Специальные очки, чтобы видеть два немного отличающихся изображения (стереопары) в двух различных глазах. Наличие описания трехмерного содержимого в сцене позволяет вычислять отдельные перспективные проекции для каждого положения глаза. Ключевая проблема заключается в правильном разделении пары стереоизображений, отображаемых на одном экране, чтобы доставить левое изображение левому глазу и правое изображение правому глазу. Это также называется проблемой разделения стереоканалов. Разработаны многочисленные методики разделения стереоканалов на основе различий спектральных, поляризационных, временных и других характеристик левого и правого изображений (Рис. 9). Теперь мы предлагаем краткий обзор этих методов.
Рис. 9 Классификация технологии стереоскопического отображения.
2.1. Цвет-Чересстрочный (Анаглиф)
На анаглифных дисплеях изображения левого и правого глаза фильтруются почти взаимодополняющими цветами (красный и зеленый, красный и голубой, зеленый и пурпурный), и наблюдатель надевает соответствующие очки цветного фильтра для разделения ( рис. 10). Используя теорию тристимула, глаз чувствителен к трем основным цветам: красному, зеленому и синему. Красный фильтр допускает только красный, в то время как голубой блокирует красный, пропуская синий и зеленый (сочетание синего и зеленого воспринимается как голубой). Сочетание красного компонента вида одного глаза с зеленым и синим компонентами другого вида позволяет получить некоторую ограниченную цветопередачу (бинокулярная цветовая смесь). Цветовое соперничество и неприятные последствия (временные сдвиги в хроматической адаптации) ограничивают использование метода анаглифа.
Рис 10 Цвет-чересстрочный анаглиф стерео.
ColorCode 3D-это новая, запатентованная система просмотра стерео, развернутая в 2000-х годах Sorensen et al. [30 ] который использует Янтарный и синий фильтры. Примечательно, что в отличие от других систем anaglyph, ColorCode 3D предназначен для обеспечения воспринимаемого почти полноцветного просмотра (особенно в цветовом пространстве RG) с существующими телевизорами и красками. Как показано на фиг. 11, один глаз (левый, янтарный фильтр) получает информацию о цвете кросс-спектра и один глаз (правый, голубой фильтр) видит монохромное изображение конструированное для того чтобы дать влияние глубины. Человеческий мозг связывает оба изображения вместе.
Рис. 11 Цвет-чересстрочный дисплей.
2.2. Стереоскопический дисплей с чередованием поляризации
Методы поляризационно-чересстрочного стереоскопического отображения (фиг. 12) очень хорошо подходят для видеопроекции. При использовании проекторов с отдельными оптическими системами для основных цветов левый и правый цветные лучи должны быть расположены одинаково, чтобы избежать соперничества. Световой поток в жидкокристаллических (LC) проекторах поляризуется световыми клапанами. Коммерчески репроекторы LC можно приспосабливать для стерео дисплея путем переплетать первоначально направление поляризации через листы заторможенности полуволны для того чтобы достигнуть, например, превалирующего V-образования.
Рис 12 Поляризация-чересстрочный стереоскопический дисплей.
Стерео проекционные экраны должны сохранять поляризацию. Оптимальные результаты были сообщены для алюминизированных поверхностей и для просвечивающих непрозрачных акриловых экранов. Типичные экраны задней проекции телевизора (зажатая линза Френеля и линзовидный растровый лист) деполяризуют проходящий свет. LC-основанные, дисплеи прямого обзора и верхние панели недавно были проданы [ 31]. Их передний лист состоит из пиксел-определенных размер микро поляризаторов, которые настроены в точном согласованием растра LCD. Виды левого и правого глаза с электронной чересстрочной перестройкой и разделены линейным изменением поляризации.
2.3. Мультиплексированный во времени стереоскопический дисплей
Зрительная система человека способна объединять составляющие стереопары с задержкой до 50 мс. Этот "эффект памяти" (или персистентность зрения) [ 32 , 33 ] используется мультиплексированными по времени дисплеями (фиг. 13). Представления левого и правого глаза показаны в быстром чередовании и синхронизированы с активной шторкой LC, которая раскрывает в свою очередь для одного глаза пока закрывающая другой глаз. Система шторки обычно интегрирована в паре стекол и проконтролирована через ультракрасное соединение. Когда наблюдатель отворачивается от экрана, обе заслонки становятся прозрачными. Время-мультиплексированные дисплеи полно-совместимы для 2D представления. Оба составляющих изображения воспроизводятся с полным пространственным разрешением одним монитором или проектором, что позволяет избежать геометрических и цветовых различий. Мониторные системы превратились в стандартную технику для рабочих станций 3D.
Рис 13 Мультиплексированный по времени стереоскопический дисплей.
2.4. Дисплей со стерео шлемом.
На фиг. 14 показан дисплей с головным креплением (HMD) с отдельным источником видеосигнала, отображаемым перед каждым глазом для достижения стереоскопического эффекта. Пользователь обычно носит шлем или очки с двумя маленькими жидкокристаллическими или органическими светоизлучающими устройствами (OLED) дисплеями с увеличительными линзами, по одной на каждый глаз [ 34 ]. Усовершенствованная оптическая конструкция свободной формы может улучшить производительность и уменьшить размер [ 35]. Технология может использоваться для показа стерео фильмов, изображений или игр, а также для создания виртуального дисплея. HMDs может также быть соединено со стерео шлемом, позволяющим потребителю “посмотреть вокруг” путем движения головы, исключая потребность для отдельно регулятора. Для выполнения обновления изображений требуется достаточно высокая скорость, чтобы избежать возникновения тошноты у пользователя и требует большого количества компьютерной обработки изображений. Если используется шестиосевой датчик положения (направления и положения), пользователь может перемещаться в пределах ограничений используемого оборудования. Благодаря достижениям в области компьютерной графики и продолжающейся миниатюризации видео и другого оборудования, эти устройства начинают становиться доступными по более разумной цене.
Рис 14 HMD для стерео 3D-дисплея.
Смонтированные на голове или носимые очки могут использоваться для просмотра прозрачного изображения, наложенного на реальный взгляд, создавая то, что называется дополненной реальностью. Это делается путем отражения видеоизображений через частично отражающие зеркала. Реальный взгляд виден через отражающие поверхности зеркал. Экспериментальные системы использовались для игр, где виртуальные противники могут выглядывать из реальных окон, когда игрок перемещается. Ожидается, что этот тип системы будет иметь широкое применение в обслуживании сложных систем, поскольку он может дать технику то, что эффективно “рентгеновское зрение”, сочетая компьютерную графику визуализации скрытых элементов с естественным зрением техника. Дополнительно, технические данные и принципиальные схемы могут быть поставлены к этому такому же оборудованию, исключая потребность получить и снести громоздкие бумажные документы. Увеличенное стереоскопическое зрение также применяется в хирургии, по мере того как оно позволяет комбинации рентгенографических данных (развертки компьютерной осевой томографии и магниторезонансное воображение) со зрением хирурга.
2.5. Конфликт аккомодации-конвергенции
Одна из главных жалоб от потребителей стереоскопических дисплеев сбивчивость сигналов глубины, явление вызванное конфликтом конвергенции–схождения.
Рисунок 15 иллюстрирует это явление. Когда наблюдатели рассматривают стереоскопические изображения, показанные на экране, мышцы глаз сосредотачивают глаза на расстоянии экрана дисплея (т. е., фокусное расстояние), чтобы ясно видеть изображения, показанные на экране. Это связано с функцией аккомодации глаз человека. С другой стороны, восприятие трехмерных объектов, обеспечиваемое трехмерным дисплеем, дает человеческому мозгу информацию о том, что трехмерные объекты находятся на своем “реальном” расстоянии, так что конвергенция глаз зрителя находится на “расстоянии конвергенции”, как показано на фиг. 15 в стереоскопических дисплеях "фокусное расстояние “не обязательно равно "расстоянию конвергенции". "Этот тип визуального конфликта (т. е. конфликт аккомодации–конвергенции) может вызвать визуальную путаницу и визуальную усталость зрительных систем человека (Hoffman et al ” [28 ]). Для некоторых зрителей конфликт аккомодации и конвергенции может вызвать дискомфорт и головные боли после длительного просмотра стереоскопических дисплеев.
Рисунок 15
Иллюстрация конфликта аккомодации / конвергенции в стереоскопических дисплеях: конвергенция и фокусное расстояние с реальными стимулами и стимулами, представленными на обычных 3D-дисплеях.
Конфликт аккомодации-конвергенции можно смягчить, увеличив количество световых лучей, исходящих из разных точек зрения и воспринимаемых одновременно зрачком зрителя. Super-multiview [ 36] - одна из попыток преодолеть это ограничение. В конечном счете , голографический 3D дисплей [ 4 , 5, 37 ] технологии могут решить эту проблему.
3. Автостереоскопический 3D дисплей-Multiview 3D методы отображения
3.1. Приблизьте световое поле с помощью Multiviews
Пленоптическая функция, рассмотренная в разделе 1.4, описывает излучение вдоль всех световых лучей в трехмерном пространстве и может использоваться для отображения сцены из любого возможного положения просмотра под любым углом обзора в любой момент времени. Эквивалентно, можно использовать световое поле, чтобы представить сияние в точке в данном направлении. Происхождение концепции светового поля можно проследить до Фарадея [ 38], который впервые предложил интерпретировать свет как поле, во многом похожее на магнитные поля, над которыми он работал в течение нескольких лет. Гершун [ 39] придумал термин "световое поле" В свободном пространстве излучение вдоль световых лучей можно описать как четырехмерное (4D) световое поле, как показано на фиг ” 16[ 8], или lumigraph [ 40]. Заметим, что определение светового поля эквивалентно определению пленоптической функции.
Рисунок 16 Два плоских представления L (x , y , u , v ) 4D светового поля.
Формально световое поле, предложенное левой и Ханраханом [8], полностью характеризует сияние, проходящее через все точки во всех возможных направлениях. Для данной длины волны и времени можно представить статическое световое поле как пятимерную (5D) скалярную функцию L ( x , y , z , θ , ϕ), которая дает сияние как функцию местоположения (x, y, z) в трехмерном пространстве и направлении (θ, ϕ) свет путешествует. В трехмерном пространстве, свободном от световых окклюдеров, значения яркости световых лучей не изменяются вдоль их путей. Следовательно, функция светового поля 5D содержит избыточную информацию. Эта избыточность позволяет уменьшить размерность функции светового поля с 5D до 4D для полного описания излучения вдоль лучей в свободном пространстве.
Конечная цель 3D-систем воспроизводить световое поле, создаваемое физическими объектами реального мира. Это оказывается очень сложной задачей из-за того, что функция светового поля распределена непрерывно. Зритель 3D-объекта подвергается воздействию потенциально бесконечного числа различных видов сцены (т. е. непрерывно распределенного светового поля). Попытка дублировать полное световое поле практически невозможна. Практическая стратегия реализации дисплея light field 3D состоит в том, чтобы взять подвыборку функции непрерывно распределенного светового поля и использовать конечное число "просмотров" для аппроксимации функции непрерывного светового поля.
На рис. 17 показана концепция использования конечного числа “ракурсов” для аппроксимации непрерывно распределенного светового поля, теоретически имеющего бесконечное число представлений в обоих направлениях. Это приближение является жизнеспособным и практичным, если конечное число видов достаточно велико и превышает угловое разрешение остроты зрения человека. Кроме того, может быть реализовано” только горизонтальное устройство отображения параллакса " (HPO), которое генерирует эффект параллакса только в горизонтальном направлении, позволяя левому и правому глазам зрителей видеть разные изображения, а различные наборы изображений можно увидеть, когда положение головы зрителя перемещается горизонтально. Даже с много меньших ракурсов, и с ограничением HPO, auto stereoscopic системы индикации. 3D может все еще произвести промежуточные ракурсы для того чтобы вызвать впечатление глубины параллакса и движения своего телезрителя в пространстве, таким образом поставляя телезрителю некоторый уровень шума в 3D.
Рисунок 17 Использование конечного числа видов (нескольких видов) для аппроксимации бесконечного числа видов, генерируемых непрерывно распределенным световым полем.
3.2. Стратегии реализации многоракурсных 3D дисплеев
Как показано на фиг. 18, система отображения multiview autostereoscopic 3D может произвести различные изображения в множественных (различных) угловых положениях, таким образом вызывающ и стерео сигналы глубины параллакса и параллакса движения к своим телезрителям. Никаких специальных очков не требуется.
Рисунок 18 Иллюстрация системы отображения multiview HPO autostereoscopic 3D.
Существует множество стратегий реализации для многоракурсных автостереоскопических 3D-дисплеев. Следуя общему классификационному подходу, предложенному Pastoor и Wöpking [ 18], их можно разделить на следующие широкие классы ( рис. 19):
