Почти голограмма: в MIT создали инновационную систему 3D-визуализации

В Массачусетском технологическом институте разработана система формирования объёмного изображения, для восприятия которого не требуются очки. По своему качеству она слегка уступает голографическим проекторам, но и устроена гораздо проще. Новинка может быть использована как в индустрии развлечений, так и для более серьёзных задач — таких как совместное проектирование или визуализация научных данных.

Обычное стереоскопическое изображение широко используется в кинотеатрах, а в последние годы его можно увидеть и дома — с помощью 3D-мониторов и соответствующих очков. Подход группы из MIT к решению задачи объёмного восприятия отличается тем, что созданная установка формирует мультиперспективную картинку. Это значит, что её могут рассматривать невооружённым взглядом несколько человек одновременно. При изменении своего местоположения зрители увидят в ней новые подробности — так, как если бы смотрели на реальные объекты под разными углами зрения.

Схема прототипа 3D-системы — вид сбоку (изображение: mit.edu).

Научный сотрудник Гордон Вецштейн (Gordon Wetzstein) поясняет, что его группа создала свой прототип из свободно продающихся серийно выпускаемых компонентов. Основой нового проектора стала пара дополнительных ЖК-панелей, играющих роль модуляторов. Они расположены между лампой подсветки и внешней поверхностью экрана. 

Поток света от проходит сквозь меняющийся рисунок первого модулятора и распадается на отдельные лучи, которые слегка отклоняются от прямой линии. Далее они достигают второго модулятора — каждый под известным углом — и проходят дальше, дополнительно отклоняясь в определённых участках второго модулятора.

Таким образом, исходный кадр изменяется парой модуляторов, каждый из которых накладывает свои геометрические узоры, обновляя их с частотой 240 Гц. Сочетание этих паттернов формирует восемь проекций изображения (или ракурсов). На такой частоте зрительный анализатор человека не успевает фиксировать быструю смену кадров, поэтому зритель воспринимает суммарное изображение как объёмное. При смещении головы в сторону меняется и угол зрения. В кадре начинают преобладать другие проекции исходной картинки, а взгляду открываются новые детали.

Частота смены кадров на ЖК-модуляторах в десять раз превышает типичную для фильма (24 FPS), но из-за ограничений управляющей электроники и латентности ЖК-матриц система в целом способна воспроизводить видео только в режиме 40 кадров в секунду. 

Высокая частота работы модуляторов требуется для более точной прорисовки краёв всех объектов в кадре. Ведь именно они определяют ощущение объёма, передают глубину резкости и в первую очередь подвергаются таким эффектам, как размытие в движении.

Прототип системы мультиперспективной 3D-визуализации (фото: MIT Media Lab).

Другой особенностью разработанной в MIT системы стало улучшение обычного двумерного изображения за счёт увеличения эффективного разрешения и контрастности. В частности, на ней возможно получение «глубокого чёрного», недоступного на большинстве ЖК-панелей.

Соавтор работы Мэтью Хирш (Matthew Hirsch) считает, что свой коммерческий успех новая система визуализации обретёт в малобюджетных кинотеатрах. Сегодня они не выдерживают конкуренции ни с более удобными домашними проекторами, ни с более современными кинозалами уровня IMAX. 

«Можно взять два модулятора с разрешением 1080p, расположить их один за другим, соединить со старым проектором и получить с помощью нашего алгоритма вместо Full HD что-то близкое к формату 4K, только с более высоким контрастом», – поясняет Хирш на страницах университетского издания.

Из минусов новой технологии стоит отметить габариты установки: две дополнительных ЖК панели и расстояние между ними не позволяют изготовить тонкий дисплей. Кроме того, к яркости лампы подсветки предъявляются повышенные требования, поскольку каждый ЖК-модулятор снижает исходный световой поток.

Разработка будет представлена в августе на конференции в Ванкувере по компьютерной графике SIGGRAPH.