Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ видов объемных изображений и особенности их использования в обучающих системах 22
1.1. Определения и понятия 22
1.2. Стереоскопические изображения 24
1.2.1. Стереопарные изображения 24
1.2.2. Многостереопарные изображения 32
1.3. Трехмерные изображения 36
1.3.1 .Интегральные изображения 36
1.3.2. Голографические трехмерные изображения 40
2. Безочковые голографические методы формирования объемных изображений. Голографические экраны 44
2.1. Анализ методов объемной безочковой проекции 44
2.1.1. Общие требования к безочковой проекции объемных изображений 44
2.1.2. Методы проекции стереоскопических изображений 46
2.1.3. Методы проекции трехмерных изображений 48
2.1.4. Особенности проекции голографических многоцветных изображений 55
2.2. Исследование оптических свойств и схем записи голографических экранов для одноцветной проекции 59
2.2.1. Влияние аберраций голографического экрана на параметры наблюдаемого изображения 59
2.2.2. Запись голографического экрана по схеме с расходящимися пучками света 71
2.2.3. Способ записи голографического экрана с помощью голографических элементов 81
2.3. Цветопередача голографических изображений 89
2.4. Экспериментальные исследования и разработка установок для объемной проекции с голографическими экранами 102
2.4.1. Методика записи голографических экранов 102
2.4.2. Запись голограмм для проекции на голографический экран.. 107
2.4.2.1. Запись отражательных голограмм Ю.Н. Денисюка 107
2.4.2.2. Запись синтезированных голограмм 110
2.4.3. Экспериментальное исследование свойств голографических экранов 118
2.4.4. Голографические экраны для проекции плоских цветных изображений 123
3. Стереокомпьютерные методы формирования объемных изображений для индивидуальных средств обучения 128
3.1. Методы сепарации стереокомпьютерных изображений 128
3.2. Способы формирования стереопарных компьютерных изображений 131
3.2.1. Чередование строк (Alternate Line) 131
3.2.2. Последовательное воспроизведение (Page-Flipping) 133
3.2.3. Разбиение кадра по горизонтали (Over-Under Split-Screen) 134
3.3. Исследование и оптимизация параметров, влияющих на качество стереокомпьютерного изображения 135
3.3.1. Математическая модель процесса формирования стереокомпьютерного изображения 136
3.3.2. Анализ параметров, влияющих на качество стереокомпьютерного изображения 142
3.3.3. Разработка требований к параметрам стереокомпьютерных обучающих систем 148
3.3.3.1. Скорость затухания свечения люминофора 149
3.3.3.2. Характеристики ЖК-затвора 150
3.3.4. Влияние цветности стереоскопических изображений на заметность шумовых изображений 155
3.3.5. Влияние яркости экрана на наличие мельканий 160
3.3.6. Рекомендации к разработке оборудования и программного обеспечения для показа стереокомпьютерных изображений 161
3.4. Разработка стереокомпьютерного аппаратно-программного комплекса для диагностики и развития бинокулярного и стереоскопического зрения 162
3.4.1. Разработка программного обеспечения комплекса 163
3.4.2. Выбор цветности изображений для аппаратно-программного комплекса 183
3.4.3. Результаты испытаний и применения аппаратно-программного комплекса 185
4. Стереоскопические видеопроекционные устройства 187
4.1. Состав устройства и разработка требований к его узлам и настройке 190
4.1.1. Выбор видеопроекторов 193
4.1.2. Устройство сепарации 194
4.1.3. Требования к точности настройки стереопроекционного устройства 199
4.1.4. Формирование стереокомпьютерного изображения 201
4.2. Оптимизация яркостных параметров стереоскопического проекционного устройства 203
4.3. Разработка стереоскопических систем отображения для авиационных тренажеров 208
4.3.1. Исследование временных параметров зрения при наблюдении пространственных объектов в авиационных тренажерах 208
4.3.2. Разработка стереоскопического устройства отображения визуальной информации авиационного тренажера дозаправки топливом в воздухе 215
4.3.3. Стереоскопическое устройство отображения с неискаженным изображением для нескольких наблюдателей 218
4.3.4. Исследование геометрических искажений стереоскопического изображения видеопроекционных устройств с цилиндрическими экранами 227
5. Заключение 232
Литература 237
Приложения 255
- Влияние аберраций голографического экрана на параметры наблюдаемого изображения
- Голографические экраны для проекции плоских цветных изображений
- Математическая модель процесса формирования стереокомпьютерного изображения
- Оптимизация яркостных параметров стереоскопического проекционного устройства
Введение к работе
Существенный прогресс последних десятилетий в вычислительной, видеопроекционной и оптоэлектронной технике обусловил активное внедрение мультимедийных информационных систем в образовательный процесс [1 - 4]. Под образовательным процессом будем понимать как обучение различным знаниям, так и процесс развития определенных навыков. В первом случае имеется в виду преподавание в школах, институтах и других учебных заведениях различных дисциплин с использованием иллюстративного аудиовизуального материала. Такой материал должен обеспечить с одной стороны доступность восприятия излагаемого предмета, а с другой облегчить его запоминание.
Для второго вида образовательного процесса характерно применение разного рода тренажерных систем, на которых путем многократного повторения тех или иных действий производится развитие определенных навыков у обучаемого. Здесь вся внешняя информация, особенно визуальная, воздействуя на обучаемого, должна вызывать адекватные отклики, что и является целью обучения. Ярким примером таких систем являются тренажеры транспортных средств (авиационные, автомобильные и др.). Для выработки навыков вождения на этих тренажерах достоверность и реалистичность предъявляемой информации играет главенствующую роль.
Использование мультимедийных учебно-тренажерных комплексов хорошо согласуется с интерактивными формами обучения, которые стимулируют творческую деятельность учащихся и улучшают запоминание предлагаемой информации и выработку необходимых навыков в процессе обучения. При создании в электронном виде учебного материала, как для технических, так и для гуманитарных дисциплин очевидны преимущества аудиовизуального представления наблюдаемых и скрытых, реальных и воображаемых объектов, явлений, процессов. Возможности компьютерного моделирования реальных объектов и процессов с последующим
индивидуальным или групповым мультимедийным предъявлением обеспечивают более глубокое усвоение учебного материала, развивают необходимые навыки при работе на тренажерах.
Ясно, что реалистичность предъявляемой наглядной информации играет в таких системах весьма существенную роль. При этом учитывая, что большая часть такой информации воспринимается через зрительный канал (в некоторых случаях вплоть до 100%), точность воспроизведения изображений исходных объектов является обязательным условием процесса обучения. Это условие практически невозможно выполнить без применения трехмерных воспроизводящих систем, которые существенно повышают адекватность, информативность и доступность восприятия предлагаемого материала в процессе обучения.
Согласно теории Нюберга - Артюшина [5, 6] точность воспроизведения изображений можно условно разделить по степени их совпадения с оригиналом на психологическую, физиологическую и физическую. Для объемных изображений эти виды точностей можно интерпретировать следующим образом. В случае психологической точности наблюдатель оценивает правдоподобие изображения, используя свой накопленный опыт. Изображение может отличаться от исходных объектов по своим размерам, степени объемности и прочим параметрам, но с учетом имеющихся знаний об объектах наблюдатель получает общее представление о его пространственных свойствах. Характерным примером таких изображений являются рисунок, чертеж, фотография, голограмма макета и т.д.
В случае физиологической точности наблюдаемые трехмерные свойства изображения должны полностью соответствовать соответствующим параметрам исходного объекта. Однако процесс формирования этого изображения в мозгу может отличаться от процесса наблюдения самого объекта, а основываться на физиологических особенностях зрительного
аппарата. Примером такого показа является предъявление стереоскопических изображений, полностью идентичных по своим поперечным и продольным размерам исходным объектам. При этом, если в случае наблюдения объекта зритель имеет возможность видеть каждым глазом объемный предмет и может аккомодироваться на рассматриваемую точку, то здесь каждому глазу предъявляются два плоских ракурса и такая возможность отсутствует.
Наконец, в случае физически точного предъявления объемного изображения процесс его наблюдения должен быть полностью идентичен наблюдению самого объекта. Этому условию соответствует показ голографического изображения, а также в какой-то степени интегрального.
В различных областях учебного процесса требуется разная степень правдоподобия показа.
Так, например, в курсах по физике весьма полезен объемный показ действия различных векторных сил на объекты, изображение вращающихся магнитных полей, возникновение электромагнитных сил и моментов в электрических машинах, представление синусоидальных токов и напряжений в виде вращающихся векторов. При изучении химии, биологии и анатомии -строение молекул, сложных химических соединений, взаимное расположение внутренних органов и пр. [7]. В машиностроении полезно иллюстрировать взаимные соединения и деталировку сложных агрегатов [8].
Отметим, что стереокомпьютерные технологии визуализации объемных изображений [9], т.е. стереоскопический показ с использованием специальных компьютерных программ, дает возможность наглядно представить абстрактные и невидимые предметы.
Большое значение объемный показ имеет при изучении искусствоведческих и архитектурных наук, в музейном деле [10]. Преподавание может сопровождаться использованием учебных каталогов с объемными изображениями изучаемых объектов, обладающих пространственной глубиной. К таковым можно отнести скульптурные
объекты и их фрагменты, скульптурные композиции, архитектурные строения, арки, портики, лепнина, решетки и пр. Проведение стереоскопических натурных съемок позволит воспроизводить на каталогах объемные изображения многочисленных архитектурных памятников старины, например, уникальных объектов в городах по Золотому кольцу России, Кижи, Великий Новгород и многое другое.
Конечно, такие каталоги должны создаваться с помощью профессиональных методических разработок, и использовать все возможности мультимедийных обучающих систем, сопровождаться соответствующей текстовой и звуковой стереофонической информацией.
В большинстве перечисленных выше примеров достаточно дать общее представление о пространственных свойствах изучаемых объектов и процессов, т.е. обеспечить психологическую точность воспроизведения объемных изображений. В некоторых случаях (анатомия, медицина) целесообразно воспроизводить изображения объектов в натуральную величину, т.е. обеспечить физиологическую точность показа.
Использование изобразительной голографии, обеспечивающей достижение физической точности воспроизведения, дает возможность собрать в одном месте - классе, лектории и пр., уникальные объекты, собранные из различных музеев. При этом наблюдаемые объемные изображения передают не только пространственные свойства объектов, но воспроизводят также и отражающие свойства поверхности, а именно блеск, и будут практически неотличимы от оригиналов.
Важность предъявления трехмерного изображения в тренажерных системах также весьма высока. Особенно это относится к тренажерам, в которых принятие решений осуществляется на основе наблюдаемой внешней обстановки. Понятно, что система отображения визуальной информации в таких тренажерах должна воспроизводить изображения наблюдаемых объектов с максимальной точностью, вследствие чего точность
воспроизведения изображения должна быть, по крайней мере, физиологической.
Наиболее характерным видом тренажеров данного типа являются тренажеры транспортных средств, в которых отрабатываются навыки маневрирования относительно близко расположенных объектов. Сюда можно отнести авиационные тренажеры с задачами полета в строю, дозаправки топливом в воздухе, посадки на плавсредство, маневрирования на аэродроме, в которых минимальные расстояния до наблюдаемых объектов составляет всего несколько метров. Аналогичная ситуация имеет место в автомобильных тренажерах.
Тесно связана с подобными задачами и проблема развития навыков стереоскопического зрения, путем использования специальных тренировочных аппаратно-программных комплексов, т.к. принятие решения в сложных пространственных условиях требует минимально возможных временных затрат, и бинокулярные факторы оценки расстояний здесь играют главенствующую роль.
Таким образом, разработка и внедрение в мультимедийные обучающие системы устройств, осуществляющих показ объемных изображений, должны обеспечить существенное улучшение качества процесса обучения, поднять его уровень благодаря появлению принципиально новых возможностей и методик преподавания.
Вопросами регистрации и показа объемных изображений, а также особенностями их восприятия издавна занимались ученые многих стран, в том числе и России. Из зарубежных ученых и исследователей это - Л. Лизеганг, А Бертье [11], М. Бонне [12] - автостереоскопические методы, Г. Липпманн [13]- интегральная растровая фотография его имени, Г. Люшер [14 - 16] - основы стереоскопии и восприятия стереоскопических изображений, П. Панум [17]- физиология объемного зрения, Д Габор [18] -первооткрыватель голографии, Э. Лейт, Ю.Упатниекс [19] - первые
изобразительные голограммы, С. Бентон [20 - 22] - «радужные» голограммы, 3D дисплеи, Окоси [23]- голографические дисплеи и многие другие. Из отечественных ученых - Ю.Н. Денисюк [24, 25] - изобразительная голография в белом свете, В.Г. Комар [26 - 28] - голографический объемный кинематограф, многостереопарная проекция на голографический экран, Н.А. В ал юс [29, 30] - растровые системы воспроизведения объемных изображений, Н.Г. Власов [31 - 33] - методы записи и восстановления «радужных» голограмм, СП. Иванов [34, 35] - безочковая растровая кинопроекция, А.Г. Болтянский, Н.А. Овсянникова, С.Н. Рожков [36, 37] -кинематографическая система «Стерео - 70», отмеченная премией американской киноакадемии «Оскар», П.В. Шмаков [38, 39], Г.В. Мамчев [40] - стереоскопическое телевидение, О.Ф. Гребенников, Г.В. Тихомирова [41, 42] - информационные аспекты восприятия объемной информации, Г.И. Рожкова [43], Ю.Е. Шелепин [44] - физиология стереозрения и другие.
Однако, к настоящему времени устройства визуализации объемных изображений еще не нашли широкого применения в обучающих системах. Прежде всего, это обусловлено отсутствием специализированных мультимедийных устройств, направленных на выполнение функции показа объемных изображений в учебном процессе.
Такие устройства должны удовлетворять ряду требований. Необходимо обеспечить адекватную точность воспроизведения объемного изображения, причем одинаковую для всех учащихся, комфортность наблюдения - достаточную яркость для работы в незатемненных аудиториях, отсутствие мельканий, ложных изображений, часто свойственных стереоскопическим системам. Желательно, чтобы аппаратура была, по крайней мере, частично совместима с используемыми мультимедийными устройствами. Важное место, особенно для тренажерных систем, занимает отсутствие или минимизация геометрических искажений.
Анализ известных на момент начала работы методов и устройств воспроизведения объемных изображений показал, что наиболее полно удовлетворить этим требованиям могут голографические системы, реализующие любую точность воспроизведения, вплоть до физической и стереоскопические, обеспечивающие психологическую и физиологическую точность. Возможен также симбиоз этих систем, когда голографическими методами формируются стереоскопические изображения. Вместе с тем выявлен целый ряд проблем, которые необходимо решить для обеспечения активного внедрения подобных систем в образовательный процесс.
Достаточно хорошо разработанная система стереоскопического кинематографа, нацеленная на большие кинозалы, из-за громоздкости аппаратуры не применима в учебных аудиториях. Кроме того, в ней отсутствует возможность интерактивного обучения, являющегося обязательным условием применимости в учебном процессе. Это ограничение делает эту систему неприемлемой в тренажерных устройствах из-за отсутствия обратных связей, т.е. отклика на действия обучаемых субъектов.
Быстро прогрессирующая компактная и удобная в эксплуатации видеопроекционная техника в сочетании с персональными компьютерами могут служить основой построения стереоскопических мультимедийных устройств в системах группового обучения. Однако для этого необходимо проведение соответствующих исследований, нацеленных на создание специализированных систем, применимых в учебном процессе, и на оптимизацию их параметров, обеспечивающих требуемое качество изображения. Важное место здесь занимает анализ и минимизация геометрических искажений стереоизображения, возникающих при проекции на вогнутый экран с учетом необходимости обеспечения физиологической точности воспроизведения стереоскопического изображения для каждого наблюдателя.
Представляется весьма перспективным использование в учебном процессе голографических методов записи и воспроизведения изображений. Это могут быть изобразительные голограммы различных пространственных объектов для индивидуального пользования, а также система объемной голографической проекции для группового обучения. Разработанные в НИКФИ под руководством проф. Комара В.Г. [26, 27] принципы голографического кинематографа с объемным динамическим изображением обладают рядом технологических трудностей для их осуществления в полном объеме.
Однако в случае применения этой системы в образовательном процессе, где не требуется одновременный массовый показ, как это имеет место в кинотеатральном представлении, вполне реально использовать некоторые ее элементы. Так может быть реализована объемная статическая проекция с голограмм малого размера или непосредственно пространственного объекта на голографический экран относительно небольших размеров, рассчитанный на 5 - 10 наблюдателей. При этом, требуется разработка упрощенных методов изготовления экрана, сохраняющих достаточное качество объемного изображения, цветопередачи голографических изображений и т.д. Эти проблемы могут быть решены на основе исследования оптических свойств голографических экранов, исследования свойств различных видов голограмм для непосредственного наблюдения и для проекции на голографический экран.
Бурное развитие и внедрение компьютерной техники естественным образом стимулировало ее соединение со стереоскопическими методами. Появились различные стереокомпьютерные системы, позволяющие наблюдать объемное изображение на экране монитора персонального компьютера [9, 45, 46]. В аппаратной части в большинстве из них для сепарации изображений используются ЖК затворы. Такая техника вполне
пригодна для применения в учебном процессе, хорошо согласуется с индивидуальными мультимедийными средствами обучения.
Однако для грамотного применения стереокомпьютерных технологий индивидуального пользования также необходимо проведение ряда исследований, направленных на повышение качества формируемого стереоскопического изображения, оптимизацию совокупности параметров сквозного процесса записи - воспроизведения, влияющих на это качество. Помимо привычных характеристик, определяющих качество изображения, таких, как разрешение, контраст, передача градаций, цветопередача, особое место здесь занимает наличие мельканий и уровень сепарации ракурсов стереоскопического изображения. Поэтому важное место в этих исследованиях занимает рассмотрение и оптимизация переходных характеристик используемых ЖК ячеек и люминофоров мониторов и разработка рекомендаций по их выбору для обеспечения должного качества стереоскопического изображения.
Целью данной работы являлось исследование и разработка методов и средств визуализации объемных изображений применительно к процессу обучения, в том числе с использованием тренажерных систем. Для выполнения этой цели решались следующие задачи:
1. Исследование методов проекции объемных изображений на
голографический экран, в том числе
Разработка методики расчета аберраций голографических экранов и влияния их на параметры наблюдаемого изображения.
Разработка и исследование схем записи голографических экранов с помощью доступных технических средств.
- Исследование цветопередачи голографических изображений с целью определения требований к спектральным характеристикам источников света для записи и проекции голограмм.
- Разработка и исследование экспериментальных установок
для проекции объемных изображений с голограмм малого размера на
голографический экран.
2. Исследование стереокомпьтерного метода формирования объемных изображений на экране монитора с ЖК очками, в том числе:
- Разработка математической модели процесса формирования
стереокомпьютерного изображения на экране монитора с учетом
переходных характеристик его люминофоров и используемых ЖК-
ячеек и оптимизация параметров, влияющих на качество
стереокомпьютерного изображения.
- Разработка рекомендаций к созданию оборудования и
программного обеспечения для показа стереокомпьютерных
изображений
- Создание оборудования и программного обеспечения для
учебно-тренажерного стереокомпьютерного устройства для развития
стереоскопического зрения с использованием разработанных
рекомендаций.
3. Исследование стереоскопических видеопроекционных устройств для систем обучения, в том числе:
- Оптимизация яркостных параметров устройства.
- Разработка стереоскопической видеопроекционной системы с
одновременным предъявлением объемного неискаженного
изображения несколькими наблюдателям.
Разработка стереоскопических устройств отображения
авиационных тренажеров дозаправки топливом в воздухе.
В результате проведенных исследований определены три группы
физически близких методов формирования объемных изображений, наиболее
полно соответствующих цели применения в учебном процессе -
голографические, стереокомпьютерные и видеопроекционные, и сформулированы следующие научные положения, выносимые на защиту: Голографические методы:
Минимизация аберрационного пятна рассеяния изображения центра выходного зрачка проекционного объектива позволяет определить координаты точечных источников света для записи голографического экрана в расходящихся пучках света без применения крупногабаритных оптических элементов.
Для достижения высокого качества цветопередачи голографического изображения, превосходящего качество цветопередачи, достигаемого в кинематографическом процессе на пленках фирмы «Кодак», длины волн записывающих и восстанавливающих голограмму пучков света следует выбирать из следующих диапазонов длин волн: 460 - 470 нм в синей зоне; 545 - 565 нм в зеленой зоне; 600 - 620 нм в красной зоне спектра.
Стереокомпьютерные методы:
Разработанная математическая модель формирования стереокомпьютерного изображения на экране монитора совместно с ЖК очками позволяет аналитически определять отношение сигнал/шум стереоскопического изображения в любой точке экрана в зависимости от переходных характеристик ЖК ячеек и времен затухания люминофоров.
Незаметность шумовых изображений стереокомпьютерного изображения в максимальной области экрана обеспечивается:
при использовании ЖК-ячеек с отношением коэффициентов пропускания в открытом и закрытом состояниях более 70-ти, временем включения не более 3 мсек и временем выключения не более 1 мсек;
при определенных сочетаниях цветов стереоскопического изображения, найденных экспериментально.
Видеопроекционные методы:
Разработанный метод разделения ракурсов объемного изображения устройства стереоскопической ЖК видеопроекции, основанный на использования фазовых пластин А/2 или У4 и перекоммутации цветовых компонент стерео изображения, повышает яркость изображения примерно в 2 раза.
Использование помимо поляризационного разделения ракурсов, их временное разделение с помощью последовательного включения попарно-открываемых ЖК ячеек, позволяет создать видеопроекционное стереоскопическое устройство отображения, обеспечивающее формирование неискаженного объемного изображения на едином экране одновременно для нескольких наблюдателей.
Научная новизна состоит в том, что на основе разработанных математических моделей формирования объемных изображений, как стереоскопических, так и с непрерывным изменением ракурсов, определения критериев необходимого качества этих изображений и проведенных экспериментальных исследований сформулированы требования к построению устройств визуализации объемных изображений для их использования в мультимедийных обучающих системах.
К основным, полученным впервые научным результатам относятся:
способ записи голографических экранов для проекции увеличенных объемных изображений на расходящихся пучках света с оптимизацией их параметров;
метод и исследование качества цветопередачи голографических изображений, основанные на представлении голографического процесса в виде классического репродукционного процесса Нюберга - Артюшина и расчете координат цвета формируемого
изображения и цветоразличий в равноконтрастной системе координат;
математическая модель, описывающая процесс формирования стереокомпьютерного изображения на экране монитора с использованием ЖК-ячеек;
количественные соотношения таких параметров, как скорость затухания свечения люминофора, кадровая частота монитора, характеристики ЖК-ячеек, а также сочетания цветов стереоскопических сюжетов, оптимальные для обеспечения необходимого качества стереокомпьютерного изображения;
способы исследования и развития бинокулярного и стереоскопического зрения, основанные на стереокомпьютерных технологиях разделения полей зрения;
метод стереоскопической видеопроекции с использованием фазовых пластин, обеспечивающий двукратное повышение световой эффективности системы;
способ одновременного показа стереоскопического неискаженного изображения на едином проекционном экране одновременно нескольким наблюдателям.
Новизна разработанных и представленных в диссертации теоретических основ и конструктивных способов формирования объемных изображений и их применения подтверждена 9-ю авторскими свидетельствами СССР и патентами Российской Федерации.
Практические результаты. На основании принципов, предложенных в диссертации, создана аппаратура, внедренная в различных организациях в качестве мультимедийных обучающих систем и обеспечивающая повышение качества обучения за счет передачи пространственных свойств изучаемых объектов. К ним относятся:
- стереоскопические устройства отображения для двух авиационных тренажеров отработки процесса дозаправки топливом в воздухе (тренажеры изготовлены в ОАО «Пензенское конструкторское бюро моделирование»). Устройства в составе тренажеров успешно прошли государственные испытания и находятся в эксплуатации в соответствующих воинских частях. Внедрены в ОАО «Пензенское конструкторское бюро моделирование».
- способ построения стереоскопического устройства отображения
двухпилотного авиационного тренажера дозаправки топливом в воздухе,
обеспечивающий формирование неискаженного объемного изображения на
едином проекционном экране для каждого обучаемого. Внедрен в ОАО
«Пензенское конструкторское бюро моделирование» в качестве основы для
разрабатываемого в настоящее время тренажера.
аппаратно-программный комплекс для развития навыков стереоскопического зрения, а также для диагностики и лечения нарушений бинокулярного и стереоскопического зрения (разработан в НИКФИ совместно с Московским НИИ глазных болезней им. Гельмгольца и кафедрой детской офтальмологии Всероссийского государственного медицинского университета). Комплекс прошел всесторонние медицинские испытания доказал свою эффективность и полечено разрешение Минздрава РФ на применение. Внедрен в Московском НИИ глазных болезней им. Гельмгольца и Глазном санаторном отделении Морозовской Детской Клинической Больницы, а также установлен во многих специализированных детских садах;
стереокомпьютерное устройство для показа каталогов с объемным изображением объектов имеющих большое культурное и общеобразовательное значение. Внедрено в Главном информационно-вычислительном центре Министерства культуры РФ;
двухкомпонентные голографические экраны с двумя зонами видения для прибора визуального наблюдения специального назначения ВСК-3,
обеспечивающие наблюдение яркого изображения одновременно двумя операторами. Экраны внедрены на предприятии п/я 2572.
Методы исследований. В процессе выполнения работы последовательно применялся системный подход к поиску путей и методов решений проблем оценки и повышения качества объемного изображения, формируемого различными техническими средствами. Для решения поставленных в работе задач использовались теоретические и экспериментальные методы, обобщались отечественные и зарубежные разработки.
В работе использованы элементы следующих научно-технических направлений:
теория множеств;
математический анализ;
теория численных математических методов;
теория математической статистики.
В процессе работы проводились разработка и макетирование измерительных стендов, выполнен большой объем экспериментальных исследований оптических и светотехнических свойств голограмм и голографических оптических элементов, временных параметров ЖК ячеек и люминофоров экранов мониторов, бинокулярных характеристик зрения.
Личный вклад автора состоит постановке задач, разработке общего концептуального подхода к решению поставленных задач, обосновании выбора методов исследований, в непосредственном участии в проведении теоретических и экспериментальных исследований, в формулировке научных положений и выводов.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на следующих отечественных и международных научно-технических конгрессах, конференциях и симпозиумах, в том числе:
XII Международный конгресс УНИАТЕК (г. Москва, 1978),
II Всесоюзная научно-техническая конференция «Применение лазеров в приборостроении, машиностроении и мед. технике (г. Львов, 1979),
Всесоюзная конференция «Регистрирующие среды, методы и аппаратура голографии» (Кишинев, 1980),
I Всесоюзный симпозиум по рентгенологии (г. Обнинск, 1980),
ХІУ Международный Конгресс по высокоскоростной фотографии и фотонике (г. Москва, 1980),
X, XIII, XVII Всесоюзные школах по голографии (1978, 1981,1985 гг.),
IX Всесоюзная конференция «Техника фильмопроизводства. Техника и технология киноизображения» (Москва, 1987),
Международные научно-практические конференции «Теория и практика имитационного моделирования и создания тренажеров» (г. Пенза, 1998,2004),
Международные конференции SPIE:
Stereoscopic Displays and Virtual Reality Systems (г. Сан-Диего, 2001, и г. Сан-Хосе, 2003),
Ophthalmic Technologies (г. Сан-Хосе, 2002),
Advanced Optical Devices, Technologies, and Medical Applications., (r. Рига, 2003),
Всероссийская конференция «Современные технологии в
кинематографии» (г. Ст.- Петербург, 2006).
Публикации. По теме диссертации имеется 41 печатная работа, в том числе 9 авторских свидетельств и патентов на изобретения и полезные модели.
Влияние аберраций голографического экрана на параметры наблюдаемого изображения
Введем ряд определений, которые, вообще говоря, не являются общепринятыми, но, тем не менее, используются некоторыми авторами (например [23, 29, 47]) и будут применяться в данной работе. Все многообразие объемных изображений, т.е. пространственно протяженных, будем разделять на два основных класса: трехмерные изображения и стереоскопические изображения. Под трехмерными понимаем истинно объемные изображения, в которых имеет место плавное изменение ракурсов по горизонтали и вертикали при смещении точки наблюдения и возможно непрерывное оглядывание изображения.
Сразу отметим, что используемая, особенно за рубежом аналогичная в переводе на русский язык терминология «ЗБ-изображение (технология, программное обеспечение и пр.)» не совсем корректна. Она охватывает слишком большой класс изображений, вплоть до плоских, как это имеет место в программе "3D-Studio МАХ", где на экране кинескопа в каждый момент времени формируется плоская картинка, но с возможностью модификации в зависимости от точки наблюдения.
Под стереоскопическими будем понимать изображения, формируемые благодаря бинокулярному эффекту за счет предъявления глазам наблюдателя различных, плоских изображений стереопары. При этом количество этих стереопар относительно небольшое и переход от одного ракурса к другому происходит дискретно, т.е. с некоторым скачком. В частном случае, кстати, наиболее простом, а потому и наиболее распространенном, используется всего одна стереопара, и оглядывание изображения вообще невозможно.
Оценивая точность воспроизведения объемных изображений, ориентируясь на теорию Нюберга - Артюшина [5, 6], можно заключить, что стереоскопические изображения могут обеспечить максимум физиологическую точность приближения к исходным объектам отображения. Физическая точность воспроизведения может быть достигнута только в системах воспроизводящих трехмерные изображения с непрерывным изменением параллакса.
К стереоскопическим изображениям относятся: - стереопарные изображения - два разноракурсных плоских изображения одного объекта, предназначенные для рассматривания их левым и правым глазом наблюдателя. Рассматривание производится с помощью специальных устройств, обеспечивающих сепарацию изображений так, чтобы одно изображение попадало в левый и только в левый глаз, а второе соответственно только в правый глаз. Для этого используются стереоскопы, различные селективные очки, растровые системы, временная селекция и др. параллакс-стереограммы (автостереограммы) - совмещенные разноракурсные изображения в виде узких вертикальных полосок, в которых последовательно чередуются участки левого и правого ракурса объекта. Для сепарации изображений перед параллакс-стереограммой располагается щелевой линейный растр, который прикрывает для правого глаза леворакурсные участки изображения, а для левого - участки правого ракурса. Параллакс-стереограммы могут формировать и многоракурсные стереоизображения. В этом случае вертикальные полоски соответствуют большему, чем два числу ракурсов (обычно до десяти). Растр может быть выполнен линзовым в виде совокупности узких вертикальных цилиндрических линз. Построение изображение в таком растре аналогично щелевому растру. - параллакс-панорамограммы - аналогичны параллакс-стереограммам, но формирующие большее число ракурсов, что позволяет практически без скачков оглядывать объемное изображениев горизонтальном направлении. К трехмерным изображениям будем относить: - топографические изображения различного типа; - оптические - объемные изображения, построенные различными оптическими системами; интегральные фотографии Липпманна - множество горизонтальных и вертикальных ракурсов объекта, снятых с помощью линзового растра, формируют объемные изображения по качеству объемности близкие к голографическим; Возможны пересечения указанных видов объемных изображений. К таковым относятся, например, стереоголограммы [48 - 61], в которых голографическим методом зарегистрировано множество плоских ракурсов объекта, так что при восстановлении можно видеть объемное стереоскопическое изображение исходного объекта. Такие голограммы будут рассмотрены в главе 2. Отметим, что принципиальным отличием трехмерных изображений от стереоскопических является то, что при наблюдении последних невозможно фокусировать глаз на рассматриваемую точку объекта, что характерно для реального наблюдения. Средства формирования трехмерных изображений позволяют это сделать. Поэтому если при наблюдении стереоскопических изображений всегда имеет место разрыв аккомодации и конвергенции глаз, то для трехмерных изображений такой разрыв отсутствует, что и обеспечивает возможность физически точного воспроизведения.
Голографические экраны для проекции плоских цветных изображений
Под многоцветным голографическим изображением будем понимать изображение, цветности отдельных элементов которого отличаются друг от друга. Введение такого определения обусловлено тем, что любые голографические изображения являются цветными (за исключением тех случаев, когда используются специальные методы записи и восстановления), в отличие от фотографии, где рассматриваются черно-белые и цветные изображения.
При получении объемного многоцветного изображения следует записывать голографические экраны, обеспечивающие многоцветную проекцию, т.е. использовать методы записи многоцветных голограмм [89]. Впервые способ получения многоцветной голограммы был описан в работе [90] и обоснован далее в работе [91]. В его основе лежит запись голограммы в лазерном излучении с несколькими длинами волн, значения которых находятся в разных цветовых зонах спектра. На одном носителе регистрируется несколько элементарных голограмм, каждая из которых соответствует своей длине волны лазерного излучения. При восстановлении светом с исходным спектральным составом эти элементарные голограммы образуют в пространстве одноцветные объемные изображения. Если геометрия схемы записи сохранена, то все эти изображения пространственно совпадают, образуя благодаря аддитивному синтезу [5, 6], многоцветное объемное изображение. Опорные пучки света с разными длинами волн могут падать на голограмму как под одним, так и под различными углами.
К трудностям изготовления цветных голограмм, а следовательно, и цветных голографических экранов, следует отнести, прежде всего, перекрестную модуляцию, приводящую к появлению ложных изображений из-за дифракции на "чужих" решетках [89]. В результате происходит наложение изображений, а также падение дифракционной эффективности полезных пучков света.
Для устранения наложения изображений при перекрестной модуляции известны разные методы. Одним из них является метод дискретизации пространственных спектров изображений [91, 92], при котором углы падения на голограмму опорных пучков света и расположение объектов голографирования выбирается таким образом, что ложные изображения восстанавливаются вне полезного с сохранением достаточного угла оглядывания. Известен также масочный метод [92], когда на голограмму накладывается мозаичная маска, состоящая из мелких узкополосных фильтров. В результате каждый малый участок голограммы при записи и восстановлении освещается светом с одной спектральной линией. Ясно, что размеры фильтров должны находиться за пределами разрешения глаза, поэтому реализация такого способа довольно сложна.
Для изготовления просветных голографических экранов на небольшое число зрителей, расположенных в один-два ряда, возможен первый метод, т.к. он позволяет ложные изображения зон видения расположить вне зрительских мест (например, развести их в вертикальном направлении).
Запись цветных голографических экранов с точки зрения устранения перекрестной модуляции удобно производить на толстослойных голограммах, как просветных, так и отражательных. Эффективная толщина их должна быть достаточно большой, чтобы обеспечить подавление ложных изображений [93, 94]. Может быть использована как спектральная селективность толстослойных голограмм, так и угловая, в случае разных углов падения опорных пучков света каждой длины волны.
Просветная многоцветная голограмма впервые была сделана и описана в работе [95]. Голограмма плоского транспаранта записывалась в излучении газовых лазеров на аргоне и гелий-неоне с двумя спектральными линиями 488 и 633 нм. Перекрестная модуляция при восстановлении в лазерном свете полностью отсутствовала, что соответствует оценкам спектральной селективности, согласно [93].
Первая отражательная цветная голограмма была получена также в излучении с двумя спектральными линиями, синей и красной [96]. Голограмма восстанавливала в белом свете с непрерывным спектром цветное изображение плоского транспаранта. В работе [97] приведена методика измерения координат цвета голографического изображения и результаты этих измерений для четырех голографических изображений плоских одноцветных транспарантов - синего, зеленого, желтого и красного. На цветовом графике (х,у) приведено соответствие цветностей оригиналов и их изображений. Отметим, что такая система координат не является равноконтрастнои, т.е. одинаковые расстояния между точками в разных частях цветового графика не соответствуют одинаковым цветоразличиям. Поэтому по сравнению цветностей оригиналов и их изображений нельзя судить о качестве цветовоспроизведения.
Для записи цветных отражательных голограмм наиболее пригодны голографические фотоматериалы ПФГ-ОЗЦ [98], выпускаемые ОАО «Славич» - доработанный заводской аналог лабораторных эмульсий типа ПЭ, разработанных под руководством Н.И. Кириллова [99, 100]. Эти материалы обеспечивают разрешение свыше 10 тыс. лин/мм, что необходимо для регистрации цветных голограмм и высокую дифракционную эффективность при достаточно большой светочувствительности.
Математическая модель процесса формирования стереокомпьютерного изображения
Рассмотрим способ записи голографического экрана, при котором геометрия расположения источников опорных и предметных пучков света относительно голограммы на стадиях ее записи и проекции не совпадают. В практической реализации часто бывает удобной схема записи экрана с использованием только расходящихся пучков света [106 - 108]. Удобство такой схемы заключается в том, что изготовление голографического экрана может быть осуществлено с применением доступной оптики без сложных и дорогостоящих оптических устройств с большой апертурой для формирования сходящихся пучков света. Зоны видения образуются в тех порядках дифракции восстанавливающего пучка света на голографическом экране, в которых формируются действительные изображения.
Координаты расходящихся предметных и опорных пучков света [хо Уо,2о) и {хсУс 2с) ПРИ записи экрана определяются согласно расположению проекционного объектива (xB,yB,zB) и зрительских зон видения (хи,уи,ги) в соответствии с формулами (2.1) - (2.3).
Необходимость обеспечения достаточного угла зрения влечет за собой высокую светосилу голографических экранов. Это, в свою очередь, приводит к значительным аберрациям экрана при несовпадении схем записи и проекции. Ясно, что эти аберрации уменьшаются с увеличением расстояния Rc, величина которого ограничена размерами голографической установки и апертурами используемой оптики. Таким образом, выражение (2.1) определяет по заданным проекционным параметрам значения RB и Ли, а также Rc величину R0. Координаты (х0,у0) и (хс,ус) могут варьироваться в соответствии с выражениями (2.2) и (2.3) для уменьшения возникающих при проекции аберраций. В предположении (2.15) целевой функцией оптимизации для плоскости у = О будет являться размер пятна рассеяния Д, изображения центра выходного зрачка проекционного объектива (2.17) при условии (2.2). Пусть
Решения 9"x уравнения (2.34) могут быть найдены по известным формулам или графически. При условии решение в х определяет с помощью выражений (2.30), (2.31) координаты источников расходящихся пучков света при записи голографического экрана таких, что дисперсия лучевых аберраций в зоне видения минимальна.
В общем случае минимизация пятна рассеяния (2.31) и минимизация дисперсии (2.33) приводят к различным значениям в[. Это происходит, если имеет место резкое изменение функции лучевых аберраций (2.29). Обычно такое резкое увеличение лучевых аберраций характерно только на краях голографического экрана. Поэтому минимизация дисперсии, несмотря на возможное увеличение пятна рассеяния, приводит лишь к небольшому уменьшению полезной площади экрана при сохранении размера зоны видения, соответствующего минимальному пятну рассеяния (2.31).
Отметим, что способ изготовления голографических экранов по схеме с расходящимися пучками света, связанный с изменением углов падения опорных пучков света при записи и восстановлении, ограничен селектирующими свойствами голограмм. Поэтому данный способ используется при изготовлении экранов, в основном просветного типа.
Рассмотрим пример, иллюстрирующий использование полученных выше выражений для расчета координат источников света при записи голографического экрана, а также его аберрационных свойств. Пусть просветный экран 500x600 мм, рассчитанный на два зрительских места (такие экраны могут быть использованы в некоторых видах систем обучения и визуальной оценки качества), имеет следующие проекционные параметры (рис. 2.8): расстояния от экрана до проекционного объектива (-RB) - 2,0 м, расстояния до зон видения (RM) - 2,5 м, расстояние между зрителями, расположенными в одном горизонтальном ряду, - 0,6 м. Для того, чтобы пучок нулевого порядка не попадал в глаза зрителям, центр экрана поднят
Оптимизация яркостных параметров стереоскопического проекционного устройства
Принципиально, выражения (2.42), (2.44), (2.45) позволяют получить голографический дуплет, формирующий сходящийся пучок света. Однако, при реальных значениях RH, необходимых для изготовления голографического экрана, и Re, которое ограничено размерами голографической установки, в силу неравенства (2.44) получаются слишком малые величины RB. Вследствие этого возникают трудности с равномерным освещением такого голографического элемента.
Поэтому при изготовлении просветного экрана можно воспользоваться схемой, аналогичной схеме записи составного голографического объектива, рассмотренного в работе [110]. С помощью параллельного опорного пучка от голографического коллиматора записываются две голограммы. Одна из них Гз освещается расходящимся пучком света (рис. 2.13а), источник которого расположен относительно голограммы в соответствии с расположением проекционного объектива относительно экрана. Другая голограмма Г4 освещается расходящимися пучками света (рис, 2.13в), источники которых соответствуют зрительским местам в зале. При проекции голограмма Г4 поворачивается таким образом, чтобы восстанавливающий ее коллимированный пучок света от голограммы Гз был сопряженным опорному пучку при ее записи (рис. 2.13г).
Разработана методика расчета аберраций голографического экрана, основанная на расчете лучевых аберраций изображения центра выходного зрачка проекционного объектива. 2. Получены соотношения, определяющие линейные размеры зоны видения и максимальную глубину объемной сцены передаваемой и промежуточных голограмм Г3 и Г4. голографическим экраном, в зависимости от его параметров записи и проекции. 3. Получены инженерные формулы для расчета оптимальной схемы записи голографического экрана на расходящихся пучках света. 4. Показано, что запись составных голографических элементов, формирующих сходящиеся и коллимированные пучки с компенсацией сферической аберрации третьего порядка, можно осуществить, используя лишь расходящиеся пучки света. Рассмотрены схемы использования таких элементов для изготовления голографических экранов. 2.3. Цветопередача голографических изображений. Большое значение для решения проблемы получения высококачественных объемных изображений на голографическом экране имеют вопросы цветопередачи. В настоящем параграфе рассмотрена возможность получения оптимальной цветопередачи голографического изображения при различных длинах волн спектральных составляющих освещающих источников, используемых при записи голограмм и их проекции на голографический экран [113, 114]. При этом формирование цветного голографического изображения трактуется как классический репродукционный процесс Нюберга - Артюшина [5, 6]. Полученные оценки позволяют определить условия записи и проекции цветных голограмм, требования к используемым для этой цели регистрирующим средам и источникам света с точки зрения их спектральных параметров. Исследование проведено на примере цветного изображения, полученного непосредственно с голограммы, записанной в излучении с N спектральными составляющими. Особенности, возникающие при проекции этого изображения на голографический экран, будут отмечены. Известно [5, 6] что репродукционный процесс цветовоспроизведения представляет собой три стадии: аналитическую (цветоделение), переходную (градационную) и синтетическую. На первой стадии репродукционного процесса под действием излучения сложного спектрального состава Е(Л) образуются скрытые цветоделенные изображения, В случае голографического процесса цветоделение происходит благодаря съемке в N взаимно некогерентных лазерных излучениях с длинами волн , ,...,/1 и образованию N элементарных голограмм, причем независимых, в виде скрытых изображений дифракционных решеток. На второй стадии в результате химической обработки голограммы образуются N дифракционных решеток, каждая из которых при освещении ее светом с соответствующей длиной волны (для отражательных голограмм возможно освещение белым светом) формирует одноцветное объемное изображение снимаемого объекта. На третьей стадии процесса происходит синтез многоцветного изображения, в данном случае - аддитивный синтез. В отличие от обычного репродукционного процесса, при котором цветоделение характеризуется соответствующими интегралами для актиничностей, а переходная стадия - функциональными зависимостями, связывающими актиничности с переменными факторами синтеза, т.е. количествами "красок", при рассмотрении голографического процесса целесообразно описать первые две стадии в совокупности. Переменные синтеза в этом случае определяются дифракционными эффективностями элементарных голограмм 77,- при данных длинах волн Я;, i=l,2,...,N восстанавливающих источников (предполагается, что для объемных голограмм восстановление производится под углом Брэгга).
