Естественно, первые системы ВР, такие как «окна в мир» 1960-х годов, были исключительно визуальными. Изображения получались плоскими, а чтобы ориентироваться в пространстве, человек прибегал к помощи «аватара», компьютерного помощника, представлявшего собой двухмерную проекцию силуэта пользователя в виртуальном мире. Но экран монитора — это лишь маленькое окно в мир ВР, и разработчики быстро пришли к выводу: чтобы пользователь ощутил, что находится в виртуальном мире, система визуализации ВР должна окружать его полностью. Именно тогда они и начали создавать системы полного погружения, в которых человек уже не был способен различать, где реальный, а где виртуальный мир. Когда он поворачивал голову, то видел виртуальный мир вокруг себя, а не на экране монитора.
Находясь в системах типа iСone, CAVE или Dome, люди утрачивали чувство равновесия и иногда даже падали на пол, стремясь уклониться от летящих на них объектов. В таких гигантских системах трехмерные объекты можно было «повесить» прямо перед глазами зрителя, и тогда хватало простого стереоскопического изображения с хорошей динамикой, чтобы вестибулярный аппарат дал сбой.
Как обмануть наш мозг?
Поскольку у людей два глаза, они воспринимают окружающую действительность объемной. Каждый глаз получает свою «картинку», и они сливаются в сознании в единый зрительный образ. Чтобы это осуществлялось, на сетчатку каждого глаза должно проецироваться предназначенное ему изображение. В естественной среде это происходит само собой, поскольку объекты имеют объем. Но если смотреть на экран, то не возникает иллюзии, что объекты трехмерны, для глаз человека они всегда остаются изображением на дисплее.
Одно из основных требований к проекционным системам полного погружения — максимальное приближение изображения к реальности, поэтому стереоскопическая картинка стала неотъемлемой частью систем ВР.
Ниже будут рассмотрены несколько способов реализации сте-реоизображения для систем ВР.
Метод цветных анаглифов 1
Это очень распространенный простой и доступный способ создания стереоизображения. Чтобы получить эффект объема, здесь используются очки-анаглифы с разными стеклами — красного и синего цвета (иногда вместо синих стекол применяются зеленые).
Что же обеспечивает ощущение трехмерности? Изначально имеются два исходных черно-белых изображения одного и того же объекта, окрашиваемые в различные цвета или проецируемые на экран через соответствующие светофильтры. Это изображение получено путем фотографирования объекта с разных ракурсов и с равномерным смещением относительно осей объективов. Затем обе картинки, для левого и для правого глаза, накладываются друг на друга. Все объекты «раскрашиваются» красным и синим цветом, причем красный используется для одного глаза, синий — для другого. Если надеть анаглифические очки с красной линзой для правого глаза и синей — для левого, то правый глаз увидит только синий цвет, а левый — только красный. В результате каждый глаз будет видеть лишь свое изображение, кажущееся серым. Эти две раздельные серые картинки воспринимаются как одна объёмная черно-белая. Таким образом можно обмануть мозг, и человек будет видеть трехмерной каждую картинку, обведенную по контуру.
Это самый доступный метод, который позволяет просто напечатать стереоизображение, например, на странице журнала и приложить к нему анаглифические очки, которые уже давно производятся в промышленном масштабе и нередко используются в рекламных целях.
Изображение в динамике можно проецировать, и как статичное. Для этого нужны лишь проектор и проекционный экран. Многие программные пакеты ВР уже имеют встроенную функцию, называемую «анаглиф». Она позволяет вывести изображение и разделить его по глубине — параллаксу. Параллакс (от греч. parállaxis — отклонение) — видимое изменение относительных положений предметов вследствие перемещения глаза наблюдателя. Чем ближе объект, тем дальше расходятся изображения для левого и правого глаза.
Метод с применением анаглифов дает пассивное стереоскопическое изображение. При этом две картинки, для правого и для левого глаза, проецируются одновременно, а совмещаются в одну стереоскопическую с помощью специальных очков. Однако для экранных систем ВР он применяется редко, так как имеет два серьезных недостатка. Во-первых, глаз человека помимо градаций серого различает в разделенном изображении только несколько дополнительных цветов, например желтый или градации оранжевого. Конечно, можно придать картинке некоторую живость, но основным цветом все же останется серый. Во-вторых, глаза быстро устают во время просмотра стереоизображения в очках-анаглифах.
Впрочем, данный метод обладает и существенными достоинствами. Он позволяет, в частности, быстрее всего получить объемное изображение. Этот метод особенно хорош для воспроизведения объемных объектов, изначально имеющих градации серого, — например скульптур, а также графики в учебниках по стереометрии, начертательной геометрии и проч.
Метод на основе поляризации света
Поляризация света — одно из фундаментальных свойств оптического излучения. Она возникает при выделении различных направлений векторов напряженностей электрического и магнитного полей. Эти векторы, как известно, перпендикулярны направлению распространения светового луча. В общем излучении множества источников света направление волны непрерывно и беспорядочно изменяется. Подобное излучение называется неполяризованным, или естественным, светом. Способ, позволяющий из множества световых волн выделить двигающуюся в заданной плоскости, получил название технологии поляризации света. Основными видами поляризации являются линейная — колебания происходят в какой-то одной плоскости («плос-кополяризованная волна») — и круговая — конец вектора напряженности электрического или магнитного поля описывает окружность в плоскости колебаний, причем в зависимости от направления вращения вектора она может быть правой или левой.
В системах ВР используют линейные и круговые поляризационные фильтры. В системе с линейной поляризацией необходимы два идентичных проектора и специальные очки с линейно-поляризованными фильтрами. Поляризационные очки со слегка затемненными линзами не затрудняют восприятие цвета. Они стоят недорого, но создают гораздо больший эффект, чем анаглифические. Если поставить перед глазом один фильтр, повернутый на 45° относительно вертикали, то можно увидеть только ту часть светового потока, которая проходит через этот фильтр. Волна ориентируется четко под 45°. Если развернуть такой же фильтр на 90° в обратном направлении, т.е. под углом –45° к вертикали, то становится видимой другая часть светового потока, проходящего через второй фильтр. Если так же ориентированные фильтры поставить на два проектора, которые дают разные картинки для правого и левого глаза, то это изображение сделается стереоскопическим.
Система ВР с круговой поляризацией мало чем отличается от системы с линейной. Два круговых фильтра ставят на два проектора, еще два — на очки. Здесь применяется такой же способ разделения изображения на два зрительных канала, как и в случае с линейной поляризацией, причем наклон головы и изменение положения очков относительно экрана не будут влиять на качество картинки. А вот при линейной поляризации качественное стереоизображение получится только тогда, когда ориентация фильтров на проекторах и на очках совпадает.
Системы ВР с поляризацией света основаны на пассивном стереоэффекте. Они являются одними из наиболее доступных как с точки зрения технологии, так и по стоимости. Поляризационные системы часто используют для профессиональных дисплейных систем ВР и на выставочных стендах. Чтобы такие системы работали, нужен экран, который не будет деполяризовать свет. Специальный экран прямой проекции, перед которым располагаются проекторы, называется silver screen, или экран с серебристой поверхностью. Фактически любая поверхность, окрашенная специальной серебристой краской, способна стать проекционным экраном, и на ней можно увидеть стереоскопическое изображение.
Кроме того, для работы с такой системой ВР пригодны и так называемые экраны «на просвет», или акриловые, поскольку они также не деполяризуют свет. Как правило, компании, занимающиеся разработкой 3D-экранов, используют свои «ноу-хау», позволяющие получить более качественную картинку. Зачастую в поляризационных очках можно увидеть наряду с объемным изображением и не до конца приглушенные изображения-тени слева и справа от объектов, так называемые «ду’хи». Избавиться от них помогают различные программные методы и технологии, устраняющие дополнительные изображения для разных видеоканалов.
Метод на базе технологии Shutter Glasses (очки-затворы)
В настоящее время это единственный метод, базирующийся на системе активного стереоскопического изображения. Он заключается в поочередной очень быстрой смене проекций двух изображений, для правого и левого глаза. Объем изображению придают очки-затворы, состоящие из двух электронно управляемых поляризаторов, которые при подаче напряжения становятся либо непрозрачными, либо прозрачными. Поочередно, синхронно с картинками на экране, они открываются и закрываются. Левый глаз воспринимает изображение, предназначенное для левого глаза, а правый — для правого. Синхронизацию изображения и затворов очков обеспечивают инфракрасные излучатели, подобные тем, что установлены в пультах дистанционного управления для ТВ и музыкальных центров. Современные профессиональные графические платы могут контролировать работу затворных очков, синхронизируя их с изображениями для правого и левого глаза.
Проекционные системы, основанные на CRT-проекторах, позволяют получать и отображать от 90 до 120 кадров в секунду, т.е. на каждый глаз приходится по 45—60 кадров. Благодаря таким проекторам удалось избежать «послесвечения», фактически непреодолимого для стереоизображения. Оно появляется тогда, когда картинка, предназначенная для правого глаза, не успевает погаснуть в момент вывода изображения для левого. В результате получается тройное изображение («ду’хи») — две картинки для каждого глаза плюс совмещенное стереоскопическое изображение.
Новая технология DLP (Digital Light Processing) обеспечивает необходимую частоту регенерации картинки. Одно из требований, предъявляемых к работе таких систем, — наличие профессиональных графических плат, к примеру видеоплаты серии Quadro производства компании NVIDIA. В такой графической плате режим активного стерео реализован на аппаратном уровне — у нее есть выход, позволяющий синхронизировать изображения.
Технология, использующая очки-затворы, доступна не только специалистам в области ВР, но и рядовым пользователям. Очки-затворы для игр, подключаемые к обычному офисному или домашнему монитору, стоят 45—100 у.е., а профессиональные, или так называемые Сrystal Eyes, — около 800 у.е. У этих очков-затворов, в отличие от предназначенных для игр, угол обзора гораздо шире, и значит, их можно использовать в таких системах, как CAVE , iCone и L-Shape.
Метод, построенный на технологии Infitec
Технология Infitec — последняя разработка в области создания качественных стереоизображений. Как она зародилась? Многие знают, что видимый свет может быть разделен на компоненты RGB (red-green-blue). В конце прошлого века было предложено разделить изображение по цветам спектра, когда каждый из трех основных цветов (синий, зеленый и красный) разбивался на середине соответствующего спектрального максимума. Левые половины цветового пространства распределялись к левому глазу, правые — к правому.
Сначала были сделаны пробные шаги в области разделения цвета. При этом оказалось, что разделенные картинки сильно различаются по тону. Чтобы реализовать эту технологию, понадобилось, как и в пассивном стерео, установить на очки и на проекторы специальные цветовые фильтры. Однако к настоящему времени данную технологию настолько усовершенствовали, что все упомянутые недостатки компенсируются, а стоимость очков упала до 50 у.е. Теперь для этой технологии не требуется специальный экран, подойдет даже обычная стена.
Технологию Infitec активно продвигает на рынок систем ВР компания BARCO, один из крупнейших мировых производителей профессиональных проекционных систем. Сейчас BARCO встраивает эту технологию на уровне процессора, т.е. можно купить ее уже «зашитую» в проекторе. Такие проекторы считаются профессиональными, и их цена достигает нескольких сотен тысяч долларов. В процессе работы компьютер подает в проектор трехмерное изображение, а на выходе получаются две картинки — для правого и левого глаза, разделенные по спектру RGB.
Проекционные системы ВР
Все перечисленные выше методы получения стереоскопической картинки с успехом используются в разных экранных системах ВР полного погружения. Ниже приведено несколько примеров проекционных систем. Часть из них уже была упомянута в первой части статьи (см. «Мир ПК», №4/08).
CAVE
Первой системой ВР полного погружения стала так называемая «пещера», или CAVE (Cave Automatic Virtual Environment), созданная в университете штата Иллинойс, США. Эта система состоит из четырех экранов, полностью окружающих зрителя. Проекторы, находящиеся за экранами и освещающие стены «пещеры», дают картинку на обратную сторону дисплеев, образуя систему обратной проекции. Пол «пещеры» работает по принципу прямой проекции, т.е. проектор расположен сверху и пересылает изображение прямо на экран-пол.
Система CAVE представляет собой помещение, в котором все экраны стыкуются под прямыми углами. При создании системы «пещера» основная сложность при настройке изображения заключалась в том, что требовалось «сглаживать» эффект перехода изображения с одной стены-экрана на другую в месте стыковки этих стен и в прямых углах.
Чтобы обеспечить правильный переход, на очки нужно поставить систему трекинга. При этом как только зритель переместится, система пересчитывает все изображения. В результате на стыках, например в углу, шарик будет выглядеть как шарик, а не как эллипсоид. Такая возможность уже реализована на уровне библиотек, называемых Virtual Environment Framework (рабочая среда виртуального окружения). Чтобы использовать эту программную оболочку, достаточно указать тип экранной системы ВР, поскольку для большинства из них уже есть готовые скрипты и описания того, каким образом проекторы должны работать, если требуется передать картинку на экран конкретного типа.
Например, для отдельных систем ВР достаточно указать, на какого типа дисплейную систему будет проецироваться приложение ВР. Так, если выбрать опцию CAVE, можно сразу же запускать систему ВР. А после перехода на монитор нужно лишь указать в приложении опцию monitor, и система будет готова к работе.
Следовательно, если однажды создать виртуальный мир, можно использовать все типы дисплейных систем и, не прилагая дополнительных усилий, отображать на них информацию.
iCone
Эта система ВР с большим коническим экраном работает на основе принципа прямой проекции. Несколь-ко экранов обеспечивают широкий угол охвата впереди и по сторонам от зрителя, создавая у него иллюзию объемного пространства.
В определенном отношении iCone более удобная система, чем «пещера», поскольку в ней отсутствуют прямые углы и на изображении не видны резкие переходы от одной плоскости к другой. Так, в Институте медиакоммуникаций в Германии создан конический экран с охватом 240°, работающий в системе, включающей четыре проектора. При этом на экранах появляются три зоны, где проекции пересекаются. Основная трудность состоит в наложении изображений таким образом, чтобы не было заметно мест их пересечения. Это направление в исследованиях сейчас быстро развивается.
Например, компания Mitsubishi Electrics создала институт MERL (Mitsubishi Electrics Research Laboratories), где отдельная группа исследователей занимается бесшовными стыковками изображений. В настоящее время качество калибровки систем типа iCone достигло такого уровня, что стыковки совсем незаметны.
Почему же система iCone (от англ. cone — конус) получила такое название? Следует заметить, что существуют как цилиндрические экраны, стоящие под углом в 90° к плоскости пола, так и экраны конические, отклоненные на 7—10° от вертикали. Чтобы представить такой экран, достаточно «перевернуть» конус и «отсечь» нижнюю часть. Зачем это сделано? А затем, что в том случае, когда экран расположен под прямым углом к полу, свет от проекторов, расположенных наверху, отражается в сторону наблюдателя, из-за чего в некоторых областях дисплея возникают видимые засвеченные пятна. Поэтому в Институте медиакоммуникаций возникла идея немного отклонить экран назад, в результате чего цилиндрический дисплей превратился в конический. Благодаря этому проектор стал светить на экран под углом, близким к прямому, и изображение получилось без засветки и без искажений. Качество картинки в системах iСone существенно лучше, чем на обычном цилиндрическом дисплее.
Dome
Существуют и более сложные сферические экранные системы ВР, называющиеся Dome (от англ. dome — купол). В этой системе экран строится в виде купола подобно тому, как это сделано в планетарии. Основная сложность работы с этой системой — правильные калибровка и настройка проекторов. Проекция на сферическую поверхность дается не напрямую, а с помощью специальной системы криволинейных зеркал. В результате получается искаженное изображение, проецирующееся затем на сферический экран купола.
Занимаются системами Dome в различных лабораториях, где создаются системы и экраны, позволяющие получать изображение без искажений практически на любых поверхностях: на стенах дома, арках и проч. Это стало возможным, поскольку появились технологии, способные учесть все неровности поверхности. Проекторы и процессоры класса Hi-End ценой от 20 тыс. у.е. уже имеют систему настройки изображения, которая в автоматическом режиме определяет, насколько картинка искажена, и корректируют ее без искажений под прямоугольную рамку. Однако это получается только тогда, когда поверхность имеет равномерный наклон. В ином же случае настройка и калибровка выполняются программно.
Workbench
Cистема иммерсионной ВР называется Workbench («рабочее место»). Такой «верстак» состоит из двух небольших экранов, расположенных под прямым углом друг к другу.
Впервые система Workbench была создана Вольфгангом Крюгером в 1993 г. в Институте медиакоммуникаций, г. Фраунгофер. Там же была организована одна из первых лабораторий ВР в Европе. Преимущество такой дисплейной системы заключается в ее относительной компактности. Она напоминает рабочее место дизайнера, который творит в реальном трехмерном пространстве. Такими средствами легко реализовывать программы по созданию внутреннего дизайна автомобиля или самолета и по реконструкции сложных математических криволинейных поверхностей.
Кроме того, системы типа Workbench используются в медицине. В частности, с помощью Workbench можно создать виртуальную операционную. Если поставить две такие системы в разных местах и связать их между собой, то появится возможность организовать коллективную работу над одним и тем же виртуальным «образцом», лежащим на операционном столе.
L-Shape
Уже в наше время в Институте медиа-коммуникаций разработано следующее поколение систем Workbench, названное L-Shape. Эта система представляет собой как бы увеличенный в размере «рабочий верстак», по которому даже можно ходить. Латинская буква L в названии системы обозначает расположение экранов по отношению друг к другу.
Чем же было вызвано создание подобной системы? Дело в том, что в системах типа CAVE, iCone и Workbench активным пользователем может быть только один человек. Это ограничивало общение, и потому исследователи решили сделать виртуальный мир интерактивным для двух зрителей, которые могли бы одновременно взаимодействовать с виртуальными объектами.
L-Shape построена на основе технологии, отличной от тех, на которых базируются остальные рассмотренные здесь системы. Пользователи, не имеющие стереоочков, увидят совершенно абстрактное зрелище — не два изображения, как на любой стереоскопической картинке, а четыре! Для каждого активного участника система делает два изображения.
Работы над возможностью коллективного участия в подобных системах давно ведутся в университетах. Так, в Веймарском университете недавно была создана система для четырех пользователей, причем все они могут одновременно работать с любым из виртуальных объектов.
* * *
Используя стереоизображение высокого качества, можно добиться хорошего эффекта погружения даже в простых системах типа «интерактивной стены», где дисплеем является плоский экран большого размера, часто во всю стену. Однако хороший способ визуализации синтезированного мира — это лишь часть системы ВР.
Виртуальное окружение — это мир, который существует по своим законам, где правила жизни прописаны определенной программой-сценарием (нечто похожее на «матрицу»). Но это тема отдельного материала.
Об авторе: Валерия Холодкова — специалист компании EligoVision.
Продолжение. Начало см. в №4/08
1 От греч. anaglyphos - рельефный