Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Стереокомпьютерные методы визуализации изображений 17
1.1. Традиционные методы сепарации и предъявления стереоизображений 17
1. 2. Особенности стереокомпьютерных методов визуализации объемных изображений 22
1. 2.1. Сепарация и предъявление стереокомпьютерных изображений. 24
1. 2. 2. Форматы стереокадра 28
1.3. Применение стерео методов в офтальмологии 34
ГЛАВА 2. Математическая модель процесса формирования стереокомпьютерного изображения 43
2.1. Прохождение света через электрооптические затворы на основе жидких кристаллов 43
2.1.1. Системы с активными очками 44
2.1. 2. Системы с жидкокристаллическим экраном и пассивными очками 47
2.2. Влияние характеристики сигнал/шум на качество стереокомпьютерного изображения 51
2. 3. Математическое описание характеристики сигнал/шум 55
2. 4. Анализ зависимости характеристики сигнал/шум от параметров процесса 66
ГЛАВА 3. Оптимизация параметров, влияющих на качество стереокомпьютерного изображения . 80
3.1. Количественная оценка параметров 80
3.1.1. Скорость затухания свечения люминофора 80
3.1. 2. Характеристики жидкокристаллического затвора 86
3.2. Влияние цветности изображения на заметность перекрестных помех 90
3.3. Влияние яркости экрана на наличие мельканий 94
3.4. Влияние параметров экрана монитора и условий наблюдения на качество стереокомпьютерного изображения 96
3. 5. Рекомендации к разработке оборудования и программного обеспечения для показа стереокомпьютерных изображений... 101
ГЛАВА 4. Разработка усройства для диагностики параметров стереозрения на основе стереокомпьютерного метода 104
4.1. Разработка программного обеспечения устройства 105
4.1.1. Особенности разработки программ с учетом параметров экрана монитора и условий наблюдения 106
4.1. 2. Выполнение требований по цветности стереоскопических сюжетов 134
4. 2. Разработка блока электронного управления ЖК-ячейками . 136
4. 3. Результаты испытаний и применения диагностического устройства 140
Заключение 143
Литература 147
Приложение 155
- Особенности стереокомпьютерных методов визуализации объемных изображений
- Влияние характеристики сигнал/шум на качество стереокомпьютерного изображения
- Влияние цветности изображения на заметность перекрестных помех
- Разработка блока электронного управления ЖК-ячейками
Введение к работе
Формирование реалистического объемного отображения окружающего мира издавна привлекало внимание как специалистов в различных областях науки и техники, так и пользователей. При этом интерес к такому отображению периодически активизировался, что инициировалось обычно появлением новых технических средств, научных направлений и методов.
Так с появлением стереоскопических методов в фотографии большое распространение получили стереоскопы различной конструкции. Они использовались для рассматривания как профессиональных, так и любительских стереоскопических фотографий.
Предложение методов параллаксстереограмм и параллакспанорамограмм с одной стороны и создание технологии промышленного производства линзовых растров с другой стороны стимулировало массовое распространение линзорастровых объемных изображений (открытки, календари, стереофотографии).
Значительный прорыв в области объемного представления информации был обусловлен открытием голографии и созданием технологической базы для ее развития - лазерной техники, химико-фотографических материалов, методов записи и восстановления объемных изображений. Голограммы различных видов - на стекле и на пленке, с параллаксами по горизонтали и вертикали или только по горизонтали, радужные, мультиплексные и пр., появились в широкой продаже, а также стали применяться в различных технических приложениях.
Осуществлялись попытки создания голографического кинематографа. В частности, в НИКФИ под руководством проф. В. Г. Комара были разработаны основы такой системы с цветным объемным изображением [34], наблюдаемым группой зрителей на специальном голографическом экране, которая в будущем может иметь развитие при наличии соответствующей технической базы.
Однако до недавнего времени для показа динамических объемных изображений в массовом применении использовались лишь кинематографические стереоскопические методы - в основном очковые поляризационные [21, 22, 81, 91]. При этом значительный сдвиг в распространении стереоскопического кинематографа имел место в 70-е годы, после появления системы съемки и демонстрации стереоизображений «Стерео - 70» [12-14, 44, 55], предложенной в 1963 г. сотрудниками НИКФИ А.Болтянским и Н.Овсянниковой. Технология стереокиносъемки и стереокинопроекции «Стерео - 70» разработана с учетом физиологических особенностей стереозрения. Основы этой системы, отмеченной наградой Американской киноакадемии «Оскар», и ее дальнейшее развитие обеспечили получение высококачественного стереоскопического изображения на достаточно больших экранах, не вызывающего утомления у зрителей. Множество кинотеатров у нас в стране и за рубежом демонстрируют стереофильмы, снятые по этой системе.
В 80-х годах с появлением доступной домашней видеотехники и видеофильмов, а также с развитием быстродействующих оптоэлектронных устройств начали появляться телевизионные приставки, позволяющие смотреть стереоскопические фильмы на обычных телевизорах. Наибольшее распространение получила система с разделением левого и правого ракурсов стереоизображения по полукадрам. Сепарация изображений осуществлялась с помощью очков с жидкокристаллическими (ЖК) затворами, синхронизированными с этими полукадрами.
Основным недостатком метода, ограничившим его широкое распространение для применения в стандартных телевизионных приемниках, явилась низкая частота смены кадров в каждом глазе - 25 гц для систем PAL/SECAM и 30 гц для NTSC. Появление телевизоров с двойной частотой сканирования (100/120 гц), возможно, снимет это ограничение. Однако следует иметь в виду, что способ удвоения частоты в большинстве (если не во всех) выпускаемых в настоящее время телевизионных приемников, при котором каждый полукадр поочередно повторяется дважды, не пригоден для устранения мельканий при просмотре обычных стереоскопических видеофильмов.
Бурное развитие компьютерной техники, как во всевозможных технических приложениях, так и в быту естественным образом стимулировало ее соединение со стереоскопическими методами. Появились различные стереокомпьютерные системы, позволяющие наблюдать объемное изображение на экране монитора [73].
Главным достоинством стереокомпьютерных систем по сравнению с телевизионными [38] является возможность просмотра чередующихся изображений с частотой, достаточной для отсутствия мельканий. При этом современный уровень компьютерной техники обеспечивает достижение высококачественного стереоизображения на экране монитора с возможностью его динамики.
Актуальность темы. Все стереокомпьютерные методы объединяет формирование изображения стереопары на экране монитора. Однако существуют различия в способах предъявления и разделения (сепарации) правого и левого ракурсов стереопары.
В механических и оптико-механических стереокомпьютерных методах для раздельного наблюдения правого и левого ракурсов стереопары применяются перегородки, линзы, зеркала и призмы. Эти методы не нашли широкого применения из-за необходимости использования громоздких дополнительных устройств, узкого поля зрения (максимальный размер каждого изображения - половина экрана), необходимости точной фиксации головы зрителя.
Автостереоскопические методы в качестве устройств сепарации используют щелевые растры (решетки со щелевыми отверстиями) либо растры, состоящие из цилиндрических линз. На экране одновременно отображаются оба элемента стереопары, причем растр преломляет свет таким образом, что каждый глаз видит только свой элемент стереопары. Недостатками метода является его дороговизна и возможность использования только жидкокристаллических мониторов, строго определенная позиция зрителя перед экраном, невозможность показа изображений сразу нескольким зрителям, уменьшение фактического разрешения монитора, существенное ограничение количества возможных планов глубины.
В методе анаглифов стереопара в дополнительных цветах (пурпурного и зеленого или красного и голубого) предъявляется на экране монитора. Разделение правого и левого ракурса стереопары осуществляется с помощью анаглифических очков, содержащих фильтры дополнительных цветов. Простота и дешевизна метода позволяет широко применять стереокомпьютерные устройства с анаглифическими очками. Однако существенным недостатком метода анаглифов является отсутствие полной цветопередачи.
В эклипсном методе на экран последовательно проецируются в быстром чередовании правые и левые изображения стереопары. В качестве устройств сепарации используются жидкокристаллические (ЖК) очки или ЖК-экраны в сочетании с пассивными поляризационными очками. Синхронно с предъявлением изображений переключаются ЖК-затворы. Таким образом, каждый глаз видит только свою картинку стереопары. Эклипсный стереокомпьютерный метод дает возможность создания наиболее реалистичного объемного изображения. Он обеспечивает полноцветное стереоскопическое изображение и не требует дополнительных дорогостоящих устройств. Благодаря несомненным преимуществам, эклипсный метод нашел широкое применение в компьютерных играх, тренажёрах и виртуальных имитаторах военных действий, стерео кино и видео, молекулярном моделировании и медицине (томография, хирургия, рентгенология, офтальмология и т. д.). В силу выше сказанного, эклипсный стереокомпьютерный метод рассматривается в работе, как наиболее перспективный для дальнейшего развития. Однако и этот метод имеет свои особенности, требующие отдельного рассмотрения. Во-первых, фактическая частота смены кадров уменьшается относительно кадровой частоты монитора в два раза, что может привести к наличию мельканий. Во-вторых, возможно частичное попадание изображения, предназначенного для одного глаза, в другой глаз (перекрестные помехи). Перекрестные помехи («духи») и мелькания - основные факторы, негативно влияющие на качество стереоскомпьютерного изображения. Для удовлетворения требований к качеству стереокомпьютерного изображения необходимо свести к минимуму факторы, его ухудшающие. В ряде работ были предложены методы борьбы с негативными факторами. Однако эти методы представляют собой лишь рекомендации общего плана и не содержат количественных результатов. Поэтому необходимо провести количественную оценку параметров, влияющих на качество стереокомпьютерного изображения. При этом важно учесть взаимовлияние параметров и найти их оптимальные соотношения. Однако, использование значений параметров, обеспечивающих идеальное качество, может привести к удорожанию изделия. Следовательно, при проведении оптимизации нельзя забывать о соотношении качество-цена.
Традиционно для диагностики и лечения дефектов стереозрения в офтальмологии применяются оптико-механические и проекционные приборы. Их общими недостатками является дороговизна, громоздкость и отсутствие универсальности. Внедрение стереокомпьютерных методов в офтальмологию дает возможность решить эти проблемы. Это позволяет в ряде случаев избавиться от громоздких приборов, а так же дает возможность объединить множество тестов в одном приборе. Особенности применения стереокомпьютерных методов в офтальмологии накладывают особые требования на качество стереоскопического изображения [51]: обеспечение точности диагностики, эффективности лечения и зрительного комфорта, а так же исключение нежелательных воздействий на здоровье пациента. Эти требования необходимо учитывать при разработке стереокомпьютерных систем для офтальмологического применения.
В свете выше изложенного актуальность работы определена необходимостью количественной оценки и оптимизации параметров, влияющих на качество изображения в стерокомпьютерных системах. Ввиду наиболее жестких требований, предъявляемых офтальмологическим применением, получение удовлетворительного качества изображения в этой области, позволяет использовать результаты оптимизации и в других приложениях.
Целью диссертационной работы является исследование закономерностей формирования стереокомпьютерного изображения и разработка на его основе рекомендаций по улучшению качества этого изображения, а так же создание оборудования и программного обеспечения для диагностического стереокомпьютерного устройства на базе разработанных рекомендаций.
В соответствии с поставленной целью решались следующие задачи:
Создание математической модели, описывающей процесс формирования стереокомпьютерного изображения, полученного эклипсным методом.
Определение критериев качества стереокомпьютерного изображения.
Оценка реального диапазона значений параметров, влияющих на качество стереокомпьютерного изображения на основании экспериментальных результатов и разработанной модели.
Поиск оптимальных количественных соотношений параметров, влияющих на качество стереокомпьютерного изображения.
Разработка рекомендаций к созданию оборудования и программного обеспечения для показа стереокомпьютерных изображений.
6. Создание оборудования и программного обеспечения для диагностического стереокомпьютерного устройства с использованием разработанных рекомендаций.
Научная новизна состоит в следующем:
Разработана математическая модель, описывающая процесс формирования стерео изображения эклипсным стереокомпьютерным методом.
Найдены количественные соотношения таких параметров, как скорость затухания свечения люминофора, кадровая частота монитора, характеристики ЖК-ячеек, оптимальные для обеспечения качества стереокомпьютерного изображения.
Проведен анализ влияния сочетаний цветов стереоскопических сюжетов на качество стереокомпьютерного изображения.
Практическая ценность. Разработаны рекомендации, которые дают возможность построения систем с формированием качественного стереоскопического изображения в различных компьютерных приложениях.
На защиту выносятся следующие основные положения:
Математическая модель процесса формирования стереокомпьютерного изображения с учетом характера формирования изображения на экране монитора и прохождения света через системы с ЖК-очками и ЖК-экраном затворного типа.
Особенности и количественная оценка влияния характеристик ЖК-затворов, параметров экрана монитора и условий наблюдения на качкство стереокомпьютерного изображения.
Методика и результаты исследования влияния цветности стереокомпьютерных изображений на заметность перекрестных помех.
Рекомендации для построения стереокомпьютерных систем отображения объемной информации и их аппаратно-программная реализация.
Реализация результатов работы. Реализация результатов работы.
Практическое применение разработанных рекомендаций реализовано при создании оборудования и программного обеспечения стереокомпьютерного устройства, предназначенного для диагностики параметров стереоскопического зрения.
Так же рекомендации применялись при изготовлении устройства для демонстрации стереоскопических слайд-фильмов, разработанного по заказу Главного информационно-вычислительного центра (ГИВЦ) Министерства культуры РФ
Акты внедрения приложены к диссертации.
Апробация работы. Результаты диссертации докладывались и обсуждались на конференциях:
Устройство демонстрировалось на выставке второго международного форума «Высокие технологии оборонного комплекса», Москва, 2001, где было отмечено дипломом.
Юбилейная научная конференция Офтальмология на рубеже веков, посвящ. 80-летию проф. В.В. Волкова. Санкт-Петербург, 2001
Международный симпозиум. «Близорукость, нарушение рефракции, аккомодации и глазодвигательного аппарата». Москва, 2001. Photonics West 2002, Biomedical Optics, Ophthalmic Technologies XII. Son-Jose, USA, 2002. The 3 th International Conference Advanced Optical Materials and Devises (AOMD-3). Riga, Latvia, 2002.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 печатных работ, в том числе положительное решение о выдаче патента.
Структурно диссертационная работа разбита на четыре главы.
В первой главе описаны традиционные методы сепарации и предъявления стереоизображений: механические и оптико-механические методы, автостереоскопия, метод анаглифов, поляризационная проекция, стреовектограф и эклипсный метод. Описаны особенности реализации традиционных методов с применением компьютера. Подробно описан эклипсныи стереокомпьютерныи метод, действие которого заключается в том, что на экране монитора наблюдателю попеременно предъявляются левое и правое изображения стереопары. Для сепарации изображений используются устройства в виде активных жидкокристаллических (ЖК) очков или пассивных очков в сочетании с ЖК-экраном затворного типа. Метод был признан наиболее органичным для зрительного восприятия, т. к. обеспечивает наблюдение полноцветного стереоскопического изображения в условиях, близких к естественным. Основными недостатками систем с активными и пассивными очками являются низкий коэффициент пропускания в открытом состоянии, перекрестные помехи «духи» и мелькания.
Рассмотрены проблемы традиционных стереоскопических методов в офтальмологии. Общими недостатками офтальмологических оптико-механических и проекционных приборов для диагностики и лечения дефектов стереоскопического зрения является их дороговизна, громоздкость, необходимость использования дополнительных устройств и отсутствие универсальности. Путем к решению этих проблем стало внедрение в офтальмологию стереокомпьютерных методов, применение которых подробно описано. Эклипсныи метод является наиболее органичным для зрительного восприятия, т. к. обеспечивает наблюдение полноцветного стереоскопического изображения в условиях, близких к естественным. Основными недостатками систем с активными и пассивными очками являются низкая пропускная способность в открытом состоянии, перекрестные помехи («духи») и мелькания.
Причиной возникновения «духов» является послесвечение люминофора монитора и плохая сепарация изображений для правого и левого глаза, вследствие неполного перекрытия ЖК-ячеек. В результате, изображение, предназначенное для одного глаза, частично попадает в другой.
Причина появления мельканий - уменьшение фактической частоты смены кадров для каждого глаза относительно монитора в два раза.
В главе рассмотрены также проблемы использования традиционных средств исследования параметров стереозрения в офтальмологии. Общими недостатками оптико-механических и проекционных приборов для диагностики и лечения дефектов стеоскопического зрения является их дороговизна, громоздкость, необходимость использования дополнительных устройств и отсутствие универсальности. Путем к решению этих проблем стало внедрение в офтальмологию стереокомпьютерных методов. Особенности применения таких методов в офтальмологии описаны в данной главе. Также приведены требования, которые необходимо учитывать при разработке стереокомпьютерных систем для указанного применения.
Из проведенного обзора сделаны выводы о необходимости проведения количественного исследования и оптимизации параметров, влияющих на качество стереокомпьютерного изображения, что и является основной целью диссертационной работы на ряду с разработкой рекомендаций для построения стереосистем отображения объемной информации.
Вторая глава посвящена разработке математической модели процесса формирования стереокомпьютерного изображения эклипсным методом. При создании модели учитывался характер формирования изображения на экране монитора и прохождения света через системы с ЖК-очками и ЖК-экраном затворного типа. В основу модели была положена оценка интенсивности «духов», определяемая качеством сепарации изображений правого и левого ракурса стереопары. Количественной мерой сепарации ЖК-затворов является отношение «сигнал/шум» - отношение всей энергии свечения, попавшей в открытую в данный момент ячейку и энергии, прошедшей через закрытую ячейку. Были учтены следующие параметры, определяющие отношение «сигнал/шум»: скорость затухания свечения люминофора, пропускание ЖК-ячейки в открытом и закрытом состоянии, времена закрытия и открытия ЖК- ячейки, кадровая частота монитора. На основании математической модели разработана программа для расчета отношения «сигнал/шум» от номера строки горизонтальной развертки на экране монитора. Проведен анализ характера зависимости отношения «сигнал/шум» от параметров математической модели.
Третья глава посвящена оценке и оптимизации параметров, влияющих на качество стереокомпьютерного изображения. Для количественной оценки параметров посредством математической модели введен критерий качества для отношения «сигнал/шум». В соответствии с введенным критерием исследованы и оптимизированы параметры математической модели. Так же произведена субъективная оценка заметности «духов» в зависимости от сочетания цветов стереокомпьютерного изображения. Исследовано влияние яркости свечения люминофора на наличие мельканий. Найдена зависимость качества стереоизображения от выбранного графического режима монитора, размеров видимой области экрана и расстояния от наблюдателя до экрана. Исходя из полученных результатов, разработаны рекомендации к созданию оборудования и программного обеспечения для демонстрации стереокомпьютерных изображений.
В четвертой главе описано применение разработанных в третьей главе рекомендаций при создании оборудования и программного обеспечения для диагностического стереокомпьютерного устройства, разработанного в НИКФИ. Устройство предназначено для диагностики и лечения косоглазия, амблиопии и других нарушений бинокулярного и стереоскопического зрения. Полученные рекомендации использованы при разработке блока электронного управления для работы в формате Over-Under Split-Screen. При создании программного обеспечения выполнены рекомендации по выбору сочетаний цветов стереокомпьютерного изображения. Так же учтены такие параметры, как графический режим монитора, размеры видимой области экрана и расстояние от наблюдателя до экрана. При создании программного обеспечения выполнены рекомендации по выбору сочетаний цветов стереокомпьютерного изображения. Так же учтены параметры экрана монитора (заданный графический режим монитора, размеры видимой области экрана) и условия наблюдения (расстояние от наблюдателя до экрана). Испытания устройства подтвердили, что выполнение разработанных рекомендаций для оборудования и программного обеспечения улучшает качество изображения и повышает комфорт зрительного восприятия.
Практическая эксплуатация устройства в ряде медицинских учреждений показала, что его применение обеспечивает точность диагностики и способствует восстановлению и развитию функций стереоскопического зрения.
В заключении приводятся основные выводы по результатам работы. В приложении приведен исходный текст программы для расчета количественных результатов математической модели, а так же акты внедрения.
Особенности стереокомпьютерных методов визуализации объемных изображений
Бурное развитие компьютерной техники, как во всевозможных технических приложениях, так и в быту естественным образом стимулировало ее соединение со стереоскопическими методами. Появились различные стереокомпьютерные системы, позволяющие наблюдать объемное
изображение на экране монитора.
Стереокомпьютерные методы различаются способами предъявления изображений на экране монитора и разделения (сепарации) правого и левого ракурсов стереопары.
Например, компьютерная реализация растрового автостереоскопического метода сочетает щелевые или цилиндрические растры с жидкокристаллическими (ЖК) проекторами или панелями. В качестве примера можно привести автостереоскопический дисплей 3D-LCD, разработанный исследовательской лабораторией фирмы Philips [65]. Главный недостаток этого метода заключается в том, что зритель может наблюдать изображение, лишь находясь в строго определенной позиции перед экраном монитора. Но эта проблема решается при использовании системы слежения за положением головы пользователя. Данная система применена в ЖК монитор фирмы SONY [46]. Монитор содержит две специальные прозрачные пластины (расщепители изображения), между которыми размещен ЖК экран (рис. 1. 4.). На экране одновременно отображаются оба элемента стереопары, причем пластины преломляют свет таким образом, что каждый глаз видит только свой элемент стереопары. Специальной системой слежения за положением головы пользователя, расположенной над основным экраном, использующей в качестве датчиков линейку фотодиодов, формируется электрический сигнал. Под действием этого сигнала изменяется коэффициент преломления панелей, обеспечивая сохранение стереоэффекта при изменении позиции наблюдателя. Однако подобные системы достаточно дороги из-за своей сложности и пока не имеют массового применения.
В методе анаглифов на экране монитора предъявляется стереопара в дополнительных цветах, наблюдаемая через очки со светофильтрами. Как уже указывалось выше, основным недостатком метода анаглифов является отсутствие полной цветопередачи. Кроме того, оказывается достаточно сложным подобрать цвета анаглифов для хорошей сепарации изображений, что связано, по-видимому, с ограниченным перебором исходных цветов используемых люминофоров. Однако простота и дешевизна метода позволяет широко применять стереокомпьютерные устройства с анаглифическими очками в тех приложениях, где не требуется полноцветное изображение [74].
В эклипсном методе на экране монитора наблюдателю попеременно предъявляются левое и правое изображения стереопары. Для сепарации изображений используются устройства сепарации в виде различных очков. Они могут быть активными - с жидкокристаллическими затворами [88] или пассивными - с поляризаторами.
Оптический ЖК-затвор [82] представляет собой нематический жидкий кристалл, расположенный между двумя параллельными стеклянными пластинками. На входе и выходе ячейки установлены линейные поляризаторы. Пластинки обработаны таким образом, что длинные оси молекул ЖК располагаются параллельно друг другу и стеклянным поверхностям. При такой ориентации молекул интенсивность прошедшего через ячейку плоскополяризованного света максимальна. При подаче напряжения к внутренней поверхности стеклянных пластин прикладывается электрическое поле через тонкое прозрачное электропроводное металлическое напыление. Под действием электрического поля молекулы выстраиваются вдоль направления этого поля, т. е. перпендикулярно поверхности стеклянных пластин и интенсивность прошедшего через ячейку плоскополяризованного света становится минимальной. Т.е. максимальная непрозрачность ячейки достигается путем подачи напряжения, а выключение приложенного напряжения, напротив, приводит к максимально возможной прозрачности ячейки. Таким образом, открывается и закрывается жидкокристаллический затвор.
В системах с активными поляризационными очками (жидкокристаллическими очками, ЗБ-очками) на экране монитора наблюдателю попеременно предъявляются правая и левая картинка стереопары. Синхронно с их предъявлением открывается соответствующий оптический затвор ЖК-очков. Таким образом, каждый глаз видит только свою картинку из стереопары.Активные поляризационные очки наиболее дешевые и распространенные устройства сепарации стереоскопических изображений.
В приборах с пассивными очками [68,87] на экран монитора устанавливается поляризационный ЖК экран затворного типа, в котором совмещаются функции оптического затвора и поляризатора. Экран обеспечивает показ каждого изображения стереопары со своей поляризацией, причем их направления взаимно перпендикулярны. Обычно плоскости поляризации, как и в стереокинематографе, повернуты на угол !45 к горизонтали. Наблюдатель рассматривает стереопару через очки с поляризаторами, направления которых согласованы с направлениями поляризации экрана. Таким образом, каждый глаз видит только свою картинку стереопары.
Главное препятствие использования данного метода - его высокая цена. Недостатком метода также является нарушение взаимной перпендикулярности плоскостей поляризации затворного экрана и очков при наклонах головы, что ухудшает сепарацию и приводит к двоению изображения. Однако, этот недостаток можно устранить, используя круговую поляризацию с взаимно противоположными направлениями. Достоинство метода заключается в возможности использования относительно дешевых пассивных очков без подключения к компьютеру, что облегчает коллективный просмотр стереоизображений [46].Общим недостатком систем с активными и пассивными очками является низкая пропускная способность в открытом состоянии (20-30%).
Влияние характеристики сигнал/шум на качество стереокомпьютерного изображения
Как уже было упомянуто в главе 1, одним из основных факторов, негативно влияющих на качество стереокомпьютерного изображения, являются перекрестные помехи «духи». Интенсивность «духов» определяется качеством сепарации изображений правого и левого ракурса стереопары, т.е. какая часть изображения, предназначенного для одного глаза, попадает в другой глаз. Количественной мерой сепарации является отношение «сигнал/шум» - отношение всей энергии свечения, попавшей в открытую в данный момент ячейку и энергии, прошедшей через закрытую ячейку.
В мониторах на основе электронно-лучевой трубки изображение создается за счет возвратно-поступательного движения электронного луча, создаваемого специальным устройством - электронной пушкой. Экран монитора изнутри покрыт специальным веществом - люминофором, которое обладает способностью светиться при попадании на него электронов [46]. Вещество люминофора обладает инерционностью свечения, т. е. продолжает светиться какое-то время после прохождения электронного луча. Так как во время воспроизведения изображения на экране электронный луч пробегает последовательно строчка за строчкой весь экран, у люминофора есть послесвечение, и имеет место конечное время открытия и закрытия жидкокристаллических затворов, то отношение сигнал/шум должно зависеть от местоположения информации на экране, т.е. может меняться от верха к низу.
Поскольку каждый пиксель экрана в верхней его части успевает высветить всю световую энергию до переключения затвора, то качество работы системы экран-затвор в начале кадра определяется временными характеристиками переключения затвора и его контрастом.
Пиксели, находящиеся внизу экрана, продолжают светиться и после переключения затвора из открытого в закрытое состояние. Это приводит к уменьшению «полезной» энергии и увеличению шума из-за того, что оставшаяся часть энергии попадает в качестве «шума» в картинку для другого глаза.
Таким образом, качество сепарации изображений в верхней части экрана определяется в основном характеристиками жидкокристаллического затвора, а в нижней части - временем послесвечения люминофора.
Изображение на экране монитора формируется построчно, причем электронный луч движется по зигзагообразной траектории - слева направо и сверху вниз. Луч периодически сканирует весь экран, образуя на нем строки развертки (Рис. 2.8). Затем электронный луч переводится от нижнего края экрана по диагонали вверх и попадает в начало первой строки (вертикальный обратный ход электронного луча) [46]. Такой цикл движения луча, в течение которого отображаются все строки на экране, называется кадром изображения. А время, затрачиваемое на формирование одного кадра -периодом кадровой развертки (величиной, обратной кадровой частоте/). При прохождении луча через какую-либо точку экрана (величиной в один пиксель) в момент времени t0 возбуждается свечение люминофора,интенсивность которого затем затухает во времени t по экспоненциальному закону (остаточное послесвечение люминофора) [61]:где IQ - начальная интенсивность свечения, пропорциональная яркости данной точки (пикселя) изображения, а. - скорость затухания свечения люминофора (a. = const для определенного цвета триады люминофора).
Надо так же отметить, что в верхней и нижней части экрана есть несветящиеся области. Для начала построим упрощенную модель без учета несветящихся областей и обратного вертикального хода электронного луча. Пусть период кадровой развертки монитора Т (Т = 1/f), сигнал с экрана проходит через ЖК-ячейки, каждая из которых переключается с периодом 2Т, имеет время открытия ton, время закрытия toff, пропускание ячейки взакрытом состоянии і„ав открытом состоянии к2. Отметим, что для ЖК-экрана с пассивными очками расчеты проводятся для всей системы(например, к2 - пропускание системы ЖК-экран + поляризационные очки в открытом состоянии, кх - в закрытом состоянии). Пусть пропускание первой ячейки описывается функцией k(t), а пропускание парной ячейки функцией k (t). Тогда зависимость пропускания ячеек соответствует рис. 2.9 (красным цветом показана пропускание одной ячейки, а зеленым цветом пропускание парной ячейки). Допустим, что пиксель начинает светиться в момент времени t0. Зависимостьинтенсивности свечения пикселя от времени показана синим цветом. Тогда, чтобы найти полезный сигнал для ячейки, выделенной красным цветом, необходимо проинтегрировать функцию интенсивности свечения от времени (формула (2.2)) по функции пропускания ячейки k(t), которая описывается различными функциями на участках 1, 2, 3 и 4. Как видно из рис. 2. 9, зависимости функции пропускания от времени в период открытия и закрытия ЖК-ячейки приняты линейными для рассматриваемой модели. На самом деле измерения показывают, что функция пропускания во время переключения ЖК-ячейки из закрытого состояния в открытое и из открытого - в закрытое на большем участке линейно зависит от времени. Но имеются и нелинейные участки (Рис. 2. 10), которые при интегрировании по времени дают пренебрежимо малые различия с интегрированием линейной аппроксимации. Отсюда, для простоты расчетов мы аппроксимировали функцию пропускания ЖК-ячейки во времена ton и toff линейнойзависимостью от времени. Назовем интегралы произведения интенсивности свечения люминофора (формула 2.2) и функции пропускания ЖК-ячейки по времени на участках 1, 2, 3 и 4: l\, І), і] и Ґс соответственно. Рассмотрим 2случая: I). Пиксель начинает светиться во время открытия ЖК-ячейки, т. е. t0e[0;ton). II). Пиксель начинает светиться, когда ЖК-ячейка находится вполностью открытом состоянии, т. е. t0 є [ton;T).В первом случае (t0 =[Q;t0J) на участке 1 (гє[0;/ои)) происходитоткрытие ЖК-ячейки. Из рис. 2. 9 видно, что функция пропускания на
Влияние цветности изображения на заметность перекрестных помех
Известно, что зрительные ощущения изменяются в зависимости от сочетания цвета и яркости фона и объекта, благодаря одновременному цветовому и одновременному яркостному контрастам - эффектам, обусловленным физиологией зрения. Одновременный цветовой контраст проявляется в том, что цвет одного и того же объекта воспринимается более насыщенным на фоне дополнительного к нему цвета. Одновременный яркостнои контраст возникает при рассматривании ахроматических цветов и выражается в том, что светлые участки выглядят светлее на темном фоне и темнее на более светлом фоне [8, 9]. Действительно, при наблюдении стереокомпьютерных изображений было отмечено, что заметность «духа» в стереоизображении существенно меняется при изменении цвета фона, на котором это изображение предъявляется. То есть заметность «духов» зависит от сочетания цветов стереокомпьютерного изображения. Для учета этой особенности была проведена субъективная сравнительная оценка заметности «духов».
Исследования «вредных» цветных изображений проводилась ранее в предложенных Н.Д. Нюбергом [42, 90] и разработанных Л.Ф. Артюшиным и Н.Ф. Семеновой испытаниях цветоделительных свойств фотографических материалов [7,8]. Однако цель и методика настоящего исследования отличается от проводимых ранее. В данной работе производилась оценка качества сепарации ЖК-затворов, содержащих нейтральные светофильтры, с учетом физиологических особенностей наблюдения цветных стереоизображений.
Исследование проводилось для цветов, приведенных в таблице 3.2. ! Здесь координаты RGB [24, 41, 95] - пропорциональны интенсивностям основных цветов монитора (красного, зеленого и синего), т.е. количествам основных составляющих аддитивного синтеза [9], которые согласно дубликационной теории [7, 8, 42, 90] и определяют тот или иной цвет, формируемый на экране монитора.
Наблюдателю, смотрящему на экран через ЖК-очки, предъявлялась цветная стереоскопическая метка на цветном фоне. Заметности «духов» при различных сочетаниях цвета метки и фона сравнивались между собой в некоторых нормированных единицах (максимально видимый «дух» был принят равным 1) (таблица 3. 2). Отметим, что все разноцветные духи в реальных изображениях едва заметны, в том числе и со значением «1». Усредненные результаты по десяти наблюдателям приведены в таблице 3.3.
Из анализа таблицы можно заключить, что при инвертировании цветов метки и фона значение заметности «духов» может измениться. «Дух» будет более заметен, если при данном сочетании цветов метка имеет цвет с меньшим значением скорости затухания люминофора а. При дальнейшем анализе допустимого сочетания цветов для каких-либо двух цветов выбиралось максимальное значение заметности «духов». Например, сочетание красной метки и зеленого фона дает заметность «духов» 0,5, а зеленой метки и красного фона - 0,7. Выбираем максимальное значение заметности «духов» для сочетания красного и зеленого цветов - 0,7.
Сочетания цветов были разбиты на три группы. В нижней и верхней частях экрана монитора с пониженным значением отношения сигнал/шум, где сильнее заметность «духов» рекомендуется использовать только группу «хороших» сочетаний с заметностью «духов» 0,25. Группу «плохих» сочетаний с заметностью «духов» более 0,7 использовать не рекомендуется. В оставшуюся группу вошли «удовлетворительные» сочетания цветов.
Полученные результаты отражены в таблице 3. 4. Например, белый цвет и насыщенный зеленый дают недопустимые сочетания со всеми цветами, кроме сочетания друг с другом, в котором их целесообразно использовать.
Исследовалась также заметность смешанных цветов. Была выявленаопределенная закономерность, позволяющая определить совместимость цветов метки и фона. Если в координатах (R, G, В) метки или фона имеется зеленая составляющая (feO), то вклад в заметность «духа» будет давать, в основном, зеленый цвет. Возможно, это объясняется максимальной чувствительностью глаза к зеленому цвету при сумеречном зрении [46, 35, 8], т. к. яркость цветов, как указывалось выше, снижается более чем в 6 раз при прохождении лучей через ЖК-очки. Например, желтый (255,255,0) на голубом (0,255,255) практически не дает «духов», т. к. в состав обоих этих цветов входит зеленый (0,255,0). Оранжевый (255,128,0) на темно-зеленом (0,128,0) дает заметность «духов» всего 0,06. Небольшой вклад в заметность «духов» в этом случае объясняется большей интенсивностью красной составляющей по сравнению с зеленой. Чувствительность глаза к синему основной вклад в заметность «духов» дает красный цвет при R B и синий при B R. Например, (128,0,255) на синем (0,0,255) и (255,0,128) на красном (255,0,0) практически не дают «духов», а при сочетаниях (128,0,255) на темно-красном (128,0,0) и (255,0,128) на темно-синем (0,0,128) «духи» заметны.
Наличие мельканий на ряду с "духами" являются одним из основных факторов, ухудшающих качество стереокомпьютерного изображения. Как было указано в первой главе, главным параметром, влияющим на критическую частоту слияния мельканий КЧСМ, является яркость. При условии равенства периодов затемнения и освещения КЧСМ определяется по эмпирической формуле, найденной Айвсом [59]:где L — яркость [кд/м ].
Яркость свечения люминофора (рис. 3. 6) лежит в пределах 0 L 130 (кд/м2) [46]. ЖК-ячейка пропускает только 30% яркости изображения на экране. Кроме того, с учетом периодического закрытия каждой ЖК-ячейки, видимая каждым глазом яркость изображения L уменьшается еще в два раза и составляет L = 0,15L. Таким образом, яркость видимого глазом изображения лежит в пределах 0 L 19,5 (кд/м2). Отсюда, КЧСМ переключения ЖК-ячейки при максимальной яркости монитора составляет 50 Гц. Эта частота соответствует кадровой частоте монитора 100 Гц. Однако яркости свечения люминофора реальных стереокомпьютерных изображений обычно не превышают 50кд/м , что по формуле (4) соответствует КЧСМ = 47 Гц. Таким образом, при частоте переключения ЖК-ячеек 42,5 Гц, соответствующей стандартной кадровой частоте 85 Гц, мелькания хотя и имеются, но не сильно заметны. Практика показывает, что эту частоту
Разработка блока электронного управления ЖК-ячейками
С учетом рекомендаций, предложенных в главе 3, разработан универсальный блок электронного управления (адаптер) ЖК-затворами. Блок предназначен для работы в формате Over/Under в операционной системе Windows, а так же в формате Page-Flipping в DOS. Времена переходных процессов ЖК-ячеек, обеспечиваемые адаптером, составляют 0,5 ms для закрытия и 2 ms для открытия, удовлетворяющие рекомендациям. Блок поддерживает все кадровые частоты, обеспечиваемые используемым монитором.
Принципиальная схема адаптера приведена на рис. 4. 17. и режимов работы.Описание принципиальной схемы и режимов работы блока электронногоуправления ЖК-ячейками:Генератор импульсов питания очков (D2) частота около 1 кГц, переключатель фаз питания (Dl/1, D1/2), усилители напряжения импульсов (до 20в) на транзисторах ТІ - Т9.Очки прозрачны, если напряжения на их контактах в фазе, и закрыты, если - в противофазе.Режим СОМ.В режиме СОМ переключатель OV/UNDER в положении OFF.
Сигнал с СОМ порта подается через согласователь на ТІ0 и инвертор D4/5 на переключатель REVERSE (SW2) и управляет порядком включения очков. Переключатель REVERSE позволяет сменить фазу переключения на обратную.
Если при подключении к СОМ порту сигнал =0, или идут импульсы управления - очки включены (горит зеленый диод SWITCH GLASSES).
Для того чтобы при остановке программы оставить очки прозрачными необходимо обеспечить сигнал с СОМ порта =1, при этом элементы D1/1, D1/2 и D3/1 обеспечивают синфазность напряжений на затворах очков, очки прозрачны. Для работы в режиме OV/UNDER в разрыв между монитором и компьютером включена перемычка (два разъема DSUB - 15), которая позволяет перехватывать кадровый синхроимпульс частотой FK.
При выключенном переключателе SW2 (over/under OFF) - этот импульс проходит на монитор, минуя устройство, если же SW2 в положении ON - то кадровый импульс через согласователь на ТІ 1 и инвертор D4/6 попадает на определитель полярности D1/4 и в нужной полярности поступает на генератор двойной частоты (CD4046) с выхода которого частота 2Fk поступает на формирователь кадровых синхроимпульсов D5 с импульс около 50мксек через управляемый инвертор Dl/З поступает на коммутатор D3/4 и далее на монитор. Кроме того, частота 2Fk делится на триггере D6/1 и подается через коммутатор D3/3 на и контакты переключателя SW2 в цепь переключения затворов очков.
Управление режимом OVER/UNDER через СОМ порт.Если порт отключен или сигнал = 0, то на выходе инвертора D4/4 формируется сигнал 1, который управляет коммутатором D3, и в этом случае на монитор подаются синхроимпульсы частоты 2Fk , очки переключаются и LED1 (зеленый) горит.
Если с порта подан сигнал 1, то управляющее напряжение коммутатора = 0 и на монитор проходит исходная частота Fk, а на очки подается синфазное напряжение, и они отключаются (LED1 гаснет).Питание блока от сети. Стандартный выпрямитель выдает стабилизированное напряжение 5v для питания всей схемы около 20v для питания затворов очков.
Тестирование оборудования диагностического стереокомпьютерного устройства показало, что характеристики оборудования отвечают требованиям к качеству стереокомпьютерного изображения. Испытания устройства подтвердили, что выполнение рекомендаций для программного обеспечения, разработанных в главе 3, улучшает качество изображения и повышает комфорт зрительного восприятия.
Испытания устройства (Московский НИИ глазных болезней им. Гельмгольца, Институт авиационной и космической медицины и др.) подтвердили, что выполнение разработанных рекомендаций для оборудования и программного обеспечения улучшает качество изображения и повышает комфорт зрительного восприятия.
Практическая эксплуатация устройства в ряде медицинских учреждений показала, что его применение обеспечивает точность диагностики и способствует восстановлению и развитию функций стереоскопического зрения.
Так же разработанные рекомендации применялись при изготовлении устройства для демонстрации стереоскопических слайд-фильмов, разработанного по заказу Главного информационно-вычислительного центра (ГИВЦ) Министерства культуры РФ.
Акты внедрения устройства для демонстрации стереоскопических слайд-фильмов в ГИВЦ Министерства культуры РФ и диагностического стереокомпьютерного устройства в Глазное санаторное отделение Морозовской ДКБ приложены к диссертации.1. Разработанные в главе 3 рекомендации использованы при создании оборудования и программного обеспечения для диагностического стереокомпьютерного устройства.2. С учетом предложенных рекомендаций разработан универсальный блок электронного управления (адаптер) ЖК-затворами. Блок предназначен для работы в формате Over/Under в операционной системе Windows, а так же в формате Page-Flipping в DOS. Времена переходных процессов ЖК-ячеек, обеспечиваемые адаптером, составляют 0,5 ms для закрытия и 2 ms для открытия, удовлетворяющие рекомендациям. Блок поддерживает все кадровые частоты, обеспечиваемые используемым монитором.3. При создании программного обеспечения выполнены рекомендации по выбору сочетаний цветов стереокомпьютерного изображения. Так же учтены параметры экрана монитора (заданный графический режим монитора, размеры видимой области экрана) и условия наблюдения (расстояние от наблюдателя до экрана). Испытания устройства подтвердили, что выполнение разработанных рекомендаций для оборудования и программного обеспечения улучшает качество изображения и повышает комфорт зрительного восприятия. 4. Практическая эксплуатация устройства в ряде медицинских учреждений показала, что его применение обеспечивает точность диагностики и способствует восстановлению и развитию функций стереоскопического зрения.5. Разработанные рекомендации использовались также при изготовлении устройства для демонстрации стереоскопических слайд-фильмов.6. Акты внедрения устройства для демонстрации стереоскопических слайд-фильмов в ГИВЦ Министерства культуры РФ и диагностического стереокомпьютерного устройства в Глазное санаторное отделение Морозовской ДКБ приложены к диссертации.
