CC BY
47
УДК 004.92, 004.932
О СПОСОБАХ ПОСТРОЕНИЯ МНОГОПЛАНОВЫХ ИЗОБРАЖЕНИЙ В 3D-ДИСПЛЕЯХ
Евгений Владимирович Власов
Конструкторско-технологический институт научного приборостроения СО РАН, 630058, Россия, г. Новосибирск, ул. Русская, 41, младший научный сотрудник, тел. (983)134-49-38, e-mail: vlasov@tdisie.nsc.ru
Рассматриваются способы построения 3D изображений в виде линейной комбинации двумерных изображений, разнесённых по глубине вдоль зрительной оси глаза.
Ключевые слова: 3D дисплей, стимулы аккомодации, многоплановое изображение.
ON THE WAYS OF MULTIPLANE IMAGES CONSTRUCTION IN 3D-DISPLAYS
Evgenii V. Vlasov
Technological Design Institute of Scientific Instrument Engineering (TDI SIE), Siberian Branch, Russian Academy of Sciences, 630058, Russia, Novosibirsk, Russkaya street, 41, Junior Scientist, tel. (983)134-49-38, e-mail: vlasov@tdisie.nsc.ru
The ways of 3D images construction as a linear combination of two-dimensional images, spaced along the depth of the eye visual axis are considered.
Key words: 3D display, stimulus of accommodation, multiplane image.
Восприятие расстояния человеком основывается на признаках глубины. Прямые признаки глубины стимулируют близкую к корректной аккомодацию глаз, их конвергенцию и стереоскопическую диспарантность. Косвенные признаки включают в себя окклюзии и автоокклюзии, многовариантную перспективу, изменение контраста и градиента структуры, двигательный параллакс и др.
При разработке стереоскопических дисплеев, не вызывающих ощущения дискомфорта при восприятии объёмных изображений, основная сложность состоит в создании и согласовании стимулов аккомодации и конвергенции глаз. По сути, наличие стимулов аккомодации означает, что изображение каждой из стереопар должно быть трехмерным, т. е. иметь протяженность по глубине для каждого элемента изображения (пиксела). При фиксации взгляда на неподвижном объекте, контрастность изображения на сетчатке (субъективно воспринимаемая как чёткость, или резкость) является стимулом для аккомодации глаза.
Светоделительные элементы
На рис. 1 представлена схема, состоящая из модели бипланового окуляра 1 и модели глаза 2 с входным зрачком а. Окуляр содержит два плоских изображения P1 и P2, и с помощью линзы L формирует их мнимое изображение. Благодаря светоделительному кубику S мнимые изображения P1 и P2 оказываются соосными и перпендикулярными зрительной оси OZ. Излучения элементов изображений P1, P2 фокусируются хрусталиком глаза в световые пятна изо-
бражений р1 и р2 таким образом, чтобы максимум суммарной энергии находился в районе фовеа q.
1
2
Рис. 1
Данный дисплей является разновидностью дисплеев иммерсивного типа, Изображения с двух микродисплеев, пройдя через светоделительный кубик и окуляр, попадают на сетчатку человеческого глаза. Объемность изображения достигается за счет стереоизображения и разноудаленных от светеделительного кубика микродисплеев.
Явным недостатком дисплеев, построенных на данном принципе, является ограниченное число планов, не более двух. Проведенный дифракционный анализ пиксельных изображений на основе определенных количественных характеристик дифракционной глубины в зависимости от остроты разрешающей способности и диаметра зрачка глаза [1, 2], а также рассчитанные потери контраста [3, 4] вносят свои изменения в формулу построения изображений для ближнего и дальнего планов. На основе этих данных оптимальным межплановым расстоянием является значение 0,6 дптр. Это диоптрийное расстояние позволяет построение качественного ограниченного объема глубины. К примеру, интервал от 30 см (3,33 дптр) до 36,6 см (2,73 дптр), интервал от 70 см (1,43 дптр) до 1,2 м (0,83 дптр), интервал от 1,18 м (0,85 дптр) до 4 м (0,25 дптр). Как видно, если требуется построить объемное изображение на расстоянии вытянутой руки от человека и до бесконечности, то необходимо построение гораздо большего количества планов-изображений.
Активные оптические элементы
В качестве примера использования активных оптических элементов представлена статья Дэвида Хоффмана [5]. На рис. 2 изображена оптическая схема дисплея созданного на основе использования жидких линз. Активный оптический элемент расположен между глазом и источником изображения, который оптически сопряжен с входным зрачком. Элемент имеет варьируемую оптическую силу: за счет управления ей можно построить несколько мнимых изображений на разных расстояниях. Через окуляр изображение попадает на сетчатку глаза.
А — ~ 1
\ ^ яйъь*
Рис. 2
Дисплеи, использующие активные оптические элементы, могут быть как просветного, так и иммерсионного типа, в зависимости от поставленных требований и задач [6]. Просветная среда также позволяет зрителю видеть реальные объекты, как и ретрорефлективная, и так же обеспечивает естественное когнитивное зрительное восприятие реальных предметов.
Преимуществом такого типа дисплеев над дисплеями, основанными лишь на светоделительных элементах, является возможность построения большего числа планов-изображений и, соответственно, большего объема глубины изображаемого пространства.
Вращатели поляризации, двулучепреломляющие кристаллы
В качестве альтернативного способа построения многопланового дисплея предлагается использовать поляризационные методы, основываясь на двойном лучепреломлении некоторого вида кристаллов. Одним из примеров таких кристаллов является кальцит СаСОз, с разными показателями преломления для разнополяризованной волны: п„ = 1,640 - 1,660 и пе = 1,486. Кальцит -прозрачный материал, из которого можно изготавливать оптические элементы с
высоким светопропусканием, так же у него большая разница в показателях преломления. На основе этого свойства в программной среде Zemax была рассчитана оптическая схема 3Э дисплея. На рис. 3 представлен четрыхплановый вариант дисплея, с возможностью выбора и переключения положения планов. Первый вариант предусматривает объемную среду «Близь» с планами, расположенными на расстояниях 29,3 см (3,4 дптр), 37 см (2,7 дптр), 50,3 см (1,98 дптр), 78 см (1,28 дптр) и второй вариант - «Даль» - с положениями планов-изображений на расстояниях 47 см (2,12 дптр), 70 см (1,42 дптр), 1,4 м (0,71 дптр), бесконечность (0 дптр). Межплановое расстояние 0,7 дптр взято на основе расчета дифракционной глубины 3Э изображений, стимулирующих аккомодацию глаза [3].
Рис. 3
Предлагаемая технология не имеет таких сильных аберраций, как при использовании жидких линз, однако так же позволяет строить многоплановые изображения, используя минимум компонентов, таких, как микродисплеи.
В заключение следует отметить, что помимо визуального комфорта, многоплановый 3D дисплей обеспечивает прямые и косвенные признаки глубины, позволяющие естественным образом оценивать расстояния и размеры предметов. Прямые признаки глубины стимулируют близкую к корректной аккомодацию глаз, их конвергенцию и стереоскопическую диспарантность. Косвенные признаки поддерживаются программным обеспечением и включают окклюзии и автоокклюзии, многовариантную перспективу, изменение контраста и градиента текстуры, двигательный параллакс и др. В перспективе планируется применение такого типа дисплеев при разработке тренажеров нового поколения для космонавтов и авиатренажерах.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Ковалев А. М., Власов Е. В. Биплановое изображение, стимулируещее аккомодацию глаза // Интерэкспо ГЕО-Сибирь-2012. VIII Междунар. науч. конгр. : Междунар. науч. конф. «Специализированное приборостроение, метрология, теплофизика, микротехника, нанотех-нологии» : сб. материалов в 2 т. (Новосибирск, 10-20 апреля 2012 г.). - Новосибирск: СГГА, 2012. Т. 1. - С. 75-79.
2. Ковалев А. М., Власов Е. В. О качестве трехмерного изображения, стимулирующего аккомодацию глаза // Автометрия. - 2012. - Т. 48. - № 4. - С. 33-40.
3. Ковалев А. М., Власов Е. В. Дифракционная глубина 3D изображений, стимулирующих аккомодацию глаза // Автометрия. - 2014. - Т. 50. - № 1. - С. 3-8.
4. Власов Е. В., Ковалев А. М. О контрасте комбинированных изображений в 3D дисплеях, стимулирующих аккомодацию глаза // Интерэкспо ГЕО-Сибирь-2014. Х Междунар. науч. конгр. : Междунар. науч. конф. «Сиб0птика-2014» : сб. материалов в 2 т. (Новосибирск, 8-18 апреля 2014 г.). - Новосибирск: СГГА, 2014. Т. 1. - С. 45-48.
5. Hoffman D. М., Hands P. J. W., Kirby А. К., Love G. D., and Banks М. S. Stereo display with time-multiplexed focal adjustment // Proc SPIE. - 2009. - Vol. 7237: 72370R. doi: 10.1117/12.807170.
6. Ковалев А. М. О дисплеях персонального пользования для виртуальных сред с добавленной реальностью // Автометрия. - 2014. - Т. 50. - № 6. - С. 22-29.
© Е. В. Власов, 2015
