error
Регистрация

Метод оптимизации работы стереоскопического индивидуального дисплея с широким углом обзора.

Рубрика: «Личное»
Автор: Александр Акилов
Опубликовано: 23.11.2014 в 16:12:45

Метод оптимизации работы стереоскопического индивидуального дисплея с широким углом обзора.

Суть предложения.

Канадская компания IMAX совершила прорыв в области качества кинопроекции, в том числе в области стерео. Благодаря большим угловым размерам киноэкрана и высочайшей устойчивости и четкости изображения в технологии IMAX был достигнут впечатляющий эффект присутствия. Однако, получить подобный эффект в условиях домашнего использования телевизионных экранов или видеопроекторов весьма проблематично и пока нерентабельно. Предлагаю решение этого вопроса с помощью адаптивной стерео проекции непосредственно на сетчатку глаз зрителя. Отличительной особенностью предлагаемой системы является принципиально новый метод сжатия потока информации для воспроизведения стереопары высокого разрешения с угловым полем около 120 градусов.

Особенности физиологии стерео восприятия позволят решить проблему.

В процессе стерео восприятия мозг прикидывает относительное положение сразу целого множества предметов и их деталей, выполняя эту операцию одновременно для всей сцены.

Вероятнее всего, аккомодация и конвергенция в процессе стерео зрения – это лишь подготовка к решению задачи, некая настроечная функция, а определение глубины пространства происходит в процессе сравнения проекций изображений предметов на сетчатках обеих глаз.

Когда компоненты стереопары, проецируются на несопряженные (не участвующих в процессе совместного анализа) участки сетчатки глаз, стереоэффект исчезает и глаз воспринимает лишь две независимые картинки, а не единый зрительный образ.

Прикинем допустимую величину расхождения аккомодации и конвергенции глаз зрителя при рассматривании стереоизображения, сформированного обычной стереопарой.

Если межглазное расстояние выразить через (Вгл ≈ 65мм.), аккомодацию глаз (А) - в диоптриях, а расстояние до сцены (Za) в миллиметрах, то можно вывести формулу, которая выражает естественную связь угла конвергенции в радианах и аккомодацию глаз:

β = (Вгл)*(А)/1000 (1)

Напоминаю, что диоптрия – это физическая величина оптической силы линзы, используемая в оптических расчетах, равная 1/F. Где F – фокусное расстояние линзы, измеряемое в метрах.

На основании ряда экспериментов установлено, что стереоэффект имеет место при расхождении согласованности величин конвергенции и аккомодации в три диоптрии, но для снижения утомляемости глаз расхождение следует удерживать в диапазоне (±1) диоптрии. Это важное ограничение следует выполнять всегда и неукоснительно, если Вы хотите воспроизвести реалистическое впечатление от рассматривания изображения объемной сцены на стерео дисплее. В свою очередь глубина воспроизводимого пространства на стерео снимках всегда будет ограничена вышеприведенным соотношением (1), т.к. аккомодация глаза для всех объектов сцены будет определяться расстоянием от глаз зрителя до изображения. Следует отметить, что это один из самых важных факторов, влияющих на правильную передачу пространства на стерео снимке.

Кроме того, если угловые размеры сцены (α) во время регистрации и воспроизведения не будут совпадать, наблюдатель почувствует неприятное искажение глубины пространства.

Продифференцировав формулу (1) по координате глубины (Z), получим выражение, позволяющее вычислить предельное количество различаемых глазом планов по глубине сцены.

dZ= -dα*Z²/(B гл.), (2)

Используя уравнение (2) и значения предельного углового разрешения глаза, стереобазы, а так же оптической силы хрусталика, обнаружим, что среднестатистический наблюдатель невооруженным глазом способен различить не более 210 планов. Для достижения такого высокого результата при рассматривании не реальной сцены, а стереопары, следует помнить, что разрешение изображения при этом должно быть не менее 300 точек на дюйм при рассматривании с расстояния 30 см.

Для обеспечения столь высокого значения пространственного разрешения в процессе проекции стереофильма, потребуется создание устройств, обеспечивающих очень высокую скорость потока информации, особенно для экранов с угловыми размерами, близкими к 120 градусам. Это создает большие трудности, связанные с экономической рентабельностью метода.

Преодолеть возникающие при высококачественной стерео кинопроекции можно, создав интерактивный индивидуальный стерео шлем с цветным голографическим оптическим дисплеем, позволяющим проецировать обработанное по адаптивному алгоритму экранное изображение для каждого глаза зрителя непосредственно на сетчатку.

Опытным путем установлено, что острота зрения быстро падает от центра сетчатки к периферии. Зависимость между предельным углом δ (в минутах) и угловым расстоянием тест-объекта от зрительной оси (в градусах) изображена на графике:

image001
image001

Таким образом, на расстоянии 16° от оси острота зрения уже в 3 раза меньше, чем в центре. Мы видим предмет, но рассмотреть его детально не можем. И здесь нам помогает подвижность глаз. Глаза быстро и согласованно поворачиваются в сторону привлекшего внимание предмета и фиксируются на какой-нибудь его точке. Если предмет не очень мал, глаза последовательно останавливаются на ряде его точек, происходит то, что мы называем рассматриванием предмета. При этом в каждой очередной точке фиксации сходятся оси обоих глаз.

Глазодвигательная система человека выполняет следующие задачи:
1) сохраняет неподвижным изображение внешнего мира на сетчатке во время движения относительно этого мира;
2) выделяет во внешнем мире некоторые объекты, помещает их в зоне сетчатки с высоким разрешением (зрительная ямка, fovea) и прослеживает их движениями глаз и головы;
3) скачкообразные (саккадические) перемещения взора для сканирования (рассматривания) внешнего мира.

Напоминаем, что саккады - это быстрые содружественные отклонения глаз в начальной фазе реакции прослеживания, когда скачком глаза «захватывается» движущаяся зрительная цель, а также при зрительном обследовании внешнего мира.

В результате применения различных методов регистрации, движение глаз изучено довольно хорошо. Произвольный поворот глаз на большие углы (более 1°) называют саккадическим движением глаз. Саккадическое движение производится с большой скоростью. Оно начинается через 0,2 с после включения стимула и происходит со скоростью, которая тем больше, чем больше угол поворота. Полная продолжительность движения мало зависит от его амплитуды и сохраняется в пределах 0,05—0,06 с. Ускорения при саккадическом движении очень велики, так что примерно за сотую секунды достигается уже максимальная для данной амплитуды скорость. При повороте на 10° она равна 300°/с, при повороте на 30°—500°/с. Специальные эксперименты показали, что во время саккады зрительное восприятие блокируется.

Суть предложения.

На основании вышесказанного, появляется возможность оптимизировать работу электронных устройств широкоугольного отображения с целью сокращения в разы скорости передачи информации на графический дисплей с сохранением максимально высокого разрешения. Метод предполагает исключать или загрублять графическую информацию, отображаемую на стерео дисплее в те моменты и в тех зонах, где она не воспринимается человеческим глазом или воспринимается с некоторыми ограничениями.

В процессе рассматривания сцены область высокого разрешения перемещается синхронно саккадическим движениям зрачков глаз. Синхронизация осуществляется благодаря непрерывному слежению за движениями глазных яблок с помощью специальных датчиков. Процессор проектора извлекает из матрицы данных блок высокого разрешения и поле низкого разрешения изображения. Благодаря такому алгоритму, глазу будет предоставляться только необходимая и достаточная для восприятия информация. Это позволит воспроизводить динамическую картинку высокого качества при ограниченном потоке информации. Этот момент важен при ограниченном быстродействии.

Для реализации метода лучше всего создать пару интерактивных дисплеевв виде усовершенствованной конструкции стереошлема.

image002
image002

Конструкция и принцип работы интерактивного стереодисплея.

L – левый глаз;
R – правый глаз;
SL, SR – датчики поворота левого и правого глаза;
DL, DR – устройства сканирования лазерных лучей, которые формируют изображение непосредственно на сетчатке левого и правого глаза;
HOE – трехцветный отражательный голографический оптический элемент, моделирующий эллиптическое короткофокусное вогнутое зеркало;
IML, IMR – мнимое изображение трехцветного эллиптического зеркала.

Стереодисплей представляет собой устройство, которое крепится непосредственно на голове человека. Он состоит из трехцветного голографического оптического элемента HOE, который моделирует пару параболических зеркал IML и IMR, направляющих три аксиальных лазерных пучка (650, 550 и 450 нм.) непосредственно на сетчатку глаза человека. Лазерные пучки формируют изображение на сетчатках каждого глаза с помощью пары высокоточных сканирующих проекционных устройств DR, DL, которые размещаются справа от правого и слева от левого глаза в области двойного фокуса зеркал HOE.

image003
image003

На рисунке показаны зоны с различным разрешением изображения:
4 – зона наивысшего разрешения в области 7 градусов;
3 – зона среднего разрешения в области 21 градуса;
2 – зона низкого цветного разрешения;
1 – область низкого разрешения с максимальной частотой обновления картинки.

Кое какие элементы уже реализованы в мировой практике:

image009
image009

Компания SBG Labs Inc (Switchable Bragg Grating – переключаемые брегговские решетки) находится в Кремниевой долине, Калифорния. Она создала такие пластинки, которые могут одновременно фокусировать и отклонять луч.

image011
image011

Датчики поворота глазного яблока SR и SLсообщают системе формирования изображения о том, какая часть изображения в данный момент должна проецироваться в область «желтого пятна сетчатки глаза» с высоким разрешением, а какая распределяться по внешнему полю с более низким пространственным и цветовым разрешением.

Устройство сканирования в зависимости от поступающей информации датчиков для каждой координаты ориентации оси глазного яблока формирует новое поле изображения с частотой обновления 50 гц. Во время саккадического движения глазного яблока всё поле проецируемого на сетчатку изображения может иметь низкое пространственное разрешение. После завершения саккадического движения снова начинает формироваться ограниченная область высокого разрешения. Это позволяет резко уменьшать скорость потока и объем передаваемой информации в отдельные периоды переключения взгляда.

Уменьшение потока и объема передаваемой на проецирующий элемент информации достигается и за счет неравномерного распределения разрешения по полю проецируемого изображения. Благодаря тому, что только область в 7 градусов проецируется на «желтое пятно сетчатки», и только эта область должна иметь максимальное разрешение. По мере удаления от этой области, разрешение изображаемого пространства может значительно уменьшаться без потери качества воспринимаемой глазом информации.

Высокочастотное движение глаза малых амплитуд, называемое «тремором», не должно вносить вклада в управление проектором. С этой целью оно должно быть отфильтровано от саккадических движений в процессе работы датчиков SL и SR.

Процессы управления аккомодацией и конвергенцией глаз выполняются проекционной системой путем динамической коррекции взаимного расположения изображений на сетчатках глаз относительно осей, проходящих через центры высокого разрешения.

В результате использования предлагаемого метода стерео проекции, появляются дополнительные преимущества:

- благодаря прямой проекции изображений на сетчатку глаза исчезает рамка экрана, изображение воспринимается более реалистично;
- в результате адаптивного согласования величины разрешения различных областей экрана и сетчатки глаза, значительно сжимется поток отображаемой информации;
- при использовании лазерных источников света в процессе формирования изображений повышается точность цветопередачи;

- стереоэффект может достигать таких же значений, как и при рассматривании реальных сцен.

Для реализации предлагаемого метода требуется разработать принципиально новый способ записи стерео изображений с произвольным доступом.

Аналогичные разработки.

image020
image020

Компания Avegant

Компания Avegant, специализирующаяся на производстве дисплеев виртуальной реальности, порадовала своей новой разработкой. Инженеры создали прототип очков Virtual Retinal Display (дословный перевод — «виртуальный дисплей на сетчатке»), которые будут показывать картинки рекордного качества.

Вместо дисплея в устройстве располагаются два миллиона микрозеркал, именно они обеспечивают максимальную чёткость изображения. На каждый глаз проецируется отдельная 3D-картинка в высоком разрешении (1280 на 768 точек).

Так как изображение отправляется сразу на сетчатку глаза, оптические элементы должны располагаться строго на определённом расстоянии от неё. (Иначе картинка будет казаться пользователю размытой.) Эту особенность инженеры также учли: корпус очков можно легко подстроить под себя.

К существенным недостаткам прототипа можно отнести его громоздкость и большой вес. Но разработчики уверяют, что коммерческая модель будет намного легче, компактнее и приятнее на вид. (Кстати, название гаджета к тому времени может измениться.) 

Несмотря на то, что по сравнению с конкурирующими моделями очки Virtual Retinal Display обеспечивают вдвое большее разрешение картинки, глаза пользователя не будут напрягаться так же, как в случае с жидкокристаллическим экраном. Благодаря маломощному источнику света органы зрения человека не будут уставать, а мозг будет считать, что смотрит на реальные предметы, а не на качественную обманку.

Разработчики из компании Avegant планируют показать публике своё детище на Международной выставке потребительской электроники (CES), которая пройдёт в Лас-Вегасе в январе 2014 года.
Цена нового гаджета пока ещё не озвучена, но представители компании уверяют, что она будет вполне конкурентноспособной.

 
Просмотры: 1884
 

Комментарии: