Исследование и разработка методов построения растрового стереоскопического монитора на основе матричного дисплея тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.12.04, кандидат технических наук Мухин, Иван Александрович

• Мухин, Иван Александрович
• кандидат технических наук
• 2009

Оглавление диссертации кандидат технических наук Мухин, Иван Александрович

Введение.

1. Воспроизведение многоракурсного телевизионного изображения растровым способом.

1.1. Предварительные замечания.

1.2. Принцип построения многоракурсных телевизионных систем.

1.2.1. Получение многоракурсного телевизионного изображения.

1.2.2. Способы воспроизведения многоракурсных телевизионных изображений.

1.3. Основные особенности растрового способа воспроизведения стереотелевизионных изображений.

1.3.1. Исследование требований к устройству, формирующему кодированное изображение.

1.3.2. Требования к параметрам растра для применения с матричными устройствами воспроизведения.

1.3.2.1. Основные свойства оптического растра.

1.3.2.2. Требования к модели расчета параметров оптического растра.

1.4. Применение матричного дисплея для воспроизведения многоракурсного изображения растровым способом.

1.4.1. Применимость матричных дисплеев различных видов.

1.4.1.1. Влияние типа матрицы ЖК-дисплея на качество цветопередачи многоракурсного изображения.

1 А. 1.2. Разделение цветовых составляющих многоракурсного изображения при использовании матричных дисплеев без чередования цвета пикселей по вертикали.

1.4.2. Формирование кодированного изображения матричным экраном.

1.4.2.1. Формирование сигнала кодированного изображения из сигналов изображений отдельных ракурсов.

1.4.2.2. Предварительная пространственная фильтрация телевизионного изображения.

1.5. Постановка задачи исследования.

2. Разработка модели расчета параметров линзового растра и исследование их влияния на качество многоракурсного изображения.

2.1. Предварительные замечания.

2.2. Критерии качества многоракурсного изображения.

2.2.1. Коэффициент сепарации.

2.2.2. Виды сепарационных функций.

2.3. Разработка методики расчета параметров линзового растра.

2.3.1. Определение исходных и искомых данных.

2.3.2. Требования к модели расчета.

2.3.3. Разработка концепции расчета.

2.3.4. Расчет траектории луча.

2.4. Разработка программы, как инструмента для расчета параметров растра и анализа качества изображения.

2.5. Точный расчет параметров линзового растра.

2.6. Исследование качества изображения, формируемого многоракурсным монитором.

2.6.1. Оценка качества изображения при смещении наблюдателя в пр остр анстве.

2.6.2. Оценка качества изображения по полю экрана.

2.7. Требования к параметрам линзового растра.

2.7.1. Расчет допусков на параметры линзового растра.

2.7.2. Оценка качества изображения при наихудшей комбинации параметров растра.

2.7.3. Применение растра с нерегулярной структурой линз.

Выводы.

3. Исследование влияния параметров матричного дисплея на качество многоракурсного изображения.

3.1. Предварительные замечания.

3.2. Виды матричных дисплеев.

3.3. Влияние типа матрицы ЖКД на качество многоракурсного изображения.

3.3.1. Типы матриц для использования совместно с линзовым растром.

3.3.2. Исследование возможности использования матриц типа «TN+Film».

3.3.2.1. Исследование диаграмм направленности яркости ячеек матриц «TN+film».

3.3.2.2. Оценка изменения контраста и искажения цветопередачи при увеличении угла обзора.

3.3.2.3. Определение координат тестовых и опорных цветов для оценки искажений цветопередачи.

3.4. Влияние структуры субпикселй ЖКМ на параметры линзового растра.

3.4.1. Особенности существующих структур субпикселей ЖКМ.

3.4.2. Выбор шага и наклона линз растра.

3.5. Предварительная обработка исходных изображений ракурсов.

3.5.1. Выбор алгоритма дискретизации.

3.5.2. Цифровая фильтрация изображений ракурсов.

3.5.2.1. Назначение фильтрации.

3.5.2.2. Выбор профиля антиэлайзингового фильтра.

3.5.2.3. Формирование двумерной функции фильтра для различных вариантов построение стереоскопических дисплеев.

Выводы.

4. Вопросы практической реализации автостереоскопического монитора.

4.1. Постановка задачи.

4.2. Экспериментальная оценка сепарационных свойств линзового растра.

4.2.1. Описание экспериментальной установки.

4.2.2. Методика статистического эксперимента.

4.2.2.1. Выбор условий наблюдения.

4.2.2.2. Выбор тестовых изображений.

4.2.2.3. Выбор способа выражения мнения о качестве.

4.2.2.4. Определение минимального числа эксперто-наблюдений.

4.2.2. Результаты эксперимента.

4.3. Экспериментальное определение профиля антиэлайзингового фильтра.

4.3.1. Выбор тестовых изображений.

4.3.2. Определение пределов изменения параметров фильтров.

4.3.3. Методика проведения эксперимента.

4.3.4. Результаты эксперимента.

4.4. Адаптивная предварительная обработка изображений.

Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование и разработка методов построения растрового стереоскопического монитора на основе матричного дисплея»

Актуальность работы

Стереоскопические телевизионные системы (СТС), способные воспроизводить изображение трехмерным, позволяют иметь более полное представление о передаваемом объекте, улучшая достоверность передачи и приближая нас к условиям естественного восприятия окружающей действительности, а также предоставляют дополнительную информацию о пространственном расположении предметов, что необходимо в тех случаях, когда невозможно или опасно присутствие человека на объекте передачи, например, при исследовании внутренних поверхностей атомных реакторов или управлении беспилотным летательным аппаратом [1,2].

Достижения последних лет в области высоких технологий, а также значительно возросший уровень развития техники, являются важнейшими стимулами к развитию стереотелевизионных систем. С другой стороны, прогресс в создании элементной базы, развитие вещания программ телевидения высокой четкости и успехи в области сжатия видеоинформации позволяют поднять стереоскопическое телевидение на более высокую качественную ступень. Указанные обстоятельства обуславливают интенсификацию работ в этом направлении инженеров различных стран.

Приоритет в области стереоскопического телевидения принадлежит России, поскольку основные принципы в данной области были предложены еще в середине 50-х годов прошлого века выдающимся ученым нашей страны проф. П. В. Шмаковым [3]. Так, в 1952 г. на базе ЛЭИС была выпущена первая промышленная установка для воспроизведения черно-белого стереоскопического изображения, а в 1959 г. получено цветное стереоскопическое изображение. Также кафедрой телевидения Санкт-Петербургского государственного университета телекоммуникаций им. проф. М. А. Бонч-Бруевича (СПбГУТ) изучались вопросы создания однообъективной

СТС [4,5] и проблемы сжатия информационного потока стереоскопического изображения [6-9].

В сентябре 2007 г. в СПбГУТ на расширенном заседании Ученого совета по предложению профессора М. И. Кривошеева было сформулировано обращение в Министерство связи и информационных технологий включить в федеральную целевую программу развития телерадиовещания новое направление — вещательную систему объемного телевидения, а 29 февраля 2008 г. в СПбГУТ состоялся первый рабочий семинар. В мае 2008 г. по предложению России на собрании ИК 6 (исследовательской комиссии службы вещания) МСЭ-Р (международный союз электросвязи, сектор радиосвязи) принят Вопрос Изучения по цифровому объемному (3D) телевизионному вещанию.

Одной из наиболее сложных проблем, сдерживающих развитие стереоскопического телевидения, является задача создания устройства воспроизведения объемного изображения. Экраны, использующие анаглифный, эклипсный и поляроидный способы сепарации изображений, имеют ряд недостатков, в частности, требуют наглазных устройств (очков) и позволяют воспроизводить только 2 ракурса. Растровый принцип селекции свободен от указанных недостатков, однако до недавнего времени, из-за жестких требований к устройству формирования кодированного изображения, растровые экраны применялись исключительно в составе громоздких просветиых проекционных систем [10].

С появлением и развитием в последние годы матричных дисплеев, таких, как, например, плазменная панель (PDP) и жидкокристаллический монитор (LCD), ситуация изменилась кардинальным образом. Такие дисплеи имеют строго периодичную структуру элементов изображения, а таюке позволяют управлять яркостью любого из субпикселей в отдельности, и, следовательно, могут использоваться для создания компактных растровых мониторов, не требующих очков и позволяющих наблюдать объект съемки более чем с двух ракурсов. Благодаря указанным достоинствам, разработка и совершенствование растровых мониторов на сегодняшний день является наиболее перспективным направлением развития стереоскопических отображающих устройств.

Состояние и оценка ранее выполненных исследований

Растровый способ воспроизведения статичных стереоскопических изображений известен очень давно. Например, в 1941 г. щелевой растр был применен для воспроизведения динамичного стереоскопического изображения — в кинотеатре «Москва» демонстрировался стереокинофильм «Концерт». При этом использовалась безочковая проекция на растровый экран из светопоглощающей проволоки, разработанный и сконструированный сотрудниками московского научно-исследовательского кино-фото института (НИКФИ) под руководством С. П. Иванова.

Использование более сложных оптических растров на основе сферических и цилиндрических линз для получения объемного изображения предложил в 1908 г. французский физик Габриэль Липман (Gabriel Lippmann). В 40-е гг. изучением основных свойств линзовых растров занимался сотрудник НИКФИ Н. А. Валюс. В 1970 г. лаборатория этого института демонстрировала" свой линзовый растр на всемирной выставке «Экспо-70» в г. Осака (Япония). В 1972 г. на кафедре телевидения ЛЭИС на основе двух растров из цилиндрических линз, изготовленных в НИКФИ, был создан просветный экран, который использовался для воспроизведения многоракурсного телевизионного изображения [11-13].

Необходимо отметить, что в рассмотренных выше случаях кодированное изображение формируется оптически — с помощью линзового растра, поэтому проблема согласования параметров растра и кодированного изображения, представляющая собой сложную задачу, не требовала изучения и в указанных выше работах не рассматривалась. По этой же причине не исследовались вопросы, касающиеся влияния параметров матричного дисплея на качество цветопередачи объемного изображения, а также вопросы цифровой обработки исходных изображений отдельных ракурсов при их дискретизации в процессе формирования кодированного изображения.

Проблемами создания линзорастровых экранов на основе матричных дисплеев заинтересовались в начале 90-х годов инженеры и ученые Японии (фирмы NHK, Sharp), Германии (фирма SeeReal Technologies, институт Генриха Герца в Берлине, университет Фридриха Шиллера в Йене) и США (фирма Stereographies). Общие вопросы построения автостереоскопических дисплеев представлены в работах научных сотрудников фирм SeeReal Technologies [14], Stereographies [15, 16] и NewSight [17, 18]. В институте Генриха Герца и университете г. Касселя разработаны устройства автоматической подстройки положения линзового растра относительно матричного дисплея за счет определения положения глаз наблюдателя [19-22]. Сотрудниками исследовательской лаборатории японской фирмы NHK занимаются, преимущественно, проблемами создания стереоскопических дисплеев высокого разрешения [23, 24].

Таким образом, вопросам разработки автостереоскопических дисплеев за рубежом уделяется пристальное внимание. При этом, однако, в открытой печати, докладах и на конференциях излагаются лишь общие принципы, в то время как вопросы технической реализации, методики и алгоритмы расчетов рассматриваются исключительно в пределах исследовательских лабораторий разработчиков.

Учитывая вышесказанное, можно сделать вывод о необходимости решения основных проблем, возникающих в процессе разработки растрового стереоскопического монитора на основе матричного дисплея.

Цель и задачи работы

Целью настоящей диссертационной работы является исследование и разработка методов построения растрового стереоскопического монитора на основе матричного дисплея. Для достижения поставленной цели в диссертационной работе решаются следующие основные задачи:

1) анализ свойств растров из цилиндрических линз с целью выяснения особенностей их использования совместно с матричным дисплеем;

2) определение особенностей и необходимой точности расчета параметров линзового растра;

3) разработка методики расчета параметров линзового растра и создание на ее основе программы, как инструмента для вычисления параметров растра и анализа качества объемного изображения;

4) исследование качества изображения, формируемого стереоскопическим монитором, при смещении наблюдателя в пространстве, а также при изменении любого из параметров линзового растра;

5) определение требований к параметрам матричных дисплеев, используемых для создания растровых стереоскопических экранов;

6) анализ особенностей применения матричных дисплеев различных видов и с различной структурой субпикселей в составе стереоскопического монитора;

7) исследование влияния различных алгоритмов дискретизации на качество стереоскопического изображения;

8) разработка адаптивной модели предварительной обработки исходных изображений отдельных ракурсов с целью подавления нежелательных артефактов элайзинга (наложения спектров) при дискретизации в процессе формирования кодированного изображения;

9) экспериментальная оценка сепарационных свойств линзовых растров, а также экспериментальное определение профиля антиэлайзингового фильтра, позволяющего добиться наилучшего соотношения между четкостью изображения и заметностью повторных контуров для различных классов изображений.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Математическая модель сепарации изображений линзовым растром и реализованная на ее основе программа «Lenticular Screen», позволяющая рассчитывать параметры растра и исследовать его сепарационные свойства.

2. Рекомендации по выбору вида, типа и структуры субпикселей матричного дисплея, а также шага и наклона линз растра для получения объемного изображения с заданными характеристиками.

3. Методика анизотропной фильтрации и обоснование выбора параметров пространственного фильтра для повышения качества воспроизводимого объемного изображения по трем заданным критериям.

4. Алгоритм адаптивной фильтрации, позволяющий определять наиболее подходящий тип фильтра для обрабатываемого в текущий момент времени изображения. t

Научная новизна и новые полученные результаты

1. Разработана оригинальная методика определения параметров линзового растра, основанная на принципе обратимости распространения света и определении сепарационных свойств любой области растра за счет исследования траектории преломляемых лучей в пространстве. При таком подходе автоматически учитываются все виды аберраций, а также тот факт, что большинство лучей, падающих на цилиндрическую линзу, не лежат в горизонтальной плоскости сечения растра.

Описанные в опубликованных ранее работах методы расчета параметров линзовых растров просветных экранов опираются на так называемую оптику Гаусса для параксиальных пучков, не учитывают боковое смещение луча и аберрации линз и потому неприменимы в случае использования растра совместно с матричным дисплеем.

2. На основе разработанной методики создана программа Lenticular Screen, которая позволяет определить параметры линзового растра (и вычислить допуски их изменения) для получения максимального (или заданного) значения интегрального коэффициента сепарации при наблюдении экрана из любой заданной точки пространства. Кроме того, вышеуказанная программа позволяет качественно и количественно определить сепарирующие свойства растра благодаря возможности построения двух видов сепарационных функций (по полю экрана и в пределах области наблюдения).

Использование упрощенных геометрических построений из оптики Гаусса, описанных в опубликованных ранее работах, не позволяет вычислить коэффициент сепарации и, следовательно, определить сепарационные функции и допуски на параметры растра.

3. В работе исследуется изменение качества цветопередачи матриц типа «TN+film» жидкокристаллических дисплеев на основе семейства полученных экспериментально диаграмм направленности яркости, что позволяет оценить степень искажения цветопередачи в дополнительных зонах видения. Подобные исследования в ранее опубликованных работах не встречаются.

4. Описаны возможные варианты совмещения линзового растра с матричным дисплеем для получения заданного количества ракурсов при отсутствии окраса изображений в основные цвета (красный, зеленый или синий). Для сравнения качества изображений, формируемых экранами с различным углом наклона линзовых растров, приведены соответствующие сепарационные функции, чего ранее не было представлено из-за отсутствия подходящей методики оценки коэффициента сепарации.

5. Предлагается использовать анизотропную двумерную фильтрацию исходных изображений отдельных ракурсов в тех случаях, когда частоты дискретизации этих изображений значительно отличаются для разных пространственных направлений. Подобных предложений в ранее опубликованной литературе не встречается.

6. Предлагается использовать адаптивную предварительную фильтрацию изображений, при которой функция профиля фильтра изменяется динамически в зависимости от спектрального состава обрабатываемого изображения. Функции профилей фильтров для изображений с различной структурой (различным спектральным составом) определены в работе экспериментально. Описаний подобных предложений в опубликованных ранее работах не встречается.

Практическая значимость работы

Разработанная методика расчета параметров растра и написанная на ее основе программа «Lenticular Screen» могут применяться в следующих случаях: при создании линзовых растров для матричных дисплеев, при формировании кодированных изображений под заданный линзовый растр в стереофотографии, для исследования сепарационных свойств линзовых растров при смещении наблюдателя, изменении любых параметров растра или матричного дисплея, а также для изучения траекторий световых лучей, преломляемых плосковыпуклой линзой.

Программа «Lenticular Screen» зарегистрирована в ФИПС (свидетельство №2007614180), была отмечена грамотой на конкурсе «Опто 2004» и получила положительные отзывы при ее демонстрации на семинаре «Optical and Image Processing Technologies for Advanced TV and Displays» в исследовательском центре «Samsung Electronics» в Москве в 2007 году.

Результаты исследований диаграмм направленности излучения ячеек жидкокристаллических дисплеев с матрицами типа «TN+Film» могут использоваться в образовательном процессе высших учебных заведений, при написании учебников и учебных пособий.

Результаты исследований влияния профиля фильтра на качество формируемого изображения и предложенные алгоритмы фильтрации, реализованные в программе «Line Image», могут использоваться при формировании кодированного изображения в линзорастровых автостереоскопических экранах и в растровой стереофотографии.

Разработанные автором программы «Lenticular Screen» и «Line Image» внедрены в учебный процесс Невинномысского политехнического института и СГ16ГУТ, а также применяются для различных исследований в компании «Самсунг электронике» и в лабораториях научно-исследовательского кинофотоинститута (ОАО «НИКФИ»), что подтверждено1 соответствующими актами внедрения.

Апробации работы и публикации

Основные результаты работы докладывались на 12-й, 13-й и. 16-й всероссийской научно-технической конференции «Современное телевидение» в Москве в 2004, 2005 и 2008 гг.; на 60-й, 61-й, 62-й и 63-й научно-технической конференции, посвященной Дню Радио, (СПбГЭТУ «ЛЭТИ») в 2005, 2006, 2007 и 2008 гг.; на 4-й, 5-й и 6-й международной конференции «Телевидение: передача и обработка изображений» (СПбГЭТУ «ЛЭТИ») в 2005, 2007 и 2008 гг.; конференции Санкт-Петербургской секции IEEE «Radio — that connects Time. 110 Anniversary of Radio Invention» в 2005 году; семинаре «Optical an image processing technologies for advanced TV and displays» в исследовательском центре фирмы Samsung в Москве в 2007 г., а также на 56-й, 57-й, 60-й и 61-й научно-технической конференции* профессорско-преподавательского состава, научных сотрудников и аспирантов СПбГУТ в 2004, 2005, 2008 и 2009 гг.

Всего было выполнено 19 докладов, материалы 14 из которых опубликованы.

Материалы, отражающие основное содержание и результаты диссертационной работы, опубликованы в виде статей в «Трудах учебных заведений связи» (СПбГУТ), «Изв. вузов России. Радиоэлектроника» (СПбГЭТУ «ЛЭТИ») и различных отраслевых журналах — всего в 9 работах, в • том числе в 5 (пяти) изданиях из перечня, рекомендуемого ВАК.

Вклад автора в разработку проблемы

Соискателем представлена к рассмотрению разработанная методика расчета параметров линзового растра, произведена оценка сепарационных свойств линзового растра; определены требования к матричному дисплею; используемому совместно с линзовым растром, предложен алгоритм адаптивной фильтрации при формировании кодированного изображения. Основные научные результаты и выводы, содержащиеся в диссертации, получены автором самостоятельно.

Структура диссертации и краткое содержание ее глав

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы, включающего 84 наименования. Работа содержит 181 страницу машинописного текста, 101 рисунок и 13 таблиц.

Заключение диссертации по теме «Радиотехника, в том числе системы и устройства телевидения», Мухин, Иван Александрович

Выводы

1. Ощущение степени разделения ракурсов наблюдаемого объемного изображения зависит, в частности, от таких факторов, которые крайне сложно учесть в расчетах. Например, это скругление межлинзовых промежутков вследствие технологических ограничений процесса изготовления растра, запыление растра или царапины на его поверхности, а также зависимость от сюжета наблюдаемого изображения. Для оценки влияния указанных факторов на качество многоракурсного изображения требуется проведение эксперимента.

2. В ходе эксперимента было установлено, что необходимым и достаточным условием достижения максимального значения коэффициента сепарации и, следовательно, высокого качества многоракурсного изображения является использование в расчетах параметров растра разработанной методики, описанной в разделе 2.

3. Эксперимент показал, что линзовый растр с регулярной структурой линз позволяет добиться максимальной сепарации при наблюдении из основной и дополнительных зон видения. Нерегулярная структура линз может использоваться в случае наблюдения из одной фиксированной в пространстве области.

4. Для определения кривой профиля антиэлайзингового фильтра требуется учет одновременно трех артефактов фильтрации: снижения четкости, появления повторных контуров и возникновения муаров на периодических структурах. Оценить степень заметности того или иного артефакта на изображении с заданным спектральным составом и пространственной структурой аналитически невозможно. Для этого требуется проведение эксперимента.

5. В ходе второго эксперимента были определены параметры профилей антиэлайзинговых фильтров для изображений с различной пространственной структурой и различным спектральным составом.

6. Для достижения максимального качества многоракурсного телевизионного изображения необходимо использование предложенного алгоритма адаптивной обработки, позволяющего изменять параметры фильтра в зависимости от спектрального состава текущего изображения.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертации рассмотрены вопросы построения линзорастровых стереоскопических мониторов на основе матричных дисплеев. Показано, что использование таких устройств, имеющих ряд преимуществ перед дисплеями с анаглифным, эклипсным и поляроидным методами сепарации, позволяет значительно расширить сферу применения стереоскопического телевидения. В работе решаются задачи, касающиеся расчета параметров линзового растра и оценки его сепарационных свойств, а также проблемы выбора матричного дисплея и способов формирования кодированного изображения.

В диссертации показано, что параметры линзового растра, применяемого совместно с матричным дисплеем, должны быть рассчитаны с более высокой точностью, чем параметры сдвоенных растров просветного проекционного экрана. Для достижения необходимой точности разработана специальная методика расчета, в основу которой положено определение коэффициента сепарации для сечения линзы растра. Для вычисления коэффициента сепарации производится исследование траекторий световых лучей, испускаемых матричным дисплеем, преломляемых линзовым растром и воспринимаемых глазом наблюдателя. При таком подходе автоматически учитываются аберрации в линзах, боковое смещение луча и изменение формы сечения линз для различных участков растра, что обеспечивает высокую точность расчета. Важным достоинством методики является возможность оценки влияния параметров растра и положения наблюдателя в пространстве на степень сепарации кадров наблюдаемой стереопары.

Разработанная методика реализована в программе Lenticular Screen. С помощью программы рассчитаны точные значения параметров растра для заданного матричного дисплея и определены его сепарационные свойства в виде двух функций: а) по полю экрана, б) по полю изображения. Первая функция определяет степень разделения кадров стереопары для различных областей экрана при наблюдении из фиксированной точки пространства.

Вторая функция определяет изменение интегрального коэффициента сепарации (ИКС) при смещении наблюдателя в пространстве и позволяет оценить количество зон видения, их ширину и расположение в пространстве. Ранее функция сепарации в плоскости наблюдения определялась исключительно ' эмпирически — на основе ощущений наблюдателя и потому отличалась низкой точностью.

Также, с помощью программы получены функциональные зависимости ИКС от каждого из параметров растра. Указанные функции позволяют определить допуски на параметры растра, задавшись требуемым значением коэффициента сепарации. В работе показано, что снижение коэффициента сепарации не превысит 5% в том случае, если шаг линз выдерживается в пределах -0,03.0,03% от номинального значения, радиус закругления в пределах -5.10%, толщина растра в пределах —2.10%, а коэффициент преломления материала растра в пределах —2.4%.

В программе Lenticular Screen реализована качественная (визуальная) оценка сепарационных свойств растра, позволяющая анализировать причины ухудшения сепарации в тех или иных участках растра и, следовательно, предоставляющая разработчику возможность проектирования растров с нерегулярной структурой линз, что может быть важно в тех случаях, когда предполагается наблюдение стереоскопического экрана под определенным углом.

В диссертации проведено исследование влияния параметров матричного дисплея, воспроизводящего кодированное изображение, на качество объемного изображения. Полученные данные позволили сформулировать критерии выбора типа матричного дисплея для создания стереоскопического монитора, формирующего объемное изображение с заданными параметрами. В частности, в диссертации показано, что для создания экрана, предназначенного для коллективного наблюдения объемного изображения (более 2-х зрителей) в качестве матричного дисплея необходимо использовать плазменную панель. В этом случае возможно воспроизведение двух ракурсов с высокой сепарацией по краям зон видения и хорошей цветопередачей в дополнительных зонах видения (при наблюдении экрана под некоторым углом). В тех случаях, когда требуется: воспроизведение большого количества ракурсов (более. 3-х), в качестве матричного дисплея следует выбрать жидкокристаллическую панель. Формируемое таким стереоскопическим монитором изображение наблюдают, как правило, 1-2 зрителя^ поэтому снижение контраста и ухудшение цветопередачи картинки в дополнительных зонах видения не являются весомыми недостатками.

При использовании в качестве матричного дисплея жидкокристаллической панели возникает вопрос выбора типа жидкокристаллической матрицы. Исследование принципов функционирования матриц различных типов позволило сделать выводы об особенностях и* применения. Так, например,, если среди требований к стереоскопическому изображению доминирует качество цветопередачи в дополнительных зонах видения^ то предпочтение следует отдать матрицам типа PVA,, MVA и семейства IPS. Если же основным требованием является точная передача динамичного объемного изображения, то необходимо использовать матрицу «TN+Film», отличающуюся низкой инерционностью обновления картинки.

Матричные дисплеи любых типов различаются по структуре взаимного расположения субпикселей, которая оказывает непосредственное влияние на параметры объемного изображения. Для оценки этого влияния в диссертации проведено исследование всех возможных комбинаций углов наклона растра и количества воспроизводимых ракурсов для каждой структуры субпикселей, а также определены соответствующие каждой комбинации сепарационные функции. Выполненное исследование позволило сделать следующие выводы. Мозаичная структура субпикселей подходит для получения любого количества ракурсов и может применяться как с наклонными линзовыми растрами, так и с прямыми, позволяющими добиться максимальной сепарации на протяжении всей зоны видения ракурса. При использовании дисплея с полосковой структурой субпикселей для получения количества ракурсов, кратного трем, необходимо использовать линзовые растры с двумя углами наклона линз: 9,46° и 18,43°. В первом случае сепарация ракурсов ниже, однако, такой дисплей лучше воспроизводит мелкие детали изображения. Дисплей с дельтавидной структурой субпикселей может использоваться исключительно с наклонным растром (угол наклона 26,57°), при этом полная сепарация соседних ракурсов достигается на протяжении половины длины зоны видения, а количество воспроизводимых ракурсов не должно превышать семи.

При формировании кодированного изображения, воспроизводимого матричным дисплеем, для устранения артефактов элайзинга (наложения спектров) и повышения точности локализации объектов при восприятии стереоскопического изображения требуется цифровая низкочастотная фильтрация исходных изображений отдельных ракурсов. Для определения основного параметра фильтрации, профиля фильтра, в диссертационной работе приводится анализ взаимосвязи особенностей восприятия стереоскопического изображения и артефактов фильтрации: снижения четкости изображения, появления муаров на периодических структурах и возникновения повторных контуров. На основе проведенного анализа сделан вывод о необходимости разделения изображений на три класса - в зависимости от спектрального состава и пространственной структуры. Для каждого из классов изображений экспериментально определены кривые профилей фильтров. Для реализации обработки изображений в диссертационной работе предложен алгоритм адаптивной фильтрации, при котором параметры фильтра изменяются динамически. Применение указанного подхода при формировании кодированного изображения позволяет добиться наилучшего соотношения между четкостью стереоскопического изображения и заметностью муаров и повторных контуров, усложняющих локализацию объектов в пространстве.

Пространственный порядок дискретизации исходных изображений ракурсов определяется структурой субпикселей, числом воспроизводимых ракурсов и выбранным углом наклона линз растра. В большинстве случаев частоты дискретизации для различных пространственных направлений различаются. Для достижения наилучшего результата фильтрации в каждом из пространственных направлений в диссертационной работе ' предлагается использовать так называемые анизотропные двумерные фильтры, у которых полоса пропускания в заданном пространственном направлении определяется соответствующей частотой дискретизации. Параметры анизотропных фильтров для различных вариантов построения стереоскопических мониторов и соответствующие аналитические выражения приводятся в разделе 3.5.2.2.

Теоретическое исследование различных вариантов пространственной дискретизации исходных изображений ракурсов позволило сделать следующие выводы. При использовании низкочастотной фильтрации формирование кодированного изображения должно производиться посредством симметричной линейной дискретизации исходных ракурсов. Если же фильтрация исходных изображений отсутствует, но при этом требуется' воспроизведение тонких вертикальных линий на изображении, необходимо использовать дискретизацию * в шахматном порядке.

В ходе экспериментов была произведена оценка сепарационных свойств линзового растра, параметры которого рассчитаны с использованием разработанной методики; определены параметры профилей фильтров для различных классов изображений; исследовано изменение качества цветопередачи жидкокристаллических мониторов с матрицей типа TN+Film, возникающее при увеличении угла наблюдения.

Линзорастровые автостереоскопические дисплеи не требует очков для наблюдения объемного изображения, позволяют воспроизводить более двух ракурсов и имеют небольшие габариты. Указанные достоинства обуславливают интерес к этим устройствам, их развитие и модификацию, а также позволяют прогнозировать широкое распространение таких дисплеев в ближайшем будущем [79]. В настоящее время широкому распространению этих устройств препятствуют различные обстоятельства. Во-первых, это недостатки самого дисплея, в частности, инерционность обновления кодированного изображения, воспроизводимого, как правило, жидкокристаллическим дисплеем, и наличие инверсных зон видения, которые являются неотъемлемой особенностью растрового способа сепарации. Во-вторых, это внешние факторы: отсутствие соответствующего видеоматериала, сложности его получения, сжатия и передачи. Однако указанные выше проблемы не являются принципиально неустранимыми, и в настоящее время предпринимаются разные шаги для их устранения [80-84].

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Мухин, Иван Александрович, 2009 год

1. Шмаков П. В., Колин К. Т., Джакония В. Е. Стереотелевидение. М.: Связь, 1968.-207 с.

2. Телевидение: Учебник для вузов / Под. ред. В. Е. Джаконии. — М.: Горячая линия Телеком, 2007. - 615 с.

3. Шмаков П. В. Основы цветного и объемного телевидения. — М.: Советское радио, 1954.-304 с.

4. Украинский О. В. Воспроизведение объема передаваемого пространства однообъективной стереотелевизионной системой // Техника кино и телевидения. 1979. - № 6. - С. 46-48.

5. Украинский О. В. Об использовании оптической приставки для формирования изображений стереопары // Труды учебных институтов связи. Вып. 85. Л., 1977.-С. 136.

6. Федоров С.Л. Особенности передачи сигналов стереоскопического изображения в стандарте MPEG-2 // Техника кино и телевидения. 1998. -№ 11.

7. Федоров С.Л. Оценка и компенсация параллакса при сжатии стереоскопических телевизионных изображений // Радиотехнические и телевизионные системы: Сборник научных трудов / Под ред. Б. С. Тимофеева. СПб: СПбГУАП, 2000.

8. Аносов А.В. Особенности компрессии стереотелевизионных изображений в рамках стандарта MPEG-4 // 10-я НТК «Современное телевидение»: Тез. докл. / МКБ «Электрон». М., 2002. - С. 62.

9. Аносов А.В. Стандарт MPEG-4. Сжатие стереоизображений по методу Incomplete 3D // 8-я Межд. конф «МКИССиТ»: Сб. тр. / СПбГУТ. СПб, 2002.-С. 131 - 137.

10. Копылов П. М., Украинский О. В. Воспроизведение многоракурсного телевизионного изображения с помощью просветного линзового экрана // Техника кино и телевидения. — 1976. — № 1. С. 52.

11. Джакония В. Е., Мамчев Г. В. Получение многоракурсных телевизионных изображений с помощью оптических растров // Техника кино и телевидения. 1971. -№3. - С. 63-67.

12. Мамчев Г. В. Исследование вещательных многоракурсных телевизионных систем с разделением изображений с помощью оптических растров: Дис. на соискание ученой степени канд. техн. наук. ЛЭИС. Л., 1972. - 171 с.

13. Мамчев Г. В. Способы воспроизведения многоракурсных телевизионных изображений оптическими ракурсами // Техника кино и телевидения. 1972. —№3.

14. Schwerdtner A., Heidrich Н. The Dresden 3D display (D4D) // Proc. of SPIE «Stereoscopic Displays and Virtual Reality Systems V», vol. 3295, 1998, pp. 203-210.

15. Lipton L. The Future of autostereoscopic electronic displays // Proc. of SPIE «Stereoscopic Displays and Applications III», vol. 1669, 1992, pp. 156-162.

16. Lipton L., Feldman M. A new autostereoscopic display technique: The SynthaGram // Proc of SPIE «Stereoscopic Displays and Virtual Reality Systems IX», vol. 4660, San Jose,- 2002, pp. 229-235.

17. Henkel R. Synchronization, Coherence-Detection and Three-Dimensional Vision // Tech. rep., University of Bremen, Institute of Theoretical Neurophysics, 2000.

18. Henkel R. Segmentation in Scale Space // Proc. of CAIP VI, 1995, pp. 41-48,

19. Pastoor S., Wopking M. 3D Displays: A review of current technologies // Displays. Technology and applications, №2, 1997, pp. 100-110.

20. Pastoor S., Conomis Ch. Mixed Reality Displays. Chichester: Wiley, 2005.

21. Hentschke S., Herrfeld A. Adaptive Autostereoscopic 3D-Monitor // Proc. of ICCE 2000. Los Angeles, 2000, pp. 22-24.

22. Hentschke S., Herrfeld A., Andiel M., Hildebrand M. Person adaptive autostereoscopic monitor // Proc. of ICCE 2000. Los Angeles, 2000, pp. 17-20.

23. Yamanoue H., Nagayama M., Bitou M., Tanada J. Orthostereoscopic conditions for 3D HDTV // Proc. of SPIE «Stereoscopic Displays and Virtual Reality Systems V», vol. 3295, 1998, pp. 111-120.24