ГОЛОГРАФИЧЕСКИЕ 3d ДИСПЛЕИ

В I-ой части мы определили, что голографические 3d дисплеи (дальше H3D) воспроизводят непрерывное световое поле, соответствующее световому полю реальной 3d сцены. Хотя, современная техника немыслима без цифровой обработки сигналов, стало быть, любая непрерывная функция с некоторой точностью апроксимируется рядом дискретных значений. Световое поле не исключение, потому H3D возможно рассматривать как последующее развитие мультивидовых дисплеев с весьма крупным количеством воспроизводимых ракурсов.

ПРИНЦИП: Разделение объема воспроизведения множеством условных вертикальных плоскостей, проходящих ч/з центр дисплея. В любой части разбитого плоскостями пространства наблюдается собственный вид (ракурс) объемной сцены.

Как правило, когда речь заходит о H3D, имеют в виду устройство, способное проигрывать на некоемом материале подобие классической голограммы, то есть вычислять и отображать фиксируемую ей в виде дифракционных структур интерференционную картину светового поля, при этом делать это в реальном времени. Подобный подход не учитывает, что любой малый участок голограммы представляет из себя дифракционную решетку, выполняющую роль отклоняющего элемента и нет нужды всегда, когда требуется изменить угол отклонения луча, рассчитывать и отображать ее. Самое удивительное, что есть исследователи, разрабатывающие это финансово и информационно сверхзатратное направление. К примеру, американцы из Массачусетского технологического создали прототип, в коем воспроизводится изображение, рассчитанное на компьютере. Голограмма формируется при помощи акустооптического модулятора: луч лазера модулируется акустическими колебаниями, воздействующими на кристалл, который расположен перед фокусирующей линзой.

Прорисовка изображения выполняется механической зеркальной разверткой. Для монохромной картинки размером 15 x 15 x 20 сантиметров требуется поток данных около 2 гигапикселов в сек.. Японцы пытаются проигрывать голограммы при помощи проекционных LCD матриц (применяются в видеопроекторах), каждая из которых воспроизводит маленький отдельный участок голограммы. Т.к. диагональ этих матриц не превышает 1,8 дюйма, для получения голограммы нужной площади пришлось применять множественные конфигурации и устройства сведения для объединения разных частей голограммы. Поток данных, требуемый для воссоздания полноценного образа, достигает примерно одного терабайта в сек.. Монохроматическая голограмма с площадью проекции 1 кв.см - пока максимум, чего удалось добиться исследователям.

Интересна разработка, названная ее авторами "офисный голографический принтер". Впрочем это устройство не имеет непосредственного отношения к 3d дисплеям, полученные результаты могут быть использованы в будущем для создания H3D.

Принтер позволяет печатать на фоточувствительном материале однопроходные голограммы, качество которых во массы ситуациях превосходит качество традиционных голограмм. Голограмма получается путем последовательной экспозиции узких полосок фотоматериала ч/з щелевую маску. На любой полоске по классической технологии получения голограмм фиксируется образ цилиндрической линзы, за которой находится LCD матрица с выведенным на нее специально подготовленным изображением. В итоге получается голограмма линзового растра весьма высокого разрешения (до 250 lpi), идеально совмещенного с изображением, содержащим до 150 ракурсов сперва смоделированной или отснятой на компьютере 3d сцены.

Исследования, проведенные при создании голографического принтера, показали, что голограмма 3d объекта может оказаться рассчитана как совокупность голографических образов составляющих его вокселей. Образ вокселя представляет из себя фиксированный паттерн, зависящий лишь от "глубины залегания", т.е. Z-координаты вокселя и не зависящий от координат X и Y. Паттерны для целого диапазона значений Z могут быть рассчитаны заблаговременно и помещены в таблицу, откуда будут извлекаться при выводе в реальном времени с минимальным количеством вычислительных операций. Паттерны для систем на основе линзовых растров имеют простейший вид группы вертикальных штрихов и могут рассчитываться именно в ходе вывода изображения. Различие данного способа от классической голограммы заключается в том, что создаются изображения, имеющие лишь горизонтальный параллакс (как, хотя, и у всех дисплеев, описанных выше). Принцип образования образа вокселя P из опорного пучка света S классической голограммой показан ниже.

Возможно заметить, что чем далее от поверхности располагается воксель, тем большая площадь голограммы принимает участие в его формировании.

ПЛЮСЫ:

самое реалистичное 3d изображение, обладающее всеми оптическими свойствами отображаемого реального объекта

МИНУСЫ:

техническая сложность на пределе современных возможностей аппаратуры, вычислительных

мощностей хватает лишь для статических изображений

Как говорил классик в другом месте и иначе поводу " Узок круг таких революционеров. Жутко далеки они от народа". Именно так обстоит дело с голографическими 3d дисплеями. К радости, для определенного круга задач существуют иные решения, позволяющие получить настоящее 3d. Это волюметрические 3d дисплеи, о которых пойдет речь в заключительной части статьи.

Волюметрические 3d дисплеи (дальше V3D) значительно отличаются от всех рассмотренных выше типов 3d дисплеев, формирующих изображение при помощи элементов, размещенных в одной плоскости.

ПРИНЦИП: воспроизведение объемного изображения в виде вокселов или векторов, реально разнесенных в рабочем объеме экрана (объеме воспроизведения), четко ограниченном его конструкцией.

Для V3D нам понадобится дополнительная классификация, т.к. это наиболее многочисленная по разнообразным технологиям группа. Примем за основу классификации 3 параметра: наличие в конструкции движущихся частей, тип источника изображения, наполнение объема воспроизведения. Конечно, такая классификация условна и не претендует на полноту и окончательность. В таблице приведены кое-какие примеры технологий V3D.

По большому счету, для V3D есть всего 2 метода воспроизвести изображение воксела в заданной точке пространства:

Поместить в эту точку вещество, способное рассеивать свет и осветить его;

Поместить в эту точку вещество, способное излучать свет и заставить его сиять

Оба метода предполагают, что объем воспроизведения должен быть заполнен подходящим веществом, т.к. воксел может располагаться в любой точке этого объема по определению. При этом, для I-го метода тут же появляется противоречие: если вещество рассеивает свет, то оно не может оказаться прозрачным и нельзя увидеть вокселы, располагающиеся в его глубине. И тут в очередной раз спасает инерционность зрительного телефона человека. Сплошной объем вещества заменяется тонким рассеивающим дисплеем, который время от времени "сканирует" объем воспроизведения так, что за 1 цикл поверхность дисплея проходит ч/з все точки этого объема.

Форма поверхности дисплея интересует нас только постольку, т.к. для воспроизведения 3d объектов с минимальными геометрическими искажениями требуется учитывать ее при пересчете компьютерной модели в реальные координаты. Насколько разной может оказаться форма поверхности, видно из сравнения 2-х моделей V3D: FELIX 3d и Perspecta.