Новый дисплей извлекает объём из кажущегося хаоса
Учёные из Массачусетского технологического университета выстроили 3D-дисплей, не требующий очков для просмотра. Его главные отличия от предшественников — широкий угол обзора, при котором сохраняется стереоэффект, причём не только по горизонтали, но и по вертикали, и высокие разрешение и яркость.
Новинка именуется HR3D. Это развитие экранов с параллаксным барьером (в большинстве случаев — комплектом вертикальных прорезей в маске), что закрывает от левого и правого глаза пиксели, предназначенные соответственно для правого и левого глаза.
Развитие, но, выяснилось столь глубокое, что авторам было нужно пересмотреть базисный принцип создания объёмного изображения, в то время, когда выводятся две смешанные картины с чередующимися точками и существует «разделитель» этих картин.
В хорошем варианте, если вы желаете повысить уровень качества изображения, вам требуется повысить колличество в один момент выводимых параллаксных кадров и уплотнить параллаксный барьер. Это снижает количество света, проходящего через него. Яркость падает, и вам остаётся лишь поднимать мощность фоновой подсветки, что, например, скоро сажает батарею мобильного устройства.
И ещё в таковой схеме 3D-эффект трудится лишь при обычном размещении экрана. Разверните его на 90 градусов, и все стереопары рассыплются. Значит, в случае если мы грезим обеспечить работу экрана при любом положении, нужно будет вводить и второй комплект палаллаксных щелей, перпендикулярно первому.
Практически мы приобретаем маску со множеством маленьких дырочек, через каковые до зрителя мало что доходит.
Твёрдый параллаксный барьер, трудящийся в двух направлениях (слева), и изображение, выводимое экраном без барьера (справа). Комплект отверстий разрешает каждому глазу видеть лишь необходимые пиксели.
Эта схема снабжает 3D-эффект в некоторых современных автостереоскопических дисплеях, но расплата за таковой приём — тяжелые потери света (иллюстрация Camera Culture/MIT Media Lab).
Принципиально важно выделить, что такая маска остаётся фиксированной для любого изображения. Из этого негативный итог: яркость падает катастрофически, стереоскопический эффект — нестойкий, достоверность передачи изображения — низкая.
Выход из затруднительного положения был радикальным — параллаксный барьер сам будет жидкокристаллическим экраном. И трудиться он обязан на просвет, да ещё в настоящем времени подстраиваться под изображение, выдаваемое главным (нижним) экраном.
Так вместо горизонтальных либо вертикальных щелей мы создаём армию произвольно переключаемых затворов-точек, показывающих нам необходимые пиксели с нижнего дисплея, независимо от того, с какой стороны мы на него наблюдаем.
Неспециализированный принцип HR3D. Жёлтым цветом продемонстрирована подсветка.
Потом идут две наложенные друг на друга ЖК-матрицы, формирующие неповторимый поток для каждого из глаз зрителя (иллюстрация Camera Culture/MIT Media Lab).
От таковой сырой идеи до финального варианта нового 3D остаётся сделать один ход: пиксели на переднем экране также должны быть «переменными» по яркости, а итоговое изображение — комбинацией кадров от двух ЖК-матриц, наложенных друг на друга с некоторым зазором (дабы с различных точек зрения получались различные суммы лучей). Так и появился, по определению самих авторов изобретения,«параллаксный барьер, адаптирующийся к контенту» (Content Adaptive Parallax Barrier).
Как раз его сотворили эксперты из Массачусетского технологического университета. Они распотрошили два серийных ЖК-экрана, удалили с матриц ненужные в проекте дополнительные покрытия и поляризационные фильтры, а позже собрали из двух экранов экспериментальный прототип дисплея HR3D.
Дабы извлечь ЖК-матрицу из серийного дисплея и подготовить её для включения в состав HR3D (справа внизу), изобретателям потребовались отвёртка, ацетон и ластик (для удаления клея) (фотографии Camera Culture/MIT Media Lab).
Разумеется, основная его изюминка — вовсе не «железо», а софт. Для каждого кадра исходного объёмного контента нужно создать два дополняющих друг друга изображения, каковые при наложении создадут иллюзию количества. Нижняя картина тут есть собственного рода зашифрованной базой, а верхняя дешифратором.
В пресс-релизе университета сообщено, что, начиная работу, её авторы кроме того не знали, как будет смотреться «оживший» шаблон для параллаксного барьера, заточенный под конкретный кадр. Стало известно, что он напоминает собою нижнее изображение, не смотря на то, что не сходится с ним.
Отличие нового способа вывода 3D-контента (внизу) от прошлого (вверху). Исходный контент (1), другими словами компьютерная графика либо съёмка 3D-камерой, преобразуется в интегрированное световое поле (2), к примеру комплект картин 3 х 3, показывающих предмет с различных точек зрения. После этого происходит вычисление выводимого дисплеем изображения (3).
В ветхом варианте это искусное перемешивание пикселей от нескольких картин в едином кадре (4), к которому прилагается статичный параллаксный барьер (5), а в новом — формирование комплекта из поделённых во времени пар «маска — кадр» (6 и 7). Потом кадры выводятся на задний ЖК-экран (8), что в ветхом способе — единственный. Эти кадры сверху прикрываются фиксированной маской (9) в прошлом методе либо второй ЖК-матрицей (10) — в новом.
И в том и другом случае достигается восприятие трёхмерного образа (11) (иллюстрация Camera Culture/MIT Media Lab).
Построение таких пар требует огромного количества вычислений. Дабы на выходе двух складываемых потоков взять желаемое световое поле, приходится вводить понятие «ранг светового поля», заниматься факторизацией неотрицательных матриц и другими зубодробительными вещами. Читателям же, далёким от математики, достаточно выяснить, что обсчёт одного кадра для вывода по совокупности HR3D занимает до 20 мин. машинного времени.
Очевидно, зритель столь продолжительно не ожидает. Речь заходит о предварительном переводе 3D-контента в формат, осознаваемый новым дисплеем. Наряду с этим для сочетания точности линий и приемлемой чёткости с контрастностью и яркостью в совокупности HR3D приходится любой кадр ещё и дробить на пара более несложных субкадров, выводимых последовательно с высокой частотой (благо исходные ЖК-матрицы, примененные в опыте, физически способны выдавать 120 кадров в секунду).
Кстати, HR3D — это сокращение от High-Rank 3D, другими словами «3D большого ранга». Суть авторы совокупности вкладывают таковой. Простое 3D-изображение, выводимое через параллаксный барьер, имеет ранг 1. Если вы желаете воспроизвести его через две матрицы (для обеспечения результата параллакса по вертикали и горизонтали), вы снижаете ранг (грубо говоря, яркости и сочетание деталировки).
Так как так множество лучей приобретают сильные ограничения по углу обзора. Новая совокупность, не смотря на то, что формирует картину из кадров низкого ранга, по окончании их смешения приобретает (в глазах зрителя) 3D-изображение большого ранга. На этом рисунке продемонстрирован пример пары маска (фронтальное изображение) и кадр (заднее изображение).
Это вовсе не картины для правого и левого глаза, как возможно поразмыслить. Но при суммировании в двухслойном дисплее они создают эффект количества (иллюстрация Camera Culture/MIT Media Lab).
Программа, обрабатывающая начальное изображение, решает задачу оптимизации. Она подбирает пары картин для верхнего и нижнего ЖК-слоя так, дабы и уровень качества суммарного изображения было хорошим, и дабы мелькание кадров было не через чур заметным.
С дисплеем, в котором за разделение двух частей стереопары отвечает твёрдый параллаксный барьер, таковой трюк не пройдёт. А ведь итог стоит упрочнений: при однообразной мощности задней подсветки HR3D-экран возможно в три раза бросче предшественников. Значит, уровень его подсветки возможно снизить, а расход энергии — сократить.
Для мобильных устройств это крайне важно.
Новый дисплей учёные выстроили легко — прикрутив одну жидкокристаллическую матрицу поверх второй (фото Camera Culture/MIT Media Lab).
В связи с «энергетикой» необходимо отыскать в памяти о втором варианте разделения картин для левого и правого глаза — лентикулярных линзах. Свет они фактически не задерживают. Но, будучи приклеенными к экрану, они не смогут быть отключёнными, в отличие от верхней ЖК-матрицы.
Потому со второй устройство легко переводить в 2D-режим с высококачественным сохранениемкартины.
Добавьте к этому комплекту преимуществ полный параллакс при смещении зрителя в любом направлении от центра экрана, и вам покажется, что HR3D — совершенная замена существующим дисплеям. Но на деле новинку хвалить до тех пор пока возможно только авансом.
Так как при применения для того чтобы дисплея в мобильной электронике чуть ли не всю энергию, сэкономленную на подсветке экрана, нужно будет отдать процессору. Он будет загружен по самое горло обработкой стереокадров. И это важный барьер на пути внедрения адаптирующегося параллаксного барьера.
его создатели и Прототип дисплея (слева направо) Рамеш Раскар (Ramesh Raskar), Дуглас Ланман (Douglas Lanman) и Мэттью Хирш (Matthew Hirsch) (фото Matthew Hirsch).
Изобретатели разработки видят два пути решения проблемы. Или со временем удастся оптимизировать и упростить математический метод пересчёта картин, или для таких экранов потребуется создать специальные процессоры. Они будут нацелены строго на вычисление объёмных кадров по новой совокупности и справляться с таковой задачей должны значительно стремительнее процессоров «неспециализированного назначения», да ещё и с меньшими энергозатратами.
Работа (PDF-документ) по HR3D была представлена в декабре прошлого года на выставке SIGGRAPH Asia 2010. Добавим, что данный уникальный дисплей — детище научной группы Camera Culture доктора наук Рамеша Раскара, прекрасно известного отечественным постоянным читателям по вторым головокружительным трюкам со светом — съёмке за углом, шестимерным наведению и снимкам на резкость по окончании съёмки.
