Введение к работе
Актуальность работы. В последнее время во всем мире значительно усилился интерес разработчиков к проблемам создания систем съемки и демонстрации объемных фильмов. При этом основные успехи достигнуты на пути применения очковых систем с поляризационными очками. Несмотря на относительную простоту реализации таких систем, необходимость использования очков накладывает определенные ограничения. Во-первых, это соображения гигиены и неудобство одевать двое очков, если зритель имеет свои собственные. Во-вторых, очковые стереопарные системы не предоставляют зрителю возможность оглядывания объемного изображения. Поскольку в каждый глаз всегда попадает одна и та же картинка из стереопары, то при смене позиции зрителя наблюдаемая сцена деформируется неестественным образом. Такое искажение видимого пространства воспринимается как несоответствие реальности, может вызывать головные боли, головокружения и прочие нежелательные ощущения, что также является недостатком очковых систем. Его можно нивелировать применением систем слежения за положением головы наблюдателя и соответствующей корректировкой предъявляемой зрительной информации. Однако такой метод применим только для одного наблюдателя и совершенно не пригоден для демонстрации объемных фильмов в кинотеатре.
Реальной альтернативой очковым методам является использование растровых систем, в частности, проекция так называемой параллакс-панорамограммы на просветный растровый экран. Параллакс-панорамограмма представляет собой сложное кодированное изображение, составленное из большого числа последовательно чередующихся элементов изображения одного и того же объекта, снятых с различных ракурсов. В основе декодирования лежит свойство растра разделять в пространстве лучи исходящие из разных точек экрана, расположенного вблизи фокальной плоскости растра. В 40-х – 50-х годах прошлого столетия активно развивались растровые методы проекции объемных изображений. Для сепарации ракурсов стереоскопического изображения здесь используются щелевые или линзовые растры, установленные рядом с рассеивающим экраном. Стереоскопическая кинопроекция осуществляется с помощью двухобъективного проекционного аппарата с кинопленки, на которой были зафиксированы два ракурса снимаемой сцены.
По этой системе в Москве некоторое время работал безочковый стереокинотеатр по системе С.П. Иванова, где проекция осуществлялась на перспективный линзорастровый экран. Основным недостатком такой стереопарной проекции является ограниченность зоны видения, максимальный размер которой составлял 130 мм. Зрители были вынуждены сидеть практически неподвижно во время сеанса.
Увеличить размеры зоны видения можно используя многостереопарную проекцию на растровый экран. Однако реализовать такую систему в традиционном пленочном кинематографе было весьма затруднительно. Проблемы имели место и на этапе многоракурсной съемки фильма и при многостереопарной проекции, т.к. необходимо было организовать транспортирование пленки через несколько (например, восемь) кадров.
В связи с развитием методов и средств цифрового кинематографа представляется реальным вернуться к идеям прошлых лет в части создания многостереопарной безочковой проекции. Использование современной вычислительной и видеопроекционной техники обеспечивают следующие преимущества:
- синтез параллакс-панорамограммы в цифровом виде;
- фиксированное цифровое растрирование изображения;
- возможность многоракурсной проекции, благодаря тому, что зоны видения создаются уже сформированной параллакс-панорамограммой и не связаны со зрачками объективов;
- возможность цифровой обработки - интерполяция промежуточных ракурсов при исходной съемке двумя – тремя объективами;
В настоящее время для рекламных целей появились растровые безочковые устройства, формирующие объемное динамическое изображение в пространстве перед и за экраном. Такие устройства реализованы на базе жидкокристаллических или плазменных панелей, перед которыми установлен растр. Число ракурсов многостереопарного изображения – около десяти. Однако увеличение числа ракурсов приводит к пропорциональному уменьшению разрешения в наблюдаемом изображении.
Повысить число элементов в каждом ракурсе можно с помощью использования модульной проекционной многостереопарной системы, предложенной в данной работе, то есть путем мультиплицирования каналов, в каждом из которых формируется соответствующий фрагмент изображения, и их пространственного совмещения на растровом проекционном экране. Применение цифровых методов синтеза стереоскопических изображений и их проекции обеспечивает возможность практической реализации такой системы.
Таким образом, разработка методов цифрового синтеза многоракурсных стереоскопических изображений для безочковой растровой демонстрации, имеющей несомненные преимущества перед альтернативными способами, является актуальной задачей.
Объект исследования. Объектом исследования диссертационной работы являются многоракурсные стереоскопические изображения, как визуальные представления объектов окружающей действительности.
Предмет исследования. Предметом исследования диссертационной работы являются методы создания наборов ракурсов изображения, синтеза параллакспанорамограмм и цифровой демонстрации многоракурсных стереоскопических изображений.
Цель работы: разработка алгоритмов и программных решений формирования и показа стереоскопических многоракурсных изображений для цифровой безочковой растровой демонстрации.
В процессе выполнения работы, включающей исследования процессов синтеза и обработки стереоскопической многоракурсной информации, а также методов ее преобразования для безочковой демонстрации, решались следующие научные задачи:
1. Выявление основных параметров процесса синтеза многоракурсных стереоскопических изображений и анализ их влияния на качество воспроизведения.
2. Разработка методов создания в цифровом виде наборов ракурсов изображения с необходимой степенью качества.
3. Разработка методов синтеза цифровых параллакспанорамограмм многоракурсных киностереоизображений.
4. Экспериментальная проверка найденных решений и их практическая реализация на основе разработанных аппаратных решений.
Методы исследований. При решении задач, поставленных в работе, были использованы методы системного анализа, преобразования информации, численные методы, методы лучевой оптики, физиологии зрительного восприятия.
Научная новизна. Научная новизна диссертационной работы заключается в следующих положениях:
- разработанная методика расчета параметров сквозного информационного процесса синтеза киностереоизображений, основанная на обоснованном выборе критерия допустимого разрыва между аккомодацией и конвергенцией, обеспечивает их комфортное восприятие.
- разработанный алгоритм обработки многоракурсной информации и синтеза паралакспанорамограмного фильмового контента на основе применения масок прозрачности, позволяет создавать фильмы с помощью методов мультипликации, компьютерного синтеза и натурных съемок.
- предложенный метод преобразования цифровой стерео информации, заключающийся в модульном принципе построения растровой проекционной системы показа многоракурсного объемного изображения, обеспечивает его показ на больших экранах с повышенным разрешением.
Практическая ценность диссертационной работы заключается в доказанной возможности применения предложенного и разработанного модульного метода для безочковой растровой демонстрации многоракурсных стереоскопических изображений в рекламных и учебных целях, для создания кинотеатров и киноатракционов. Кроме того, программная реализация описываемых в работе алгоритмов является законченным продуктом и готова к использованию для создания паралакспанорамограмного контента для иных аппаратных реализаций.
Реализация результатов работы. Найденные в процессе выполнения результаты диссертационной работы нашли своё применение
- при проведении занятий в рамках мастер-класса для студентов специализированных учебных заведений на нескольких конференциях и фестивалях, облегчая доступность и усвоение излагаемого материала.
- при разработке стереоскопических систем визуализации для авиационных тренажеров для дозаправки топливом самолетов Су-24, Су-27, позволив повысить точность взаимного расположения объектов воспроизводимого пространства и адекватность приобретаемых пилотами навыков,
- при создании аппаратно-программного комплекса для диагностики и лечения нарушений бинокулярного и стереоскопического зрения, обеспечив высокое качество полноцветного стереоскопического изображения,
что подтверждено имеющимися в диссертации актами внедрения.
Апробация работы. Результаты работы докладывались на Международных научно-практических конференциях: «Теория и практика имитационного моделирования и создания тренажеров» (г. Пенза, 1998, 2004 гг.), Всероссийской конференции «Современные технологии в кинематографии» (г. Ст.- Петербург, 2006 г.), первой, второй и третьей Научно-технических конференциях «Запись и воспроизведение объемных изображений в кинематографе и других областях», Москва, 2009, 2010, 2011 г.г., международной конференции “Stereoscopic Displays and Applications XX”. 19 – 21 January 2009, San Jose, California.
Публикации по теме диссертации. По теме диссертационной работы опубликовано 13 научных работ, в том числе 6 статей в журналах, входящих в перечень ВАК РФ.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа изложена на 130 страницах машинописного текста и состоит из введения, четырёх глав и заключения.
