Monitor 3D multiutilizator cu detectare a pozitiei capului avand laser RGB ca sursa de lumina
Abstract: Un monitor 3D care incorporeaza un detector al pozitiei capului si un laser RGB ca sursa de lumina pentru un LCD si descrierea sa. Monitorul ofera imagine 3D pentru cativa privitori, nefiind necesar ca acestia sa poarte ochelari speciali, si este capabil sa se miste liber pe o arie larga. Functioneaza pe principiul de formare de regiuni in campul de vedere, numite si pupile de iesire, unde fie o imagine de stanga sau o imagine de dreapta se vede pe ecran. Aceste pupile de iesire urmaresc pozitia ochilor privitorilor prin folosirea rezultatului oferit de dispozitivul de detectare a pozitiei capului pentru a controla optica luminii de fundal.
Cuvinte cheie: Autostereoscopic, Montior 3D, Laser RGB, Cristal lichid pe Silicon (Liquid Crystal on Silicon LCOS), Detectarea pozitiei capului, Lumina LCD
Introducere
Exista cateva modalitati prin care poate fi obtinuta imaginea 3D care sa nu necesite purtarea de ochelari speciali (autostereoscopic). Acestea se extind de la metode simple de doua imagini care au o singura pereche de zone de vizualizare fixe pana la holografie completa. Un monitor care va fi potrivit aplicatiilor de piata in viitorul apropiat si de asemenea in televiziune in aproximativ 8 ani se va afla undeva intre aceste doua extreme.
Exista cateva tehnici pentru a prezenta imagini stereoscopice pentru cativa privitori. Cele trei metode de baza sunt: holografica: unde imaginea este produsa prin reconstructia frontului de unda [1], volumetrica: unde imaginea este produsa intr-un spatiu de volum care poate fi real sau virtual [2] si monitoare de imagini multiple unde doua sau mai multe imagini sunt vazute de-a lungul campului de vedere.
Monitorul stereoscopic ideal ar trebui sa produca imagini in timp real care sa prezinte toate caracteristicile scenei originale. Aceasta necesita ca frontal de unda sa fie reprodus cu acuratete si ar putea fi atins folosind doar tehnici holografice. Dificultatile acestei abordari sunt numarul mare de evaluari necesare pentru a calcula modelul perifericelor, si rezolutia mare a monitorului, care trebuie sa fie de ordinea lungimii de unda a luminii (in jur de 0.5 microni). Desi holografia poate sa ofere in cele din urma solutia pentru a reda imagini 3D, mai intai va trebui sa fie rezolvata problema captarii scenelor luminate natural, insa este foarte putin probabil ca holografia sa ofere baza unui monotor 3D viabil in viitorul apropiat.
Monitoarele volumetrice au posibilitatea de a reda paralaxa de miscare atat in directia verticala cat si orizonala [3]. Aceasta da posibilitatea catorva privitori sa vada o imagine 3D care nu manifesta nico o concurenta intre acomodarea si focalizarea ochilor. Totusi, monitoarele volumetrice sufera de cateva dezavantaje. In general, imaginile nu sunt opace astfel incat puncte din imagine care se afla in spatele suprafetei afisate se vor vedea prin ea. In vreme ce acest lucru este acceptat pentru anumite imagini generate de calculator, nu este potrivit pentru redarea imaginilor video reale. De asemenea, monitoarele volumetrice nu pot afisa suprafete care au o distributie non-Lambertiana a intensitatii. Inca o data, aceasta nu este potrivita pentru imagini reale, deoarece o proportie a continutului acestor imagini prezinta in mod invariabil zone cu distributie non-Lambertiana. Aceste imagini vor avea un aspect nenatural.
Monitoarele cu imagini multiple se impart in patru categorii fundamentale, care sunt: holoforme, in care un numar mare de imagini ofera o paralaxa de miscare omogena si prin urmare un aspect de holograma [4]; imagini multiple, unde o serie de imagini discrete este prezentata de-a lungul campului de vedere [5]; unde multiple in care unde discrete de lumina radiaza din puncte din ecran [6] si binoculare, unde doua imagini sunt prezentate doar in regiuni care pot ocupa pozitii fixe [7] sau urmaresc pozitiile ochilor privitorilor folosind dispozitivul de urmarire a miscarii capului [8] [9] [10] [11]. Monitoarele holoforme trebuie sa ofere un numar mare de informatii pentru a reda paralaxa de miscare. Monitoarele cu imagini multiple, desi in mod potential foarte simple de construit, nu redau imagini stereo asupra ariei complete de observare si de asemenea au o adancime limitata a campului.
Din aceste motive a fost ales binoclul cu detectare a miscarii capului. Acesta este potrivit mai ales aplicatiilor din televiziune deoarece necesita capturarea celei mai simple imagini, largime de unda de transmisie minima si solicita cerinta minima in ceea ce priveste rezolutia dispozitivului de redare.
Principiul de functionare
Monitorul localizeaza pozitiile capului privitorilor si foloseste aceste informatii pentru a directiona pupilele de iesire catre locatiile ochilor privitorilor. Un ochi localizat in stanga regiunii pupilelor de iesire, marcat prin regiunea verde de sus in forma de diamant din Figura 1, va vedea imaginea din stanga pe intreaga suprafata a ecranului. In mod similar, o imagine de dreapta este vazuta de un ochi localizat in regiunea rosie de jos. Optica monitorului este capabila sa produca cateva perechi de pupile de iesire care pot fi miscate independent una de cealalta.
Figura 1: Pupile de iesire
Monitorul consta dintr-un LCD cu expunere directa a carui lumina de fundal este inlocuita prin optica care formeaza pupilele de iesire sub controlul detectorului pozitiei capului. O imagine-pereche este produsa de un singur ecran LCD fie prin sistem multiplex spatial unde imagini de dreapta si de stanga sunt reproduse in randuri alternative de pixeli, sau prin sistem temporal multiplex unde imaginile de stanga si de dreapta sunt produse in mod consecvent. Figura 2 prezinta cum un ecran localizat in spatele LCD-ului permite lumina de la doua surse separate sa fie directionata la randurile corespunzatoare. Acest monitor poate sa consiste fie dintr-o masca cu deschideri orizontale sau un ecran linticular cu lentile aliniate orizontal. Intensitatea ecranelor este cu putin mai mica decat de doua ori intensitatea pixel verticala.
Figura 2 Multimplexarea imaginii spatiale
Este posibil sa se formeze pupile de iesire cu lentile Fresnel mari localizate in fata LCD-ului [8]. Totusi, aceasta necesita surse de lumina mobile si este de asemenea supusa deviatiilor de axe care limiteaza aria de vizualizare utilizabila. Sursele de lumina vor trebui sa se miste in directia-z pentru a acomoda variatia distantei observatorului de la ecran si de asemenea marimea plasamentului va fi mare. Aceste probleme pot fi depasite prin folosirea de matrici optice cum este prezentat in Figura 3. Pozitia laterala a pupilei de iesire este determinata de pozitiile orizontale ale surselor de lumina, si de distanta de la locul surselor - cu cat mai mare este intensitatea, cu atat mai apropiata este pupila.
Figura 3: Dispunere optica
Primul prototip
Aceste principii au fost folosite la construirea unui prototip autostereoscopic pentru utilizatori multipli. Daca aranjarea ar fi de forma celei prezentate in Figura 3, atunci deviatii severe de la axe ar fi inca prezente. Acestea pot fi depasite prin folosirea opticii coaxiale prin care suprafetele de iluminare si de refractare in fiecare element sunt cilindrice si au o axa verticala comuna care este localizata in centrul unui orificiu. Aranjarea acestor elemente este prezentata in partea de sus a Figurii 4.
Figura 4: Prototipul monitorului pentru multiprivitori
Monitorul incorporeaza 2 matrici cu 10 elemente, una pentru imagini de stanga si una pentru cele de dreapta. Elementele matricii sunt aranjate unele peste altele si latimile lor virtuale sunt marite cu ajutorul a doua oglinzi cu margini pliabile. Sistemul multiplex spatial este obtinut prin folosirea unui ecran lenticular si iluminarea este alimentata prin aproximativ 5000 LED-uri albe localizate in jurul suprafetelor din spatele elementelor matricii optice.
Un dispozitiv electromagnetic Polhemus cu patru tinte de determinare a pozitiei capului este folosit pentru a localiza pozitiie capetelor observatorilor; aceasta necesita ca observatorii sa poarte pe cap dispozitive care tin acul de detectare.
Performanta este relativ mica, dar prototipul demonstreaza principiul de functionare si unde sunt necesare investigatii viitoare. Interferenta este severa datorita folosirii unui LCD care are o microstructura fina care ofera o difractie excesiva. Aparitia bandei verticale in imagine este cauzata de variatia in lumina rezultata si culoarea LED-urilor albe. Imaginea este neclara datorita dificultatii in imbinarea unei proportii suficient de mare de lumina rezultata din LED-uri.
Lucrarea curenta
Limitarile primului prototip au
fost adresate de un consortiu format din sase membri
fondat de Uniunea Europeana. Ariile principale ale lucrarii sunt: un dispozitiv de detectare a pozitiei capului pentru
multipli utilizatori care sa nu deranjeze observatorii, o sursa de iluminare cu
laser RGB, optica miniaturizata si un LCD care are o difractie orizontala si
care poate sa actioneze in mod de
In prezent, lucrarea continua pe o versiune simplificata prezentata in Figura 5. O singura matrice optica va fi necesara cu conditia ca un LCD suficient de rapid sa fie disponibil. Sursa de iluminare este schimbata in mod sincronizat pentru a produce seturi de pupile de iesire de stanga si de dreapta alternative.
Figura 5: Prototipul curent
Elementele optice mari folosite in prototipul original sunt inlocuite de componente in miniatura prezentate in Figura 6. Suprafetele de iluminare ale elementelor optice sunt plane si dau astfel posibilitatea folosirii proiectiei pentru a suplini iluminarea controlata.
Figura 6: Sistem optic in miniatura
Intr-un sistem de optica de test este folosit un proiector conventional pentru a inlocui LED-urile albe ale versiunii precedente. Totusi, de vreme ce iluminarea consta din regiuni care acopera doar aproximativ 5% ale ariei din spatele matricii, un sistem de proiectare conventional este insuficient deoarece aproape 95% din lumina este blocata.
Acest procent mic de folosire a luminii poate fi compensat prin utilizarea unui proiector holografic unde o holograma generata pe calculator este iluminata cu lumina consecventa. Acest lucru are avantajul ca lumina oferita este controlata prin difractie decat de a fi doar blocata si se foloseste de lumina verticala completa. Spre deosebire de proiectia conventionala, acest dispozitiv foloseste o sursa de lumina cu laser si un microdisplay LCOS de modulare de faze, pe care se afiseaza mai degraba o holograma model decat imaginea dorita. Modelele hologramei sunt generate pe calculator astfel incat, cand LCOS este iluminat de catre lumina de laser consecventa, lumina se interfereaza cu sine insasi intr-o maniera complexa prin procesul fizic de difractie avand ca rezultat formarea unei imagini proiectate mari, de calitate inalta. Totusi, de vreme ce dispozitivele SLM de modulare de faza sunt binare, se produce o imagine conjugata (oglinda), reducand astfel eficienta la jumatate. Grade mai mari produse de catre pixelarea SLM limiteaza efectiv eficienta difractiei la aproximativ 40%. Este posibil totusi sa se exploateze simetria conjugata pentru aceasta aplicatie, dubland astfel eficienta la 80%.
Un sistem video non-contact si neintruziv care ofera cu precizie mare si aproape in timp real un dispozitiv video 3D de detectare a pozitiei capului pentru o singura persoana a fost dezvoltat de catre partenerii MUTED pentru a fi folosit la monitorul prevazut cu detector al pozitiei capului pentru un singur observator.
Detectorul complet automat foloseste metoda bazata pe aparitie pentru detectarea pozitiei initiale a capului (care nu necesita calibrarea) si o tehnica modificata adaptativa de potrivire-bloc pentru masuratorile pentru pozitia capului si ochilor dupa locatia capului. Abordarea potrivire-bloc adaptativa compara imaginea curenta cu modele de ochi de diferite marimi care sunt storate in timpul initializarii. Rezultatele de detectare (prezentate ca patrate pe ochi) pentru trei utilizatori diferiti cu trei scene de fundal diferite si conditii de iluminare diferite sunt prezentate in figura 7.
Dupa cum se vede de asemenea si in figura, algoritmul de detectare functioneaza si pentru utilizatorii care poarte ochelari.
Figura 7: Dispozitiv video de detectare a pozitiei capului in actiune
Pentru initializare automata, detectorul gaseste pozitiile ohilor utilizatorului fie cautand clipirea simultana a celor doi ochi sau print potrivirea de modele intr-o reprezentatie a cadrului video curent prin aplicarea unui set de reguli predefinite.
Aceste modele sunt in final verificate de una sau doua posibile retele neurale. Dupa detectarea initiala modelele de ochi care se refera la ochi deschisi ai utilizatorului sunt memorate ca referinte preliminarii. Indifferent de metoda de initializare aplicata modelele de ochi initiale de referinta sunt gradate (folosind o transformare afina) ca sa corespunda la sase distante diferite (figura 8 imaginile din dreapta). Cele douasprezece modele de ochi rezultate sunt folosite de catre detectorul pozitiei capului pentru a gasi ochii utilizatorului in imaginile video live curente (figura 9 imaginile din stanga).
Figura 8: Pozitii ale ochiului detectate live (stanga) si referinta (dreapta)
Concluzii
In aceasta lucrare am identificat faptul ca folosirea unui monitor 3D pentru utilizatori multipli cu detector de pozitie a capului ofera avantajele pentru un monitor care va fi potrivit pentru urmatorii ani. Am concluzionat ca metoda de detectare a pozitiei capului va umple fereastra de oportunitati care vor avea pe parcursul a 10 ani de zile timp in care televiziunea 3D va fi introdusa. Cunostintele obtinute din testele efectuate pe primul prototip sunt folosite pentru a produce o versiune imbunatatita in care sunt abordate probelmele principale cum ar fi diafonia, imaginea neclara si formarea de structuri lamelare in imagine. Se doreste ca la terminarea proiectului current la sfarsitu anului 2008 monitorul va fi aproape de a fi transformat intr-un produs comercial.
Referinte:
HHI. 3-D Display, 2002. https://atwww.hhi.de/~blick/3-D_Display/3-d_display.html
|
Politica de confidentialitate |
 .com |
Copyright ©
2024 - Toate drepturile rezervate. Toate documentele au caracter informativ cu scop educational. |
Personaje din literatura |
| Baltagul – caracterizarea personajelor |
| Caracterizare Alexandru Lapusneanul |
| Caracterizarea lui Gavilescu |
| Caracterizarea personajelor negative din basmul |
Tehnica si mecanica |
| Cuplaje - definitii. notatii. exemple. repere istorice. |
| Actionare macara |
| Reprezentarea si cotarea filetelor |
Geografie |
| Turismul pe terra |
| Vulcanii Și mediul |
| Padurile pe terra si industrializarea lemnului |
| Termeni si conditii |
| Contact |
| Creeaza si tu |
