Trans. Graph. - 2004. - 23, - No.3. - P. 804-813.

4. Love G. D., Hoffman D. M., Hands P. J., Gao J., Kirby A. K., Bancks M. S. High-speed switchable lens enables the development of a volumetric stereoscopic display // Optics Express-2009. - 17. - No.18. - P. 15716-15725.

5. Ковалев А. М. О мультифокальных дисплеях, дифракционной глубине фокуса и визуальном комфорте // Автометрия. - 2010. - Т. 46, - № 3. - С. 86-94.

6. Ковалев А. М., Власов Е. В. Дифракционная глубина трехмерных изображений, стимулирующих аккомодацию глаза // Автометрия. - 2014. - Т. 50, - №1. - С. 3-8.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

© Е. В. Власов, А. М. Ковалев, 2014