Трёхмерные образы выросли из скоростного зеркала

Новое устройство, созданное в США, способно вывести средства развлечения, рекламы или работы с графикой на новый уровень. Хотите узнать, как создать полностью объёмный образ предмета, прекрасно наблюдаемый практически с любой стороны? Знакомьтесь: в дело вступает автостереоскопический всенаправленный дисплей.

Виновники торжества — это Эндрю Джонс (Andrew Jones) из института креативных технологий университета Южной Калифорнии (USC Institute for Creative Technologies), его коллеги оттуда же, а также — из компаний Fakespace Labs и Sony, которые показали на выставке SIGGRAPH 2007 необычный дисплей.Чудо-аппарат демонстрирует полностью трёхмерную графику, которая выглядит “правильно” с любой точки обзора. В том числе — при смещении зрителя вверх и вниз от объекта.

В основе “360-градусного интерактивного дисплея светового поля” (Interactive 360-Degree Light Field Display), таково полное наименование изобретения, лежит быстро вращающееся наклонное зеркало, покрытое неким “голографическим рассеивателем”.

Он создаёт, как пишут авторы новинки, анизотропную отражающую поверхность, которая направляет чрезвычайно быстро меняющиеся кадры строго в свою точку пространства. Над зеркалом закреплён проектор, который экспериментаторы сделали на основе серийного. Но его пришлось доработать, чтобы он мог выдавать почти 6 тысяч кадров в секунду, “подготавливаемых” для него стандартной, но мощной графической картой.

Таким образом, пока зеркало успевает повернуться от позиции, когда оно направлено точно на правый глаз наблюдателя до точки, в которой оно обращено на левый глаз, проектор успевает сменить изображение, и не один раз. И наблюдатель всегда видит стереопару, находясь в любом месте в полном 360-градусном круге вокруг прибора.

Так что, обойдя по кругу дисплей, показывающий, скажем, голову человека, зритель увидит и лицо, и профиль, и затылок, словно перед ним — настоящая скульптура (смотрите видео, файл MOV; 86,6 мегабайта). По принципу это напоминает давний экспериментальный аппарат Hitachi Transpost, но по сложности и возможностям идёт куда дальше японской разработки. Так что давайте разбираться.

Электроника здесь непрерывно отслеживает положение глаз зрителя по вертикали и расстоянию от зеркала, подстраивая выводимую трёхмерную графику в соответствии с изменяющейся высотой (или удалённостью) точки зрения. Потому если наблюдатель присядет или, напротив, поднимется на цыпочки, он всегда увидит объект под правильным углом (то есть посмотрит на него сверху и снизу), и у человека возникнет полная иллюзия трёхмерности.

Существуют стереоскопические дисплеи, которые показывают хотя и объёмный снимок предмета, но — с одной точки зрения, так что увидеть у персонажа, смотрящего прямо на вас, макушку или затылок, приподнявшись вверх, или отклонившись в сторону — у них нельзя. Light Field Display же это позволяет.

Но зачем нужны пять с лишним тысяч кадров в секунду? Очень просто. Объёмная графика в этой системе выводится с частотой от 15 до 20 кадров в секунду. Но это та частота, что обуславливает плавность движения призрачных объектов, как в случае если они сами подвижны (бегущий человек, например), так и если подвижен наблюдатель, обходящий объект, скажем, по кругу.

Но при этом каждый такой кадр “кино”, для создания эффекта объёмности, состоит, в свою очередь, из 288 отдельных кадров, каждый из которых показывает объект в данный момент времени, но немного с другой позиции.

Так и получается, что, делая один оборот, зеркало должно выдать едва ли не три сотни картинок, направив каждую в сектор обзора шириной всего 1,25 градуса.

Темп же вращения зеркала должен составлять 20 оборотов в секунду, чтобы зритель с любой позиции всегда видел все 20 “основных” кадров этого подлинно объёмного видео (более подробно о системе и методах обработки графики для неё можно узнать из этого PDF-документа).

Столь хитрый принцип работы установки потребовал от её авторов создания: новых методов обработки и выдачи диалоговой трёхмерной графики с использованием OpenGL; методов обработки и выдачи в трёхмерном виде сфотографированных световых полей; математических методов, обеспечивающих генерирование правильных перспектив и правильного параллакса при перемещении наблюдателя между разными позициями вокруг прибора (по высоте и по расстоянию от него, а по окружности, как уже ясно, это обеспечивается само собой, за счёт вращения зеркала) и, конечно, инновационного анизотропного рассеивающего зеркала.

Также пришлось вносить изменения в проектор, позволившие разогнать его аж до 5760 кадров в секунду (288 × 20)!

Интересно, что система может как показывать заранее сгенерированное видео, так и выступать в роли интерактивного дисплея, с которым пользователь может произвольно вращать наблюдаемый объект мышкой или джойстиком по всем трём осям (в указанном выше видео есть и этот момент).

Система уже способна работать с несложной цветной графикой, но создатели прибора намерены его усовершенствовать, чтобы он мог выводить полноцветные изображения с заметно большей частотой кадров, чем нынешние скромные 20 в секунду.

Впрочем, и сейчас дисплей производит впечатление. Ведь быстровращающееся зеркало становится почти незаметным, а зритель видит лишь предметы, висящие перед ним. Причём — в правильном ракурсе с любой позиции. И одновременно столь же правильно видят этот объект другие наблюдатели (сколько бы их ни было), стоящие вокруг аппарата.

Новая система не нуждается в специальных очках и не страдает размытостью картинки под некоторыми углами или малым углом обзора, в котором создаётся иллюзия объёмности. Так что из всех ранее построенных систем трёхмерного отображения 360-Degree Light Field Display наиболее близок к той фантастической установке, что показывала огромный плавающий в воздухе разрез “Звезды смерти” в “Звёздных войнах”.

Можно сказать, что инженеры воплотили ту установку в реальности (в фильме она была, понятно, лишь смоделирована). Разница между киношным прототипом и нынешней новинкой, в общем-то, только в размерах.