Monitoarele 3D - Date generale despre Monitoarele 3D

Date generale despre Monitoarele 3D

1 Aplicatii

Este greu de stabilit un pret pe eficacitatea monitoarelor 3D deoarece factorii empirici in perceptia 3D nu sunt inca intelesi in intregime. In schimb, se ajunge la un compromis risc/recompensa pe care companiile il iau in considerare cand se decid daca sa foloseasca monitoarele 3D. Au existat cateva industrii care au fost considerate tinte pentru folosirea monitorului 3D, dar niciuna din ele nu a devenit un mare consummator inca. Competitia dintre companii este acerba. Intrucat tehnologia 3D este adesea inteleasa gresit, marketingul tinde sa joace un rol critic in succesul companiilor de monitoare 3D. Cea mai critica decizie pe care o companie trebuie sa o ia este: "Cine detine stimulentul pentru a atinge costul crescut de folosire al monitoarelor 3D in locul celor 2D". Daca nu se raspunde la aceasta intrebare, audienta tinta a companiilor este foarte probabil sa aiba asteptari nerealiste sau gresit informate despre ceea ce companiile pot oferi. Monitoarele 3D nu pot fi vandute ieftin inca, si este irealist sa ne astaptam la acest lucru, pana nu exista o cunoastere mai mare a existentei lor si a avantajelor pe care ele le pot aduce.

Varietatea mare de solutii 3D care au fost dezvoltate poate sa impiedice un client loial, pentru ca simplu, este dificil de a diferentia tehnologiile unele de altele. Exista si speculatia ca varietatea tehnologiilor este favorabila deoarece ea se adreseaza unei piete variate. In orice caz, este clar faptul ca nu exista o singura modalitate de a face 3D, si ca exista imbunatatiri pe care noi le asteptam in anii care vin. Acesta este cel mai mare potential care exista pentru industria de monitoare 3D, si anume ca ea poate sa continue sa creasca . daca este hranita.

Candidatii cei mai probabili pentru industriile care vor beneficia de folosirea monitoarelor 3D sunt:

l       Imagini medicale (radiografii)

l       Monitoare de simulare si Heads-up

l       Design, Modelare si vizualizare stiintifica

l       Jocuri si divertisment  

Vizualizarea joaca un rol important in diagnosticarea conditiilor medicale, si seturile de date volumetrice sunt folosite in mod obisnuit pentru interpretarea conditiilor de sanatate ale pacientilor. Simularea poate fi cea mai profitabila aplicatie echipata pentru aplicarea monitoarelor 3D. Simularea militara poate fi o afacere foarte profitabila, asa cum au demonstrat-o companii precum Ethers si Stherland [7]. Monitoare imersive care ofera experiente extrem de apropiate de cele naturale sunt importante pentru lupta, urgente si (cea mai mare de acum) pregatirea securitatii. Companii precum Honda Motors si Ford Motor Company au sustinut dezvoltarea imprimantelor cu stereograma holografica in speranta ca aceasta tehnologie va incuraja practicele de design industrial mult mai eficiente. Standarde precum Virtual Reality Markup Language (VRML), si noul X3D ofera usurinta de integrare cu tehnicile de vedere stereografice, si popularitatea aparatelor cu monitoare 3D pentru jocuri oferite de Steroagraphics este in crestere. Cea mai de succes aplicatie a monitoarele 3D in industria distractiei astazi sunt teatrele 3D Imax, care exista in cateva din orasele mari din intreaga lume.

2 Generarea pixelilor

Aspectul cel mai important in orice monitor 3D este cum genereaza informatiile unei poze. Exista doua modalitati de a realiza acest lucru: fie prin trasarea unei matrici de puncte sferice emitente pe o suprafata, sau prin modificarea caracteristicilor de amplitudine a unei raze de lumina uniforma. Prima tehnologie se incadreaza in categoria de monitoare emitatoare, in vreme ce cea de-a doua este cunoscuta ca Spatial Light Modulators (SLMs - Modulatoare Spatiale de Lumina).

Modulatoarele/emitatoarele care au fost luate in considerare pentru a fi folosite la monitoarele 3D sunt:

l       Emitatoare

- CRTs

- Diode cu emitere de lumina organica (Organic Light Emitting Diodes - OLEDs)

l       SLMs

- Monitoare cu cristale lichide pneumatice (Pneumatic Liquid Crystal Displays - LCDs

- Modulatoare acustico-optice (Acousto-Optic Modulators - AOMs)

- Modulatoare de unda acustice de suprafata (Surface Acoustic Wave Modulators - SAWMods)

- Modulatoare de lumina spatiale accesibile optic (Optically Addressable Spatial Light Modulators - OASLMs)

- Monitoare cu cristale lichide fero-electrice (Fero- electric Liquid Crystal Displays - FLCDs)

- Aparate cu fereastra digitala (Digital Mirror Device - DMDs)

- Valve de difractie a luminii (Grating Light Valves - GLVs)

Lucrarea recenta a lui Hong [12] a introdus posibilitatea de dezvoltare unui nou tip de modulator acustico-optic bazat pe transmiterea undei acustice de suprafata (surface acoustic wave - SAW) in cristale. SAWMods pot fi produse ieftin, dar SAWMods, OASLMs, si GLVs nu sunt inca disponibile din punct de vedere comercial. Nu sunt disponibile comercial nici CRTs si OLEDs care sa fie capabile sa ruleze la viteze mai rapide decat cele video. Dispozitivele sunt capabile sa ruleze la viteze mult mai rapide, dar dezvoltarea electronicii la cerere este necesara pentru a obtine efectul dorit. In cazul SAWMods, GLVs, OASLMs si OLEDs, este necesar sa se fabrice un aparat in conformitate cu specificatiile dorite.

De vreme ce Modulatorii/Emitatorii trebuie sa fie folositi pentru a genera informatii despre pixel in monitoarele 3D, merita sa se ia in considerare o comparatie a caracteristicelor.

Cea mai importanta trasatura este latimea de banda, care a fost deja mentionata. Mai sunt de asemenea si alti cativa factori importanti, incluzand raportul contrastului si adancimea culorii. Toti acesti factori care sunt subliniati in tabelul 1, vor contribui la succesul comercial al monitorului 3D.

Factorul limitativ in procesul de comercializare poate fi costul unui monitor, ceea ce determina proiectantii de monitoare 3D sa-si aleaga cu grija aparatul de generare de pixeli. Toate aparatele mentionate au un raport cost/latime de banda a pixelului in intervalul Mhz/$. Este vizibil ca CRT-urile ofera cel mai bun raport cost/latime de banda, ceea ce ii face sa fie candidati foarte atractivi pentru monitoarele 3D. Totusi, DMD-urile si FLCD-urile sunt urmatorii la rand, iar latimea lor de banda mare le face sa fie candidati extrem de atragatori pentru monitoarele3D.

Alti factori importanti in caracteristicile modulatorului/emitatorului include SBP (numarul de pixeli) si modul de operare analog/binar. CRT-urile si LCD-urile disponibile comercial au SBP-uri destul de largi pentru a putea sa sacrifice rezolutia spatiala pentru codarea informatiei 3D. DMD-urile si FLCD-urile sunt aparate binare, care permit atat adancimii culorii cat si rezolutiei spatiale sa fie optimizate pentru a coda cantitatea de informatie 3D dorita. Aceste aparate fac sacrificii foarte mari in latimea de banda pentru a obtine adancimi de culoare mari, dar se poate dovedi sa fie mult mai eficient sa se compromita acest sacrificiu intre adancimea culorii si informatia 3D. Regimul pe care sistemul Actuality il foloseste este foarte inteligent: toata latimea de banda a DMD-urilor lor este folosita pentru a coda informatia 3D si rezolutia spatiala este sacrificata daca se doreste o adancime a culorii mai mare.

Tebelul 1: Comparatia tehnologiei SLM. SBP = Space-Bandwidth Product (produs spatiu-latime de banda); Rata = Refresh Rate (rata de reincarcare), BW = latime de banda efectiva in bits/sec, CR = Contrast Ratio (raport contrast).

3 Stereograme holografice

Merita sa mentionam stereogramele holografice deoarece ele efectueaza aceeasi functie ca monitoarele 3D electronice, si folosesc aceeasi metoda optica pentru a coda informatia despre adancime. Diferenta este ca metoda de storare a informatiilor de imagine este permanenta la stereogramele holografice. O data ce o imagine este storata sub forma tipar, ea nu poate fi alterata. Daca se doresc imagini alternative, mai multe astfel de tipare trebuie produse. Analiza stereogramelor hologafice poate fi folosita pentru a caracteriza majoritatea monitoarelor 3D care folosesc kineopsis-ul.

Metoda de multiplexare unghiulara a informatiei 2D de intensitate poate fi obtinuta fara a sacrifica rezolutia, prin inregistrarea de mai multe imagini intr-o singura holograma. Intr-adevar, cerintele de etalonare minime ale rezolutiei si paralaxei pot fi indeplinite astfel incat sa se produca scene 3D foarte convingatoare. O mare parte din lucrarile de la Spatial Imaging Group a fost dedicata imbunatatirii acestor tehnici. Exista o limita de difractie in valoarea etalonarii in campul paralaxei, si prin urmare, imaginile cu adancime mai mica decat hologramele analoage trebuie sa fie folosite. In cazul acesta, proprietatile imaginilor coerente ale unei holograme nu sunt pastrate. Se folosesc proprietatile de focalizare si capacitatea mare de storare a hologramelor.

Au existat cateva companii care au incercat sa ofere solutii comerciale pentru printarea stereogramelor holografice prin dezvoltarea unui printer la cerere. Zebra Imaging ofera un serviciu de printare pentru stereograme holografice cu paralaxa completa care pot fi aranjate unele langa altele pe un interval de cativa metri [13], si Liti3D ofera servicii pentru printarea stereogramelor de paralaxa orizontala in acelasi interval de pret precum portretele obisnuite [16]. Soni a investit ceva efort intr-un printer de tip photo-booth /sistem de capturare care a oferit o solutie de sine statatoare si produce imagini de marime standard "wallet size"

4 Holovideo: Monitorul 3D ideal

Sistemele holovideo ofera solutia de ultima ora pentru sistemele de afisare 3D. Totusi aceasta necesita o rata de date enorma. Impedimentul cel mai semnificativ cu care holovideo-ul se confrunta in prezent este lipsa de dispozitive de afisare cu marimile pixelilor suficient de mici. Unghiul de difractie θ al unei raze de lumina este dat de urmatoarea ecuatie:

λ f = sin θ (1)

Aceasta indica faptul ca avand o lungime de unda λ = 500nm, un unghi de difractie de 30^o necesita o frecventa spatiala de f = 1000 lp/mm, sau o intensitate a pixelului de 500nm.

Dispozitivele de microafisare curente sunt capabile sa obtina marimile de pixel in intervalul de 10μ, dar nu este promitator ca ele vor ajunge sa fie mai mici de atat.

Putem gandi sistemele holovideo ca avand proprietati optice programabile, si ca sunt destul de flexibile pentru a implementa orice tehnica pentru crearea de imagini 3D. Algoritmul holographic poate sa produca in cele din urma cele mai eficiente mijloace de afisare a imaginilor 3D, deoarece el poate permite o abordare hibrida a metodelor de codare optica, si poate fi folosit intr-o maniera specifica aplicatiei. Recent, scenele foarte adanci au fost demonstrate de Halle si Plesniak print intermediul metodei Planului real al imaginii (Real Image Plane - RIP) de codare a stereogramei, care continua sa fie dezvoltata. Atat Spatial Imaging [11] [20] cat si Qinetiq [6] au dezvoltat un sistem holovideo care abordeaza calitatea comerciala.

Cel mai mare dezavantaj al sistemelor holovideo este includerea unei etape de procesare suplimentare. Sistemele holovideo sunt capabile sa produca reprezentari ale obiectelor 3D cu referire la un set de variabile prin afisarea primitivelor geometrice (mai exact varfurile 3D), precum si tehnica stereografica de multiplexare-unghiulara a imaginilor 2D. Din nefericire, in ambele cazuri, trebuie sa se genereze un model complex de periferice, care in unele cazuri poate crea surplusuri nedorite. Astfel, holovideo-ul ofera o flexibilitate mai mare in metodele de codare optica in baza reducerii flexibilitatii cu limitari de latimi de banda.

5 Studiul monitoarelor 3D cu Kineopsis

S-au dezvoltat deja multe din monitoarele 3D, unele pana la puntul de a fi comercializate. Acest capitol ofera o lista detaliata a tuturor monitoarelor care au fost construite in anii recenti, si incepe o discutie si o categorizare a diferitelor tehnici care au fost dezvoltate pana in prezent.

5.1 Monitoare volumetrice

Monitoarele volumetrice umplu intreg volumul cu puncte sferice emitente (voxeli). Imaginii rezultate ii lipseste orice informatie despre acoperire, deoarece niciunul dintre voxeli nu este capabil sa blocheze informatia din oricare altul. Este posibil sa se includa o masca de acoperire in fiecare monitor volumetric pentru a limita unghiul de vedere al fiecarui voxel, dar lucrul acesta nu a fost inca demonstrat. Monitoarele volumetrice au avantajul de a oferi un unghi mare de vedere in jurul caruia sa se vada imaginile 3D. Acest lucru s-a dovedit sa fie util in mod particular pentru aplicatiile de imagine medicale, unde se doreste sa se vada prin diferite straturi de date (de exemplu tesutul) si sunt necesari mai multi privitori. In mod tipic, o tehnica de multiplexare a timpului este activitatea prin care cateva suprafete sunt adresate in mod secvential in timp, si fiecare actualizata in rezolutia temporala a ochiului.

Actuality

Actuality Sistems au proiectat seria de monitoare volumetrice Perspecta® care se bazeaza pe tehnologia de proiectare DLP de la TI [8]. Monitorul lor este capabil sa genereze pana la 100 milioane de voxeli cu culoare 3-bit. Ei implementeaza de asemenea diferentierea spatiala pentru a obtine mai multe valori de culoare la un numar redus de voxeli. Sistemul lor consta dintr-un motor de rasterizare construit la cerere care primeste primitivele 3D grafice, un motor de proiectie DLP cu optica individualizata, si un disc rotativ 50/50 de difuzie/transmisie care urmareste o sfera la 24Hz. Afisajul poate fi vazut de la 360^o orizontal si 270^o vertical, insa marginea discului de proiectie este intotdeauna vizibila. Datorita muncii considerabile pe care compania a investit-o in hardware de accelerare grafica monitorul poate fi interfatat cu aplicatii standard OpenGL prin interceptarea primitivelor 3D de la cardurile grafice ale calculatoarelor conventionale printr-un PCI bus.

Vizta3D

Vizta3D au dezvoltat monitorul DepthCubeT pe baza de cristale invartite simetric si tehnologie de proiectie DLP de la TI. Vizta3D au dezvoltat un microprogram brevetat cu ajutorul celor de la TI care a permis motorului lor de proiectie sa ruleze la o scala de gri de 15-bit la 1200 fps (frame per seconds - cadre pe secunda). Ei aseaza unele peste altele 20 de straturi de cristale lichide controlate si le sincronizeaza cu proiectorul lor. Cand se activeaza un singur strat de cristal lichid, el devine dispersat, creand un camp de voxeli. Intr-o perioada de 1/60-ime dintr-o secunda, toate cele 20 de planuri au fost adresate, si sunt recirculate pentru a evita palpairea. Rezultatul este un cub de 1024x768x20 = 15.3x10⁶ voxeli. Pentru a evita discontinuitatea adancimii intre cele 20 de planuri, Vizta3D implementeaza puncte care se gasesc intre 2 planuri ca valoare fractionala a ambelor planuri. Rezultatul sunt 465.7x10⁶ voxeli perceputi.

Vizta3D a reusit sa compreseze sistemul lor la marimea monitorului unui CRT conventional. Sistemul nu are acelasi grad de vedere precum Actuality (90^o camp de vedere orizontala si verticala) si intervalul sau de adancime este limitat la aproximativ 4 inch. Monitorul lor ofera interactivitate fara nici un hardware grafic additional, datorita similitudinii dintre sistemul de coordonare pe care il ocupa imaginea 3D, si framebuffer-ul cardurilor grafice conventionale. Rezultatul este un sistem extrem de flexibil care este usor de integrat la solutiile de grafica 2D conventionale.

5.2 Monitoare lenticulare, Senzitive la culoare, si cu bariera de paralaxa

Desi din punct de vedere tehnic ele sunt monitoare cu vederi multiple, aceste tehnici deservesc propria lor categorie, deoarece ele au castigat un loc competitiv pe piata comerciala. Aceste monitoare sunt capabile sa afiseze toate aceleasi adancime ca monitor cu vederi multiple. Totusi, numarul de vederi pe care ei sunt capabil sa ia l fiseze este de obicei limitat, deoarece ele actioneaza multiplexarea spatiala, pe care rezolutia monitorului este sacrificat sa o include in informatia paralaxei. Ulterior, marimea minima a pixelului este factorul delimitativ la aceste monitoare.

Monitoarele 3D cu panou plat au fost dezvoltate pe baza acestor tehnici deoarece ele ofera aranjamentul optic cel mai compact disponibil pentru tehnologia monitoarelor 3D. Desi marimea pixelilor pe un panou plat nu poate fi redusa sub cateva sute de μm, monitoare mai mari cu numere generoase de pixeli au fost introduse recent. Aceste monitoare pot fi privite de mult mai din spate decat distanta tipica de vedere, sugerand posibilitatea unei etalonari mai mari a paralaxei fara sa se produca pierderi in calitatea imaginii.

Aceste tehnici au dezavantajul de repetare a zonelor de vedere, si rezolutie orizontala redusa. Prin urmare, se poate afija detaliul mai putin orizontal, si imaginile par sa sara cand privitorul paraseste zona de vedere. Uneori, lucrul acesta poate fi considerat un avantaj deoarece permite privitorilor care sunt pozitionati in afara axelor sa vada o imagine pe display, ceea ce adesea ii apropie si ii incurajeaza sa priveasca monitorul din pozitia corecta. Totusi, aceasta este o caracteristica care induce in eroare deoarece da impresia ca mai multa informatie este redata de catre monitor decat se intampla in realitate.

Stereographics Corporation

Recent, Stereographics Corporation a lansat seria de monitoare cu panou plat Synthagram® care este un monitor 3D bazat pe lintile [19]. Seria se intinde de la XGA (1024x768 pixel) la UXGA (monitoare de 3840x2400 pixel), si un monitor lenticular cu diagonala fabricata la cerere, care divizeaza pixelii in 9 vederi diferite. Monitorul lenticular este proiectat sa elimine efectele de stralucire, care pot aparea la monitoarele plane lenticulare, si divizeaza pixelii la nivel RBG. Stereographics ofera de asemenea un SDK, plagin-uri pentru 3D Studio Max si aplicatii de modelare Maya 3D, si un program ce permite afisare de ferestre pentru a inlocui continutul in formatul codat corespunzator.

4DVision

4DVision au construit un sistem de afisare cu 8 vederi, care este bazat pe un filtru selectiv color care limiteaza extinderea unghiului fiecarui pixel in functie de culoarea sa. Filtrul este aplicat la celulele RGB individuale a unui panou plat TFT sau ecran Plasma. Filtrele lor ofera mai putine reflexii la suprafata decat matricile lenticulare, reducand luminozitatea care distrage de la calitatea imaginii. Sistemul ofera posibilitatea de schimbare intre aplicatiile 2D si 3D. 4DVision a construit un monitor cu diagonala de 50" (monitorul 4D-50T) si drivere OpenGL pentru integrarea usoara in aplicatiile de grafica 3D.

NYU

Media Search Laoboratory a construit un monitor cu bariera de paralaxa bazandu-se pe un proiector DLP, o celula de schimbare rapida PI, un obturator fero-electric de schimbare rapida, si tehnologie de urmarire a ochilor [15] [14]. Monitorul ofera vedere stereoscopica ce este actualizata in timp real in functie de pozitia privitorului (inclusiv adancimea) si rotirea capului. Sistemul codeaza informatia de vedere prin celula PI, care consta din cateva coloane de elemente de obturatoare care pot fi adresate in mod simultan si reimprospatate la 180Hz. Celula PI este plasata in fata unui ecran de proiectie si fiecare element obturator ofera deshiderea limita pentru un grup de pixeli. Aranjamentul obturatorului este calculat si actualizat la fiecare 1/80-ime de secunda pentru a permite o flexibilitate mai mare in potrivirea pozitiei privitorului cu informatia de perspectiva corecta. Roata de proiectie color este indepartata si informatia imaginii este codata ca informatie de culoare inainte ca aceasta sa fie trimisa la proiector. Rezultatul este o serie de perechi secventiale in timp de imagine sincronizata/celula PI bitmap care este actualizata la 60Hz.

5.3 Monitoare cu vederi multiple  

Monitoarele care folosesc vederi multiple ofera cea mai mare asemanare cu monitoarele holografice, si ele vin cu necesitatea adaugata de a manui mai multe informatii decat monitoarele stereografice, lenticulare, sau cu bariera de paralaxa. Monitoarele cu vederi mualtiple care folosesc destule vederi pot oferi suficiente informatii de imagine pentru a relaxa competitia dintre convergenta si acomodare care exista la celelalte monitoare. Este mult mai interesant sa se includa caracteristica interactivitatii la monitoarele cu vederi multiple intrucat numarul de imagini care trebuie sa fie generat in timp real este mult mai mare. Monitoarele cu vederi multiple implementeaza de obicei aparatele de afisare 2D multiple, ce creste costul de fabricatie. Din aceste motive, monitoarele ce folosesc vederi multiple inca nu si-au castigat succesul comercial, si au fost restranse in primul rand domeniului de cercetare. Totusi, ele necesita o latime de banda mai mica decat monitoarele holografice, deci ele pot fi solutia temporara cea mai de dorit pentru vederea 3D comfortabila.

Universitatea din Tokyo

Universitatea de Agricultura din Tokyo si Departamentul de Tehnologie si Inginerie Electrica si Electronica a produs cel mai impreionant monitor cu vederi multiple, care consta in 64 LCD-uri QVGA separate (320x240 pixeli) care opereaza simultan, fiecare vizibil dintr-o directie diferita. In majoritatea sistemelor de proiectie multipla, granita dintre vederi este setata de distanta dintre opririle lentilelor de proiectie adiacente. Aceasta face dificil sa se evite discontinuitatea dintre vederi, ceea ce ii distrage pe privitori [3]. Echipa Universtitatii din Tokyo a evitat aceasta problema prin plasarea LCD-ului lor la inaltimi diferite si proiectarea unei matrici de lentile de proiectie in forma de fagure. Un difuzor mono-dimensional creste gradientul vertical al fiecarui pixel de iesire astfel incat sa existe o variatie comfortabila in inaltimea de la care toate vederele pot fi observate. Acest sistem ofera o cantitate de informatie destul de satisfacatoare asupra paralaxei, insa costul de fabricatie a celor 64 de monitoare separate pentru fiecare sistem ii scade viabilitatea comerciala.

Universitatea Cambridge

Monitoarele cu vedere secventiala ale Universitatii Cambridge au fost dezvoltate prin implementarea principiului de multiplexare a timpului cu un modulator optic rapid, obturatoare active, si optica de proiectie. Informatia secventiala este multiplexata unghiular prin restrictionarea pupilei unui sistem de proiectie in conjunctie cu imaginea care este redata pe modulator. In sistemele originale, obturatoarele feroelectrice proiectate individual si CRT-urile au fost dezvoltate. Imagini color cu 26 imagini actualizate la 50Hz [2] si imagini mari de 50" au fost demonstrate. Sistemele cu vedere secventiala prezinta avantajul de a folosi un singur modulator, ce este mult mai realizabil din punct de vedere economic, decat celelalte sisteme cu vederi multiple. Ele de asemenea ofera zone de vedere care se invecineaza unele cu altele, care reprezinta un subiect dificil pentru alte monitoare cu vederi multiple [3]. Totusi, ei necesita optica de proiectie mare care limiteaza campul de vedere. Ei de asemenea disperseaza destul de multa lumina datorita obturatorului activ, ce creste pe masura ce mai multe vederi sunt incluse in sistem.

Analize teoretice si rezultate experimentale

4.1 Analiza imaginii 3D

Analiza monitoarelor cu vederi multiple poate fi abordata in doua moduri diferite. Ambele metode incearca sa caracterizeze adancimea maxima pe care un monitor poate sa o afiseze cu acuratete pe baza numarului de pixeli si de vederi, si marimea monitorului, pixelului, si zonelor de vizualizare.

4.1.1 Analiza geometrica

Adancimea maxima Z_max pe care un monitor cu vederi multiple este capabil sa o transmita poate fi derivata considerand un punt pe care monitorul incearca sa il focalizeze in fata ecranului. Z_max ar trebui sa fie astfel incat o deplasare a pozitiei de vedere va cauza o tranzitie a pixelilor invecinati de la proiectia acelui punt de la ochi pe ecranul de afisare (vezi figura 4.2).  

Daca punctele care sunt mai adanci decat Z_max sunt afisate pe monitor, atunci exista o discontinuitate intre imaginile pe care privitorul le observa cand se face tranzitia de la o zona de vedere la urmatoarea (vezi figura 4.3). Aceasta hotaraste ca adancimea maxima pe care un monitor cu vederi multiple il poate afisa va fi:

Figura 4.2: Prin triunghiuri similare, adancimea maxima Z_maz pe care un monitor cu vederi multiple poate sa o transmita este determinata prin constrangerea acelor proiectii ale punctului pe ecranul de afisare in jurul fiecareie cand sunt privite din zone de vedere adiacente.

sau

deoarece noi am ales ca latimea zonei noastre de vedere W_{zona de vedere} sa aiba aceeasi marime ca latimea monitorului nostrum W_monitor. Pentru monitorul cu vederi secventiale in discutie, sunt relevante urmatoarele cantitati:

D_vedere = 125 cm

W_{zona de vedere} = 30cm

N_slit = 1.9 cm

W_monitorr = 30cm

N_film,x = 800

W_pix = 375μm

Z_maz = 45 cm

Figura 4.3: Daca restrictiile din Figura 4.2 nu sunt indeplinite, atunci pozitia punctului apare sa sara de la o pozitie la urmatoarea, cand privitorii se deplaseaza intre zone de vedere adiacente.

4.1.2 Analiza Fourier

Aceasta sectiune incearca sa dezvolte rezultatele sectiunii anterioare prin introducerea analizei continutului frecventei spatiale in imagini.

Marimea pupilei limitata de difractie

Pe masura ce marimile pixelului se apropie de lumgimea de unda a luminii, ei nu mai moduleaza doar amplitudinea luminii. Marginile pixelilor foarte mici cauzeaza difractia care limiteaza divergenta minima a razelor care emaneaza dintr-un SLM [22]. Aceasta limiteaza separarea unghiulara intre vederile adiacente conform relatiei:

Daca aceasta conditie nu este atinsa, atunci vederile adiacente vor fi vizibile indiferent de pozitia de vedere. Lucrul aceste nu are o anumita importanta pentru monitoarele prototip, unde numarul de vederi trebuie sa fie compromis pentru a se obtine un unghi de vedere suficient.

Filtrare, limitare de banda si antialising

La o prima privire, cantitatea Z_max ar aparea nesperat de mica, si intr-adevar, ea indica faptul ca monitorul nostru, pentru a umple cu exactitate un cub a carui adancime este egala cu latimea sa, atunci numarul de zone de vedere prezente trebuie sa fie egal cu numarul de pixeli. Lucrul acesta este tipic considerat ca fiind cantitatea esantion optima, desi in unele cazuri, exista mai multe restrictii la aceasta cantitate. Este intuitiv sa consideram ca aceeasi cantitate de informatie trebuie sa fie folosita pentru a genera un afisaj volumetric de aceeasi marime, si intr-adevar, acest numar poate fi reprezentat de Produsul Spatiu-Latime de banda (Space-Bandwidth Product - SBP) al sistemului.

Ceea ce nu este acceptat in mod general, este faptul ca este posibil sa se reprezinte imagini cu adancime mai mare de Z_max prin aplicarea tehnicii de filtrare a imaginilor 2D care sunt afisate pe un sistem cu vederi multiple [9]. Fraza anterioara califica proprietatea ca Z_max nu este intotdeauna dependent de continutul informatiei unui monitor. O tehnica de filtrare sau limitare de banda a infomatiei de paralaxa poate sa aiba ca rezultat in imagini mai adanci, cu sacrificiul reducerii rezolutiei. Figura 4.4 demonstreaza cum are loc acest proces. Frecventa spatiala (marimea sa W_3D) a unui pixel 3D este marita pentru a se potrivi cu etalonul informatiei de paralaxa corespunzatoare

Figura 4.4: Daca se indeplinesc conditiile de limitare de banda corecte, atunci extinderea spatiala a imaginii va creste caci punctele sunt reprezentate mai indepartat decat ecranul de afisare. Efectul este similar cu adancimea campului la camerele de filmat. Procesul de filtrare asigura ca imaginile de la vederi adiacente sa se invecineze unele cu altele pe ecranul de afisare. 

Este posibil sa analizam largimea optima a fantei considerand fanta ca o deschidere de limitare, si gasind Functia de Transfer Optic (Optical Transfer Function - OTF) a imaginii pe care ochiul o proiecteaza pe retina. Exista o eroare de faza in imaginea pe care un privitor o observa ce reprezinta diferenta dintre raza curbei unui punct pe monitor si un punt 3D destinat. Aceasta eroare este analoaga unei erori de focalizare, si poate fi analizata in termenii cantitatilor D_vedere, D_3D, si W_pupila. St. Hilaire deriva OTF-ul in referinta [10], cu urmatorul rezultat:

(4.4)

Unde (4.5)

Pentru aceasta ecuatie, Λ(x) este functia de trei, si sinc este definit prin sinc(x) = sin(πx)/πx. Ecuatia se reduce la o functie de trei cu latime de banda Δf_x = 2f₀ cand D_vedere = D_3D si puntul 3D este pe ecranul de afisare. OTF scade pe masura ce "eroarea de focusare" creste iar punctele din fata sau din spatele ecranului sunt prezentate. Efectul este similar unui filtru de trecere usoara desi prezinta un comportament mult mai complicat pentru erori mari.

Figura 4.5: Imaginea demonstreaza scaderea OTF pentru imagini cu adancimi diferite unde pupila ochilui (3mm) este luata ca fiind deschiderea limita.

Aceasta analiza expune simplu ca fiecare punct din fiecare vedere 2D trebuie sa fie facut sa arate a si cand ar fi "in afara focalizarii" la suprafata ecranului daca nu este menit sa apara acolo prin monitorul 3D. Pentru a dispune corect punctele la diferite adancimi, toate punctele trebuie sa fie filtrate prin ecuatia 4.4 pentru valorile corespunzatoare. Aceasta filtrare are acelasi efect ca si interpretarea geometrica prescrisa: punctele afisate mai departe de suprafata de afisare trebuie sa ocupe o portiune mai larga din acea suprafata. Figura 4.9 prezinta o comparatie a PSF cu diferite erori de focalizare pentru ochi, 5 camere obscure nefiltrate, si 5 camere obsure filtrate. Din acest grafic este evident ca activitatea de filtrare se potriveste cu efectul intentionat mult mai aproape decat fara filtrare.

Aceasta analiza este in particular importanta afisarii imaginilor CG care sunt redate printr-o camera obscura, si in felul acesta au o infinitate de PSF-uri inguste. Cand imaginile diafragmei obturatorului sunt mai mici decat pupila ochiului, diafragmele efectueaza limitarea de banda corecta a imaginii 2D prin intermediul ecuatiei 4.4. Aceasta inseamna ca functia Punct-Intins (Point Spread) pentru fiecare fanta va fi destul de larga pentru a asigura ca imaginile vederilor adiacente se invecineaza unele cu altele pe ecranul de afisare. Cand diafragmele sunt mai largi decat pupila ochiului, ochiul devine deschiderea de limitare pentru sistem. Consecinta acestui lucru este faptul ca fiecare imagine 2D nu este proiectata prin deschiderea de limitare de banda corespunzatoare. Imaginea afisata pe ecran trebuie prin urmare sa fie pre-filtrata cu ecuatia 4.4 pentru W_pupila = W_diafragma pentru a potrivi in mod corect proprietatile de afisare ale ecranului. Aceasta este demonstrata in Figurile 4.6-8, unde o singura linie verticala este inregistrata de catre camerele obscure, apoi filtrata cu OTF-ul corespunzator.

Figura 4.6: Imaginea de sus este o poza facuta cu camera obscura a unei linii verticale intentionata sa fie proiectata in fata ecranului de afisare. Urmatoarele imagini prezinta in ordine, continutul frecventei acestei imagini, OTF-ul corespunzator pentru un sistem, si produsul acestor doua cantitati. Ultima imagine prezinta intinderea corespunzatoare care va avea loc.

Au fost explorate doua tehnici de filtrare a imaginilor vizuale de grafica pe calculator care sunt prezentate in Figura 4.10. In prima tehnica, adancimea maxima Z_max a unui obiect 3D este folosita pentru a calcula OTF-ul din ecuatia 4.4, apoi fiecare imagine este filtrata cu acea ecuatie. Rezultatul este ca dimensiunea orizontala maxima pentru puncte la toate adancimile este restrictionata la latimea puntelor la Z_max. Metoda alternativa este mult mai costisitoare din punct de vedere al calculelor necesare, dar permite punctelor cu latime mai mica sa fie afisate in puncte mai apropiate de ecranul de afisare. In aceasta imagine, o succesiune de imagini de-alungul fiecarei diafragme sunt unite pentru a crea o singura imagine care va fi proiectata. Numarul de imagini pentru fiecare diafragma este ales astfel incat punctele de la Z_maxsunt proiectate pe ecranul de afisare fara discontinuitati. O a treia metoda de filtrare posibila este sa se medieze MTF-ul corespunzator cu fiecare varf a unui obiect 3D in timp ce se redau imagini astfel incat se proiecteaza la marimea corespunzatoare pe ecranul de afisare. Aceasta metoda nu a fost implementata, dar ar trebui sa ofere timpi de generare de imagini cu mult mai rapizi.

Figura 4.7. Cele doua imagini de sus demonstreaza deplasarea din doua vederi de perspectiva a unei linii verticale menita sa pluteasca in fata monitorului. Urmatoarele doua imagini prezinta cum imaginile se alatura unele de altele dupa ce au fost filtrate corespunzator cu ecuatia 4.4.

Figura 4.8: Imaginea de sus prezinta cinci imagini suprapuse care sunt luate din proiectiile unei camere obscure a unei linii verticale menite sa apara la 100mm in fata monitorului. Aceasta imagine demonstreaza ca PSF-ul net de la toate vederile nu este etalonat corect. Urmatoarele imagini arata continutul frecventei fiecarei imagini, si OTF-ul corespunzator pentru sistem. Ultima imagine demonstreaza ca dupa filtrare, PSF-ul este etalonat corect si umple ecranul de afisare fara discontinuitati.

Figura 4.9: Imaginea de sus prezinta PSF-ul pentru diferite adancimi unde ochiul este deschiderea de limita.. Urmatoarea imagine prezinta etalonarea MTF de la un sistem cu 5 vederi cu aceeasi parametri ca cei din aceasta teza. Urmatorul exemplu prezinta imaginea precedenta filtrata folosind OTF-ul corespunzator dat de ecuatia 4.4 si prezinta o asemanare mult mai mare cu prima imagine.

Figura 4.10: Imaginile din stanga sunt redari folosind grafica pe calculator a unei cutii a carei baza atinge ecranul de afisare, cu adancimea de 350mm. Imaginile din mijloc prezinta tehnica de filtrare iar imaginile din extrema dreapta prezinta tehnica medierei.

4.2 Calitatea imaginii demonstrate

Monitorul produce imagini 3D foarte satisfacatoare, avand calitatea exceptionala a imaginii 2D. Adancimea culorii imaginilor este remarcabila, si imaginile sunt chiar luminoase. Monitorul are o luminozitate de 40cd/m² si un contrast de aproximativ 60:1. Figura 4.11 demonstreaza detaliile si culorile de care este capabil monitorul. Imaginile cu o adancime de 350cm au fost demonstrate folosind tehnica de filtrare descrisa mai devreme in acest capitol.

Figura 4.11: Doua imagini care nu au fost filtrate. Imaginile au fost capturate de o camera a carei pupila a fost plasata intr-o singura diafragma.

4.3 Geometrie experimentala

Defectul cel mai mare al monitorului este unghiul de vedere limitat pe care il permite, ceea ce este mai ales frustrant pentru un grup de privitori care trebuie sa isi astepte randul pentru a arunca o privire pe ecran. Adesea, lucrul acesta reduce entuziasmul, si monitorul este perceput ca fiind mai putin impresionant. El are o valoare mai scazuta decat monitoarele cu vederi multiple, deoarece ii lipseste cea mai importanta caracteristica a acestora, si anume sa permita mai multor privitori sa priveasca ecranul in acelasi timp.

Din acest motiv, abordarea Ultragram [17] a imaginii 3D a fost experimentata. Aceasta tehnica a fost proiectata pentru a permite zone de vedere mai mari pentru stereogramele holografice permitand astfel privitorilor sa observe imaginile de la distante diferite de distantele proiectate ale diafragmei. Distorsiunile specifice sunt calculate in baze diafragmei relative si a distantelor observatorilor. Aceasa tehnica este usor de implementat, si noi am folosit-o pentru a permite privitorilor sa observe monitorul nostru de mult mai din spate decat imaginea obturatorului la monitorul nostru. Aceasta a permis vederea corecta a imaginilor cu o largime de vedere mai mare, desi unghiul de vedere a ramas la fel.

Capitolul 5

Concluzii

5.1 Discutie despre restrictiile de marime ale sistemului

Monitorul care a fost prezentat are marele dezavantaj de a fi mare, din punct de vedere fizic. In timpul cand monitoarele cu panou plat sunt extrem de populare, se apare o intrebare aproape natural: Cum il facem mai mic? Sistemului care este prezentat, cu siguranta ca i se poate reduce marimea prin unii factori, posibil chair si un ordin de marime, dar exista anumite restrictii ale sistemului care nu pot fi depasite.

Marimea lentilei de proiectie este de o importanta critica sistemului, deoarece ea determina unghiul maxim de vedere care poate fi atins. Lentila trebuie sa aiba o Deschidere Numerica foarte mare (Numerical Aperture - NA) daca urmeaza sa fie plasata destul de aproape de planul lentilei, ca sa ofere un unghi de vedere rezonabil. In general, o astfel de lentila va fi scumpa, si probabil va consta dintr-o combinatie de cateva lentile, crescand astfel marimea sistemului. In mod tipic, amplificarea lentilei obiectiv trebuie sa fie mai mare decat 4 deoarece SLM-urile sunt construite in mod curent foarte mici. Pentru ca imaginea sa fie amplificata, ea trebuie sa fie plasata la mai mult de doua ori distanta focala de la lentila obiectiv.

Figura 5.1:Exista o limita fundamentala setata unghiului de vedere θ_vedere care este setat de catre deschiderea numerica a lentilei obiectiv. Distanta focala a lentilei obiectiv este desemnata f₁ si distanta focala a campului lentilei este desemnat f

Exista doue restrictii care limiteaza unghiul de vedere al acestui tip de sistem:

Deschiderea numerica a lentilei obiectiv trebuie sa fie mai mare decat unu

Lentila obiectiv trebuie sa mareasca imagiea SLM-ului

Prin aproximare paraxiala, amplificarea pentru campul lentilei este:

(5.1 )

Unghiul conului de raze care converge din lentila obiectiv care focalizeaza imaginea SLM seteaza unghiul de vedere al monitorului. In regim paraxial, aceasta inseamna ca raportul W_pupila/D_sep defineste unghiul de vedere. Amplificarea pentru lentila obiectiv este:

(5.2)

Unde NA₁ = D_im/W_pupil

Rearanjandu-le avem:

(5.3)

Aceasta impreuna cu inegalitatile M₁≥4 si NA₁   ≥ 1 si relatia

da rezultatul:

(5.4)

Rezultatele acestei analize demonstreaza ca este fara sperante sa se foloseasca microdiplay-uri cu aceasta tehnica pentru ca amplificarea imaginii SLM pune o foarte mare restrictie pe unghiul de vedere al monitorului. Intr-adevar, monitorul nostrum a avut doar un unghi de vedere de θ_vedere = 13.8^o. Sistemul initial construit de Universitatea Cambridge nu avea nevoie de amplificare deoarece CRT-urile folosite erau foarte mari, si in felul acesta au putut si obtinute zone de vedere mai mari. In orice caz, daca o zona de vedere este foarte mare, ea va viola regimul paraxial si va cauza distorsiuni pozitiei de vedere care sunt cu mult inafara axelor. Alte tehnici pentru monitoare cu vederi multiple pe baza de proiectie precum a descris Travis in [5] vor fi dezvoltate in cazul in care aceste monitoare urmeaza sa aiba succes.

Initial, s-a considerat ca unul din avantajele folosirii DMD-urilor in locul CRT-urilor a fost sa se asigure ca rezolutia minima a ochiului sa fie indeplinita. Monitorul nostru cu vederi secventiale avea o marime a pixelului de .375mm, ceea ce se potriveste rezolutiei minime a ochiului la o distanta de vedere de 430mm. Li se asigura privitorilor ca aceasta conditie este indeplinita, si ca discontinuitatile in imaginea observata sunt evitate. Privind in retrospectiva, eu consider ca aceasta este o pierdere de latime de banda. Eu consider ca ar fi un avantaj mult mai mare de a avea pixeli mai putini si mai largi si sa se foloseasca latimea de banda suplimentara pentru etalonarea paralaxei astfel incat imaginile mai adanci sa poata fi afisate.

In acest sens, acest monitor nu ofera imbunatatiri ale restrictiilor de marime ale monitoarelor cu vederi secventiale. Aparatele de generare de pixeli mai mici au fost implementate cu succes, dar restrictiile de marime inerente sistemului nu au fost depasite. Intr-adevar, o versiune imbunatatita a sistemului ar putea utiliza un difuzor de imagine mai mare, reducand amplificarea necesara lentilei obiectiv. Un astfel de sistem ar putea avea un unghi de vedere mult mai mare dar va creste marimea sistemului si mai mult decat era inainte, la versiunile anterioare. Succesul monitorului este in demonstrarea unei latimi de banda mai mare cu luminozitate mult mai mare. Aceste atribute sunt destul de importante pentru a garanta investigatiile ulterioare, si sa fie implementat in urmatoarele sistme care sa reduca cu success marimea sistemului.

5.2 Optica

Este opinia autorilor ca monitoare mult mai puternice ar putea fi contruite prin eliminarea releului optic care este folosit la sistemul curent. Daca ar fi disponibile modulatoarele transmisive destul de rapide, sistemul descris in Figura 5.2 ar putea fi construit. Totusi, o variatie a acestuia ar putea fi constrita, care sa foloseasca valva de lumina OASLM si WedgeT. Un astfel de sistem ar elimina necesitatea lentilei de proiectie mare, introducand flexibilitatea scalarii si zonei de vedere marita. Ar putea de asemenea sa construiasca un sistem care sa nu ia mai mult spatiu decat un monitor cu panou plat, deoarece un motor de proiectie mic ar putea fi folosit pentru a scrie pe OASLM si iluminarea pe deasupra ar putea fi folosita pentru a citi de pe el. Sistemul se bazeaza pe surse puternice corespunzatoare astfel incat fiecare zona de vedere va avea luminozitatea corespunzatoare, dar avansul pe care l-au luat LED luminos pare sa indice ca aceste dezvoltari se vor intampla curand. Ar fi de asemenea posibil sa se foloseasca obturatoare FLCD difuze ca surse de schimbare rapida, dar LED poate fi adaptat si atunci monitoarele ar putea fi construite la un pret mult mai redus. Monitorul ar putea fi de asemenea usor de adaptat pentru abordarile pentru multiple vederi/ holovideo care sunt descrise in detaliu in Referinta [22]. Universitatea Cambridge a demonstrat principiul unui astfel de monitor, si cea mai mare provocare pe care sistemul o infrunta este fabricarea unui OASLM suficient de larg ca sa produca ecrane de afisare rezonabil de largi.

Figura 5.2: Un sistem de vedere secvential ideal foloseste doar un SLM rapid, o lentila, si cateva surse de lumina care sunt sincronizate cu SLM. Monitorul prezinta o imagine de perspectiva diferita pentru fiecare sursa de lumina, si intreaga succesiune de perechi de sursa de lumina/imagine este actualizata in 1/15-me de secunda.

5.3 Motor de rasterizare

Cea mai interesanta provocare cu care monitoarele cu vederi secventiale se confrunta este dezvoltarea unui motor de rasterizare si de procesare grafica destul de rapid care sa administreze transformarile cu vedere simpla care sunt necesare pentru a genera succesiunea de imagini care trebuie sa fie afisate. Procesoarele grafice curente sunt la fel de rapide precum un CPU, si daca unul poate fi adaptat sa alimenteze framebuffer-ul direct, de unde citeste un motor de proiectie, atunci imaginile pot fi actualizate in timp real. Ca exemplu, considerati motorul de rasterizare proiectat de Actuality Systems, care alimenteaza framebuffer-ul prin 3Gb/sec bus. Monitorul contine 100milioane voxeli la 3bits/voxel, ceea ce inseama ca un nou set de date poate fi dezvoltat pentru un monitor cu vedere secventiala care permite interactia in timp real cu modele 3D, crescand foarte mult functionalitatea monitorului.

Figura 5.3: Un nou tip de sistem cu secvente de vedere ar putea folosi un microdiplay precum SLM, un OASLM, si cateva surse de lumina care sunt sincronizate cu SLM. Acest model a fost demonstrate la Cambridge University si s-ar putea dovedi sa fie cea mai desirabila tehnica pentru monitoarele cu vederi successive. Modelul ofera posibilitatea pentru monitoare mai mari si aparate de proiectie mici, dar OASLMs destul de mari sunt inca nedisponibile.

Bibliografie

[1] Shigeyuki Baba Akira Shirakura, Nobuhiro Kihara. Instant holographic portrait printing system

Proc. SPIE, pages 3293-35, 1998

[2] A.R.L. Travis, John R. Moore, Neil A. Dodgeson, Stewart R. Lang Time-multiplexed color

autostereoscopic display. SPIE Proceedings 2653, February 1996

[3] A.R.L. Travis, Nathan Marston. 3D displays with wide fields of view

[4] Stephen A. Benton. Experiments in holographic video imaging. SPIE Holography, IS 8:247-

267, 1991

[5] C.H. Chen, A.R.L Travis. Wide Field of View Optics for Flat Panel 3D displays. Society for

Information Displays, 1999

[6] Chris Slinger, Bob Bannister, Colin Cameron, Stuart Coomber, Ian Cresswell, Peter Hallett,

John Hughes, Victor Hui, Cli Jones, Richard Miller, Vikki Minter, Doug Pain, Dave

Scattergood, David Sheerin Mark Smith, Maurice Stanley. Progress and prospects for practical electro-holographic display systems. SPIE Conference on Pracrical Holography XV, (4296A-03), January 2001

[7] Evans and Sutherland. https://www.es.com

[8] G. Favalora, J. Napoli, D.M. Hall, R.K. Dorvalm M.G. Giovinco, M.J Richmond, W.S.

Chun. 100 million-voxel volumetric display. AeroSense 2002 -for Cockpit Displays IX: Displays for Defense Applications, 2002

[9] Michael W. Halle. Holographic stereograms as discreet imaging systems SPIE Proceedings

2176 "Practical Holography VIII", February 1994

[10] Pierre St. Hilaire. Modulation transfer function and optimum sampling of holographic

stereograms. Applied Optics, 33(5), February 1994

[11] Pierre St. Hilaire. Scalable Optical Architectures for Electronic Holog raphy. PhD

thesis, MIT Media Lab, 1994

[12] Stanley Seokjong Hong. Surface acoustic wave optical modualtion. Master's thesis, MIT, 2001.

[13] Zebra Imaging. https://www.zebraimaging.com

[14] K. Perlin, S. Paxia, J. Kollin, D. Kristjansson, C. Poultney. Recent Advances in the NYU

Autostereoscopic Display. SIGGRAPH 2000 Conference Proceedings, 33(3), 2000

[15] K. Perlin, S. Paxia, J. Kollin, D. Kristjansson, C. Poultney. An Autostereoscopic Display. SPIE

Proceedings, 4297, January 2001

[16] Liti3D. https://www.Liti3D.com

[17] Michael W. Halle, Stephen A. Benton, Michael A. Klug, John S. Under ko er. The Ultragram:

A Generalized Holographic Stereogram. SPIE Proceedings 1461 "Practical Holography V", February 1991

[18] N. A. Dodgson, J. R. Moore, S. R. Lang, G. Martin, P. Canepa. A 50 time-multiplexed

autostereoscopic display. SPIE Proceedings, "Stereo scopic Displays and Applications XI", 3957, January 200

[19] StereoGraphics Corporation White Papers. Synthagram handbook February 2003

[20] Elroy Pearson. Mems spatial light modulator for holographic displays Master's thesis, MIT

Media Lab, 2001

[21] Sharp Press Release, March 2003. https://sharpworld.com/corporate/news/030304.html

[22] A.R.L. Travis. The Three-Dimensional Display of Video Images. Pro ceedings of the IEEE,

85(11), November 1997