Новый дисплей извлекает объём из кажущегося хаоса
Учёные из Массачусетского технологического института построили 3D-дисплей, не требующий очков для просмотра. Его главные отличия от предшественников — широкий угол обзора, при котором сохраняется стереоэффект, причём не только по горизонтали, но и по вертикали, а также высокие яркость и разрешение.
Новинка называется HR3D. Это развитие экранов с параллаксным барьером (обычно — набором вертикальных прорезей в маске), который прикрывает от правого и левого глаза пиксели, предназначенные соответственно для левого и правого глаза.
Развитие, впрочем, оказалось столь глубокое, что авторам пришлось пересмотреть базовый принцип создания объёмного изображения, когда выводятся две смешанные картинки с чередующимися точками и существует «разделитель» этих картинок.
В классическом варианте, если вы хотите повысить качество изображения, вам требуется увеличить число одновременно выводимых параллаксных кадров и уплотнить параллаксный барьер. Это снижает количество света, проходящего через него. Яркость падает, и вам остаётся только поднимать мощность фоновой подсветки, что, к примеру, быстро сажает батарею мобильного устройства.
И ещё в такой схеме 3D-эффект работает только при нормальном расположении экрана. Поверните его на 90 градусов, и все стереопары рассыплются. Значит, если мы мечтаем обеспечить работу экрана при любом положении, придётся вводить и второй набор палаллаксных щелей, перпендикулярно первому. Фактически мы получаем маску со множеством крохотных дырочек, через которые до зрителя мало что доходит.
Важно подчеркнуть, что такая маска остаётся фиксированной для любого изображения. Отсюда негативный результат: яркость падает катастрофически, стереоскопический эффект — нестойкий, достоверность передачи изображения — низкая.
Выход из затруднительного положения оказался радикальным — параллаксный барьер сам должен стать жидкокристаллическим экраном. И работать он должен на просвет, да ещё в реальном времени подстраиваться под изображение, выдаваемое основным (нижним) экраном.
Так вместо горизонтальных или вертикальных щелей мы создаём армию произвольно переключаемых затворов-точек, показывающих нам нужные пиксели с нижнего дисплея, вне зависимости от того, с какой стороны мы на него смотрим.
От такой сырой идеи до финального варианта нового 3D остаётся сделать один шаг: пиксели на переднем экране тоже должны быть «переменными» по яркости, а итоговое изображение — комбинацией кадров от двух ЖК-матриц, наложенных друг на друга с некоторым зазором (чтобы с разных точек зрения получались разные суммы лучей). Так и родился, по определению самих авторов изобретения, «параллаксный барьер, адаптирующийся к контенту» (Content Adaptive Parallax Barrier).
Именно его сотворили специалисты из Массачусетского технологического института. Они распотрошили два серийных ЖК-экрана, удалили с матриц ненужные в проекте поляризационные фильтры и дополнительные покрытия, а потом собрали из двух экранов экспериментальный прототип дисплея HR3D.
Очевидно, главная его изюминка — вовсе не «железо», а софт. Для каждого кадра исходного объёмного контента необходимо создать два дополняющих друг друга изображения, которые при наложении создадут иллюзию объёма. Нижняя картинка тут является своего рода зашифрованной основой, а верхняя дешифратором.
В пресс-релизе института сказано, что, начиная работу, её авторы даже не знали, как будет выглядеть «оживший» шаблон для параллаксного барьера, заточенный под конкретный кадр. Выяснилось, что он напоминает собою нижнее изображение, хотя не совпадает с ним.
Построение таких пар требует огромного объёма вычислений. Чтобы на выходе двух складываемых потоков получить желаемое световое поле, приходится вводить понятие «ранг светового поля», заниматься факторизацией неотрицательных матриц и прочими зубодробительными вещами. Читателям же, далёким от математики, достаточно узнать, что обсчёт одного кадра для вывода по системе HR3D занимает до 20 минут машинного времени.
Разумеется, зритель столь долго не ждёт. Речь идёт о предварительном переводе 3D-контента в формат, понимаемый новым дисплеем. При этом ради сочетания приемлемой чёткости и точности линий с яркостью и контрастностью в системе HR3D приходится каждый кадр ещё и дробить на несколько более простых субкадров, выводимых последовательно с высокой частотой (благо исходные ЖК-матрицы, задействованные в эксперименте, физически способны выдавать 120 кадров в секунду).
Программа, обрабатывающая первоначальное изображение, решает задачу оптимизации. Она подбирает пары картинок для верхнего и нижнего ЖК-слоя так, чтобы и качество суммарного изображения было хорошим, и чтобы мелькание кадров было не слишком заметным.
С дисплеем, в котором за разделение двух частей стереопары отвечает жёсткий параллаксный барьер, такой трюк не пройдёт. А ведь результат стоит усилий: при одинаковой мощности задней подсветки HR3D-экран может быть втрое ярче предшественников. Значит, уровень его подсветки можно снизить, а расход энергии — сократить. Для мобильных устройств это очень важно.
В связи с «энергетикой» нужно вспомнить о другом варианте разделения картинок для правого и левого глаза — лентикулярных линзах. Свет они практически не задерживают. Но, будучи приклеенными к экрану, они не могут быть выключенными, в отличие от верхней ЖК-матрицы. Потому со второй устройство легко переводить в 2D-режим с сохранением высокого качества картинки.
Добавьте к этому набору достоинств полный параллакс при смещении зрителя в любом направлении от центра экрана, и вам покажется, что HR3D — идеальная замена существующим дисплеям. Но на деле новинку хвалить пока можно лишь авансом.
Ведь в случае использования такого дисплея в мобильной электронике чуть ли не всю энергию, сэкономленную на подсветке экрана, придётся отдать процессору. Он будет загружен по самое горло обработкой стереокадров. И это серьёзный барьер на пути внедрения адаптирующегося параллаксного барьера.
Прототип дисплея и его создатели (слева направо) Рамеш Раскар (Ramesh Raskar), Дуглас Ланман (Douglas Lanman) и Мэттью Хирш (Matthew Hirsch) (фото Matthew Hirsch).
Изобретатели технологии видят два пути решения проблемы. Либо со временем удастся оптимизировать и упростить математический алгоритм пересчёта картинок, либо для таких экранов потребуется создать специализированные процессоры. Они будут нацелены строго на вычисление объёмных кадров по новой системе и справляться с такой задачей должны гораздо быстрее процессоров «общего назначения», да ещё и с меньшими энергозатратами.
Работа (PDF-документ) по HR3D была представлена в декабре прошлого года на выставке SIGGRAPH Asia 2010. Добавим, что этот оригинальный дисплей — детище научной группы Camera Culture профессора Рамеша Раскара, хорошо известного нашим постоянным читателям по другим головокружительным трюкам со светом — съёмке за углом, шестимерным снимкам и наведению на резкость после съёмки.
Читайте также: Новости Новороссии.