Система вращающихся зеркал

Рисунок 1: Схема и изображение системы вращающихся зеркал. На схеме показаны зеркальная система и синхронизированный механизм, отображающий свет от высокоскоростного видеопроектора .

Системы вращающихся зеркал используются для создания интерактивной 3D-графики и автостереоскопических изображений, видимых нескольким зрителям одновременно, поскольку каждый зритель может воспринимать разные виды в зависимости от угла зрения.

Поскольку эти зеркала вращаются, они могут отражать свет от проектора в любую внешнюю точку. Следовательно, такие системы могут создавать всенаправленные проекции. Поскольку свет отражается непосредственно от проектора к аудитории, а не проецируется на фиксированную плоскость, системы вращающихся зеркал создают правильную интерпретацию светового поля независимо от положения зрителя относительно системы.

Поскольку такие системы привязаны к высокоскоростному видеопроектору , максимальное разрешение уникальных ракурсов системы ограничено максимальной частотой кадров проектора.

Похожая система была коммерчески выпущена в 1981 году для игровой консоли Entex Adventure Vision . Консоль, однако, не предназначалась для 3D-визуализации, а вместо этого использовала вращающееся зеркало для проецирования 2D-изображения с помощью ряда светодиодов.

Мотивация

Предыдущие объемные системы проецировали изображения в диффузной плоскости вращения, при этом свет оставался рассеянным во всех направлениях. К сожалению, эти дисплеи не смогли воссоздать зависимые эффекты, такие как окклюзия . Это породило необходимость создания системы, которая была бы способна урегулировать несчастья, как эта, но в свою очередь имела легкую реализацию и делала то, чтобы его установка на системы была простой. Таким образом, создается система вращающихся зеркал, покрытых анизотропным голографическим рассеивателем .

Рисунок 2: характеристики анизотропного отражения зеркальной системы. Слева : фотографии лазерного луча и тонкой вертикальной линии света от видеопроектора, отраженного голографическим рассеивателем и зеркалом в сторону зрителя. Горизонтальная ширина, представленная на каждом изображении, составляет четыре градуса. Нижнее изображение показывает идеальное билинейное интерполяционное распространение шляпной функции, радиус которой соответствует угловому разделению последовательных изображений дисплея на 1,25°. Справа : графики горизонтальных профилей интенсивности изображений слева. Красный пунктир — это лазер, сплошной синий — проектор, пунктирный черный — функция билинейной интерполяции.

Функционирование

Зеркальная поверхность отражает каждый пиксель проектора в узком диапазоне точек обзора. Голографический диффузор обеспечивает контроль ширины и высоты этой области. Характеристики диффузора таковы, что относительная диффузия между x и y составляет примерно 1:200.

По горизонтали поверхность очень зеркальная, что позволяет сохранять расстояние между видами в 1,25 градуса. По вертикали зеркало широко рассеивается, поэтому проецируемое изображение можно рассматривать практически с любой высоты.

Горизонтальный профиль зеркального лепестка аппроксимирует билинейную интерполяцию между соседними точками обзора; Движение зеркала добавляет дополнительное размытие, которое улучшает воспроизведение полутоновых изображений за счет углового разрешения .

Монтаж

Анизотропный голографический рассеиватель и зеркальный блок установлены на панели из углеродного волокна и прикреплены к алюминиевому маховику под углом 45°. Маховик вращается синхронно относительно изображения, отображаемого проектором.

Рисунок 3: (a) Реперные маркеры, используемые для определения матрицы проекции P. (b) Четыре реперные точки внешнего зеркала, видимые проектором с зеркалом под углами 0 ° и 180 °.

Синхронизация в системе

Поскольку частота кадров на выходе видеокарты ПК относительно постоянна и не может быть точно настроена на лету, частота видеовыходов ПК используется в качестве главного сигнала для синхронизации системы. FPGA проектора также создает сигналы, кодирующие текущую частоту кадров. Эти управляющие сигналы напрямую связаны с «умным двигателем» Animatics SM3420D, который содержит встроенное ПО и параметры управления движением, что приводит к созданию стабильного контура управления на основе скорости, обеспечивающего синхронизацию скорости двигателя с сигналами проектора.

Проекция графиков на экран

Рисунок 4: (а) Пересечение вертикально рассеянного луча света с круговым локусом точек обзора V. (б) Если смотреть сверху, лучи, выходящие из зеркала, расходятся проектора от отраженной узловой точки к нескольким точкам обзора. Точка обзора, соответствующая вершине Q, находится путем пересечения вертикальной плоскости, содержащей луч PQ, с кругом обзора V. (c) При предварительной обработке светового поля точка пересечения V0 определяет ближайшие горизонтальные виды к образцу .

В этом разделе мы опишем, как визуализировать сцену на 3D-дисплее с правильной перспективой, используя либо рендеринг развертки , либо трассировку лучей . Мы предполагаем, что вращающееся зеркало центрировано в начале координат и что его ось вращения — это вертикальная ось Y, а видеопроектор находится в узловой точке P над зеркалом, как на верхнем рисунке. Далее мы предполагаем, что точка обзора, для которой должна быть получена правильная перспектива, находится на высоте h и на расстоянии d от оси y.

Благодаря вращательной симметрии нашей системы мы можем создавать изображения с правильной перспективой для любой позиции просмотра на круге V, определяемом h и d, получая бинокулярные изображения для зрителя, смотрящего на дисплей, поскольку h и d будут одинаковыми для обоих глаз. Обозначим конкретную точку зрения на окружность V как V'. На практике набор точек обзора V с правильной перспективой не обязательно должен представлять собой непрерывный плоский круг и может проходить через множество отслеживаемых положений зрителя на разных расстояниях и высотах.

Система двойных вращающихся зеркал.

Рисунок 5: а) два зеркала для отображения цветных изображений с использованием голубых фильтров и оранжевого под рассеивателями. б) Цветная фотография изображений, полученных с помощью этой системы.

Предварительно мы реализовали двухканальную систему последовательного цвета с использованием двустороннего рассеивающего зеркала в форме палатки. Для каждой стороны палатки мы размещаем цветной фильтр между голографической рассеивающей пленкой и зеркалом первой поверхности, что позволяет избежать зеркальных отражений от первой поверхности. Мы выбрали голубой фильтр для одной стороны и оранжевый фильтр для другой, разделив видимый спектр примерно поровну на короткие и длинные волны .

Мы преобразуем цвета RGB в оранжево-голубые цвета, проецируя линейный вектор RGB на плоскость, охватываемую оранжевым и голубым цветами.

Для цветной визуализации мы калибруем каждую плоскость зеркала палатки независимо, как описано в разделе 5. Затем мы визуализируем 3D-сцену дважды для каждого подкадра: один раз для оранжевой стороны и один раз для голубой стороны, и процесс калибровки обеспечивает что каждая сторона представлена ​​​​соответствующим набором точек зрения. Эффект для зрителя аналогичен Kinemacolor системе двухцветного кино , а выбор фильтров позволяет обеспечить полезную цветопередачу для многих сцен.

Приложения

• Система Маэда [Маэда, 2003] : основана на системе вращающегося ЖК- монитора . Вес этого монитора ограничивает скорость обновления, позволяя совершать только пять оборотов в секунду и получать только пять независимых точек зрения.
• Система транспорта [Otsuka, 2006] : она реализует 24 изображения на внешней стороне проецируемого видео и отражает эти изображения на анизотропном экране быстрого вращения с помощью круга, созданного разными гранями зеркал.
• 3D-видеоконференция [Калифорния, 2009 г.] : она основана на структуре, состоящей из двух зеркал, которые отражают изображения и создают разные перспективы на 360 градусов.

Статьи и книги

• ТРЭВИС, АРЛ 1997. Отображение трехмерных видеоизображений.
• ЭНДО Т., КАДЗИКИ Ю., ХОНДА Т. И САТО М. 2000. Цилиндрический 3D-видеодисплей, видимый со всех сторон.
• ДОДГСОН, Н.А. 2005. Автостереоскопические 3D-дисплеи.
• МАКДАУЭЛЛ И. И БОЛАС М. 2005. Приложения для отображения, измерения и управления цифровыми микрозеркальными дисплеями.
• ФАВАЛОРА, GE 2005. Объемные 3D-дисплеи и инфраструктура приложений.
• ОЦУКА Р., ХОСИНО Т. И ХОРРИ Ю. 2006. Транспост: новый подход к отображению и передаче твердотельных трехмерных изображений с обзором на 360 градусов.
• АГОКС Т., БАЛОГ Т., ФОРГАС Т., БЕТТИО Ф., ГОББЕТТИ Э., ЗАНЕТТИ Г. И БУВЬЕ Э. 2006. Крупномасштабный интерактивный голографический дисплей.

Внешние ссылки

• [1] Видео, показывающее систему вращающихся зеркал.

• [2] Архивировано 27 октября 2009 г. на Wayback Machine. Тип дисплея, полученный благодаря описанной технологии.

• [3] Статья об использовании системы в 3D-телеконференциях.

• [4] Статья о системах вращающихся зеркал.