Повышение качества визуализации за счёт использования 3D стереосистемы

А.Р. Верещагин,

магистрант, ver_art@mail.ru,

МГТУ СТАНКИН, г. Москва,

В.А. Ромакин,

к.т.н., с.н.с, insight.ru@gmail.com

ИПУ РАН, г. Москва

Аннотация

В статье описывается использование поляризационной системы вывода 3D изображений для повышения качества визуализации. Проанализированы основные способы построения стереоизображения.

Abstract

The present article describes using polarization 3D system for an output 3D images to improve quality of visualization. The main methods of creation of the stereoimage are analyzed.

Введение

Известно, что человеческий мозг на 80% загружен зрительной информацией, поэтому реалистичность ее отображения имеет особое значение. Системы виртуальной реальности (СВР) обеспечивают качественно новое восприятие информации, кардинально повышая наглядность и интерактивность материала. Развитие современной техники позволяет рассматривать на сегодняшний день построение стереоизображений, как одно из наиболее перспективных направлений компьютерной графики. Возможность стерео представления изображений порождает новые направления прикладных исследований – создание программно-аппаратных комплексов виртуальной реальности, обучающих комплексов, построение с помощью стереоизображений различных презентаций и анимаций. В качестве основных целей подобных работ можно выделить следующие[1]:

· создание стерео презентаций полученного информационного материала;

· возможность стерео представления и соответственно объёмного восприятия научных данных в ряде случаев позволяет по-новому интерпретировать эти данные;

· возможность стерео представления определенного фрагмента изображения помогает резко повысить выразительность и информационную ценность изображения в целом.

Благодаря таким системам, пользователь может моделировать объекты, используя для вывода геометрической модели специальное оборудование, которое позволяет отобразить сцену в стерео формате. В настоящее время 3-D стереосистемы находят широкое применение во многих отраслях: в бизнес презентациях, различных образовательных системах, виртуальных тренажерах, а также в кино и в компьютерных играх[4].

В настоящей статье рассмотрено использование 3D стереосистемы для повышения качества визуализации 3D объектов.

1. Описание установки

Существуют различные аппаратные средства вывода стерео, к наиболее доступным и популярным относятся: анаглифные системы, системы с активными затворами, поляризационные системы.

Рассмотрим подробнее одну из них, а именно поляризационную. Поляризация — для электромагнитных волн - это явление направленного колебания векторов напряженности электрического поля или напряженности магнитного поля. Поляризация света – процесс упорядочения колебаний вектора напряжённости электрического поля световой волны при прохождении света сквозь некоторые вещества (при преломлении) или при отражении светового потока. При использовании линейной поляризации два изображения накладываются друг на друга на один и тот же экран через ортогональные поляризационные фильтры в проекторах. При этом необходимо использование специального посеребрённого экрана, который позволяет избежать деполяризации и компенсировать потерю яркости (поскольку на экран падает только 0,71 света излученного каждым проектором).

Зритель надевает очки, в которые также встроены ортогональные поляризационные фильтры; таким образом, каждый фильтр пропускает только ту часть световых волн, чья поляризация соответствует поляризации фильтра, и блокирует ортогонально поляризованный свет. Линейно поляризованные очки требуют, чтобы зритель держал голову на одном уровне, не наклоняя её, иначе эффект теряется.

Преимущества стереоскопической технологии с использованием поляризационных фильтров:

· относительно невысокая цена оборудования;

· возможность отображения для большого количества пользователей;

· высокое качество отображения.

Недостатки 3D технологии с использованием поляризационных фильтров:

· необходимость держать голову прямо для разделения изображения;

· зависимость качества изображения от местоположения пользователя относительно экрана.

Подобная установка, использующая эффект поляризации света находится в Институте Проблем Управления им. Трапезникова. Аппаратная часть содержит в себе два проектора, персональный компьютер с видеокартой, имеющую два DVI выхода, экран со специальным покрытием, поляризационные фильтры для проекторов и поляризационные очки для пользователя.

Для подключения двух проекторов к одному компьютеру используется видеокарта NVIDIA GeForce GTS 250, имеющая два DVI выхода. Эффект стереоскопической визуализации основан на явлении поляризации света. Перед объективом каждого из двух проекторов ставятся специальные фильтры, позволяющие поляризовать свет в горизонтальной и вертикальной плоскостях (линейная поляризация). Проекторы необходимо ставить как можно ближе друг к другу, чтобы они проецировали изображение практически из одной точки пространства. Специальный экран, покрытый серебряной краской, отражая изображение, сохраняет полярность световой волны, а также сохраняет яркость изображения, компенсируя эффект затемнения от поляризационных фильтров. В результате, конечный пользователь, надев очки, получает отдельное изображение на каждый глаз. Конфигурация компьютера приведена в табл. 1.

Таблица 1.

Конфигурация компьютера

Материнская плата	ASUS P5B-VM SE
Видеокарта	NVIDIA GeForce GTS 250
Проекторы	Christie LX55 x2
Процессор	Intel Pentium 4 3.2 GHz x2
Оперативная память	2 Гб

2. Выбор метода проецирования объектов

Существуют различные методы установки виртуальной камеры и визуализации двух стереопар.

Первым способом отображения модели является использование “toe-in” проекций[3], при котором обе камеры направлены в одну и ту же фокусную точку. (рис. 1)

рис. 1 Использование «toe-in» проекций

В этом методе проецирования у камеры есть симметричная и фиксированная апертуры, причем симметричная будет больше, что приведет к небольшим искажениям в отображении. Кроме того, такой метод отображения порождает поперечный параллакс[2]. Вертикальный параллакс – это явление, при котором одна и та же точка модели будет находиться на разной высоте на изображениях для левого и правого глаза.

Другим методом отображения модели является метод несимметричных проекций («off-axis method»)[3]. Векторы наблюдения обеих камер параллельны друг другу. (рис. 2)

рис. 2 Использование «off-axis» проекций

Объекты, лежащие перед плоскостью проекций, будут казаться приближенными к пользователю, объекты, лежащие позади плоскости проекций, будут казаться за экраном. При таком методе проецирования поперечный параллакс будет полностью отсутствовать, так как при создании изображений для левого и правого глаза объект не поворачивается относительно камер наблюдения.

Метод «off-axis» проекций является более предпочтительным, он обеспечивает качественную визуализацию объектов и кроме того создает комфортные для глаз условия работы. Важным плюсом является отсутствие поперечного параллакса, что делает визуализацию максимально приближенной к реальным условиям.

1. Повышение качества визуализации за счёт использования 3D стереосистемы

В результате было разработано программное решение, позволяющее осуществить стерео визуализацию различных 3D объектов. При разработке использовались язык программирования c++ и графическая библиотека OpenGL. . В результате визуализации, для каждого глаза формируется отдельное изображение, что создает эффект объемного изображения (см. рис. 3).

(а)

(б)

рис. 3. Стереоскопическое отображение объекта. Изображения для (а) левого и (б) правого глаза

В программе существует возможность задания таких важных параметров как: расстояние между глазами, размеры экрана, а также расстояние от него до зрителя. Это позволяет не зависеть от размеров комнаты и от параметров оборудования, что дает возможность более гибко использовать разработанное программное обеспечение интерактивное учебное пособие как в больших аудиториях, так и в маленьких комнатах.

Выводы

Как было сказано ранее, подобные системы являются наиболее перспективным направлением развития компьютерной графики. В настоящее время они повсеместно внедряются в школы, техникумы, университеты для повышения наглядности учебного материала, который преподносится в формате 3D. Кроме того в настоящее время 3D технологии становятся более доступными: 3D-телевизоры, 3D-смартфоны и проч.

Разработанная система позволяет визуализировать объемные геометрические модели, созданные в современных САПР, в формате 3D, используя технологию поляризационного вывода стерео. Кроме того в настоящее время осуществлена стерео визуализация сборки автомобильного генератора, операции раскрытия космического рефлетора и других работ лаборатории компьютерной графики ИПУ РАН.

Литература

1. Андреев С.В., Бондарев А.Е., Михайлова Т.Н., Рыжова И.Г. Организация стереопредставлений в задачах синтеза фотореалистичных изображений и научной визуализации // Препринты ИПМ им. М.В.Келдыша. 2010. № 61. 14 с.

2. Валюс Н.А. Стереоскопия изд. Академия наук СССР 1962 г.

3. Bourke P. Calculating Stereo Pairs, 1999.

4. StereoGraphics Developers Handbook. Stereo Graphics Corporation 1997.