V článku nájdete informácie o:
- trojrozmernom obraze
- stereoskopickom obraze
- autostereoskopickom obraze
- holovideu
- holografii, holograme
- vytváraní a rekonštrukcii obrazu
Ak patríte k fanúšikom sci-fi filmov, určite ste sa už neraz stretli s
pojmom holografický displej. Človek obzlečený v priliehavom obleku
stlačí ovládacie tlačidlo a zrazu sa pred ním objaví displej, ktorý „vo
vzduchu“ zobrazuje trojrozmerný obraz. A napriek tomu nie je táto
predstava až taká nereálna. Technológiu elektronických interaktívnych
trojrozmerných displejov režiséri obľubujú už dlhšie, ale len nedávno
výskumníci vytvorili prvé skutočné holovideo.
Na väčšine displejových systémov ľudské oko vidí plochý priestor
pozostávajúci z obrazových bodov, pixlov (opísali sme v článku Ako
funguje displej v PC REVUE č. 1/2005). Počítačová grafika je
obmedzená hlavne na rovinné obrazy a premietanie aj kvázi
trojrozmerných obrazov do priestorového sveta bežného displeja. Pod
pojmom trojrozmerný displej (3D displej) budeme rozumieť zariadenie,
pomocou ktorého možno vytvoriť obraz, ktorý človek vníma ako
priestorový. Trojrozmerné displeje sú elektronické zariadenia, ktoré
poskytujú simuláciu trojrozmernosti. Umožňujú pozorovateľovi účinnejší
a presnejší vnem trojrozmerných tvarov pozorovaných objektov a ich
vzájomných priestorových polôh. Pri sledovaní zložitých alebo neznámych
objektov môže pozorovateľ rýchlejšie a presnejšie identifikovať tvar
pozorovaného objektu. Máte radi optické klamy? Určite ste už neraz
dostali e-mail s obrázkom, na ktorom ste nevedeli hneď rozlúštiť, o čo
ide. Autori týchto optických klamov využili práve „neduh“ 2D priestoru,
a to práve horšiu identifikáciu objektov v porovnaní s 3D priestorom.
Podľa spôsobu zobrazenia
trojrozmerných informácií môžeme 3D displeje rozdeliť na:
- stereoskopické – vytvárajú dva uhly pohľadu
trojrozmernej scény: ľavý pohľad na zobrazenú scénu pre ľavé oko a
pravý pre pravé oko; príkladom sú displeje vo forme polarizovaných
okuliarov, napríklad v 3D kinách
- autostereoskopické – zobrazujú ľavé a pravé pohľady
zobrazenej scény bez špeciálnych zobrazovacích prostriedkov; niektoré
poskytujú pohybovú paralaxu ukázaním viacerých než dvoch náhľadov
- holovideo – elektroholografický 3D displej v
reálnom čase
Trojrozmerné kino je už dobre známe, hoci na priestorový zážitok sú
potrebné okuliare. Takzvané stereoskopické riešenia sa pokúšajú
imitovať trojrozmernú skutočnosť tak, že špeciálne okuliare oddeľujú
informácie patriace očiam, čím získame dvakrát viac informácií: obrazy,
ktoré vidíme pravým a ľavým okom oddelene, pričom ľudský mozog z týchto
informácií vytvorí ilúziu 3D obrazu. Ľudské oko však dokáže takéto
informácie vnímať iba určitý čas, a preto aj film v 3D kine nie je
rovnako dlhý ako bežný film (väčšinou trvá menej než jednu hodinu).
Dôvod je jednoduchý – ľudské oko sa časom unaví, prestane vnímať
priestorovosť a obraz „splynie“ do 2D priestoru.
Skutočný trojrozmerný obraz obsahuje niekoľkonásobne viac informácií.
To je dôvod, prečo sa pri stereoskopickom systéme ukryjú niektoré z
detailov, na ktoré sa chceme pozrieť zblízka pohybom hlavy. 3D displeje
dokážu síce vytvoriť trojrozmerný obraz počítačovej grafiky, ale
zlyhávajú pri poskytovaní jednej alebo viacerých vizuálnych simulácií
trojrozmernosti. Hovoríme napríklad o tieňovaní, detailnejšom
zobrazovaní štruktúry či simulácii trojrozmerného pokrytia. Iba
skutočný elektronický holografický displej (holovideo) reálneho času
umožňuje vytvoriť realistický trojrozmerný obraz počítačovej grafiky so
všetkými atribútmi trojrozmernosti.
Holografický trojrozmerný obraz
Holografia je optická zobrazovacia metóda, pomocou ktorej možno
zaznamenať priestorové objekty trojrozmerne na rozdiel od fotografie
alebo záznamu kamerou, kde sú priestorové objekty zaznamenávané len
dvojrozmerne. Na holograme sa nezaznamenáva obraz predmetu, ale
štruktúra svetelnej vlny, ktorá sa odrazila a rozptýlila na predmete.
Na získanie hologramu je potrebné, aby na fotografickú emulziu dopadali
súčasne dva zväzky svetelných lúčov: predmetový (objektový) zväzok,
rozptýlený na predmete (alebo ktorý prešiel priehľadným predmetom),
ktorý nesie informáciu o predmete, a druhý, referenčný (porovnávací)
zväzok vychádzajúci z toho istého zdroja, ktorému nestojí v ceste
žiadna prekážka. Obidva zväzky musia interferovať. Tak sa vytvorí
interferenčný obraz, ktorý sa vyznačuje striedajúcimi sa svetlými a
tmavými prúžkami. Tento interferenčný obraz sa zaznamená na
fotografickú dosku. Takto exponovaná a vyvolaná fotografická doska sa
nazýva hologram.
Pri zázname hologramu z lasera (A) vychádza úzky zväzok lúčov, ktorý sa
na polopriepustnom zrkadle (B) rozdelí na dva zväzky. Predmetový
zväzok (D) je odrazený od zrkadla (E) a usmernený do rozptylnej šošovky
(F) a dopadá na predmet (G), na ktorom sa difúzne odráža k
holografickej platni (H). Druhý zväzok, referenčný (C), vznikne odrazom
od polopriepustného zrkadla (B) a ďalej je odrazený od zrkadla (E) a
potom usmernený do rozptylnej šošovky (F), ktorou je rozšírený a tiež
dopadá na holografickú platňu (H). Výsledné interferenčné pole možno
zaznamenať na holografickú platňu alebo film.
Záznam predmetu na holografickú
platňu:
A – laser, B – polopriepustné
zrkadlo, C – referenčný zväzok lúčov, D – predmetový zväzok lúčov, E –
zrkadlá, F – rozptylné šošovky, G – predmet, H – holografická platňa
Vytvorenie viditeľného obrazu pomocou hologramu nazývame rekonštrukcia
obrazu. Aby sme mohli v priestore vidieť obraz predmetu, musíme
hologram presvietiť referenčným zväzkom lúčov (C) uzavretím
predmetového zväzku uzávierkou (J). Pozorovateľ vidí cez hologram
virtuálny predmet (G) v pôvodnej polohe, pričom ho vidí trojrozmerne
ako v skutočnosti. Na tento predmet možno hľadieť z rôznych smerov ako
cez okno, ktoré je ohraničené rozmermi hologramu. Takéto pozorovanie je
sprevádzané paralaxou, teda ak zmeníme bod pozorovania, pozorovaný
objekt mení svoju polohu. Ak v čase expozície nejaké blízke predmety
zakrývali vzdialenejšie predmety, zmenou polohy svojich očí môže
pozorovateľ vidieť vzdialenejšie predmety a spozorovať aj tie
podrobnosti, ktoré mu boli dovtedy skryté.
Rekonštrukcia obrazu predmetu:
A – laser, B – polopriepustné
zrkadlo, C – referenčný zväzok lúčov, E – zrkadlo, F – rozptylná
šošovka, G – virtuálny predmet, H – hologram, I – pozorovateľ, J –
uzávierka
Elektroholografický displej generuje trojrozmerný, holografický obraz.
Generovanie obrazu zahŕňa niekoľko krokov, ktoré môžeme rozdeliť do
dvoch hlavných procesov, a to výpočtového, v ktorom je trojrozmerný
obraz objektu konvertovaný na holografický prúžok, a optického, kde je
svetlo transformované prúžkom. Problémy pri výpočte prúžkov aj
optických zmien vznikajú pre nadmerné množstvo informácií, ktoré
holografia vyžaduje. Namiesto prístupu k obrazu ako poľu pixlov s
medzerami približne 100 mikrometrov, ako je to bežné v dvojrozmernom
displeji, musí holografický displej počítať holografický prúžok s
amplitúdovými medzerami asi 0,5 mikrometra, aby vyvolali modulované
svetlo na difrakciu a vytvorenie trojrozmerného obrazu.
V prípade holografického displeja sa obraz mení súvisle, vidíme rôzne
objekty z rôznych smerov, presne ako v reálnom prostredí. V
princípe sa obrazovka zariadenia javí ako hologram. Všetky body jej
povrchu pracujú ako model okna. Tieto body sú pixle, pri 3D displeji
ich nazývame objemové pixle (voxely). Vnútri zariadenia sú technikou
modulácie svetla produkované svetelné lúče do špeciálnych geometrických
zostáv. Dá sa dosiahnuť, aby sa svetelné lúče šírili takými smermi,
akoby vychádzali z bodu za obrazovkou hologramu alebo sa krížili v bode
pred obrazovkou. Z týchto lúčov skladá holografický displej súvislý
obraz. Výsledkom je virtuálny trojrozmerný predmet, na ktorý sa možno
pozerať bez okuliarov alebo iného špeciálneho zariadenia. Cena 3D
displeja závisí najmä od dosiahnuteľného rozlíšenia a jeho schopnosti
ukázať hĺbku virtuálneho predmetu.
Elektroholografiký displej pracujúci v reálnom čase dokáže vytvárať
dynamické 3D obrazy s najvyššou kvalitou simulácie trojrozmernosti a
reálnosti obrazov. Holovideo má najvyšší potenciál na tvorbu 3D obrazov
najvyššej kvality. Pozorovateľ z určitej zóny pozorovania vidí na
displeji trojrozmerný obraz. Vstupné signály vytvára počítač. Veľkosť a
zložitosť vzorov interferenčných prúžkov často zabraňuje ich výpočtu
pri interaktívnom prístupe v reálnom čase. Výpočtová holografia
generuje spojitý vzor interferenčných prúžkov numericky simulovaním
šírenia a interferenciou svetla. Počítačom generovaný hologram musí
obsahovať veľký počet prúžkov.
Prvý holovideodisplej vytváral malé obrázky, ktoré potrebovali niekoľko
minút výpočtu pri každej zmene. Nové prístupy, ako sú holografické
kompresie šírky pásma, a rýchlejší hardvér umožňujú interaktívny
výpočet a sľubujú zvyšovanie rýchlosti a zložitosti zobrazovaných
holovideoobrazov.
Nové holografické displeje sa budú musieť zlepšovať v rýchlosti
generovania (výpočtu) hologramov.
V rámci projektu Holovideo sa v laboratóriách Media Labs
Massachusettského technického inštitútu vytvára systém spracovania
obrazu v reálnom čase, ktorý je schopný počítačom vygenerovať hologram
rýchlosťou približujúcou sa rýchlosti videa.
Schéma princípu činnosti
holografického displeja:
A – laser, B – akusticko-optický
modulátor, C – šošovka, D – RF signál, G – vertikálny skener, I – delič
svetla, O – horizontálne spojené skenery, J – výstupná šošovka, K –
rozptylné okno (matnica), L – zobrazovací priestor, M – rovina
pozorovania, E – RF procesor, F – počítač, H – pohon
Princíp činnosti holografického
displeja
Počítačom (F) vygenerované prúžky vstupujú do rádiofrekvenčného (RF)
procesora (E), ktorý ich zakóduje do RF signálu (D) a tento signál
potom vstupuje do akusticko-optického modulátora (AOM) (B). Hologram sa
tvorí pomocou viackanálového akusticko-optického modulátora (B), kde sa
v každom kanáli paralelne moduluje lúč z laserového svetla akustickými
kmitmi pôsobiacimi na kryštál, ktorý je umiestnený pred fokusačnou
šošovkou (C). Tieto lúče sú usmernené na vertikálny skener (G), potom
prechádzajú cez delič (I), pričom každá časť ide na tri zo šiestich
horizontálne spojených skenerov (O), odtiaľ sú odrazené na výstupnú
šošovku (J) a potom dopadajú na matnicu (K), kde už možno obraz
pozorovať.
Technológia holografických displejov je zatiaľ v štádiu výskumu. Vedci
sľubujú do budúcnosti rýchlejší výpočet, optickú moduláciu vyššej šírky
pásma a zlepšenie v spracovaní holografických informácií. Trojrozmerné
displeje však nachádzajú uplatnenie v oblastiach ako počítačový dizajn,
vedecká vizualizácia viacrozmerných údajov, teleoperácie, tréningy a
vzdelávanie (holografické virtuálne knihy o anatómii, molekulách alebo
strojoch), virtuálne prehliadky, architektúra, vývoj a simulácia áut a
lietadiel, molekulová technológia, letecká navigácia či hry virtuálnej
reality.
Veľký prínos holografických 3D displejov sa ukazuje aj v lekárskej
vede, pretože s dnešnými metódami moderného lekárskeho zobrazovania,
ako napríklad 3D ultrazvuk a pod., môžeme vytvárať tzv. trojrozmerné
obrazy, ktoré sú však v skutočnosti len dvojrozmernými plochými
obrazmi, hoci pohľad z niektorých miest dáva priestorový dojem.
V porovnaní s týmito systémami holografický displej reálneho času môže
priniesť revolučnú zmenu. Výhodou je aj skutočnosť, že sa netreba učiť
narábať so špeciálnymi zariadeniami, lebo metóda využíva funkcie
prirodzeného pohľadu. Pomocou 3D displeja je aktuálne vyšetrovanie
ciev, diagnostika nádorov, chorôb mozgu, tráviacej sústavy a
diagnostika v oblasti traumatológie. Inými slovami, všetky diagnostické
a terapeutické úkony, kde je potrebná najlepšia možná lokalizácia zmeny.
Zdroje
[1] Lucente, M. – Galyean, T. A.: Rendering
Interactive Holographic Images,
http://www.lucente.us/pubs/siggraph95.html,
1995
[2] HoloVizio, the holographic 3D display of the
future.
http://www.holografika.com/company/Interviewenglish.doc,
2002
[3] Kamys, G. P.: Virtualnaja realnosť v komputernom
obučenii.
http://www.e-joe.ru/sod/99/2_99/st159.html
doc. Ing. Jozef ČERNECKÝ, CSc.
Mgr. Elena PIVARČIOVÁ, PhD.
Autori sú výskumnými pracovníkmi Technickej univerzity vo Zvolene
Zdroj: TS PCR
