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
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.
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.
Комментарии: