2013. november 14., csütörtök

Térbeli kijelzők

      A térbeli kijelző, vagy volumetrikus megjelenítő egy olyan grafikus megjelenítő, mely különböző (mozgó) objektumok fizikai háromdimenziós megjelenítésére képes, biztosítván a mozgási parallaxist minden irányban. Nem tartoznak ide a speciális kiegészítőket (pl. szemüvegeket) igénylő megjelenítők. Az embernek talán a hologram jut eszébe először, ezen belül is hagyományos fotoemulziós hologram, mely hihetetlen nagy felbontása ellenére is, csak egy hengeres alakra hajlított fotólemez esetén járható teljesen körbe. Ezt követi a digitális hologram, mely már képes a valós idejű digitális rekonstrukcióra, azonban a valós térben történő rekonstrukció még várat magára. A hologramok mind igényelnek egy "ablakot" melyen áttekintve érzékelhetjük csak, a referencianyaláb kölcsönhatását a holografikus ráccsal. Hacsak az ablak nem henger, vagy gömb alakú, a körüljárhatóság korlátozott. A valós idejű képfeldolgozás jelenleg csakis digitális úton lehetséges ami sajnos még nem elég kifinomult ahhoz, hogy utánozni tudja a hagyományos holográfia valósághűségét.


Az alábbi videó Fehéroroszország fővárosában, Minszkben készült egy hologram kiállításon, mely több más ország legérdekesebb hologramjait gyűjtötte össze.





      Másfajta elképzelés például a Holografika cég Holovíziója, mely szintén az ablakhatásra alapozik, azonban a fény nem a betekintési oldalról érkezik, hanem épp ellenkezőleg, az ablak túloldaláról, az ablak mögül. Ezek úgy vannak irányítva, hogy találkozzanak egymással, még mielőtt elérnék a képernyő felületét, azt a hatást keltve mintha megjelenített tárgyra verődnének rá vagy éppen arról verődnének vissza. A kép teljesen valósághű, de csak 50-70 fokos mozgási parallaxist biztosít.


Az alábbi videó a Holovízió nevű megjelenítőről készült:




      Egy tárgy akkor járható körbe, ha a fény minden szögből visszaverődik róla a szemünkbe. Ez csak akkor lehetséges ha minden szögből meg is van világítva, nem pedig csak hátulról vagy csak elölről. Mivel a megjelenített kép nem valós, ezért nincs is miről visszaverődjön, tehát a virtuális tárgynak magának kell fényt sugároznia. Ez bár nem lehetséges, de megfelelő fénytörésekkel azt az illúziót lehet kelteni, mintha valóban a tárgy bocsátaná ki, pontosabban róla tükröződnének vissza a fénysugarak. A hologram és a Holovízió is ezen az elven működik. Az egyetlen megoldás talán, mely nem a fénysugarak kereszteződése révén alakítja ki a tárgy képét, a gázok ionizálásán alapuló módszer. A lézerfénnyel gerjesztett hidrogén és oxigén a levegőben látványos fényjátékot okoz, ám ha fókuszáljuk a lézerfényt, szabályozhatjuk az ionizációk koordinátáit. A lézerfény gyors és stabil fókuszálása sajnos nem könnyű feladat, ráadásul nagy teljesítményű lézerekre van szükség, hogy a levegőben lévő atomoktól elszakítsa az elektronokat, ami miatt nagyon veszélyes az egész szerkezet.


Az alábbi videó a plazma-megjelenítőről készült :




      A Sony cég volumetrikus kijelzője LED-ekre alapszik. Három darab 120 fokos betekintési szöget lehetővé tévő képernyőből áll. Akár a Holovíziónál, itt is különböző színű LED-ek fényei keresztezik egymást (piros, zöld és kék) egyazon pontban, ellentétben a hagyományos LED-es kijelzőnél, ahol egy LED egyszerre csak egy színt képes kibocsátani a három közül. Emiatt a felbontás úgymond megnő a szabad szem számára, hisz a fénysugarak fókuszálásával a pixelek közti rések átfedődnek.

 

Az alábbi videó a erről a találmányról készült:



      Egy másik megoldás az emberi szem lassúságát használja fel, ami fényerőtől függően, 20-30 egymást követő képet nem képes elválasztani egymástól egy másodperc alatt, álló/mozgó képnek véli. Ha elég gyorsan tudunk minden irányba képeket vetíteni a tárgy megfelelő oldalairól, a szemünk egy álló háromdimenziós tárgyat fog érzékelni. A bejegyzés erről a módszerről fog szólni.


Az alábbi videó a forgótükrös megjelenítőről készült:




      A kijelzőrendszer egy 45 fokban megdőlt forgó tükörből áll, melyet egy anizotrop holografikus diffúzor fed, egy léptetőmotor hajt és egy nagy sebességű videóprojektor vetíti rá a képet, melyet egy hétköznapi számítógép vezérel. A számítógép grafikus kártyájának DVI kimenete (pl. nVIDIA GeForce 8800) egy FPGA alapú képdekóderrel van a projektorhoz csatlakoztatva.

Nagy sebességű projektor

      A hagyományosnál nagyobb sebesség eléréséhez a tervezők a projektorba DLP kártyát egy FPGA áramkörrel egészítették ki. Ezt úgy programozták fel, hogy dekódolja a számítógéptől érkező standard DVI jeleket. A színes kép megjelenítése helyett az FPGA algoritmusa mindenik 24 bitű képet külön színképekre bontja (mindenik bithez egy kép) és ezeket egymás után jeleníti meg.


Így, ha a digitális jel 60Hz-en jön, akkor az nem 60 kép lesz másodpercenként, hanem 60x24=1440 kép. Még nagyobb sebesség eléréséhez a videó kártya frissítését 180-240Hz-re is állíthatjuk. 200Hz-en már 4800 bináris képet kapunk másodpercenként. A tárgynak minden oldaláról folyamatosan érkeznek a 24 bites képek, melyeket az FPGA feldolgoz.

 Forgó tükör

      A projektorról érkező kép egy tükörre integrált anizotrop (irányfüggő) holografikus diffúzorba érkezik, majd a tükörről minden egyes pixel egy szűkebb nézőtartományba verődik vissza. Ezen tartomány szélessége és magassága a diffúzortól függ. A projektben használt diffúzor relatív karakterisztikája x és y között megközelítőleg 1:200 volt. Vízszintes irányban elég erős a tükröződés ahhoz, hogy fennmaradjon egy 1.25 fokos nézet elkülönítés. Függőleges irányban a tükör széles tartományba szór, tehát bármilyen magasból látható lesz az objektum.


A fenti képen a tükörrendszer anizotrop reflexiós jellemzőit mutatja. Függőleges dimenzióban (y) diffúzál, vízszintes dimenzióban (x) pedig élesen tükröz. Az ábra bal oldalán egy lézer sugár valamint a projektorból érkező függőleges sugár látható amint visszatükröződik a holografikus diffúzorról. Mindhárom kép szélessége 4 fok. A legalsó kép azt az ideális bilineáris interpolációszórást mutatja, melynek sugara megegyezik az 1.25 fokos képelválasztással. Az ábra jobb oldalán a bal oldali képek vízszintes intenzitásainak grafikonja látható. A pontozott piros vonal a lézer, a kék folytonos vonal a projektor, a szaggatott fekete vonal pedig a bilineáris interpolációs függvény.
      A vízszintesen tükröződő sugarak egy bilineáris interpolációt közelítenek meg a szomszédos nézőtartományokkal. A tükör mozgása további elmosódottságot visz a képbe, ami javítja a féltónusú képek reprodukcióit de ezzel rontja a szögfelbontást. A tükröt egy szénszálas panel tartja 45 fokban, mely egy alumínium lendkerékhez van erősítve. A lendkerék a képfrissítési sebességgel szinkronban forog. Használható két egymásnak döntött tükör is, ami így sokkal kiegyensúlyozottabb és akár többszínű képek is megjeleníthetők vele. Mivel a képváltási frekvencia konstans és nem lehet finomhangolni menet közben az egész rendszer ezen a frissítési sebességen alapszik, erre kell rászinkronizálódjon a forgó motor is, ezért az FPGA tárolja az értéket, hogy közölhesse az "okos motorral" (Animatics SM3420D), mely a tükröt forgatja. Amint a tükör 20fordulat/másodperces sebességre gyorsul, az emberi szem egy lebegő tárgyat vél felfedezni a forgási tengelyen.

Függőleges parallaxis

      A projektor és a forgó tükör csupán vízszintes parallaxist nyújt, a kép perspektívája nem változik megfelelően, ha a megfigyelő függőlegesen vagy előre-hátra mozog. A projekciós algoritmusnak figyelembe kell vegye a megfigyelő magasságát és távolságát, hogy a megfelelő perspektívát nyújtsa, amennyiben csak vízszintes parallaxisra van szükség. Ez megadható konstans paraméterként (ha például egy konferencia teremben vagyunk, kerek asztalnál), de megoldható az is, hogy a rendszer figyelemmel kísérje a megfigyelőt és annak távolsága és magassága alapján szabályozza ezt a két paramétert. A tervezők a Polhemus Patriot elektromágneses nyomkövető rendszert használták, ahol a megfigyelőnél kell legyen a szenzor, ami érzékeli a két paramétert. Ez a vízszintes parallaxison is javít, kijavítja azt az 1.25 fokos alig észrevehető szaggatást is. A szenzor függőleges irányú elmozdulása a magassági paramétereken változtat, több szenzor, azaz több megfigyelő esetén az algoritmus átlagértéket számol, hogy egy megfigyelő nézőpontja ne rontsa a többiek elé vetített perspektívát. Hogy ne kelljen a megfigyelő folyton szenzort hordozzon (fejmagasságban), használható egy arcfelismerő, pontosabban egy szemfelismerő program, mely beazonosítja az emberfejet és két szem pozícióját. Ez esetben szükséges a rendszert ellátni egy-egy kamerával minden oldalról.

Színes megjelenítés

      Színes képek megjelenítéséhez a legegyszerűbb módszer egy három chipes DMD (Digital Micromirror Device) projektor alkalmazása. A tervezők emellett két egymásnak döntött tükörre cserélték az előző tükröt, melyeken a diffúzor és tükör felülete közé még egy színszűrőt is helyeztek, amely megakadályozza, hogy a tükör mindenféle színárnyalatot visszatükrözzön. Az egyik tükörre egy Lee#131 cián szűrőt, a másikra pedig egy Lee#020 narancssárga szűrőt szereltek elvágván a szabad szemmel látható elektromágneses spektrumot rövid és hosszú hullámhosszra. A lineáris RGB vektort erre a két felületve vetítve, képek RGB színei narancssárga-cián színekre konvertálódnak. A színes megjelenítéshez a fénysugarak külön-külön a tükrök közepe felé tartanak, tehát a rendszer kétszer jeleníti a háromdimenziós tárgyat, és mindkét oldalon külön kalibrálja be a perspektívát a nézőpontok alapján. A megjelenített kép hasonlít a kétszínű Kinemacolor mozirendszer képeihez, ahol a kiválasztott szűrők színei szabják meg, hogy melyek a hasznos színek. Mindezek mellett a sátor formájú tükör megduplázza a másodpercenként megjelenített képek számát, lehetővé téve a 40Hz-es szekvenciális színes képfrissítés, mely lényegesebb stabilabb a 20Hz-es fehér-fekete képfrissítésnél.