Трехмерный дисплей, способный подстраиваться под пользователя, разработали сотрудники Лаборатории сверхбыстродействующей оптоэлектроники и обработки информации ФИАН совместно с инженерами Исследовательского центра Samsung Electronics в Москве. Основные (они же прорывные) преимущества разработки – «естественно» сформированная объемная картинка под каждого пользователя, максимально возможная для данной технологии согласованность настроек по фокусу и углу схождения оптических осей на предмете и высокая экономичность системы.
Идея создания дисплея, способного самостоятельно подстраиваться под человека, принадлежит сотруднику ФИАН, кандидату физико-математических наук Андрею Путилину: «Когда мы просто смотрим на какой-то объемный предмет, то меняя свое положение относительно него или крутя его, мы можем его рассматривать. Так у человека создается трехмерная картинка. Для естественного формирования трехмерности недостаточно сформировать разные картинки для правого и левого глаз, главное здесь – формирование в мозгу трехмерной модели предмета. И после того, как она сформировалась, человек начинает воспринимать предмет как объемный. Также должно быть и с трехмерным изображением предмета, человек должен погружаться в 3D-картинку с точки зрения своих действий».
Если ощущение от объема предмета у человека формируется не естественным образом, то и модель предмета складывается неправильная (здесь дело даже не столько в пропорциях, сколько в изменениях относительно нашего поведения). Например, в реальности, если мы повернемся в какую-то сторону относительно предмета, то и он должен повернуться к нам, то есть должен дать рассмотреть себя. В современных 3D кинотеатрах при изменении нашего положения объект не меняется – человек поворачивает голову, и объект поворачивается - «гуляет» - вместе с ней. В этом и заключается неестественность, поэтому головная боль – это естественный спутник почти всех стерео-дисплеев (включая автостереоскопические, когда не надо одевать стерео-очки). Эффект, когда объект «гуляет» за головой наблюдателя, возникает как следствие прежнего опыта человека в разглядывании предметов, а вот естественное «показывание предмета с новой стороны» при изменении положения зрителя называется эффектом оглядывания.
Второй эффект-паразит возникает при приближении наблюдателя к объекту. Когда это происходит, то человеческий глаз, что вполне понятно, пытается сфокусироваться на самом объекте, а это не возможно, так как объект не реальный, а сформированный плоским дисплеем. При этом фокусировка сопровождается еще и небольшим сдвигом оптической оси глаз, грубо говоря, если объект находится близко, то глаза сходятся, если далеко - расходятся. Эти механизмы называются аккомодацией – настройка по фокусу, и конвергенцией – настройка по углу схождения оптических осей на предмете. Работать аккомодация и конвергенция должны согласованно, однако в большинстве дисплеев этой согласованности нет, а значит, еще один фактор в копилку причин возникновения головной боли.
«Когда объект «вылезает» из экрана, это называется выносом, то настройка у человека по фокусу находится в плоскости дисплея, а конвергенция в виртуальной плоскости выноса, где он должен быть по параллаксу ракурсов правого и левого изображения. Получается противоречие. Если объект вышел из плоскости экрана не сильно, то и противоречие не очень сильное, или если предмет ушел за экран, это называется выносом на бесконечность, то противоречие тоже не очень сильное, но чем больше мы делаем вынос изображения за плоскость экрана, тем больше у нас рассогласование конвергенции и аккомодации. То есть во всех эффектных выносах это рассогласование значительное.
Для решения этих проблем и родилась схема адаптивного дисплея, иными словами, не просто стереодисплея, а адаптивной системы, показывающей многоракурсную стереоинформацию, каждому человеку – индивидуально. В общей зарисовке схема состоит из системы слежения за положением глаз человека, линзы и системы микропроекторов, которые строят в области линзы увеличенное стерео-изображение под каждый глаз, которое затем фокусируется на область их расположения.
Макет адаптивного 3D-монитора. В плоскости проекции расположен голографический или микропризменный экран, обладающий свойствами узконаправленного рассеивателя.
Сглаживание проблем восприятия стерео-изображения достигается как за счет конструкции линзы – в патенте рассматриваются примеры голографических и микропризменных линз, так и за счет того, что микропроекторы проектирует сразу стерео-изображение, при этом осуществляется подвижная настройка по фокусу, и расстояние между проекторами также адаптивно меняется. Такая система позволяет не только сгладить описанные проблемы, но и значительно сэкономить энергопотребление и вычислительные ресурсы.
«Объем световой энергии, который попадает в человеческий глаз от дисплея, составляет порядка миллионной (!) доли от излучаемой энергии. Площадь света, которая проходит в человеческий глаз, составляет 1-2 мм2, умножив на два, получим то, что проходит в оба глаза, все остальное просто теряется. Поэтому когда мы продумывали нашу адаптивную систему, мы закладывали в нее тот факт, что если мы не будем потреблять лишнюю энергию, а будем «выплевывать» ее только в то место, где находится человек, то наш дисплей будет потреблять крайне мало энергии. Грубо говоря, двух маленьких светодиодов будет достаточно для того, чтобы отобразить информацию. И человеку это покажется очень ярким», - рассказывает Андрей Николаевич.
Что касается экономии вычислительных ресурсов, то это обеспечивается за счет распараллеливания компьютерной реализации системы, то есть для отображения и обработки информации нужно именно столько «роботов», сколько человек участвует в просмотре видео.
На фото: 3D-изображение для одного глаза, спроектированное на голографическую линзу
«Представьте, у нас есть модель или трехмерное изображение какого-то объекта, тогда при изменении модели или угла зрения человека, необходимо мгновенно выдавать новую информацию, согласно произошедшим изменениям или новому углу зрения. Когда вычислительные мощности естественным образом распараллеливаются, то есть работают на каждого человека в отдельности, это также значительно удешевляет систему», - подытоживает Путилин.
Макет дисплея и программное обеспечение под него уже разработаны. Оформлен патент, права на который на территории нашей страны принадлежит российским исследователям.
АНИ «ФИАН-информ»
