Методы и средства формирования объемных изображений в обучающих системах тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.05 ВАК РФ

На правах рукописи.

0030БВ084

Овечкнс Юрии Натанович

МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ФОРМИРОВАНИЯ ОБЪЕМНЫХ ИЗОБРАЖЕНИЙ В ОБУЧАЮЩИХ СИСТЕМАХ

01.04.05 - «Оптика»

АВТОРЕФЕРАТ

Диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Москва - 2006

003068084

Работа выполнена в Открытом Акционерном Обществе «Научно-исследовательский ордена Трудового Красного Знамени кинофотоинститут» (ОАО «НИКФИ»)

Научный консультант:

доктор физико-математических наук

В.А. Елхов

Официальные оппоненты: Доктор технических наук, профессор Доктор технических наук, профессор Доктор технических наук, профессор

Н.Г. Власов А.И. Годунов О.В. Рожков

Ведущая организация: ОАО «Пензенское конструкторское бюро моделирования»

Защита состоится « ^т » г. в /-4 часов на заседании

диссертационного совета Д308.006.01 при Всероссийском научно-исследовательском институте оптико-физических измерений по адресу: 119361, г. Москва, ул. Озерная, 46.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГУП «ВНИИОФИ»

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук

Я г~

Р

-НЕ,О

Г.Н. Вишняков

Д. I ;

1. Общая характеристика работы. Актуальность темы.

Существенный прогресс последних десятилетий в вычислительной, видеопроекционной и оптоэлектронной технике обусловил активное внедрение мультимедийных информационных систем в образовательный процесс. Под образовательным процессом будем понимать как~Ъбучение различным знаниям, так и процесс развития определенных навыков. В первом случае имеется в виду преподавание в школах, институтах и других учебных заведениях различных дисциплин с использованием иллюстративного аудиовизуального материала. Такой материал должен обеспечить с одной стороны доступность восприятия излагаемого предмета, а с другой облегчить его запоминание.

Для второго вида образовательного процесса характерно применение разного рода тренажерных систем, на которых путем многократного повторения тех или иных действий производится развитие определенных навыков у обучаемого. Здесь вся внешняя информация, особенно визуальная, воздействуя на обучаемого, должна вызывать адекватные отклики, что и является целью обучения. Ярким примером таких систем являются тренажеры транспортных средств (авиационные, автомобильные и др.).

Ясно, что реалистичность предъявляемой наглядной информации играет в таких системах весьма существенную роль. При этом учитывая, что большая часть такой информации воспринимается через зрительный канал (в некоторых случаях вплоть до 100%), точность воспроизведения изображений исходных объектов является обязательным условием процесса обучения. Это условие практически невозможно выполнить без применения трехмерных воспроизводящих систем, которые существенно повышают адекватность, информативность и доступность восприятия предлагаемого материала в процессе обучения.

Согласно теории Нюберга - Артюшина точность воспроизведения изображений можно условно разделить по степени их совпадения с оригиналом на психологическую, физиологическую и физическую. Для объемных изображений эти виды точностей можно интерпретировать следующим образом. В случае психологической точности наблюдатель оценивает правдоподобие изображения, используя свой накопленный опыт. Изображение может отличаться от исходных объектов по своим размерам, степени объемности и прочим параметрам, но с учетом имеющихся знаний об объектах наблюдатель получает общее представление о его пространственных свойствах. Характерным примером таких изображений являются рисунок, чертеж, фотография, голограмма макета и т.д.

В случае физиологической точности наблюдаемые трехмерные свойства изображения должны полностью соответствовать соответствующим параметрам исходного объекта. Однако процесс формирования этого изображения в мозгу

может отличаться от процесса наблюдения самого объекта, а основываться на физиологических особенностях зрительного аппарата. Примером такого показа является предъявление стереоскопических изображений, полностью идентичных по своим поперечным и продольным размерам исходным объектам. При этом, если в случае наблюдения объекта зритель имеет возможность видеть каждым глазом объемный предмет и может аккомодироваться на рассматриваемую точку, то здесь каждому глазу предъявляются два плоских ракурса и такая возможность отсутствует.

Наконец, в случае физически точного предъявления объемного изображения процесс его наблюдения должен быть полностью идентичен наблюдению самого объекта. Этому условию соответствует показ голографического изображения, а также в какой-то степени интегрального.

В различных областях учебного процесса требуется разная степень правдоподобия показа.

Так, например, в курсах по физике весьма полезен объемный показ действия различных векторных сил на объекты, изображение вращающихся магнитных полей, возникновение электромагнитных сил и моментов в электрических машинах, представление синусоидальных токов и напряжений в виде вращающихся векторов. При изучении химии, биологии и анатомии -строение молекул, сложных химических соединений, взаимное расположение внутренних органов и пр. В машиностроении полезно иллюстрировать взаимные соединения и деталировку сложных агрегатов.

Большое значение объемный показ имеет при изучении искусствоведческих и архитектурных наук, в музейном деле. Преподавание может сопровождаться использованием учебных каталогов с объемными изображениями изучаемых объектов, обладающих пространственной глубиной.

В большинстве перечисленных выше примеров достаточно дать общее представление о пространственных свойствах изучаемых объектов и процессов, т.е. обеспечить психологическую точность воспроизведения объемных изображений. В некоторых случаях (анатомия, медицина) целесообразно воспроизводить изображения объектов в натуральную величину, т.е. обеспечить физиологическую точность показа.

Использование изобразительной голографии, обеспечивающей достижение физической точности воспроизведения, дает возможность собрать в одном месте - классе, лектории и пр., уникальные объекты, собранные из различных музеев. При этом наблюдаемые объемные изображения передают не только пространственные свойства объектов, но воспроизводят также и отражающие свойства поверхности, а именно блеск, и будут практически неотличимы от оригиналов.

Важность предъявления трехмерного изображения в тренажерных системах также весьма высока. Особенно это относится к тренажерам, в которых принятие решений осуществляется на основе наблюдаемой внешней обстановки. Понятно, что система отображения визуальной информации в таких тренажерах должна воспроизводить изображения наблюдаемых объектов с

максимальной точностью, вследствие чего точность воспроизведения изображения должна быть, по крайней мере, физиологической.

Наиболее характерным видом тренажеров данного типа являются тренажеры транспортных средств, в которых отрабатываются навыки м а не ври ро в а н и я относительно близко расположенных объектов. Сюда можно отнести авиационные тренажеры с задачами полета в строю, дозаправки ^ топливом в воздухе, посадки на плавсредство, маневрирования на аэродроме, в которых минимальные расстояния до наблюдаемых объектов составляют всего несколько метров. Аналогичная ситуация имеет место в автомобильных \/ тренажерах.

Тесно связана с подобными задачами и проблема развития навыков стереоскопического зрения, путем использования специальных тренировочных аппаратно-программных комплексов, т.к. принятие решения в сложных пространственных условиях требует минимально возможных временных затрат, и бинокулярные факторы оценки расстояний здесь играют главенствующую роль.

Таким образом, разработка и внедрение в мультимедийные обучающие системы устройств, осуществляющих показ объемных изображений, должны обеспечить существенное улучшение качества процесса обучения, поднять его уровень благодаря появлению принципиально новых возможностей и методик преподавания.

Вопросами регистрации и показа объемных изображений, а также особенностями их восприятия издавна занимались ученые многих стран, в том числе и России. Из зарубежных ученых и исследователей это - JI. Лизеганг, А. Бертье, М. Бонне - автостереоскопические методы, Г. Липпманн - интегральная растровая фотография его имени, Г. Люшер - основы стереоскопии и восприятия стереоскопических изображений, П. Панум - физиология объемного зрения, Д. Габор - первооткрыватель голографии, Э. Лейт, Ю.Упатниекс -первые изобразительные голограммы, С. Бентон - «радужные» голограммы, 3D дисплеи, Т. Окоси - голографические дисплеи и многие другие. Из отечественных ученых - Ю.Н. Денисюк - открытие голографии в белом свете, В.Г. Комар - голографический кинематограф, H.A. Валюс - растровые системы воспроизведения объемных изображений, Н.Г. Власов - методы записи и воспроизведения «радужных» голограмм, С.П. Иванов - безочковая растровая кинопроекция, А.Г. Болтянский, H.A. Овсянникова, С.Н. Рожков -кинематографическая система «Стерео - 70», отмеченная премией американской киноакадемии «Оскар», П.В. Шмаков, Г.В. Мамчев -стереоскопическое телевидение, О.Ф. Гребенников, Г.В. Тихомирова -информационные аспекты восприятия объемной информации, Г.И. Рожкова, Ю.Е. Шелепин - физиология стереозрения и многие другие.

Однако, к настоящему времени устройства визуализации объемных изображений еще не нашли широкого применения в обучающих системах. Прежде всего, это обусловлено отсутствием специализированных устройств, направленных на выполнение функции показа объемных изображений в учебном процессе.

б

Такие устройства должны удовлетворять ряду требований. Необходимо обеспечить адекватную точность воспроизведения объемного изображения, причем одинаковую для всех учащихся, комфортность наблюдения -достаточную яркость для работы в незатемненных аудиториях, отсутствие мельканий, шумовых изображений, часто свойственных стереоскопическим системам. Желательно, чтобы аппаратура была, по крайней мере, частично совместима с используемыми мультимедийными устройствами. Важное место, особенно для тренажерных систем, занимает отсутствие или минимизация геометрических искажений.

Анализ известных на момент начала работы методов и устройств воспроизведения объемных изображений показал, что наиболее полно удовлетворить этим требованиям могут голографические системы, реализующие любую точность воспроизведения, вплоть до физической и стереоскопические, обеспечивающие психологическую и физиологическую точность. Возможен также симбиоз этих систем, когда голографическими методами формируются стереоскопические изображения. Вместе с тем выявлен целый ряд проблем, которые необходимо решить для обеспечения активного внедрения подобных систем в образовательный процесс.

Достаточно хорошо разработанная система стереоскопического кинематографа, нацеленная на большие кинозалы, из-за громоздкости аппаратуры не применима в учебных аудиториях. Кроме того, в ней отсутствует возможность интерактивного обучения, являющегося обязательным условием применимости в учебном процессе.

Быстро прогрессирующая компактная и удобная в эксплуатации видеопроекционная техника в сочетании с персональными компьютерами может служить основой построения стереоскопических устройств отображения в системах группового обучения. Однако для этого необходимо проведение соответствующих исследований, нацеленных на создание специализированных систем, применимых в учебном процессе, и на оптимизацию их параметров, обеспечивающих требуемое качество изображения. Важное место здесь занимает анализ и минимизация геометрических искажений, возникающих при проекции на вогнутый экран с учетом необходимости обеспечения физиологической точности воспроизведения стереоскопического изображения для каждого наблюдателя.

Представляется весьма перспективным использование в учебном процессе голографических методов записи и воспроизведения изображений. Это могут быть изобразительные голограммы различных пространственных объектов для индивидуального пользования, а также система объемной голографической проекции для группового обучения. Разработанные в НИКФИ под руководством проф. Комара В.Г. принципы голографического кинематографа с объемным динамическим изображением обладают рядом технологических трудностей для их осуществления в полном объеме.

Однако в случае применения этой системы в образовательном процессе, где не требуется одновременный массовый показ, как это имеет место в кинотеатральном представлении, вполне реально использовать некоторые ее

элементы. Так может быть реализована объемная статическая проекция с голограмм малого размера или непосредственно пространственного объекта на голографический экран относительно небольших.размеров, рассчитанный на 5 -10 наблюдателей. При этом требуется разработка упрощенных методов изготовления экрана, сохраняющих достаточное качество объемного изображения, цветопередачи голографических изображений и т.д. Эти проблемы могут быть решены на основе исследования оптических свойств голографических экранов, исследования свойств различных видов голограмм для непосредственного наблюдения и для проекции на голографический экран.

Бурное развитие и внедрение компьютерной техники естественным образом стимулировало ее соединение со стереоскопическими методами. Появились различные стереокомпьютерные системы, позволяющие наблюдать объемное изображение на экране монитора персонального компьютера. В аппаратной части в большинстве из них для сепарации изображений используются ЖК затворы. Такая техника вполне пригодна для применения в учебном процессе, хорошо согласуется с индивидуальными мультимедийными средствами обучения.

Однако для грамотного применения стереокомпьютерных технологий индивидуального пользования также необходимо проведение ряда исследований, направленных на повышение качества формируемого стереоскопического изображения, оптимизацию совокупности параметров сквозного процесса записи - воспроизведения, влияющих на это качество.

Таким образом, на основании вышеизложенного можно сделать вывод об актуальности поставленной работы по созданию методов и технических средств формирования объемных изображений для их использования в учебном процессе.

1.2. Цель работы.

Целью данной работы являлось исследование и разработка методов и средств визуализации объемных изображений применительно к процессу обучения, в том числе с использованием тренажерных систем. Для выполнения этой цели решались следующие задачи:

1. Исследование методов проекции объемных изображений на голографический экран, в том числе:

- разработка методики расчета аберраций голографических экранов и влияния их на параметры наблюдаемого изображения;

- разработка и исследование схем записи голографических экранов с помощью доступных технических средств;

- исследование цветопередачи голографических изображений с целью определения требований к спектральным характеристикам источников света для записи и проекции голограмм;

разработка и исследование экспериментальных установок для проекции объемных изображений с голограмм малого размера на голографический экран.

2. Исследование стереокомпьтерного метода формирования объемных изображений на экране монитора с ЖК очками, в том числе:

- разработка математической модели процесса формирования стереокомпьютерного изображения на экране монитора с учетом переходных характеристик его люминофоров и используемых ЖК-ячеек и оптимизация параметров, влияющих на качество стереокомпьютерного изображения;

- разработка рекомендаций к созданию оборудования и программного обеспечения для показа стереокомпьютерных изображений;

создание оборудования и программного обеспечения с использованием разработанных рекомендаций для учебно-тренажерного стереокомпьютерного устройства с целью развития стереоскопического зрения.

3. Исследование стереоскопических видеопроекционных устройств для систем обучения, в том числе:

- оптимизация яркостных параметров устройства;

- разработка стереоскопической видеопроекционной системы с одновременным предъявлением объемного неискаженного изображения несколькими наблюдателям.

- разработка стереоскопических устройств отображения авиационных '" тренажеров дозаправки топливом в воздухе.

1.3. Научная новизна.

- Научная новизна состоит в том, что на основе разработанных математических моделей формирования объемных изображений, как стереоскопических, так и трехмерных - с непрерывным изменением ракурсов, определения критериев необходимого качества этих изображений и проведенных экспериментальных исследований сформулированы требования к построению устройств визуализации объемных изображений для их использования в обучающих системах.

К основным, полученным впервые научным результатам относятся:

• способ записи голографических экранов для проекции увеличенных объемных изображений на расходящихся пучках света с оптимизацией их параметров;

• метод и исследование качества цветопередачи голографических изображений, основанные на представлении топографического процесса в виде классического репродукционного процесса Нюберга - Артюшина и расчете координат цвета формируемого изображения и цветоразличий в равноконтрастной системе координат;

• математическая модель, описывающая процесс формирования стереокомпьютерного изображения на экране монитора с использованием ЖК-ячеек;

• количественные соотношения таких параметров, как скорость затухания свечения люминофора, кадровая частота монитора, характеристики ЖК-ячеек, а также сочетания цветов стереоскопических сюжетов, оптимальные для обеспечения необходимого качества стереокомпьютерного изображения;

• способы исследования и развития бинокулярного и стереоскопического зрения, основанные на стереокомпьютерных технологиях разделения полей зрения;

• метод стереоскопической видеопроекции с использованием фазовых пластин, обеспечивающий двукратное повышение световой эффективности системы; -

• способ одновременного показа стереоскопического неискаженного изображения на едином проекционном экране одновременно нескольким наблюдателям.

Новизна разработанных и представленных в диссертации теоретических основ и конструктивных способов формирования объемных изображений и их применения подтверждена 9-ю авторскими свидетельствами СССР и патентами Российской Федерации.

1.4. Практическая значимость работы.

На основании принципов, предложенных в диссертации, создана аппаратура, внедренная в различных организациях, в том числе в качестве обучающих систем, обеспечивающая повышение качества обучения за счет передачи пространственных свойств визуализируемых объектов. К ним относятся:

стереоскопические устройства отображения двух авиационных тренажеров (самолеты СУ-24 и СУ-27) для отработки процесса дозаправки топливом в воздухе, внедрены в ОАО «Пензенское конструкторское бюро моделирования», в настоящее время находятся в эксплуатации в действующих воинских частях.

способ построения стереоскопического устройства отображения двухиилотного авиационного тренажера (самолет ТУ-160) дозаправки топливом в воздухе, обеспечивающий формирование неискаженного объемного изображения на едином проекционном экране для каждого обучаемого. Внедрен в ОАО «Пензенское конструкторское бюро моделирование» в качестве основы для разрабатываемого в настоящее время тренажера.

- аппаратно-программный комплекс для развития стереоскопического! зрения, внедрен в Московском НИИ глазных болезней им. Гельмгольца, | глазном санаторном отделении Морозовской Детской Клинической Больницы, а \ также используется во многих детских специализированных садах и клиниках | для диагностики и лечения нарушений бинокулярного и стереоскопического ! зрения.

- стереокомпьютерное устройство для показа каталогов с объемным изображением объектов имеющих большое культурное и общеобразовательное

значение, внедрено в Главном информационно-вычислительном центре Министерства культуры РФ.

- светосильный голографический экран с двумя зонами видения для специализированного прибора.визуального наблюдения ВСК-3, внедрен на предприятии п/я 2572.

1.5. Апробация работы.

Основные результаты работы докладывались на следующих отечественных и международных научно-технических конгрессах, конференциях и симпозиумах, в том числе:

• XII Международный конгресс УНИАТЕК (г. Москва, 1978 г.),

• II Всесоюзная научно-техническая конференция «Применение лазеров в приборостроении, машиностроении и мед. технике (г. Львов, 1979 г.),

• Всесоюзная конференция «Регистрирующие среды, методы и аппаратура голографии» (Кишинев, 1980 г.),

• I Всесоюзный симпозиум по рентгенологии (г. Обнинск, 1980 г.),

• Х1У Международный Конгресс по высокоскоростной фотографии и фотонике (г. Москва, 1980 г.),

~. • X, XIII, XVII Всесоюзные школах по голографии (1978, 1981, 1985 гг.),

• IX Всесоюзная конференция «Техника фильмопроизводства. Техника и технология киноизображения» (Москва, 1987 г.),

-. • Международные научно-практические конференции «Теория и практика > имитационного моделирования и создания тренажеров» (г. Пенза, 1998, 2004 гг.),

• Международные конференции SPIE:

Stereoscopic Displays and Virtual Reality Systems (г. Сан-Диего, 2001 г., и г. Сан-Хосе, 2003 г.),

Ophthalmic Technologies (г. Сан-Хосе, 2002 г.), Advanced Optical Devices, Technologies, and Medical Applications., (r. Рига, 2003 г.),

• Всероссийская конференция «Современные технологии в кинематографии» (г. Ст.- Петербург, 2006 г.).

1.6. Публикации.

По теме диссертации опубликованы 41 работа, в том числе 9 авторских свидетельств СССР и патентов РФ.

1.7. Структура н объем работы.

Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения, изложена на 260 страницах, в том числе рисунков и таблиц - 69. Библиография содержит 185 наименований. В приложении приведены 6 актов внедрения результатов работ.

1.8. Научные положения, выносимые на защиту.

В результате проведенных исследований определены три группы физически близких методов формирования объемных изображений, наиболее полно соответствующих цели применения в учебном процессе -голографические, стереокомпьютерные и видеопроекционные, и сформулированы следующие научные положения, выносимые на защиту: Голографические методы:

1. Минимизация аберрационного пятна рассеяния изображения центра выходного зрачка проекционного объектива позволяет определить координаты точечных источников света для записи голографического экрана в расходящихся пучках света без применения крупногабаритных оптических элементов.

2. Для достижения высокого качества цветопередачи голографического изображения, превосходящего качество цветопередачи, достигаемого в кинематографическом процессе на пленках фирмы «Кодак», длины волн записывающих и восстанавливающих голограмму пучков света следует выбирать из следующих диапазонов длин волн: 460 — 470 нм в синей зоне; 545 -565 нм в зеленой зоне; 600 - 620 нм в красной зоне спектра.

Стереокомпьютерные методы:

3. Разработанная математическая модель формирования стереокомпьютерного изображения на экране монитора совместно с ЖК очками позволяет аналитически определять отношение сигнал/шум стереоскопического изображения в любой точке экрана в зависимости от переходных характеристик ЖК-ячеек и времен затухания люминофоров.

4. Незаметность шумовых изображений стереокомпьютерного изображения в максимальной области экрана обеспечивается:

- при использовании ЖК-ячеек с отношением коэффициентов пропускания в открытом и закрытом состояниях более 70-ти, временем включения не более 3 мсек и временем выключения не более 1 мсек; при определенных сочетаниях цветов стереоскопического - изображения, найденных экспериментально. Видеопроекционные методы:

5. Разработанный метод разделения ракурсов объемного изображения устройства стереоскопической ЖК видеопроекции, основанный на использования фазовых пластин У2 или Л/4 и перекоммутации цветовых компонент стерео изображения, повышает яркость изображения примерно в 2 раза.

6. Использование помимо поляризационного разделения ракурсов, их временное разделение с помощью последовательного включения попарно-открываемых ЖК-ячеек, позволяет создать видеопроекционное стереоскопическое устройство отображения, обеспечивающее формирование неискаженного объемного изображения на едином экране одновременно для нескольких наблюдателей.

2. Содержание работы.

Во введении дано краткое описание места, которое занимают устройства отображения объемной информации в учебных процессах. Поясняется, что под учебным процессом понимается как процесс обучения различным знаниям, так и процесс привития определенных навыков, т.е. тренажерные процессы. Приведены примеры применения средств формирования объемных изображений в обучающих системах, показана необходимость их использования для повышения информативности, реалистичности и доступности восприятия изучаемых предметов и явлений, обеспечения приобретения и развития тренируемых навыков.

Далее приводится краткая характеристика известных методов и технических реализаций систем формирования объемных изображений, основанных на стереоскопических и голографических способах визуализации объемной информации, анализируется возможность их использования в обучающих системах. Показано, что такая аппаратура должна удовлетворять ряду специфических требований, характерных для учебного процесса, и выделяются три направления, наиболее полно им соответствующие. Это голографические устройства проекционные и непосредственного наблюдения, обеспечивающие точность воспроизведения объемных изображений вплоть до физической, стереокомпьютерные для индивидуального обучения и стереоскопические видеопроекционные для группового обучения в аудиториях и индивидуального на тренажерах, воспроизводящие психологическую и физиологическую точность.

При этом для внедрения этих систем в учебный процесс необходимо было провести ряд исследований, направленных на определение критериев необходимого качества объемного изображения, влияния на него параметров сквозного процесса формирования объемного изображения, технических параметров составных элементов устройств отображения и разработку требований к ним для обеспечения выполнения установленных критериев.

Таким образом, формулируется цель диссертационной работы - разработка методов и средств визуализации объемных изображений применительно к процессу обучения, в том числе с применением тренажерных систем, и определяются задачи, которые необходимо было решить для выполнения поставленной цели. Сформулированы также основные выносимые на защиту положения и научная новизна работы. Приводятся данные об апробации диссертационной работы, методах исследования, личном вкладе автора и публикациях.

В первой главе диссертационной работы проводится анализ видов объемных изображений, рассматриваются особенности их использования в обучающих системах. Все многообразие объемных изображений, т.е. пространственно протяженных, разделяется на два основных класса -трехмерные и стереоскопические. К первым относятся истинно объемные изображения, в которых имеет место плавное изменение ракурсов по

горизонтали и вертикали при смещении точки наблюдения. Во втором случае объемное изображение формируется благодаря бинокулярному эффекту за счет раздельного предъявления наблюдателю двух плоских изображений.

К трехмерным изображениям относятся голографические изображения, восстанавливаемые непосредственно с голограммы или формируемые при проекции на точечно-фокусирующие экраны, а также, в некоторой степени, интегральные растровые фотографии Липпмана. Стереоскопические изображения подразделяются на стереопарные и многостереопарные -параллакс-стереограммы и параллакс-панорамограммы, обеспечивающие некоторое оглядывание объемного изображения. Наблюдение стереоскопических изображений требует применения специальных дополнительных приспособлений для разделения ракурсных изображений. Это могут быть наглазные устройства - очки, стереоскопы или безочковые растровые системы. К стереоскопическим многостереопарным также относятся изображения, восстановленные с синтезированных голограмм, на которых записано множество плоских транспарантов разных ракурсов объекта. Такие голограммы можно рассматривать без применения дополнительных устройств.

Анализируя технические возможности реализации разных видов объемных изображений, показано, что для учебного процесса целесообразно применять голографические методы и очковые стереопарные, как индивидуальные, так и групповые с проекцией на экран. Применение многостереопарных растровых устройств, из которых в настоящее время реализованы ЖК панели с растрами, несмотря на возможность некоторого оглядывания изображения, обладают недостаточным разрешением и соответственно весьма ограниченным применением.

Основное отличие трехмерных изображений от стереоскопических заключается в том, что в первом случае имеет место конвергенция и аккомодация глаз на рассматриваемую точку наблюдения, в то время как во втором случае аккомодация всегда осуществляется только на плоскость формирования двумерных ракурсных изображений. Это вносит существенные ограничения на возможную глубину воспроизводимого стереоскопическими системами пространства.

Для стереопарных изображений максимальная глубина сцены ограничена допустимыми параллаксами сопряженных точек стереопары, при которых возможно их слияние в мозгу в единый образ. Для комфортного наблюдения, что является обязательным условием для учебного процесса, эта величина составляет согласно разным публикациям 70 - 110', что должно учитываться при разработке стереоскопического иллюстративного материала.

Для многостереопарных изображений, в частности для изображений, восстановленных со стереоголограмм, слитное изображение, без заметных скачков при его оглядывании формируется только при глубине сцены, ограниченной глубиной резкости глаза.

Вторым существенным ограничением стереопарных изображений является искажение изображения при смещении положения наблюдателя. Действительно, т.к. построение стереоскопического изображения некоторого

элемента объекта основано на взаимном расположении двух точек стереопары, сформированных на неподвижном экране, и глаз наблюдателя, то при рассматривании с разных зрительских мест наблюдаемые стереоскопические изображения будут отличаться друг от друга.

Для большинства приложений в учебном процессе, когда необходимо передать лишь общие пространственные свойства объекта, такими искажениями можно пренебречь. В то же время в тренажерных системах с двумя и более обучаемыми, принимающими одновременное участие в тренируемом процессе, необходимо принимать специальные меры по устранению этих искажений, описание которых приводится в главе 4.

Достаточная простота реализации стереоскопических устройств отображения с использованием современной вычислительной и видеопроекционной техники и совместимость их с применяемыми мультимедийными системами обучения обуславливают возможность внедрения этих устройств при выполнении ряда требований в учебные процессы.

Голографические системы (за исключением синтезированных голограмм) обеспечивают воспроизведение физически точной репродукции, поэтому ограничения связанные с разрывом аккомодации и конвергенции отсутствуют. Возможность изготовления голограмм по методу Ю.Н. Денисюка, восстанавливающих цветные изображения в белом свете, реалистичность наблюдаемого трехмерного изображения свидетельствуют о больших перспективах их применения для индивидуального обучения в различных областях учебного процесса (показ уникальных музейных объектов, характерных металлических сколов в металловедении, характерных ранений в криминалистике и пр.).

Элементы системы объемного голографического кинематографа, предложенной В.Г.Комаром, основанной на использовании точечно-фокусирующего голографического экрана и объектива с большой апертурой позволяют реализовать проекцию увеличенных трехмерных изображений для показа группе учащихся. При этом сохраняются все объемные свойства объекта, включая его индикатрису рассеяния, т.е. передача блеска изделия.

Во второй главе рассматриваются безочковые методы проекции голографических изображений и некоторые особенности записи голограмм для их непосредственного наблюдения и путем проекции на голографический экран. В этой же главе проведен анализ цветопередачи голографических изображений.

Попытки применения методов голографии для проекции объемных изображений и их группового просмотра начались вскоре после появления лазерной, т.е. практической голографии. Так Д. Габором, основоположником голографии, было предложено использовать голографический экран, формирующий параллельные нерасходящиеся зоны видения в зрительном зале для стереоскопической проекции. Однако, такой экран помимо технологических трудностей своего изготовления не решал проблему проекции трехмерных изображений.

Известна система проекции с голограмм малых размеров на большую

линзу (V. Srinivasan, Е. Leith и др.) или зеркало (Ю.Н. Денисюк). Съемку голограммы-фильма было предложено осуществлять через линзу или зеркало с большой апертурой и малым фокусным расстоянием. При восстановлении в обратном ходе лучей сопряженным пучком света образуется объемное (причем псевдоскопическое) изображение, наблюдаемое на фоне линзы или зеркала. Однако такая система имеет ограниченное применение. Во-первых, псевдоскопическое изображение не дает правильного представления об объекте. Во-вторых, при приемлемых размерах голограммы и достижимой светосиле оптики она не обеспечивает возможность одновременного наблюдения несколькими зрителями, что необходимо для группового обучения.

Предлагалось также съемку и проекцию в обратном ходе лучей производить посредством рассеивающего или линзорастрового экрана (К. Haines, Е. Leith), что технологически неосуществимо при достижимых значениях аберрации используемой оптики и точностях установки голограммы и экрана. Предложения по переводу интегральных фотографий на голограмму (R. Pole, Ш.Д. Какичашвили) не решали проблему их проекции для группового просмотра.

Для реализации объемного голографического кинематографа В.Г. Комаром была предложена система проекции, в которой идеи точечного фокусирования метода с большим зеркалом (линзой) и мультиплицирования зон видения экрана Д.Габора сочетались с использованием проекционного объектива с большой апертурой. Экран в этом случае представляет собой большой мультипликатор и обладает свойствами многофокального зеркала (или линзы). При проекции на такой экран образуются зоны видения, число которых соответствует числу наблюдателей.

Построение изображения на таком экране иллюстрирует рис. 1. Экран формирует изображение точки В, в которой располагается центр выходного зрачка проекционного ^ . объектива, в точках Я/ и И2 , около которых

Построение изображения и зон ви- формируются изображения этого зрачка V, и V2 дения топографическим экраном. - зоны видения. Экран отклоняет лучи

формирующие изображение А' некоторой исходной точки А0 в проекционном объективе таким образом, что образованные изображения А) и Авидны только из зон Vj и V2 соответственно. Смещение глаз внутри зоны приводит к естественному изменению ракурсов. Для обеспечения достаточно широкой зоны видения объектив должен обладать большой апертурой, т.к. размер зоны определяется этой апертурой и отношением расстояний от зрителя и объектива до экрана.

Запись голографического экрана предложено производить аналогично записи голографического мультипликатора, т.е. с помощью пучка света, сходящегося в место расположения проекционного объектива и расходящихся пучков с центрами, совпадающими с центрами будущих зон видения. Большие экраны предполагалось изготавливать путем стыковки оптически согласованных фрагментов размерами порядка 1 м2. При этом появляются

технологические трудности, связанные с необходимостью использования оптических элементов с размерами более метра для формирования сходящегося пучка света.

Однако, для ограниченного применения в обучающих системах, где можно использовать относительно небольшие экраны (до 1 м2) на несколько наблюдателей имеется возможность изготавливать голографический экран на расходящихся пучках, используя при проекции порядок дифракции, в котором формируется действительное изображение. Для этого было необходимо провести анализ аберраций топографического экрана, их влияния на формируемое объемное изображение и оптимизировать схему записи голограммы, с целью минимизации возникающих искажений.

Пусть начало декартовой системы координат совпадает с центром топографического экрана, а плоскость 2 = 0 - с его плоскостью. Точка В -некоторая точка предметного пространства экрана, И - ее параксиальное изображение, О и С - центры гомоцентричных пучков света, используемых для записи топографического экрана на данное зрительское место; г( =(*,-,.у,,г,)> ;'=Д И, О, С - радиус-векторы этих точек, причем, если не будет оговорено особо, то 2и>0. Тогда из условия равенства нулю суммарного значения фазы интерферирующих и восстанавливающих волн в каждой точке топографического экрана справедливы известные соотношения Майера:

J_ = J_ J___1_

R, R* IК R„

О)

; R. R. U *.)

(3)

R, R. U R.)

где R, = |r(|j/gnZ,., i = M,B,C,0-,/j = -j-, Л„Д0- длины волн соответственно при

проекции и при записи экрана.

Здесь и в дальнейшем будет рассматриваться один порядок дифракции, a R0 и Rc выбираются в соответствии с (1) таким образом, чтобы изображение было действительным, т.е. sign Ru = - sign RB.

Для исследования геометрических свойств формируемого экраном изображения целесообразно рассматривать ход лучей топографического экрана и его лучевые аберрации. При этом в силу того, что построение изображения на экране, как показано выше, удобно производить через построение изображения выходного зрачка проекционного объектива, рассмотрим аберрации именно в плоскости, сопряженной с плоскостью этого зрачка. Компоненты лучевой аберрации <У,(г,,г), ôf{r.,r), т.е. отклонение от гауссовского изображения рассматриваемой точки В зрачка объектива, равны

ôl(r.~r),= R. — ,i=x,y (4)

ci

где Ф - функция волновых аберраций, описываемая выражениями Майера. Подставляя известное выражение для функции волновых аберраций третьего порядка в (4) получаем:

К

Я,

¿ЛГ',г) = -£-Лоо(х'+у2)х--^-Л,0(Зх2+у2)-ЯиЛтху + ЯиА211х + КиАиу,

где Л =

Х,Ут

2

<у"

(5)

(6)

к к г к к к ) (7)

Выражения (1) - (3) и (5) - (7) определяют в плоскости, сопряженной плоскости выходного зрачка проекционного объектива, элементарные зоны видения У(х,у). В каждую такую зону попадают лучи, идущие от элемента

экрана с радиус-вектором г = (х,у,о). Очевидно, что зоной видения, из которой можно наблюдать изображение на фоне всего голографического экрана, является пересечение элементарных зон видения по поверхности экрана:

V0

(х,у)*ГЭ

(8)

Пусть проекция на голографический экран осуществляется объективом с прямоугольным выходным зрачком, центр которого расположен в точке В0 , а размеры вдоль осей х и у равны соответственно 2вх и 2вг Тогда, если пересечение (8) не пусто, то с учетом выражений для параксиального приближения для линейных размеров зоны видения В,, 1 = х,у имеем

Я,„

В,. = 2 Ь,

К

геГЭ геГЭ

(9)

Первое слагаемое в (9) определяет размер зоны видения, формируемой голографическим экраном без аберраций, второе - аберрационное уменьшение зоны видения. В реальных схемах проекции обычно выполняется соотношение:

Т~1«1 ¡ = *,У- (Ю)

кч

Действительно, в то время, как величины Ъх, Ъу равны 100+. 150 мм., проекционные расстояния Яв оцениваются метрами. Поэтому можно пренебречь изменением величины лучевых аберраций по полю выходного зрачка проекционного объектива и считать их равными аберрациями в изображении его центра ,80: <5,('„„ ±в1,1')«<51(/„,|").

В этом случае, полагая Лца~ К и, ИВо~ Яв, для размеров зоны видения получаем

В1 =2в, 1т-Д,, / = х,у, где Д, - линейный

Рис. 2

Аберрационные искажения голографического экрана

размер пятна рассеяния изооражения центра выходного зрачка проекционного

объектива, равный

д» = max К(»V0-h)) (11)

Рассмотрим искажение изображения, вызванное аберрациями экрана. Пусть А' - параксиальное изображение некоторой точки А0, предметного пространства, создаваемое идеальным проекционным объективом О, и голографическим экраном ГЭ (рис. 2). Для наглядности ограничимся плоскостью у=0. Как видно, это изображение может формироваться лишь участком экрана [х,,х2], который ограничен апертурой объектива. При этом

, 2bxR„M\ (12)

где R - расстояние до изображения А', R > 0 для предэкранного пространства и R < 0 для заэкранного.

В результате влияния аберраций экрана лучи, формирующие А', отклоняются, образуя тем самым в гауссовской плоскости пятно рассеяния. В предположении (10) линейный размер этого пятна Д,(я) оценивается величиной:

Дх(Д)зМ max Шх^-б^х")}, (13)

' : В силу того, что наблюдение изображения происходит в узких пучках лучей, ограниченных апертурой глаза (~ 4 мм), и отсутствуют рассеивающие поверхности, при неподвижном положении наблюдателя, изображение точки А0 наблюдается резким даже при значительных аберрациях. Однако, смещение глаза вдоль зоны видения, т.е. оглядывание наблюдаемого изображения точки А0 приводит к смещению этого изображения в пределах пятна рассеяния. Для получения изображения, неподвижного в пространстве при оглядывании его из зоны видения, необходимо, чтобы угловой размер пятна рассеяния был достаточно мал: Ax(R)/(Rh - R) < сц .

Величина сг, зависит от кег-гкгеткего ито-ь^о^-^-:? спетемьт г^г-лтни может находиться в диапазоне от 2', что в кинематографе соответствует отличному качеству показа до В - 10', при котором небольшое смещение изображения при его оглядывании еще допустимо, например, при показе общих пространственных свойств изучаемых объектов.

Таким образом, для максимального расстояния от экрана до изображения при заданном параметре сг, получаем соотношение:

р /jf1""'!—\ max = О4)

На основе предложенной методики расчета лучевых аберраций в зоне видения был разработан способ записи голографического экрана на расходящихся пучках света с минимизацией аберрационных искажений. Координаты расходящихся предметных и опорных пучков света (*0,^0z0) и (xc,yc,zc) при записи экрана определяются согласно расположению

проекционного объектива {хе,у„,гв) и зрительских зон видения (х„,у1П1и) в соответствии с формулами (1) - (3).

Необходимость обеспечения достаточного угла поля зрения влечет за собой высокую светосилу голографических экранов, что, в свою очередь, приводит к значительным аберрациям экрана при несовпадении схем записи и проекции. Ясно, что эти аберрации уменьшаются с увеличением расстояния Кс, величина которого ограничена размерами голографической установки и апертурами используемой оптики. Таким образом, выражение (1) определяет по известным значениям проекционных параметров Яе и Я„, а также по заданному расстояниюЯс величину „К . Координаты (,т0,_>>0) и ус) могут варьироваться в соответствии с выражениями (2) и (3) для уменьшения возникающих при проекции аберраций. В предположении (10) целевой функцией оптимизации для плоскости у = 0 будет являться размер пятна рассеяния изображения центра выходного зрачка проекционного объектива (11) при условии (2). Обозначая х<Л?с = вх и подставив соответствующие значения в (2) и (5) получаем для лучевой аберрации б,:

+ (А> + РАУ +(го +уА (15)

где все коэффициенты определяются заданными параметрами схемы записи.

Таким образом, оптимальная схема записи экрана находится путем минимизации величины Д, по параметру вх (для плоскости х = 0 аналогично минимизируется Ау по ву), т.е.

в;=в, :тш\тахф,,х)-тШмЛ. (16)

в, геГЭ

Решение экстремальной задачи (16) может быть получено с применением вычислительных методов на компьютере. Для получения аналитических выражений удобно провести минимизацию дисперсии ДЦ^) лучевых аберрации 6х(в„,х) по параметру вх, т.е. минимизировать отклонения лучевых аберраций в зоне видения от среднего положения.

Дифференцируя 0](вх) по параметру вх и приравнивая производную нулю, имеем:

= (17)

' ' двх 2ах_1 Ц 80х К '

где -ах,ах - координаты границ голографического экрана при у = 0.

После подстановки (15) в (17) и интегрирования получаем кубическое уравнение относительно вх:

Ъв] + св) +с19х + е = 0 , (18)

где все коэффициенты связаны аналитическими выражениями с известными параметрами схемы записи. Решения в\ уравнения (18), определяющие неизвестные координаты источников расходящихся пучков света при записи экрана, находятся по известным формулам при условии

-^т02(в;)>о . (19)

¿в; Х

Согласно описанной выше методике расчета аберраций топографических экранов и оптимизации схемы их записи на расходящихся пучках света были изготовлены экраны размером 0,5x0,6 м2 на два зрительских места. Проекционное расстояние составляло 2 м, расстояние до зон видения, располагавшихся на 0,6 м друг от друга, - 2,5 м. Проекция осуществлялась объективом с апертурой 200 мм. Размеры зон видения составили 130 мм по ширине и 50 мм по высоте, что совпадает с оценками по приведенным выше формулам. Выход изображения в предэкранную область (с четкостью 2' при лазерной проекции) в центральной части экрана составлял около 1 м при достаточно неподвижном изображении при оглядывании (8') и уменьшался к краям экрана, что соответствует росту аберраций в этой области.

Проекция осуществлялась с отражательных голограмм размером 9x12 см2. При этом голограммы Ю.Н.Денисюка изготавливались в том числе по схеме, в которой фотопластина и объект жестко связаны друг с другом. Показано, что в этом случае требованиями по виброзащите всего стенда существенно снижаются (на несколько порядков). Для синтезированных голограмм проведена оценка необходимого числа ракурсов, обеспечивающих возможность ""наблюдения слитного изображения, показано, что для этого максимальная глубина сцены не должна превышать глубину резкости глаза.

На изготовленный голографический экран впервые в мире была осуществлена объемная проекция голографических изображений, в том числе синтезированных, показанная на ХП Международном конгрессе УНИАТЕК в г. Москве в октябре 1976 г.

Таким образом, экспериментально была подтверждена правильность предложенной методики расчета аберрационных характеристик голографических экранов и возможность его изготовления на расходящихся пучках света, что составляет первое положение, выносимое на защиту.

В данной главе рассмотрены также способы записи составных голографических элементов, формирующих сходящиеся и коллимированные пучки света, и показано, что при этом можно скомпенсировать аберрации третьего порядка. Приведены схемы использования таких элементов для изготовления голографических экранов.

Большое значение для решения проблемы получения высококачественных объемных изображений на голографическом экране имеют вопросы передачи цвета. Если вопросам практической цветной голографии (эмульсионные слои, химико-фотографические процессы, техника записи и пр.) посвящено довольно много работ, то вопросы цветопередачи голографических изображений практически не рассматривались. В связи с этим в работе рассмотрена возможность получения оптимальной цветопередачи голографического изображения при различных длинах волн освещающих источников, при записи голограмм и восстановлении. При этом формирование цветного голографического изображения трактуется как классический репродукционный процесс Нюберга - Артюшина, согласно которому процесс

цветовоспроизведения представляет собой три стадии: аналитическую (цветоделение), переходную (градационную) и синтетическую. На первой стадии репродукционного процесса под действием излучения сложного спектрального состава £(/.) образуются скрытые цветоделенные изображения, В случае топографического процесса цветоделение происходит благодаря съемке в общем случае в N взаимно некогерентных лазерных излучениях с длинами волн Л,Д2,...,Л„ и образованию N элементарных голограмм, причем независимых, в виде скрытых изображений дифракционных решеток.

На второй стадии в результате химико-фотографической обработки голограммы образуются N дифракционных решеток, каждая из которых при освещении ее светом с соответствующей длиной волны (для отражательных голограмм возможно освещение белым светом) формирует одноцветное объемное изображение снимаемого объекта. На третьей стадии процесса происходит синтез многоцветного изображения, в данном случае - аддитивный.

В отличие от обычного репродукционного процесса, при котором цветоделение характеризуется соответствующими интегралами для актиничностей, а переходная стадия - функциональными зависимостями, связывающими актиничности с переменными факторами синтеза, т.е. количествами "красок", при рассмотрении голографического процесса целесообразно описать первые две стадии в совокупности. Переменные синтеза в этом случае определяются дифракционными эффективностями элементарных голограмм при данных длинах волн Я,., 1=1,2,...,N восстанавливающих источников.

При малых значениях отношения интенсивностей предметного пучка £(Я,) к опорному Ей (Я,), что характерно для записи объектов, не имеющих бликующие зеркальные поверхности, голографический процесс можно считать линейным. Тогда первая и вторая стадии голографического репродукционного процесса описываются зависимостью:

(20)

где р(я) - спектральная функция коэффициентов отражения объекта, а ЕС(Я1) -интенсивность пучка света, освещающего объект при записи.

При отсутствии интермодуляционных шумов в восстановленном изображении и перекрестной модуляции третью стадию репродукционного голографического процесса - аддитивный синтез с учетом монохроматичности световых пучков можно описать следующими выражениями:

м

г = ±К,ЛгШЛ.\ (21)

1*1

2'=£к,.Л3(Я>(Я,),

ы

где ХГ9УГ,ТГ - координаты цвета в МКО полученного репродукционного

изображения, Д(Яг), A,(/.i), A}(Ai) - кривые сложения для выбранного

Е (я)

стандартного источника света, К,=а, с) ',ЕД(Я,). Ев(л) - спектральное

ЕМ.)

распределение интенсивности восстанавливающего источника.

Для получения физиологически точной репродукции по Нюбергу, т.е. правильной передачи цвета голографического изображения необходимо, чтобы

±КА(Я,)РМ=Х\ <•=1

■±К,АМ,)РМ=У\ (22)

где X°,Y°,Z0- координаты цвета исходного объекта при освещении его выбранным стандартным источником белого света, которые рассчитываются по известным формулам.

Из системы (22) следует, что при фиксированных значениях коэффициентов к, и N = 3 физиологически точное цветовоспроизведение может быть получено в общем случае лишь для объекта с функцией отражения р(л), удовлетворяющей данной системе уравнений. При увеличении числа N количество объектов, функции отражения которых удовлетворяют (22), растет, но множество их по-прежнему остается ограниченным.

Однако значение коэффициентов К, и длин волн Я,., i = \,2,...,N можно подобрать таким образом, что для реальных объектов топографической съемки и проекции, имеющих обычно плавный характер функций отражения р(л), цветопередача будет допустимой, хотя и не точной. Для нахождения таких значений были выбраны девять объектов, цвета которых находятся в разных зонах спектра, характерных для кинематографа и критичных для оценки цветовых искажений - 1. лицо человека (бледнолицего), 2. снег (с ледяной коркой), 3. зеленая трава (летняя), 4. пшеница, 5. цветок - красный мак, 6. цветок - синий василек, 7. цветок - желтый одуванчик, 8. шоссейная дорога (булыжник), 9. песок.

Сначала в соответствии с известными колориметрическими формулами находились координаты цвета X\Y\Z" исходных объектов при освещении их данным стандартным источником. Затем для N = 3 и некоторых фиксированных Я,,Я,,Я3 определялись коэффициенты КиК1УК3, позволяющие правильно передать серое поле, т.е. р{л) = const. При этом вся серая шкала от белого до черного полей будет воспроизведена физиологически точно.

Координаты цвета голографических изображений объектов находятся после подстановки полученных значений коэффициентов в выражения (22) при N=3. Для оценки качества цветопередачи производился переход в равноконтрастную систему, в которой цветовые различия изображений объектов = 1,2,...,9 вычисляются в единицах NBS (одна ед. NBS равна

пяти едва заметным порогам цветоразличия).

Для нахождения оптимальных с точки зрения цветопередачи длин волн излучений, используемых при записи и воспроизведении (проекции) голограмм, длина волны одной из спектральных составляющих варьировалась в пределах цветовой зоны с фиксацией остальных двух. Далее выбиралась длина волны в этой цветовой зоне, при которой цветопередача совокупности объектов наилучшая, и при этом значении изменялась длина волны в следующей зоне спектра. Аналогичные действия произведены и для третьей спектральной составляющей. Из анализа полученных графиков для красной, зеленой и синей зон спектра следовало, что в каждой зоне имеются области длин волн, при которых цветопередача всей совокупности объектов одновременно в одном кадре наилучшая. Так в красной области значения Я должны находиться в интервале 600 - 620 нм, в зеленой - 545- 565 нм и в синей - 460-470 нм. Полученные величины цветовых различий для оптимальных значений длин волн 465, 550 и 620 нм сравнивались с цветовыми искажениями, которые имеют место в обычных кинематографических процессах как негативно-позитивном, так и с контратипированием, на пленках "Кодак", позволяющих

достичь наилучшей цветопередачи (таблица 1). Нетрудно видеть, что цветопередача в голографическом репродукционном процессе существенно лучше, чем в кинематографическом негативно-позитивном процессе (даже без контратипирования) для всех выбранных объектов съемки, за исключением первого и пятого, для которых значения цветовых различий в обоих процессах сравнимы по величине.

Требуемые величины длин волн спектральных составляющих излучения, используемого при записи и восстановлении (проекции) голограмм обеспечивают одночастотные

лазеры на красителях с перестраиваемой Таблица 1 частотой.

Проводились также расчеты цветовых различий данных объектов в голографическом процессе с длинами волн, близкими к длинам волн лазеров непрерывного действия на аргоне, криптоне и гелий-неоне: 454, 458, 488, 515, 531, 568 и 683 нм. Оказалось, что использование спектральных линий с длинами волн 458, 568 и 633 нм при съемке и восстановлении голограмм также позволяет получить хорошее качество цветовоспроизведения, сравнимое с цветопередачей в кинематографическом процессе с контратипированием на пленках "Кодак".

Таким образом, с использованием разработанного метода оценки качества цветопередачи голографического процесса показана возможность достижения высокого качества цветовоспроизведения при. выборе трех оптимальных длин

Гсшографи- чсския процесс Кив емато графический процесс

465 нм 550нм 620 нм неттготно-оозктиеиыя 52М-5Э85 ; коктрнх- ЛИрОВЯНКСМ ¡253

Объекты съемки Цветовые различия ÜE(NBS)

Лицо 1,3 1,1 2,2

Снег 0,3 0,6 0,9

Трава 2,4 6,1 8,0

Пшеница 1,8 3,3 4,9

Красный мак 3,5 3,4 7,3

Синий василек 1,8 4,8 7,0

Желтый одуванчик 1,5 4,2 6,5

Шоссе 0,6 1,1 1,9

Песок 0,6 1,7 3,0

волн записывающих и восстанавливающих пучков света, что является вторым положением, выносимым на защиту.

В последнем разделе данной главы приведены сведения о разработанном и внедренном голографическом экране с двумя зонами видения для специализированного прибора визуального наблюдения ВСК-3. Одна зона видения двухкомпонентного экрана расположена на оси прибора, вторая под углом к ней. Применение схемы записи экрана с фокусированием рассеивателя в плоскость экрана позволило устранить интермодуляционные шумы в изображении зоны видения. Согласно Акту внедрения яркостные характеристики голографического экрана превышают характеристики рассеивающего экрана в 20 раз, а его использование позволяет повысить комфортность наблюдения и повысить надежность выполнения ответственных операций.

Третья глава диссертации посвящена стереокомпьютерным методам формирования объемных изображений для индивидуальных средств обучения. На основе анализа известных методов показа стереокомпьютерных изображений на экране монитора показано, что наиболее приемлемым для применения в учебном процессе является метод поочередного покадрового предъявления правого и левого ракурсов изображения с их временным разделением жидкокристаллическими (ЖК) очками. Этот метод обеспечивает воспроизведение стереоскопического изображения с максимальной четкостью, доступен в реализации и совместим применяемыми процессах обучения мультимедийными устройствами.

К основным факторам, влияющим на восприятие стереокопьютерного изображения, - относятся перекрестные помехи (шумы), причина которых заключается в том, что в глаз наблюдателя частично попадает изображение «чужого» ракурса, и мелькания, вызванные недостаточно высокой кадровой частотой монитора. Эти факторы взаимозависимы, и улучшение одного приводит к ухудшению, другого. Несмотря на довольно большое количество работ, посвященных техническим проблемам создания стереокомпьютерных устройств отображения и их применения, вопросы количественной оценки качества стереоскопического изображения в таких устройствах и влияния на него параметров используемых средств исследованы мало.

В данной работе была поставлена задача исследования влияния временных характеристик переходных процессов ЖК-ячеек и послесвечения люминофоров монитора на отношение сигнал/шум наблюдаемого изображения, исследование влияния цветности стереоскопического изображения на заметность шумов. По результатам этих исследований, а также сформулированному критерию незаметности шумов определялись требования к составным элементам стереокомпьютерных устройств отображения.

Для количественной оценки перечисленных параметров была разработана математическая модель, в основу которой легли следующие соображения. Изображение на экране монитора формируется построчно, причем электронный луч движется по зигзагообразной траектории - слева

направо и сверху вниз. Луч периодически сканирует весь экран, образуя на нем строки развертки. Затем электронный луч переводится от нижнего края экрана по диагонали вверх и попадает в начало первой строки (вертикальный обратный ход электронного луча). При прохождении луча через какую-либо точку экрана в момент времени 10, возбуждается данный элемент люминофора, интенсивность свечения которого затем затухает во времени t по экспоненциальному закону /, =/0 , где 10 - начальная интенсивность свечения, пропорциональная яркости данной точки (пикселя) изображения, а. -параметр, характеризующий скорость затухания свечения люминофора. При этом а = const для данного цвета триады люминофоров.

Во время формирования картины из стереопары для одного из глаз, соответствующая ему ЖК-ячейка очков находится в открытом состоянии, и этот глаз видит предназначенное для него изображение. В это время другой глаз блокирован закрытой ЖК-ячейкой (назовем ее парной). После прорисовки всей картинки за время, равное периоду кадровой развертки Т, обе ЖК-ячейки переключаются в противоположные состояния, а на экране начинает формироваться картинка для другого глаза.

Энергия свечения, попавшая в открытую в данный момент ячейку, может рассматриваться как полезный сигнал, определяющий интенсивность картинки стереопары. Свет же, прошедший через закрытую ячейку, будет определять уровень шума в стереоизображении. Таким образом, интеграл произведения функции интенсивности свечения Ii(t) на функцию изменения коэффициента пропускания ячейки k(t) по времени дает полезный сигнал 1С:

(23)

<»

Интенсивность шума /ш определяется интегралом произведения функции интенсивности свечения Io(t) на функцию изменения коэффициента пропускания парной ячейки k'(t):

lSh)=]he-a(MMt)dt (24)

'о

При этом принимается, что функции k(t) и k'(t) имеют трапециевидный характер, то есть фронты прямолинейны, что с большой степенью точности соответствует экспериментальным данным. Разбив интервал интегрирования на четыре отрезка с однородным характером функций и подставив их соответствующие значения в выражения (23) и (24), нетрудно произвести аналитическое интегрирование выражений для интенсивностей сигнала и шума. При этом рассматриваются два случая. Первый - когда пиксель начинает светиться во время открытия ЖК-ячейки, т. е. t0 e[0;ro„), ton - время полного открытия ячейки, и второй - когда пиксель начинает светиться при полностью открытой ЖК-ячейке - r0 е [/„„;?").

После интегрирования для этих двух случаев получаем:

где /Ж) =

к, - к,

са, I

[сгг0 +1 - е-"'е-"» {а!т +1)]+ к, - е^е"-)

при

0<г„<г

сам

■!±еа°еаТ[аТ

при

1 - (а(г + ^)+1 У- ]+ Сг^е«°е-°т{1 - е'*),

'I

к.1 - коэффициент пропускания ЖК-ячейки в полностью закрытом состоянии, к2 - в полностью открытом. Аналогичные выражения получаем для шумового сигнала 1Ш, которые в совокупности с (25) позволяют определить отношение сигнал/шум.

На основании рассмотренной модели была разработана программа для

расчета и нахождения зависимости отношения

сигнал/шум {1С/Ш - 1ДШ) от номера строки горизонтальной развертки. Пример зависимостей для дискретного набора кадровых частот / = 1/Т [Нг] приведен на рис. 3. Каждая кривая семейства имеет характерный вид - по мере движения от верхней части экрана к нижней отношение сигнал/шум (1с/ш) возрастает до максимальных значений и затем монотонно уменьшается. Низкие значения 1с/ш в верхней области экрана обусловлены тем, что для пикселей находящихся в этой области, часть полезного сигнала отсекается из-за продолжающегося в это время процесса включения ЖК-ячейки и соответственно ее неполного открытия. Одновременно с этим имеет место частичное закрытие парной ячейки, из-за чего проявляется шумовой сигнал. Чем ближе пиксель к верхнему краю, тем больше влияние этих процессов. Уменьшение отношения 1с/ш к нижней части

экрана объясняется послесвечением люминофора, из-за которого остаточное изображение для одной ячейки попадает в уже начавшую открываться парную ячейку.

Для анализа влияния переходных характеристик ЖК-ячеек на шумовые параметры изображения рассмотрим зависимости относительных размеров области экрана с отношением сигнал/шум менее некоторой заданной величины (¡¿1Ш < 32) от времени закрытия ячейки ¡ф считая время включения /0„ = 0 (рис. 4.а) и от времени открытия ячейки, считая, что закрывается она мгновенно (рис.

Рис.3. Зависимость отношения сигнал/шум от номера строки развертки экрана

4.6). Хорошо видно, что с ростом времени закрытия ЖК-ячейки область

ч

4 5 0

а)

2 3 4 5 6 I. ,ггв 6)

7 0 0 10

100 «о 80 70 ео 60 ад 30 20 10 о

Рис. 4. Зависимости относительных размеров (%) области экрана с отношением сигнал/шум менее 32:1 от времени закрытия (а) и открытия (6) Ж К ячейки.

пониженных значений 1с,<ш в верхней части экрана заметно увеличивается, в то время как в нижней остается постоянной. Увеличение времени открытия ЖК-ячейки также приводит к росту области с пониженным значением 1с/ш в верхней части экрана, но существенно менее значительно, чем в первом случае. Таким образом, требования к величине времени закрытия ячейки должны быть гораздо более жесткими, чем к времени ее открытия.

Характер влияния скорости затухания свечения люминофора на величину отношения сигнал/шум проиллюстрирован на рис. 5 в предположении, что ЖК-

ячейки обладают идеальными характеристиками (/„, = ^ =0, к1 = О, к2 = 1). Здесь представлены зависимости относительного размера (в %) области экрана с отношением сигнал/шум более заданной величины от параметра а. Из графика видно, что с увеличением а, как и следовало ожидать, уменьшается область с пониженным отношением сигнал/шум внизу экрана, причем эта зависимость весьма резкая. Поэтому определение

г р5"

] ф

у тн »ч.хши (-еа-ц

СРЕДНИ! мсогц

1

я

-

0 1 2 3 4 5

7 8

8 10 11 12 13 14 15 19 17 18 а,1Лп5

Рис. 5. Зависимость относительного размера (%) области экрана с отношением сигнал/шум более 32:1 от параметра а

границ области экрана монитора, в которой стереоскопическое изображение обладает достаточно высоким качеством и в которой отсутствует двоение, играет существенную роль при компьютерном синтезе стереопарных изображений для систем обучения.

Чтобы выработать требования к параметрам стереокомпьютерной системы, необходимо определить критерий для отношения сигнал/шум, при котором паразитные изображения практически незаметны. Из многолетнего опыта эксплуатации поляризационной системы стереоскопического кинематографа характеризующий наличие шумов в стереоизображении известно, что общий коэффициент сепарации, учитывающий деполяризацию света в поляроидах и на экране, должен быть не менее 0,95 - 0,96. Это соответствует величине отношения сигнал/шум - 20 - 25. Проведенные нами

исследования многочисленных и разнообразных по сюжетам и цветовым составляющим стереоскопических изображений, как на проекционном экране, так и на экране монитора, показали, что для приложения в учебных процессах величина отношения сигнал/шум, при которой двоение практически отсутствует (возможно, за исключением особо контрастных деталей), должна быть несколько ужесточена и принята равной 25 =32:

/А, >32. (26)

Это значение и было взято в качестве критерия для определения отношения (Ь32) размера той части экрана, на которой можно сформировать качественное стереоизображение, ко всей его видимой области.

Как можно видеть на рис. 5, при значениях параметра а < 0,6 пк'1 величина не превышает 50% экрана, и данную область скоростей затухания люминофора условно назовем «нерабочей» (зона I). При а > 2,0 /и.?"' зависимость постепенно входит в насыщение и дальнейшее увеличение этого параметра мало влияет на величину Хз?- Будем считать эту зону «идеальной» (зона III). Промежуточная зона (зона II) характеризуется сильным влиянием скорости затухания люминофора на величину Ьц.

Как показали проведенные измерения, величины параметра а мониторов различных фирм и марок для каждого цвета располагаются в определенных границах. Так для красного цвета величина отлежит в пределах 2,1 + 2,3 т"', для зеленого - 1,1 + 1,85 ш"7, а для синего - 1,2 + 1,8 ть1. Поэтому область изменений а зеленого и синего люминофора относится к промежуточной зоне II. При этом размер области с пониженными значениями отношения сигнал/шум в нижней части экрана варьируется в зависимости от кадровой частоты и не превышает для наиболее низкого возможного значения скорости затухания (1,1 пи'1) 36% при частоте 120 Гц, 30% при частоте 100 Гц и 26% при частоте 85 Гц. Красный цвет лежит в пределах «идеальной» области, следовательно, на размер областей экрана с пониженными значениями отношения сигнал/шум влияют главным образом синий и зеленый цвета люминофора, что следует иметь в виду при синтезе компьютерных стереоизображений.

Таким образом, приведенная математическая модель и сделанные на ее основе заключения обосновывают третье положение, выносимое на защиту.

Применение ЖК-ячеек с отличными от идеальных характеристиками приводит, как мы видели, к появлению зоны с пониженным отношением сигнал/шум в верхней части экрана. Размер этой зоны связан с временами открытия и закрытия ячеек и коэффициентами пропускания в закрытом (&/) и открытом (кг) состоянии. Реальные значения коэффициента пропускания ЖК-ячеек в открытом состоянии определяются наличием в их конструкции двух скрещенных поляризаторов и составляют величину близкую к 0.3. Коэффициент пропускания в закрытом состоянии зависит от типа используемого жидкого кристалла, качества поляризаторов, технологии изготовления и параметров электронного блока управления ячейками. При наиболее оптимальном учете всех этих факторов отношение коэффициентов пропускания может достигать 100-120 и выше. Однако сильное

ужесточение требований к величине к этой величине приводит к усложнению и удорожанию устройства.

Для определения критерия отбора ячеек было проанализировано влияние отношения коэффициентов пропускания ЖК-ячеек на величину области с отношением сигнал/шум выше 32, откуда следовало, что характер этой зависимости одинаков для различных значений параметров а и кадровой частоты. Из этого анализа можно заключить, что при отношении коэффициентов пропускания выше 70 дальнейший рост величины k2/kj мало изменяет относительный размер области с 1ДШ > 32. Это значение контраста k2/ki> 70 и было выбрано в качестве порогового критерия при отборе ЖК-ячеек для их использования в стереокомпьютерных устройствах обучения.

Как уже отмечалось выше, более существенную роль на появление шумов в верхней части экрана монитора играет время закрытия ячейки. Построив и проанализировав зависимости относительных размеров области экрана монитора с пониженным значением отношения сигнал/шум от времени закрытия ячейки для различных кадровых частот, было определено, что вполне допустимо принять граничное значение времени закрытия toff = 1ms. При этом учитывалось, что стремление к чрезмерному уменьшению времени закрытия ячейки влечет за собой существенное усложнение конструкции ячейки и устройства адаптера для ее управления. Область с пониженным отношением сигнал/шум в таком случае составляет не более 7% при кадровой частоте 120 Гц, 5% при 100 Гц и 4% при 85Гц.

Из анализа аналогичных зависимостей относительных размеров области с пониженным отношением сигнал/шум от времени открытия ЖК-ячейки следует, что допустимое значение этого времени ton вполне может быть увеличено до 3 ms без существенного ухудшения условий наблюдения стереоскопического изображения.

Отметим, что приведенные требования вполне достижимы для номенклатуры ЖК-ячеек, разработанных и выпускаемых в России ОАО «НПО Волга» (г. Саратов).

Известно, что зрительные ощущения изменяются в зависимости от сочетаний наблюдаемых цветов изображения, яркости фона и объекта, благодаря одновременному цветовому и одновременному яркостному контрастам - эффектам, обусловленным физиологией зрения. Действительно, при наблюдении стереокомпьютерных изображений было отмечено, что заметность шумовых изображений в стереоизображении существенно меняется при изменении сочетаний цветов изображения объекта и фона, на котором это изображение предъявляется. Для учета этой особенности была проведена субъективная сравнительная оценка цветовой заметности шумов. Оценка производилась как для основных цветов монитора RGB с разной интенсивностью, так и для смешанных. Наблюдателю, смотрящему на экран через ЖК-очки, предъявлялась цветная стереоскопическая метка на цветном фоне. Заметности шумов при различных сочетаниях цвета метки и фона сравнивались между собой в нормированных единицах. Отметим, что при этом

все разноцветные шумовые изображения в реальных изображениях едва заметны, в том числе и со значением «1».

Анализ полученных результатов показал, что при инвертировании цветов метки и фона значение заметности шумов может измениться. Шум будет более заметен, если при данном сочетании цветов метка имеет цвет с меньшим значением параметра а. Сочетания цветов были разбиты на три группы. В нижней и верхней частях экрана монитора с пониженным значением отношения сигнал/шум, где сильнее заметность шумов рекомендуется использовать только группу «хороших» сочетаний с заметностью шумов < 0,25. Группу «плохих» сочетаний с заметностью шумов более 0,7 использовать по возможности не рекомендуется. Например, белый цвет и насыщенный зеленый дают недопустимые сочетания со всеми цветами, В оставшуюся группу вошли «удовлетворительные» сочетания цветов.

Для смешанных цветов была выявлена определенная закономерность, позволяющая определить совместимость цветов метки и фона. Если в координатах (Я, в, В) метки или фона имеется зеленая составляющая (Сг^О), то вклад в заметность шумов будет давать, в основном, зеленый цвет. Возможно, это объясняется максимальной чувствительностью глаза к зеленому цвету. Например, желтый цвет (255,255,0) на бирюзовом фоне (0,255,255) практически не дает шумов, при этом в состав обоих этих цветов входит зеленый (0,255,0). Оранжевый цвет (255,128,0) на темно-зеленом фоне (0,128,0) дает заметность шумов всего 0,06. Небольшой вклад в заметность шумов в этом случае объясняется большей интенсивностью красной составляющей по сравнению с зеленой. При отсутствии зеленой составляющей (С=0) основной вклад в заметность шумов дает основной цвет, имеющий большую интенсивность, т.е. красный при Я>В и синий при ВЖ. Например, цвет с координатами (128,0,255) на синем фоне (0,0,255) и цвет (255,0,128) на красном фоне (255,0,0) практически не дают шумов, а при сочетаниях (128,0,255) на темно-красном (128,0,0) и (255,0,128) на темно-синем (0,0,128) шумы заметны.

Наличие мельканий наряду с недостаточной сепарацией является одним из основных факторов, ухудшающих восприятие стереокомпьютерного изображения. Главным параметром, влияющим на критическую частоту слияния мельканий - КЧСМ, является яркость наблюдаемого изображения. При условии равенства периодов затемнения и освещения КЧСМ определяется по известной эмпирической формуле Айвса:

КЧСМ = 12,41&1 + 35,6, (27)

где Ь — яркость [кдЛг].

Яркость свечения люминофора лежит в пределах 0 <Ь <130 (кд/м2). ЖК-ячейка пропускает только 30% яркости изображения на экране. Кроме того, с учетом периодического закрытия каждой ЖК-ячейки, видимая каждым глазом яркость изображения 1г, уменьшается еще в два раза и составляет Ьа = 0,151. Таким образом, яркость видимого глазом изображения лежит в пределах 0 <1 < 19,5 (кд/м2). Отсюда, КЧСМ переключения ЖК-ячейки при максимальной яркости монитора составляет ~50 Гц. Эта частота соответствует необходимой

для последовательного формирования стереоскопического изображения кадровой частоте монитора 100 Гц. Однако яркости экрана монитора при показе реальных стереокомпьютерных изображений обычно не превышают 50кд/м2, что соответствует КЧСМ = 47 Гц. Поэтому при частоте переключения ЖК-ячеек 42,5 Гц, соответствующей стандартной кадровой частоте 85 Гц, мелькания хотя и имеются, но не сильно заметны. Практика показывает, что если имеются трудности с установкой в компьютере частоты 100 Гц, то для некоторых применений можно использовать уменьшенную кадровую частоту 85 Гц, особенно если в изображении отсутствуют яркие детали.

Разработанные и приведенные выше требования легли в основу созданного в НИКФИ совместно с Московским институтом глазных болезней им. Гельмгольца и кафедрой офтальмологии Государственного медицинского университета аппаратно-программного комплекса для развития навыков стереоскопического и бинокулярного зрения, а также диагностики и лечения ряда его нарушений, который прошел всесторонние испытания и был рекомендован Минздравом РФ к применению.

Использование комплекса позволяет осуществлять тренировку и развитие стереоскопического зрения, диагностику и лечение косоглазия, амблиопии и других нарушений бинокулярного зрения, проводить исследования с получением численных результатов скотомы, фузионных резервов, фиксационной диспаратности, разрешения стереозрения по глубине, мышечного равновесия глаз (фории) и других важных параметров зрения.

Принцип работы устройства основан на рассмотренном стереокомпьютерном методе покадрового разделения полей зрения, при котором на экране монитора попеременно предъявляются изображения, предназначенные для левого и правого глаза пациента. Синхронно с их предъявлением блок электронного управления открывает соответствующий оптический затвор жидкокристаллических очков, через которые пациент наблюдает изображение на экране монитора. Этот метод предоставляет удобную возможность управления диспарантностью изображений стереопары

;орпзоп;^л:.:-:с,';, гас и вертикальной), раздельного для двух глаз управления яркостью, цветом, масштабом и поворотом, дает возможность выборочной блокировки видимости отдельных объектов для одного или другого глаза.

В соответствии с разработанными требованиями в учебных и лечебных программах синтезируемые изображения создавались так, чтобы верхняя и нижняя части экрана с пониженным значением отношениями сигнал/шум не использовались для формирования изображений с параллаксами, отличными от нуля. Относительные размеры эти областей в соответствии с расчетами составляли примерно 5% от общей площади экрана монитора в верхней его части и 15 - 20% - в нижней. Здесь отображалась различная служебная информация - названия программ, результаты тестирования и т. п. Самые значимые части тестов и упражнений располагались в центральной части экрана, где шумы минимальны. Для уменьшения заметности шумов сочетания цветов в изображениях выбирались в соответствии с приведенными выше

рекомендациями. Отбор ЖК-ячеек для используемых очков также осуществлялся на основе разработанных рекомендаций относительно времен переходных процессов и отношения коэффициентов пропускания в открытом и закрытом состояниях.

Длительная практическая эксплуатация устройства в многочисленных детских садах и медицинских учреждениях подтвердила результаты испытаний и показала, что его применение способствует восстановлению бинокулярных функций: восстановление бинокулярного зрения, увеличение фузионных резервов, снижение порогов глубинного и стереоскопического зрения.

Комплекс внедрен в Московском институте глазных болезней им. Гельмгольца и в глазном санаторном отделении Морозовской Детской Клинической Больницы, а также успешно эксплуатируется в многочисленных специализированных детских садах и медицинских учреждениях.

Приведенные выше результаты подтверждают четвертое положение, выносимое на защиту.

В четвертой главе диссертационной работы рассмотрены особенности построения стереоскопических видеопроекционных устройств для группового аудиторного обучения и индивидуального в тренажерных системах. Активное внедрение таких устройств в различные обучающие процессы обусловлено развитием и постоянным совершенствованием мультимедийной видеопроекционной техники и возможность их совместной работы с компьютерными технологиями. К достоинствам этой техники, реализованной на жидко-кристаллических (ЖК проекторы) или микрозеркальных (DLP проекторы) элементах, по сравнению с видеопроекторами с электроннолучевыми трубками следует отнести сведение трех одноцветных световых потоков в один объектив, малые габариты, высокие яркостные и резкостные параметры и относительно невысокую стоимость. Все это позволяет создать достаточно малогабаритное видеопроекционное стереоскопическое устройство для его использования в средствах обучения. Сепарация ракурсов обычно осуществляться путем использования активных жидко-кристаллических ячеек либо пассивным поляризационным способом.

Применение микрозеркальной (DLP) технологии в принципе позволяет осуществлять стереоскопическую проекцию с одним проектором. В этом случае после объектива проектора устанавливается ЖК-ячейка, периодически поворачивающая плоскость поляризации на 90° синхронно со сменой кадров в проекторе. Стереоскопическое изображение можно наблюдать в обычных поляризационных очках с взаимно перпендикулярными направлениями поляризации. Однако частота смены кадров в большинстве серийно выпускаемых в настоящее время проекторов этого вида не превышает 60 - 80 Гц и недостаточна, чтобы обеспечить показ изображений без мельканий.

Появившиеся в последние годы DLP-видеопроекторы с кадровой частотой до 120 Гц (например, PANASONIC PT-D7600E или проекторы фирмы Christie Digital серии Mirage) обеспечивают стереоскопическую проекцию с отсутствием мельканий и предназначены для использования в цифровых стереокинотеатрах.

Однако стоимость такой техники, по крайней мере в настоящее время, весьма высока, что делает ее пока недоступной для широкого использования в учебном процессе в школах, институтах; лекториях и т.д. -

Отметим, что ЖК проекторы не могут применяться в стереоскопической системе с одним проектором и разделением ракурсов по четным и нечетным кадрам. Это связано с тем, что в таких проекторах замещение изображения происходит построчно и кадр как таковой не формируется.

В стереоскопических системах с двумя видеопроекторами в принципе могут применяться проекторы как с ЖК матрицами, так и на базе БЬР технологии. Проекторы в этом случае работают независимо для правого и левого глаза и кадровая частота 60 Гц, которую обеспечивают оба типа проекторов, достаточна для подавления мельканий изображения. Однако последние, за исключением проекторов с высокой кадровой частотой, о которых говорилось выше, обладают существенным недостатком. В таких проекторах обычно используется один БЬР дисплей, свет от которого для получения цветного изображения проходит через вращающийся круг с разноцветными секторами. Несмотря на достаточно высокую скорость вращения круга, тем не менее, для динамических изображений часто наблюдается цветовое оконтуривание объектов. Кроме того, дополнительное чередование цветовых контрастов может приводить к утомляемости, особенно при длительной работе.

В связи с изложенным, в данной работе рассматриваются стереоскопические видеопроекционные устройства с двумя ЖК-проекторами и разделением ракурсов с помощью пассивных поляроидов или активных ЖК-ячеек. При этом практически все выводы и рекомендации по построению стереоскопической видеопроекционной системы остаются справедливыми и для проекторов с БЬР дисплеями.

Стереоскопическое видеопроекционное устройство состоит из персонального компьютера (в тренажерах устанавливают два компьютерных генератора изображения), двух видеопроекторов с устройством сепарации, состоящим из поляризаторов, установленных после объектива, и металлизированного сферического экрана. Наблюдение стереоскопического изображения производится в пассивных поляризационных очках с аналогичными поляризационными фильтрами. Целесообразно использовать фильтры с круговой поляризацией, направления которых противоположны, обеспечивающие в отличие от фильтров с линейной поляризацией возможность наклона головы без появления двоения изображений.

Основным параметром при выборе видеопроекторов для стереоустройства является световой поток, необходимый для обеспечения достаточной яркости изображения на экране. Для комфортного наблюдения изображения в слегка затемненном помещении яркость должна быть не менее 100 кд/м2 для любого места расположения зрителей. Нетрудно показать, что световой поток I видеопроектора связан с яркостью В изображения на экране соотношением / = ВпаЬ/кр, где к - коэффициент яркости экрана, ¡3 - коэффициент пропускания устройства сепарации - фильтры на проекторах и в очках, а, Ъ - ширина и высота экрана соответственно. Поглощение (3 поляроидного устройства

сепарации, если не использовать специальные методы повышения яркости (далее будут рассмотрены) можно оценить, как 0,3 - примерно в два раза падение яркости при введении поляроида и в полтора раза - за счет прохождения через два совмещенных поляроида. Коэффициент яркости следует принимать с учетом значений индикатрисы рассеяния, т.е. для мест, отдаленных от оси экрана.

Для небольших аудиторий, рассчитанных на 20 - 30 мест, что характерно для учебного процесса, вполне можно использовать выпускаемые экраны с диагональю 2,5 м2, имеющие коэффициент яркости в осевом направлении 10 -12 и под углом ±50° - около 3-х. Таким образом, для необходимого светового потока получаем I ~ 1000 ANSI лм. Для увеличения срока службы лампы в проекторе мощность светового потока целесообразно не выводить на максимум. Поэтому необходимое значение светового потока для таких аудиторий должно быть не менее 1200 - 1300 ANSI лм. Таким параметрам светового потока удовлетворяет довольно широкий класс портативных видеопроекторов, стоимость которых вполне доступна для создания стереоскопического устройства обучения. Понятно, что применение менее светосильных экранов и увеличение их размеров потребует пропорционального увеличения светового потока и соответственно использования более мощных и дорогих видеопроекторов.

На первый взгляд применение в видеопроекторах ЖК-ячеек, свет из которых принципиально выходит линейно поляризованным, обеспечивает простое решение устройства сепарации. Достаточно повернуть плоскость поляризации одного из проекторов на 90° и добавить фазовые пластинки Х/4 для получения круговой поляризации. Потери света в таком случае будут минимальны. Однако в реальных условиях такое построение устройства сепарации не может быть выполнено в сил}' того, что на выходе проектора плоскости поляризации составляющих цветовых компонент не совпадают. Зеленая компонента имеет плоскость поляризации перпендикулярную плоскостям поляризации красной и синей компоненты, в одном случае вертикальная, в другом - горизонтальная. Поэтому для совмещения плоскостей поляризации зеленой компоненты с красной и синей необходимо установить вращатель поляризации, внутри оптической схемы, что технически не реально.

Наиболее простым построением устройства поляризации в этих условиях является установка на выходах проекционных объективов поляризаторов под углом 45° к горизонтали и 90° друг к другу. В результате, свет от проекторов становится плоско поляризованным с взаимно перпендикулярными плоскостями поляризации. Для перевода линейной поляризации в круговую используются фазовые пластинки ?J4 с соответствующей взаимной ориентацией. Ясно, что в такой схеме с выравниванием поляризации цветовых составляющих потери света составят примерно 50%, не считая потерь на пропускании с однородной поляризацией. Тем не менее, благодаря своей простоте, апробированности и доступности составных элементов, а с другой стороны с учетом наличия достаточных световых потоков, именно эта схема

построения устройства сепарации обычно используется в стереоскопических видеопроекционных устройствах.

Для случаев недостатка света в стереопроекционном устройстве предложены способы повышения световой эффективности проекторов по сравнению с описанным выше. При этом проблема несовпадения плоскостей поляризации у разноцветных компонент может быть решена двумя способами. Смысл обоих способов заключается в том, чтобы сепарацию ракурсов осуществлять отдельно в зеленой составляющей и в синей с красной, а сводить цветоделенные изображения в единое на электронном или компьютерном уровне.

Так, если для сепарации используется линейная поляризация, поместим после одного из проекторов фазовый фильтр Я/2, в результате чего плоскости поляризации всех трех его компонент повернутся на 90° относительно соответствующих компонент второго проектора. Учитывая исходную ортогональность цветовых составляющих в каждом проекторе, в результате такого поворота получаем следующее взаимное расположение плоскостей поляризации - зеленая компонента первого проектора и красная с синей компоненты второго проектора совместно ортогональны зеленой компоненте второго проектора и красной с синей компонентам первого проектора. Таким образом, если перекоммутировать цветовые составляющие правого и левого ракурсов так, чтобы зеленая компонента одного ракурса компоновалась совместно с красной и синей компонентами другого, то при наблюдении изображения на экране через очки со скрещенными поляризаторами можно будет увидеть «правильное» стереоскопическое изображений. Такое замещение можно осуществить либо при формировании изображения соответствующих ракурсов в компьютере, либо устанавливая дополнительное коммутирующее устройство на входах в видеопроекторы.

Ясно, что потери света в такой схеме будут минимальны и примерно в два раза меньше, чем в схеме с установкой поляризаторов после каждого проектора.

Второй способ относится к случаю сепарации ракурсов с использованием свойства круговой поляризации света. Как известно, в зависимости от расположения осей о и е четвертьволновой пластины относительно плоскостей поляризации цветовых компонент ЖК проектора можно получить два вида распределения выходных поляризаций, изображенных схематически на рис. 6. Поэтому, если первый проектор снабдить четвертьволновой пластиной в соответствие с рис. 6а, а второй — с рис. 66, то на экране поляризация света зеленой компоненты от первого проектора будет иметь то же направление, что синяя с красной компонентой второго проектора. Зеленая же компонента второго проектора поляризована идентично синей и красной компонентам первого. Тогда аналогично предыдущему случаю достаточно провести на электронном или компьютерном уровне взаимное замещение соответствующих цветовых компонент, чтобы получить на проекционном экране «правильные» направления круговой поляризации для двух изображений ракурсов стереопары.

в

в

' ° е,

кь 6)

Ось

Рис.6 . Расположение осей о не первого (а) и второго (6) проектора.

Отметим, что в обеих схемах возрастают требования к точности настройки проекторов для совпадения правого и левого изображений с нулевым параллаксом. Однако, как показал опыт работы со стереоскопической видеопроекцией, такое совмещение с точностью до пикселя вполне реализуемо. Об этом также свидетельствует практика повышения яркости при видеопроекционном кинопоказе за счет совмещения потоков двух и более видеопроекторов.

Приведенный способ повышения световой эффективности при стереоскопической видеопроекции является пятым положением, выносимым на защиту.

Большое значение для получения неискаженного стереоскопического изображения, наблюдаемого без напряжения, имеет настройка проекционного устройства для обеспечения совмещения на экране двух одинаковых изображений без горизонтального параллакса. Несовпадение изображений в горизонтальном направлении приводит к появлению положительного или отрицательного дополнительного параллакса, постоянного по всему экрану. При этом объемное изображение проецируемой сцены исказится и сместится на некоторую величину к наблюдателю или от него. Можно показать, что при появлении дополнительного параллакса ЛП, вносимого неточностью настройки системы, величина смещения элемента стереоскопического изображения по глубине А определяется как

где Ь - расстояние наблюдения до экрана, / - расстояние от экрана до стереоскопического изображения данной точки, причем положительные значения соответствуют ее нахождению в предэкранном пространстве, отрицательные - в заэкранном. Нетрудно видеть, что продольное смещение рассматриваемой точки, вызванное плохой настройкой устройства, зависит от ее удаления от экрана. Поэтому в общем случае, при наблюдении сложной объемной картины несовпадение изображений от двух проекторов в горизонтальном направлении приведет к пространственному искажению.

В связи с этим в тренажерных системах к точностям настройки проекторов в горизонтальном направлении следует предъявлять повышенные требования и сводить их в центральной части с точностью до пикселя и на периферии - до 23-х пикселей, что обеспечит различие расстояний до истинного и видимого стереоскопического изображения вблизи края экрана более 10%.

Рассогласование изображений в вертикальном направлении приведет к появлению вертикального параллакса, что при малых значениях не влияет на

(28)

формирование стереоскопического изображения, но может вызвать утомление зрительного аппарата при наблюдении, а при чрезмерно больших величинах параллакса фузия, т.е. слияние стереопары в единый образ, может вообще отсутствовать. В стереокинематографе принята максимальная величина вертикального параллакса в угловой мере 20', что при расстоянии наблюдения до экрана 2 - 3 м соответствует линейной величине на экране 11-16 мм. Ясно, что это значение чрезмерно велико й при настройке можно обеспечить гораздо меньшую величину рассогласования изображений по вертикали (5-6 мм.}.

Приведенные оценки имеют смысл, когда используются два проектора с обычным способом сепарации изображений, т.е. без применения способа повышения световой эффективности, при котором совмещение изображений должно выполняться с большой точностью.

Воспроизведение в тренажерах транспортных средств пространственных свойств наблюдаемой визуальной обстановки особенно важно при отработке задач, в которых маневрирование осуществляется относительно близко расположенных объектов. Именно к таким задачам относится дозаправка самолета топливом в воздухе. Устройство отображения такого тренажера должно обеспечить правильное восприятие как близких объектов (заправочные конус, штанга и шланг, расстояния до которых могут составлять единицы метров), так и далеких объектов (самолет-заправщик, подстилающая поверхность, линия горизонта). При этом необходимо обеспечить высокую точность глазомерного определения дальности и пространственного расположения имитируемого конуса со шлангом, особенно перед его стыковкой с приемной штангой заправляемого самолета.

Стереоскопическое видеопроекционное устройство отображения, формнруюшее физиологически точное изображение визуальной обстановки, обеспечивает решение таких задач. С учетом рекомендаций, рассмотренных выше, было предложено, разработано и изготовлено стереоскопическое устройство отображения для тренажера дозаправки топливом в воздухе в однопилотном режиме самолетов СУ - 24 и СУ - 27 (тренажеры изготовлены в ОАО «ПККМ» - г. Пенза). Фотография тренажера представлена на рис. 7.

Проекция осуществлялась на сферический экран с диагональю 2,5 м, характеристики которого изложены выше, двумя портативными ЖК видеопрое^орэмм фирмы SAX У О со световым потоком 1500 ANSI лм каждый,

В соответствии с результатами испытаний стереоскопического устройства Рис. 7. Тренажер дозаправки топливом отображения визуальной информации и в воздухе. тренажера в целом параметры устройства

были следующими:

• Углы поля зрения - 50x38й;

• Разрешение - 1024x768 пикселей;

• Проекционное расстояние - 3,4 м;

• Расстояние от глаз летчика до экрана - 2,0 м;

• Яркость изображения - 400 кд/м2;

• Нелинейные искажения по полю - не более 4,5%;

• Число градаций яркости - 8;

• Сепарация изображений

(отношение сигнал/шум) - 35

• Глубина воспроизводимого пространства (расстояние

от глаз летчика до изображения) - от 1м до бесконечности

Тренажеры со стереоскопическим устройством отображения прошли испытания с положительными результатами и в настоящее время успешно эксплуатируются в воинских частях.

Как известно, любая проекционная стереоскопическая система формирует объемное изображение с пропорциями, соответствующими пропорциям исходных объектов съемки только для одного зрительского места, для которого выполнены все условия создания физиологически точного воспроизведения. В ряде тренажерных задач каждый обучаемый должен видеть правильное изображение, соответствующее его месту положения. Такая ситуация, в частности, имеет место при создании устройства отображения визуальной информации, в том числе с объемным изображением, для авиационных тренажеров, рассчитанных на одновременное обучение двух - трех летчиков, расположенных в разных местах кабины.

Поэтому была поставлена задача создания стереоскопического видеопроекционного устройства отображения визуальной информации, формирующей неискаженное объемное изображение для нескольких расположенных в разных местах наблюдателей. При ее решении появляется возможность создания тренажеров с практически неограниченными углами поля зрения путем создания полиэкранной проекционной системы.

Для большинства применений, когда объекты наблюдения расположены на далеких расстояниях, изображение может быть стереоколлимированным, т.е. отнесенным в бесконечность путем разведения двух одинаковых картинок на глазную базу. В этом случае достаточно использование одного генератора для создания изображения, предназначенного данному наблюдателю. При решении задач взаимодействия с близко расположенными объектами, как это имеет место в двухпилотном варианте тренажера дозаправки топливом в воздухе, изображение должно быть объемным, причем соответствующим месту положения каждого пилота.

Таким образом, для создания независимых стереоскопических изображений для N наблюдателей на экране необходимо сформировать 2М изображений с их полной сепарацией друг от друга. Для этого предложено помимо поляризационного метода разделения изображений добавить их разделение по времени. Пусть проекция на металлизированный экран осуществляется ЖК видеопроекторами, количество которых равно 2К. Каждая пара проекторов подключена к компьютерным генераторам, которые синтезируют стереоскопическое изображение, рассчитанное для данного

расположен™ наблюдателя. Установим после объектива каждого из них ЖК-ячейки, которые должны попарно и поочередно открывать и закрывать световые потоки, формирующие стереоскопические изображения. При этом ЖК-ячейки сконструированы таким образом, что в открытом состоянии их плоскости поляризации попарно ортогональны, либо в случае круговой поляризации - их направления противоположны.

Управление ячейками должно быть организовано так, чтобы за время полного периода Т каждая / - тая пара ячеек открывалась в момент времени Г

г, =/„ +—(;-1), где (0 - время начала процесса и полностью закрывалась в момент

открытия следующей г+/ - ой ячейки. При этом следует учитывать время переходного процесса закрытия ячеек, т.е. сигнал на выключение должен подаваться несколько раньше, чем открытие следующей. Как было видно из исследования приведенного в предыдущей главе, это время составляет 0,5 - 1 мсек. Период Т определяется критической частотой слияния изображений и составляет величину 17 - 18 мсек при яркости изображения 100 - 50 кд/м2.

Наблюдение стереоскопического изображения осуществляется в очках с аналогичными ЖК-ячейками, открытие и закрытие которых синхронизировано с ячейками, установленными на проекторах. При этом каждый наблюдатель будет видеть стереоскопическое изображение, отличное от всех остальных и правильно отображающее окружающую его визуальную обстановку.

Отметим, что в такой схеме построения проекционной системы использование ЖК проектора совместно с ЖК-ячейками, периодически перекрывающими световой поток, не приводит к нежелательным эффектам, связанным с построчным замещением изображения. Выполнимость такого сочетания обусловлена тем, что каждый проектор формирует постоянно один ракурс изображения, в отличие от однопроекторной стереоскопической системы, когда с кадровой частотой происходит смена ракурсов стереоскопического изображения.

Можно показать, что отношение сигнал/шум в такой системе, т.е. отношение интенсивностей изображений «правильного» ракурса и всех остальных будет равно

1С _ Щ

К м,

(29)

где к, и кг - коэффициенты пропускания ЖК-ячеек соответственно в полностью закрытом и полностью открытом состояниях, ар- коэффициент, характеризующий частичную деполяризацию света на проекционным экране и равный отношению интенсивностей отраженного от экрана света с поляризацией совпадающей с поляризацией падающего к интенсивности отраженного света с противоположной поляризацией.

Из выражения (29) следует, что в стереоскопической системе с несколькими наблюдателями пропорционально их количеству возрастают требования к контрасту используемых ЖК-ячеек. Так для тренажера экипажа

самолета, состоящего из трех человек, обеспечение критерия незаметности шумов, т.е. отношение сигнал/шум равно 32, при р = 70 потребуются ячейки и поляризаторы с отношением коэффициентов пропускания в закрытом и открытом состояниях = 1:200. Это довольно жесткие, но реализуемые параметры для выпускаемых ЖК-ячеек.

Вторым фактором, ограничивающим возможное количество наблюдателей в такой системе, является падение яркости изображения пропорциональное числу N. Проведенные светотехнические расчеты показывают, что при использовании светосильных экранов с диагональю 2,5 м2, применявшихся в тренажерах дозаправки топливом в воздухе, с коэффициентом яркости 5 - 6 (с учетом индикатрисы рассеяния и бокового расположения наблюдателей) для обеспечения яркости изображения 100 кд/м2 в тренажере, рассчитанном на обучение экипажа из 2 - 3-х человек, можно использовать портативные видеопроекторы со световым потоком до 2000 ANSI лм. Однако, при увеличении размеров экрана и соответственно необходимости использовании другого экранного полотна с меньшим значением коэффициента яркости (около единицы) необходимо принимать компромиссное решение между приемлемой яркостью изображения и реализуемой величиной светового потока.

Важно отметить, что пропорциональность падения яркости числу N справедлива при равенстве времен открытия ЖК-ячеек. Однако в ряде приложений эти времена можно устанавливать различными для разных наблюдателей. В таком случае яркость каждого изображения будет пропорциональна этому времени и также различна для разных наблюдателей, что дает возможность достичь необходимого значения яркости в основном зрительском месте.

Рассмотренный способ создания стереоскопического устройства отображения с неискаженным изображением для нескольких наблюдателей принят за основу при разработке в ОАО «ПКБМ» авиационного тренажера^ дозаправки топливом в воздухе, в котором помимо основного пилота в отрабатываемом процессе участвует также бортинженер. При этом бортинженер находится рядом с пилотом на расстоянии 1 - 1,2 м от него и также руководствуется в своих действиях наблюдаемой визуальной обстановкой. Учитывая то, что проекционный экран расположен на относительно небольшом расстоянии от наблюдателей - 2,2 - 2,5 м, для привития адекватных навыков объемные изображения, наблюдаемые двумя обучаемыми на таком тренаже, принципиально должны быть различными, что и обеспечивает рассмотренный выше способ, который является шестым положением, выносимым на защиту.

В заключении сформулированы основные результаты, полученные в диссертационной работе:

1. Разработана методика расчета аберраций голографических экранов для проекции объемных изображений и влияния их на параметры наблюдаемого изображения, основанная на анализе и минимизации лучевых аберраций третьего порядка в зоне видения.

2. Теоретически и экспериментально показана возможность изготовления голографических экранов для проекции объемных изображений с использованием только расходящихся пучков света без применения крупноформатных оптических устройств. Разработаны схемы записи таких экранов, в том числе многокомпонентных, с минимизацией возникающих аберрационных искажений.

3. Разработаны и изготовлены проекционные установки с голографическими экранами, на которые впервые в мире была осуществлена объемная проекция с голограмм малых размеров (9x12 см) на экран с диагональю 0,8 м с сохранением пространственных свойств объектов записи.

4. Определены требования к записи голограмм, синтезированных по многоракурсным плоским транспарантам. В частности показано, что максимальная глубина записанной на синтезированной голограмме сцены для возможности ее оглядывания без заметных скачков и двоений ограничена глубиной резкости глаза, сфокусированного в плоскость формирования плоских одноракурсных изображений.

5. Предложен метод оценки качества цветопередачи голографических изображений, заключающийся в представлении голографического процесса в виде классического репродукционного процесса Нюберга - Артюшина и расчете координат цвета формируемого изображения и цветоразличий в равноконтрастной системе координат, позволяющий оптимизировать длины волн записи и восстановления голограмм. Показано, что использование оптимальных диапазонов длин волн 460 - 470 нм в синей зоне, 545 - 565 нм в зеленой зоне и 600 - 620 нм в красной зоне спектра позволяет получить качество цветопередачи голографических изображений превосходящее или, по крайней мере, сравнимое с качеством цветопередачи в кинематографическом процессе на пленках «Кодак».

6. Разработана математическая модель формирования стереокомпьютерного изображения на экране монитора совместно с ЖК-очками, аналитически описывающая величину отношения сигнал/шум стереоскопического изображения в любой точке экрана в зависимости от скоростей затухания используемых люминофоров и переходных характеристик ЖК-ячеек. Показано, что в верхней части экрана, размеры которой определены количественно, увеличение шумов вызвано влиянием переходных характеристик ЖК-ячеек, причем главенствующую роль играет время закрытия ячейки, а в нижней части экрана, также аналитически просчитываемой, -влиянием времени затухания люминофора, причем для реальных люминофоров - зеленого и синего.

7. Определен критерий незаметности шумовых изображений при формировании стереокомпьютерных изображений - отношение сигнал/шум более 32-х, на основе которого разработаны и экспериментально проверены требования к переходным характеристикам ЖК-ячеек, обеспечивающие выполнение этого критерия в максимальной области экрана - отношением коэффициентов пропускания в открытом и закрытом состояниях более 70-ти, время включения не более 3 мсек и время выключения не более 1 мсек. .

8. Экспериментально определены сочетания цветов стереокомпьютерного изображения, при которых шумовые изображения менее заметны. В частности показано, что при наличии смешанных цветов в стереоскопическом изображении заметность шумов определяется в основном количеством зеленой компоненты.

9. Предложен метод повышения световой эффективности системы стереоскопической видеопроекции (примерно в два раза относительно традиционно применяемого), за счет использования фазовых пластин А/2 или А/4 и распределения цветовых компонент стереоизображения таким образом, чтобы зеленая компонента, например, правого ракурса и красная с синей компоненты левого ракурса попадали на один из ЖК проекторов, а зеленая компонента правого ракурса и красная с синей компоненты левого ракурса попадали на второй ЖК проектор.

10. Разработан способ построения видеопроекционной стереоскопической системы на несколько наблюдателей (например, для системы отображения двух-, трехпилотного авиационного тренажера), формирующей неискаженное стереоскопическое изображение на едином экране для каждого из них, заключающийся в том, что помимо поляризационного разделения стереопарных изображений, вводится также временное разделение изображений для каждого наблюдателя путем использования ЖК-ячеек.

11. На основании разработанных в диссертации положений и рекомендаций создано ряд устройств визуализации изображений, внедренных в различных областях народного хозяйства. К ним относятся:

- стереоскопические устройства отображения для двух авиационных/' чу тренажеров самолетов СУ-24 и СУ-27 отработки процесса дозаправки топливом в воздухе (тренажеры изготовлены в ОАО «Пензенское конструкторское бюро моделирование»). Устройства в составе тренажеров успешно прошли испытания и находятся в эксплуатации в соответствующих воинских частях. Внедрены в ОАО «Пензенское конструкторское бюро моделирование».

- способ построения стереоскопического устройства отображения двухпилотного авиационного тренажера самолета ТУ-160 дозаправки топливом в воздухе, обеспечивающий формирование неискаженного объемного изображения на едином проекционном экране для каждого обучаемого. Внедрен в ОАО «Пензенское конструкторское бюро моделирование» в качестве основы для разрабатываемого в настоящее время тренажера.

аппаратно-программный комплекс для развития навыков /.стереоскопического зрения, а также для диагностики и лечения нарушений ] бинокулярного и стереоскопического зрения (разработан в НИКФИ совместно с Московским НИИ глазных болезней им. Гельмгольца и кафедрой детской V офтальмологии Всероссийского государственного медицинского университета)./ 1 Комплекс прошел всесторонние медицинские испытания доказал свою | эффективность и получено разрешение Минздрава РФ на применение. Внедрен ! в Московском НИИ глазных болезней им. Гельмгольца и глазном санаторном отделении Морозовской Детской Клинической Больницы, а также установлен во многих специализированных детских садах;

- стереокомпьютерное устройство для показа каталогов с объемным изображением объектов имеющих большое культурное и общеобразовательное значение. Внедрено в Главном информационно-вычислительном центре Министерства культуры РФ;

- двухкомпонентные голографические экраны с двумя зонами видения для прибора визуального наблюдения специального назначения ВСК-3, обеспечивающие наблюдения изображения одновременно двумя операторами. Использование голографического экрана позволяет увеличить яркость изображения (примерно в 20 раз по сравнению с рассеивающим), улучшить комфортность наблюдения и повысить надежность выполнения ответственных динамических операций. Экраны внедрены на предприятии п/я 2572.

В результате выполнения диссертационной работы были разработаны научно обоснованные теоретические и экспериментальные методы, средства и технические решения формирования объемных изображений в различных обучающих системах, в том числе тренажерных, обладающих повышенной информативностью, доступностью и реалистичностью предъявляемой визуальной информации, внедрение которых вносит значительный вклад в развитие голографических и стереоскопических систем отображения трехмерной информации и повышение обороноспособности страны.

Список работ, опубликованных автором по теме диссертации.

1. Комар В.Г., Овечкис Ю.Н. О цветопередаче голографических изображений. Техника кино и телевидения, 1976, №9, с. 18 - 22.

2. Мандросов В.И., Налимов И.П., Овечкис Ю.Н. и др. О пропускающих и отражающих свойствах голограмм, записанных на встречных и сопутствующих пучках. Журнал научной и прикладной фотографии и кинематографии. 1977, №2, с. 129 - 132.

3. Блохин A.C., Виноградов А.К., Налимов И.П., Овечкис Ю.Н. и др. Установка для голографической проекции объемных изображений. Техника кино и телевидения. 1977, №11, с. 38 - 40.

4. Комар В.Г., Налимов И.П., Овечкис Ю.Н. и др. Запись голографических экранов для проекции объемных изображений. Техника кино и телевидения. 1978, №1, с. 15- 17.

5. Овечкис Ю.Н., Шакиров А.Х. Внестендовая запись отражательных голограмм Журнал научной и прикладной фотографии и кинематографии. 1978, № 5, с. 370 -372.

6. Налимов И.П., Овечкис Ю.Н., Шакиров А.Х. Голографические экраны для проекции цветных и стереоскопических изображений. III Всесоюзная конференция по голографии. Тезисы докладов, 1978 г., Ульяновск. JL, ЛИЯФ, с. 194- 195.

7. Овечкис Ю.Н. К вопросу изготовления голографических экранов. Техника кино и телевидения. 1978, №5, с. 55 - 58.

8. Овечкис Ю.Н. Глубина объемной сцены, передаваемой голографическим экраном с аберрациями. Техника кино и телевидения. 1978, №9, с. 65 - 67.

9. Антонов В.М., Налимов И.П., Овечкис Ю.Н. и др. Голографическая печать дискретных стереограмм группового портрета. Техника кино и телевидения. 1979, №8, с. 48 -50.

10. Налимов И.П., Овечкис Ю.Н. Шакиров А.Х. Принципы записи и наблюдения стереоголограмм. Материалы X Всесоюзной школы по голографии. Ленинград, ЛИЯФ, 1978,т.2, с. 126 - 139.

11. Налимов И.П., Овечкис Ю.Н., Шакиров А.Х. Голографические экраны для проекции цветных плоских изображений. Техника кино и телевидения. 1979, №7, с.34 - 36.

12. Antonov V.M., Nalimov I.P., Ovechkis Yu.N. et ah Recording and Projection of Stereoholograms. Optica Aplicata, 1980, v X, №1, pp. 13-27.

13. Антонов B.M., Налимов И.П., Овечкис Ю.Н., Шакиров А.Х. Голографический синтез стереорентгенограмм. Всесоюзная конференция «Регистрирующие среды, методы и аппаратура голографии», 1980, Кишинев, Тезисы докладов, с. 43 - 44.

14. Антонов В.М., Налимов И.П., Овечкис Ю.Н. и др. Получение объемных изображений быстропротекающих процессов методом голографической печати стереоголограмм. Х1У Международный Конгресс по высокоскоростной фотографии и фотонике. Тезисы докладов, М. 1980, с. 132.

15. Карнаухов В.К., Овечкис Ю.Н., Мерзляков Н.С. Синтез гибридных оптико-цифровых стереоголограмм. Журнал технической физики, 52, вып.2, 1982, с. 396 - 399.

16. Овечкис Ю.Н. Исследование аберрационных характеристик голографического экрана. Техника кино и телевидения. 1982, №7, с. 28 - 31.

17. Karnauhov V.K., Ovechkis Yu.N., Merzliakov N.St. Synthesis of Hybrid Optical-Didgital Rainbow Holograms and Stereo Holograms. Optics Communication, 1982, v. 42, №1, pp. 10-12.

18. Овечкис Ю.Н. Исследование яркостных параметров топографических экранов. Труды НИКФИ, Москва, 1982, вып. 110, с. 121 -126.

19. Воробьев A.B., Овечкис Ю.Н., Семочкин П.Н. Формирование зон видения точечно-фокусирующих экранов. Техника кино и телевидения. 1984, №4, с. 50 -51.

20. Овечкис Ю.Н., Шакиров А.Х. Исследование шумовых характеристик зонально-фокусирующих топографических экранов. Голография и ее применение (тематический сборник). Ленинград, 1986, с. 204 - 209.

21. Любавская И.К., Овечкис Ю.Н., Черемисов В.Г. Измерение дифракционных характеристик отражательных голограмм на спектрофотометре СФ-10. Труды НИКФИ, Москва, 1987, с. 137 - 145.

22. Елхов В.А., Овечкис Ю.Н. Эвристический метод расчета спектрально-угловых характеристик голограмм. Труды НИКФИ, Москва, 1996, с. 87 - 97.

23. Елхов В.А., Кондратьев Н.В., Овечкис Ю.Н. и др., Стереокомпьютерные методы формирования изображений и их применение. Техника кино и телевидения, 2001, №8. с. 11 - 16.

24. Elkhov V.A., Kondratiev N.V., Ovechkis Yu.N. et al. Device for diagnosis and treatment of impairments on binocular vision and stereopsis. Proc. SPIE. Stereoscopic Displays and Virtual Reality Systems VIII. Vol. 4297, Jun 2001, pp.127 - 131.

25. Elkhov V.A., Ovechkis Yu.N. et al. Method and device for central and suppression scotomas investigation. Proc. SPIE. Ophthalmic Technologies XII. Vol. 4611, Jun 2002, pp. 1-8.

26. Elkhov V.A., Ovechkis Yu.N. Light loss reduction of LCD polarized stereoscopic projection. Proc. SPIE. Stereoscopic Displays and Virtual Reality Systems X. Vol. 5006, May 2003, pp. 45 -48.

27. Pautova L.V., Elkhov V.A., Ovechkis Yu.N. Optoelectronic stereoscopic device for diagnostics, treatment, and developing of binocular vision. Proc. SPIE. Advanced Optical Devices, Technologies, and Medical Applications. Vol. 5123, Aug 2003, pp. 315 -322.

28. Елхов В.А., Овечкис Ю.Н.и др. Исследование и оптимизация параметров, влияющих на качество стереокомпьютерного изображения. Техника кино и телевидения, 2003, №5, с. 37 - 41.

29. Елхов В.А., Овечкис Ю.Н., Паутова ДА. О необходимости учета временных параметров зрения при проектировании систем визуализации авиационных тренажеров. Международная научно-практическая конференция «Теория и практика имитационного моделирования и создания тренажеров», Сборник статей. Пенза, 2004, с. 84 - 87.

30. Елхов В.А., Овечкис Ю.Н. Видеопроекционное стереоскопическое устройство отображения для авиационного тренажера. Международная научно-практическая конференция «Теория и практика имитационного моделирования и создания тренажеров», Сборник статей. Пенза, 2004, с. 88 - 90.

31. Елхов В.А., Овечкис Ю.Н. Видеопроекционное стереокомпьютерное устройство. Техника кино и телевидения, 2004, №7, с. 39 - 43.

32. Кваша М.М., Пустыльников B.C., Овечкис Ю.Н., Елхов В.А. Имитаторы внешней обстановки: состояние и пути развития. Журнал Российского авиаприборостроительного альянса «Мир авионики», 2005, №6, с. 58-61.

33. Комар В.Г., Налимов И.П., Овечкис Ю.Н. и др. Способ изготовления голографического просветного экрана. Авт. Свид. №584642 от 22.08.1977.

34. Агеев А.А., Антонов В.М., Кузин А.А., Налимов И.П., Овечкис Ю.Н. и др. Авт. Свид. №146407 от 07.07.1980.

35. Агеев А.А., Антонов В.М., Кузин А.А., Налимов И.П., Овечкис Ю.Н. и др. Авт. Свид. № 167924 от 05.01.1982.

36. Розенблюм Ю.З., Кащенко Т.П., Ячменева Е.И., Григорян А.Ю., Елхов В.А., Овечкис Ю.Н., Кондратьев Н.В. Способ исследования и восстановления бинокулярного зрения. Патент РФ на изобретение № 2133103. Приоритет от 26.05.97.

37. Елхов В.А, Овечкис Ю.Н., Розенблюм Ю.З., Григорян А.Ю. Способ исследования поля зрения. Патент РФ на изобретение №2173080. Приоритет от 15.02.1999.

Введение.

1. Анализ видов объемных изображений и особенности их использования в обучающих системах.

1.1. Определения и понятия.

1.2. Стереоскопические изображения.

1.2.1. Стереопарные изображения.

1.2.2. Многостереопарные изображения.

1.3. Трехмерные изображения.

1.3.1 .Интегральные изображения.

1.3.2. Голографические трехмерные изображения.

2. Безочковые голографические методы формирования объемных изображений. Голографические экраны.

2.1. Анализ методов объемной безочковой проекции.

2.1.1. Общие требования к безочковой проекции объемных изображений

2.1.2. Методы проекции стереоскопических изображений

2.1.3. Методы проекции трехмерных изображений.

2.1.4. Особенности проекции голографических многоцветных изображений.

2.2. Исследование оптических свойств и схем записи голографических экранов для одноцветной проекции.

2.2.1. Влияние аберраций голографического экрана на параметры наблюдаемого изображения.

2.2.2. Запись голографического экрана по схеме с расходящимися пучками света

2.2.3. Способ записи голографического экрана с помощью голографических элементов

2.3. Цветопередача топографических изображений.

2.4. Экспериментальные исследования и разработка установок для объемной проекции с голографическими экранами.

2.4.1. Методика записи топографических экранов.

2.4.2. Запись голограмм для проекции на топографический экран.

2.4.2.1. Запись отражательных голограмм Ю.Н. Денисюка.

2.4.2.2. Запись синтезированных голограмм.

2.4.3. Экспериментальное исследование свойств топографических экранов.

2.4.4. Топографические экраны для проекции плоских цветных изображений.

3. Стереокомпьютерные методы формирования объемных изображений для индивидуальных средств обучения.

3.1. Методы сепарации стереокомпьютерных изображений.

3.2. Способы формирования стереопарных компьютерных изображений.

3.2.1. Чередование строк (Alternate Line).

3.2.2. Последовательное воспроизведение (Page-Flipping).

3.2.3. Разбиение кадра по горизонтали (Over-Under Split-Screen).

3.3. Исследование и оптимизация параметров, влияющих на качество стереокомпьютерного изображения.

3.3.1. Математическая модель процесса формирования стереокомпьютерного изображения.

3.3.2. Анализ параметров, влияющих на качество стереокомпьютерного изображения.

3.3.3. Разработка требований к параметрам стереокомпьютерных обучающих систем.

3.3.3.1. Скорость затухания свечения люминофора.

3.3.3.2. Характеристики ЖК-затвора.

3.3.4. Влияние цветности стереоскопических изображений назаметность шумовых изображений.

3.3.5. Влияние яркости экрана на наличие мельканий.

3.3.6. Рекомендации к разработке оборудования и программного обеспечения для показа стереокомпьютерных изображений.

3.4. Разработка стереокомпьютерного аппаратно-программного комплекса для диагностики и развития бинокулярного и стереоскопического зрения.

3.4.1. Разработка программного обеспечения комплекса.

3.4.2. Выбор цветности изображений для аппаратно-программного комплекса.

3.4.3. Результаты испытаний и применения аппаратно-программного комплекса.

4. Стереоскопические видеопроекционные устройства.

4.1. Состав устройства и разработка требований к его узлам и настройке.

4.1.1. Выбор видеопроекторов.

4.1.2. Устройство сепарации.

4.1.3. Требования к точности настройки стереопроекционного устройства.

4.1.4. Формирование стереокомпьютерного изображения.

4.2. Оптимизация яркостных параметров стереоскопического проекционного устройства.

4.3. Разработка стереоскопических систем отображения для авиационных тренажеров.

4.3.1. Исследование временных параметров зрения при наблюдении пространственных объектов в авиационных тренажерах.

4.3.2. Разработка стереоскопического устройства отображения визуальной информации авиационного тренажера дозаправки топливом в воздухе.

4.3.3. Стереоскопическое устройство отображения с неискаженным изображением для нескольких наблюдателей.

4.3.4. Исследование геометрических искажений стереоскопического изображения видеопроекционных устройств с цилиндрическими экранами.

Существенный прогресс последних десятилетий в вычислительной, видеопроекционной и оптоэлектронной технике обусловил активное внедрение мультимедийных информационных систем в образовательный процесс [1 - 4]. Под образовательным процессом будем понимать как обучение различным знаниям, так и процесс развития определенных навыков. В первом случае имеется в виду преподавание в школах, институтах и других учебных заведениях различных дисциплин с использованием иллюстративного аудиовизуального материала. Такой материал должен обеспечить с одной стороны доступность восприятия излагаемого предмета, а с другой облегчить его запоминание.

Для второго вида образовательного процесса характерно применение разного рода тренажерных систем, на которых путем многократного повторения тех или иных действий производится развитие определенных навыков у обучаемого. Здесь вся внешняя информация, особенно визуальная, воздействуя на обучаемого, должна вызывать адекватные отклики, что и является целью обучения. Ярким примером таких систем являются тренажеры транспортных средств (авиационные, автомобильные и др.). Для выработки навыков вождения на этих тренажерах достоверность и реалистичность предъявляемой информации играет главенствующую роль.

Использование мультимедийных учебно-тренажерных комплексов хорошо согласуется с интерактивными формами обучения, которые стимулируют творческую деятельность учащихся и улучшают запоминание предлагаемой информации и выработку необходимых навыков в процессе обучения. При создании в электронном виде учебного материала, как для технических, так и для гуманитарных дисциплин очевидны преимущества аудиовизуального представления наблюдаемых и скрытых, реальных и воображаемых объектов, явлений, процессов. Возможности компьютерного моделирования реальных объектов и процессов с последующим индивидуальным или групповым мультимедийным предъявлением обеспечивают более глубокое усвоение учебного материала, развивают необходимые навыки при работе на тренажерах.

Ясно, что реалистичность предъявляемой наглядной информации играет в таких системах весьма существенную роль. При этом учитывая, что большая часть такой информации воспринимается через зрительный канал (в некоторых случаях вплоть до 100%), точность воспроизведения изображений исходных объектов является обязательным условием процесса обучения. Это условие практически невозможно выполнить без применения трехмерных воспроизводящих систем, которые существенно повышают адекватность, информативность и доступность восприятия предлагаемого материала в процессе обучения.

Согласно теории Нюберга - Артюшина [5, 6] точность воспроизведения изображений можно условно разделить по степени их совпадения с оригиналом на психологическую, физиологическую и физическую. Для объемных изображений эти виды точностей можно интерпретировать следующим образом. В случае психологической точности наблюдатель оценивает правдоподобие изображения, используя свой накопленный опыт. Изображение может отличаться от исходных объектов по своим размерам, степени объемности и прочим параметрам, но с учетом имеющихся знаний об объектах наблюдатель получает общее представление о его пространственных свойствах. Характерным примером таких изображений являются рисунок, чертеж, фотография, голограмма макета и т.д.

В случае физиологической точности наблюдаемые трехмерные свойства изображения должны полностью соответствовать соответствующим параметрам исходного объекта. Однако процесс формирования этого изображения в мозгу может отличаться от процесса наблюдения самого объекта, а основываться на физиологических особенностях зрительного аппарата. Примером такого показа является предъявление стереоскопических изображений, полностью идентичных по своим поперечным и продольным размерам исходным объектам. При этом, если в случае наблюдения объекта зритель имеет возможность видеть каждым глазом объемный предмет и может аккомодироваться на рассматриваемую точку, то здесь каждому глазу предъявляются два плоских ракурса и такая возможность отсутствует.

Наконец, в случае физически точного предъявления объемного изображения процесс его наблюдения должен быть полностью идентичен наблюдению самого объекта. Этому условию соответствует показ голографического изображения, а также в какой-то степени интегрального.

В различных областях учебного процесса требуется разная степень правдоподобия показа.

Так, например, в курсах по физике весьма полезен объемный показ действия различных векторных сил на объекты, изображение вращающихся магнитных полей, возникновение электромагнитных сил и моментов в электрических машинах, представление синусоидальных токов и напряжений в виде вращающихся векторов. При изучении химии, биологии и анатомии -строение молекул, сложных химических соединений, взаимное расположение внутренних органов и пр. [7]. В машиностроении полезно иллюстрировать взаимные соединения и деталировку сложных агрегатов [8].

Отметим, что стереокомпьютерные технологии визуализации объемных изображений [9], т.е. стереоскопический показ с использованием специальных компьютерных программ, дает возможность наглядно представить абстрактные и невидимые предметы.

Большое значение объемный показ имеет при изучении искусствоведческих и архитектурных наук, в музейном деле [10]. Преподавание может сопровождаться использованием учебных каталогов с объемными изображениями изучаемых объектов, обладающих пространственной глубиной. К таковым можно отнести скульптурные объекты и их фрагменты, скульптурные композиции, архитектурные строения, арки, портики, лепнина, решетки и пр. Проведение стереоскопических натурных съемок позволит воспроизводить на каталогах объемные изображения многочисленных архитектурных памятников старины, например, уникальных объектов в городах по Золотому кольцу России, Кижи, Великий Новгород и многое другое.

Конечно, такие каталоги должны создаваться с помощью профессиональных методических разработок, и использовать все возможности мультимедийных обучающих систем, сопровождаться соответствующей текстовой и звуковой стереофонической информацией.

В большинстве перечисленных выше примеров достаточно дать общее представление о пространственных свойствах изучаемых объектов и процессов, т.е. обеспечить психологическую точность воспроизведения объемных изображений. В некоторых случаях (анатомия, медицина) целесообразно воспроизводить изображения объектов в натуральную величину, т.е. обеспечить физиологическую точность показа.

Использование изобразительной голографии, обеспечивающей достижение физической точности воспроизведения, дает возможность собрать в одном месте - классе, лектории и пр., уникальные объекты, собранные из различных музеев. При этом наблюдаемые объемные изображения передают не только пространственные свойства объектов, но воспроизводят также и отражающие свойства поверхности, а именно блеск, и будут практически неотличимы от оригиналов.

Важность предъявления трехмерного изображения в тренажерных системах также весьма высока. Особенно это относится к тренажерам, в которых принятие решений осуществляется на основе наблюдаемой внешней обстановки. Понятно, что система отображения визуальной информации в таких тренажерах должна воспроизводить изображения наблюдаемых объектов с максимальной точностью, вследствие чего точность воспроизведения изображения должна быть, по крайней мере, физиологической.

Наиболее характерным видом тренажеров данного типа являются тренажеры транспортных средств, в которых отрабатываются навыки маневрирования относительно близко расположенных объектов. Сюда можно отнести авиационные тренажеры с задачами полета в строю, дозаправки топливом в воздухе, посадки на плавсредство, маневрирования на аэродроме, в которых минимальные расстояния до наблюдаемых объектов составляет всего несколько метров. Аналогичная ситуация имеет место в автомобильных тренажерах.

Тесно связана с подобными задачами и проблема развития навыков стереоскопического зрения, путем использования специальных тренировочных аппаратно-программных комплексов, т.к. принятие решения в сложных пространственных условиях требует минимально возможных временных затрат, и бинокулярные факторы оценки расстояний здесь играют главенствующую роль.

Таким образом, разработка и внедрение в мультимедийные обучающие системы устройств, осуществляющих показ объемных изображений, должны обеспечить существенное улучшение качества процесса обучения, поднять его уровень благодаря появлению принципиально новых возможностей и методик преподавания.

Вопросами регистрации и показа объемных изображений, а также особенностями их восприятия издавна занимались ученые многих стран, в том числе и России. Из зарубежных ученых и исследователей это - JI. Лизеганг, А Бертье [11], М. Бонне [12] - автостереоскопические методы, Г. Липпманн [13]- интегральная растровая фотография его имени, Г. Люшер [14 - 16] - основы стереоскопии и восприятия стереоскопических изображений, П. Панум [17]- физиология объемного зрения, Д Табор [18] -первооткрыватель голографии, Э. Лейт, Ю.Упатниекс [19] - первые изобразительные голограммы, С. Бентон [20 - 22] - «радужные» голограммы, 3D дисплеи, Окоси [23]- голографические дисплеи и многие другие. Из отечественных ученых - Ю.Н. Денисюк [24, 25] - изобразительная голография в белом свете, В.Г. Комар [26 - 28] - голографический объемный кинематограф, многостереопарная проекция на голографический экран, Н.А. Валюс [29, 30] - растровые системы воспроизведения объемных изображений, Н.Г. Власов [31 - 33] - методы записи и восстановления «радужных» голограмм, С.П. Иванов [34, 35] - безочковая растровая кинопроекция, А.Г. Болтянский, Н.А. Овсянникова, С.Н. Рожков [36, 37] -кинематографическая система «Стерео - 70», отмеченная премией американской киноакадемии «Оскар», П.В. Шмаков [38, 39], Г.В. Мамчев [40] - стереоскопическое телевидение, О.Ф. Гребенников, Г.В. Тихомирова [41, 42] - информационные аспекты восприятия объемной информации, Г.И. Рожкова [43], Ю.Е. Шелепин [44] - физиология стереозрения и другие.

Однако, к настоящему времени устройства визуализации объемных изображений еще не нашли широкого применения в обучающих системах. Прежде всего, это обусловлено отсутствием специализированных мультимедийных устройств, направленных на выполнение функции показа объемных изображений в учебном процессе.

Такие устройства должны удовлетворять ряду требований. Необходимо обеспечить адекватную точность воспроизведения объемного изображения, причем одинаковую для всех учащихся, комфортность наблюдения - достаточную яркость для работы в незатемненных аудиториях, отсутствие мельканий, ложных изображений, часто свойственных стереоскопическим системам. Желательно, чтобы аппаратура была, по крайней мере, частично совместима с используемыми мультимедийными устройствами. Важное место, особенно для тренажерных систем, занимает отсутствие или минимизация геометрических искажений.

Анализ известных на момент начала работы методов и устройств воспроизведения объемных изображений показал, что наиболее полно удовлетворить этим требованиям могут голографические системы, реализующие любую точность воспроизведения, вплоть до физической и стереоскопические, обеспечивающие психологическую и физиологическую точность. Возможен также симбиоз этих систем, когда голографическими методами формируются стереоскопические изображения. Вместе с тем выявлен целый ряд проблем, которые необходимо решить для обеспечения активного внедрения подобных систем в образовательный процесс.

Достаточно хорошо разработанная система стереоскопического кинематографа, нацеленная на большие кинозалы, из-за громоздкости аппаратуры не применима в учебных аудиториях. Кроме того, в ней отсутствует возможность интерактивного обучения, являющегося обязательным условием применимости в учебном процессе. Это ограничение делает эту систему неприемлемой в тренажерных устройствах из-за отсутствия обратных связей, т.е. отклика на действия обучаемых субъектов.

Быстро прогрессирующая компактная и удобная в эксплуатации видеопроекционная техника в сочетании с персональными компьютерами могут служить основой построения стереоскопических мультимедийных устройств в системах группового обучения. Однако для этого необходимо проведение соответствующих исследований, нацеленных на создание специализированных систем, применимых в учебном процессе, и на оптимизацию их параметров, обеспечивающих требуемое качество изображения. Важное место здесь занимает анализ и минимизация геометрических искажений стереоизображения, возникающих при проекции на вогнутый экран с учетом необходимости обеспечения физиологической точности воспроизведения стереоскопического изображения для каждого наблюдателя.

Представляется весьма перспективным использование в учебном процессе голографических методов записи и воспроизведения изображений. Это могут быть изобразительные голограммы различных пространственных объектов для индивидуального пользования, а также система объемной голографической проекции для группового обучения. Разработанные в НИКОИ под руководством проф. Комара В.Г. [26, 27] принципы голографического кинематографа с объемным динамическим изображением обладают рядом технологических трудностей для их осуществления в полном объеме.

Однако в случае применения этой системы в образовательном процессе, где не требуется одновременный массовый показ, как это имеет место в кинотеатральном представлении, вполне реально использовать некоторые ее элементы. Так может быть реализована объемная статическая проекция с голограмм малого размера или непосредственно пространственного объекта на голографический экран относительно небольших размеров, рассчитанный на 5 - 10 наблюдателей. При этом, требуется разработка упрощенных методов изготовления экрана, сохраняющих достаточное качество объемного изображения, цветопередачи голографических изображений и т.д. Эти проблемы могут быть решены на основе исследования оптических свойств голографических экранов, исследования свойств различных видов голограмм для непосредственного наблюдения и для проекции на голографический экран.

Бурное развитие и внедрение компьютерной техники естественным образом стимулировало ее соединение со стереоскопическими методами. Появились различные стереокомпьютерные системы, позволяющие наблюдать объемное изображение на экране монитора персонального компьютера [9, 45, 46]. В аппаратной части в большинстве из них для сепарации изображений используются ЖК затворы. Такая техника вполне пригодна для применения в учебном процессе, хорошо согласуется с индивидуальными мультимедийными средствами обучения.

Однако для грамотного применения стереокомпьютерных технологий индивидуального пользования также необходимо проведение ряда исследований, направленных на повышение качества формируемого стереоскопического изображения, оптимизацию совокупности параметров сквозного процесса записи - воспроизведения, влияющих на это качество. Помимо привычных характеристик, определяющих качество изображения, таких, как разрешение, контраст, передача градаций, цветопередача, особое место здесь занимает наличие мельканий и уровень сепарации ракурсов стереоскопического изображения. Поэтому важное место в этих исследованиях занимает рассмотрение и оптимизация переходных характеристик используемых ЖК ячеек и люминофоров мониторов и разработка рекомендаций по их выбору для обеспечения должного качества стереоскопического изображения.

Целью данной работы являлось исследование и разработка методов и средств визуализации объемных изображений применительно к процессу обучения, в том числе с использованием тренажерных систем. Для выполнения этой цели решались следующие задачи:

1. Исследование методов проекции объемных изображений на топографический экран, в том числе

- Разработка методики расчета аберраций топографических экранов и влияния их на параметры наблюдаемого изображения.

- Разработка и исследование схем записи топографических экранов с помощью доступных технических средств.

- Исследование цветопередачи топографических изображений с целью определения требований к спектральным характеристикам источников света для записи и проекции голограмм.

- Разработка и исследование экспериментальных установок для проекции объемных изображений с голограмм малого размера на голографический экран.

2. Исследование стереокомпьтерного метода формирования объемных изображений на экране монитора с ЖК очками, в том числе:

- Разработка математической модели процесса формирования стереокомпьютерного изображения на экране монитора с учетом переходных характеристик его люминофоров и используемых ЖК-ячеек и оптимизация параметров, влияющих на качество стереокомпьютерного изображения.

- Разработка рекомендаций к созданию оборудования и программного обеспечения для показа стереокомпьютерных изображений

- Создание оборудования и программного обеспечения для учебно-тренажерного стереокомпьютерного устройства для развития стереоскопического зрения с использованием разработанных рекомендаций.

3. Исследование стереоскопических видеопроекционных устройств для систем обучения, в том числе:

- Оптимизация яркостных параметров устройства.

- Разработка стереоскопической видеопроекционной системы с одновременным предъявлением объемного неискаженного изображения несколькими наблюдателям.

Разработка стереоскопических устройств отображения авиационных тренажеров дозаправки топливом в воздухе.

В результате проведенных исследований определены три группы физически близких методов формирования объемных изображений, наиболее полно соответствующих цели применения в учебном процессе топографические, стереокомпьютерные и видеопроекционные, и сформулированы следующие научные положения, выносимые на защиту: Голографические методы:

1. Минимизация аберрационного пятна рассеяния изображения центра выходного зрачка проекционного объектива позволяет определить координаты точечных источников света для записи голографического экрана в расходящихся пучках света без применения крупногабаритных оптических элементов.

2. Для достижения высокого качества цветопередачи голографического изображения, превосходящего качество цветопередачи, достигаемого в кинематографическом процессе на пленках фирмы «Кодак», длины волн записывающих и восстанавливающих голограмму пучков света следует выбирать из следующих диапазонов длин волн: 460 - 470 нм в синей зоне; 545 - 565 нм в зеленой зоне; 600 - 620 нм в красной зоне спектра.

Стереокомпьютерные методы:

3. Разработанная математическая модель формирования стереокомпьютерного изображения на экране монитора совместно с ЖК очками позволяет аналитически определять отношение сигнал/шум стереоскопического изображения в любой точке экрана в зависимости от переходных характеристик ЖК ячеек и времен затухания люминофоров.

4. Незаметность шумовых изображений стереокомпьютерного изображения в максимальной области экрана обеспечивается:

- при использовании ЖК-ячеек с отношением коэффициентов пропускания в открытом и закрытом состояниях более 70-ти, временем включения не более 3 мсек и временем выключения не более 1 мсек;

- при определенных сочетаниях цветов стереоскопического изображения, найденных экспериментально.

Видеопроекционные методы:

5. Разработанный метод разделения ракурсов объемного изображения устройства стереоскопической ЖК видеопроекции, основанный на использования фазовых пластин Л/2 или А/4 и перекоммутации цветовых компонент стерео изображения, повышает яркость изображения примерно в 2 раза.

6. Использование помимо поляризационного разделения ракурсов, их временное разделение с помощью последовательного включения попарно-открываемых ЖК ячеек, позволяет создать видеопроекционное стереоскопическое устройство отображения, обеспечивающее формирование неискаженного объемного изображения на едином экране одновременно для нескольких наблюдателей.

Научная новизна состоит в том, что на основе разработанных математических моделей формирования объемных изображений, как стереоскопических, так и с непрерывным изменением ракурсов, определения критериев необходимого качества этих изображений и проведенных экспериментальных исследований сформулированы требования к построению устройств визуализации объемных изображений для их использования в мультимедийных обучающих системах.

К основным, полученным впервые научным результатам относятся:

• способ записи голографических экранов для проекции увеличенных объемных изображений на расходящихся пучках света с оптимизацией их параметров;

• метод и исследование качества цветопередачи голографических изображений, основанные на представлении голографического процесса в виде классического репродукционного процесса Нюберга - Артюшина и расчете координат цвета формируемого изображения и цветоразличий в равноконтрастной системе координат;

• математическая модель, описывающая процесс формирования стереокомпьютерного изображения на экране монитора с использованием ЖК-ячеек;

• количественные соотношения таких параметров, как скорость затухания свечения люминофора, кадровая частота монитора, характеристики ЖК-ячеек, а также сочетания цветов стереоскопических сюжетов, оптимальные для обеспечения необходимого качества стереокомпьютерного изображения;

• способы исследования и развития бинокулярного и стереоскопического зрения, основанные на стереокомпьютерных технологиях разделения полей зрения;

• метод стереоскопической видеопроекции с использованием фазовых пластин, обеспечивающий двукратное повышение световой эффективности системы;

• способ одновременного показа стереоскопического неискаженного изображения на едином проекционном экране одновременно нескольким наблюдателям.

Новизна разработанных и представленных в диссертации теоретических основ и конструктивных способов формирования объемных изображений и их применения подтверждена 9-ю авторскими свидетельствами СССР и патентами Российской Федерации.

Практические результаты. На основании принципов, предложенных в диссертации, создана аппаратура, внедренная в различных организациях в качестве мультимедийных обучающих систем и обеспечивающая повышение качества обучения за счет передачи пространственных свойств изучаемых объектов. К ним относятся:

- стереоскопические устройства отображения для двух авиационных тренажеров отработки процесса дозаправки топливом в воздухе (тренажеры изготовлены в ОАО «Пензенское конструкторское бюро моделирование»). Устройства в составе тренажеров успешно прошли государственные испытания и находятся в эксплуатации в соответствующих воинских частях. Внедрены в ОАО «Пензенское конструкторское бюро моделирование».

- способ построения стереоскопического устройства отображения двухпилотного авиационного тренажера дозаправки топливом в воздухе, обеспечивающий формирование неискаженного объемного изображения на едином проекционном экране для каждого обучаемого. Внедрен в ОАО «Пензенское конструкторское бюро моделирование» в качестве основы для разрабатываемого в настоящее время тренажера. аппаратно-программный комплекс для развития навыков стереоскопического зрения, а также для диагностики и лечения нарушений бинокулярного и стереоскопического зрения (разработан в НИКФИ совместно с Московским НИИ глазных болезней им. Гельмгольца и кафедрой детской офтальмологии Всероссийского государственного медицинского университета). Комплекс прошел всесторонние медицинские испытания доказал свою эффективность и полечено разрешение Минздрава РФ на применение. Внедрен в Московском НИИ глазных болезней им. Гельмгольца и Глазном санаторном отделении Морозовской Детской Клинической Больницы, а также установлен во многих специализированных детских садах;

- стереокомпьютерное устройство для показа каталогов с объемным изображением объектов имеющих большое культурное и общеобразовательное значение. Внедрено в Главном информационно-вычислительном центре Министерства культуры РФ;

- двухкомпонентные голографические экраны с двумя зонами видения для прибора визуального наблюдения специального назначения ВСК-3, обеспечивающие наблюдение яркого изображения одновременно двумя операторами. Экраны внедрены на предприятии п/я 2572.

Методы исследований. В процессе выполнения работы последовательно применялся системный подход к поиску путей и методов решений проблем оценки и повышения качества объемного изображения, формируемого различными техническими средствами. Для решения поставленных в работе задач использовались теоретические и экспериментальные методы, обобщались отечественные и зарубежные разработки.

В работе использованы элементы следующих научно-технических направлений:

- теория множеств;

- математический анализ;

- теория численных математических методов;

- теория математической статистики.

В процессе работы проводились разработка и макетирование измерительных стендов, выполнен большой объем экспериментальных исследований оптических и светотехнических свойств голограмм и голографических оптических элементов, временных параметров ЖК ячеек и люминофоров экранов мониторов, бинокулярных характеристик зрения.

Личный вклад автора состоит постановке задач, разработке общего концептуального подхода к решению поставленных задач, обосновании выбора методов исследований, в непосредственном участии в проведении теоретических и экспериментальных исследований, в формулировке научных положений и выводов.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на следующих отечественных и международных научно-технических конгрессах, конференциях и симпозиумах, в том числе:

• XII Международный конгресс УНИАТЕК (г. Москва, 1978),

• II Всесоюзная научно-техническая конференция «Применение лазеров в приборостроении, машиностроении и мед. технике (г. Львов, 1979),

• Всесоюзная конференция «Регистрирующие среды, методы и аппаратура голографии» (Кишинев, 1980),

• I Всесоюзный симпозиум по рентгенологии (г. Обнинск, 1980),

• Х1У Международный Конгресс по высокоскоростной фотографии и фотонике (г. Москва, 1980),

• X, XIII, XVII Всесоюзные школах по голографии (1978, 1981, 1985 гг.),

• IX Всесоюзная конференция «Техника фильмопроизводства. Техника и технология киноизображения» (Москва, 1987),

• Международные научно-практические конференции «Теория и практика имитационного моделирования и создания тренажеров» (г. Пенза, 1998,2004),

• Международные конференции SPIE:

- Stereoscopic Displays and Virtual Reality Systems (г. Сан-Диего, 2001, и г. Сан-Хосе, 2003),

- Ophthalmic Technologies (г. Сан-Хосе, 2002),

- Advanced Optical Devices, Technologies, and Medical Applications., (r. Рига, 2003),

• Всероссийская конференция «Современные технологии в кинематографии» (г. Ст.- Петербург, 2006).

Публикации. По теме диссертации имеется 41 печатная работа, в том числе 9 авторских свидетельств и патентов на изобретения и полезные модели.

Заключение.

В результате проведенных в диссертации теоретических и экспериментальных исследований на основе разработанных математических моделей формирования объемных изображений, стереоскопических и трехмерных - с непрерывным изменением параллаксов, определения критериев необходимого качества этих изображений сформулированы требования к построению устройств визуализации объемных изображений для их использования в процессах обучения. При этом имеются в виду как процессы обучения различным знаниям, так и процессы привития различных навыков в тренажерных системах.

К основным выводам диссертационной работы можно отнести следующие:

1. Разработана методика расчета аберраций голографических экранов для проекции объемных изображений и влияния их на параметры наблюдаемого изображения, основанная на анализе и минимизации лучевых аберраций третьего порядка в зоне видения.

2. Теоретически и экспериментально показана возможность изготовления голографических экранов для проекции объемных изображений с использованием только расходящихся пучков света без применения крупноформатных оптических устройств. Разработаны схемы записи таких экранов, в том числе многокомпонентных, с минимизацией возникающих аберрационных искажений.

3. Разработаны и изготовлены проекционные установки с голографическими экранами, на которые впервые в мире была осуществлена объемная проекция с голограмм малых размеров (9x12 см) на экран с диагональю 0,8 м с сохранением пространственных свойств объектов записи.

4. Определены требования к записи голограмм, синтезированных по многоракурсным плоским транспарантам. В частности показано, что максимальная глубина записанной на синтезированной голограмме сцены для возможности ее оглядывания без заметных скачков и двоений ограничена глубиной резкости глаза, сфокусированного в плоскость формирования плоских одноракурсных изображений.

5. Предложен метод оценки качества цветопередачи голографических изображений, заключающийся в представлении голографического процесса в виде классического репродукционного процесса Нюберга - Артюшина и расчете координат цвета формируемого изображения и цветоразличий в равноконтрастной системе координат, позволяющий оптимизировать длины волн записи и восстановления голограмм. Показано, что использование оптимальных диапазонов длин волн 460 - 470 нм в синей зоне, 545 - 565 нм в зеленой зоне и 600 - 620 нм в красной зоне спектра позволяет получить качество цветопередачи голографических изображений превосходящее или, по крайней мере, сравнимое с качеством цветопередачи в кинематографическом процессе на пленках «Кодак».

6. Разработана математическая модель формирования стереокомпьютерного изображения на экране монитора совместно с ЖК-очками, аналитически описывающая величину отношения сигнал/шум стереоскопического изображения в любой точке экрана в зависимости от скоростей затухания используемых люминофоров и переходных характеристик ЖК-ячеек. Показано, что в верхней части экрана, размеры которой определены количественно, увеличение шумов вызвано влиянием переходных характеристик ЖК-ячеек, причем главенствующую роль играет время закрытия ячейки, а в нижней части экрана, также аналитически просчитываемой, - влиянием времени затухания люминофора, причем для реальных люминофоров - зеленого и синего.

7. Определен критерий незаметности шумовых изображений при формировании стереокомпьютерных изображений - отношение сигнал/шум более 32-х, на основе которого разработаны и экспериментально проверены требования к переходным характеристикам ЖК-ячеек, обеспечивающие выполнение этого критерия в максимальной области экрана - отношением коэффициентов пропускания в открытом и закрытом состояниях более 70-ти, время включения не более 3 мсек и время выключения не более 1 мсек.

8. Экспериментально определены сочетания цветов стереокомпьютерного изображения, при которых шумовые изображения менее заметны. В частности показано, что при наличии смешанных цветов в стереоскопическом изображении заметность шумов определяется в основном количеством зеленой компоненты.

9. Предложен метод повышения световой эффективности системы стереоскопической видеопроекции (примерно в два раза относительно традиционно применяемого), за счет использования фазовых пластин А/2 или А/4 и распределения цветовых компонент стереоизображения таким образом, чтобы зеленая компонента, например, правого ракурса и красная с синей компоненты левого ракурса попадали на один из ЖК проекторов, а зеленая компонента правого ракурса и красная с синей компоненты левого ракурса попадали на второй ЖК проектор.

10. Разработан способ построения видеопроекционной стереоскопической системы на несколько наблюдателей (например, для системы отображения двух-, трехпилотного авиационного тренажера), формирующей неискаженное стереоскопическое изображение на едином экране для каждого из них, заключающийся в том, что помимо поляризационного разделения стереопарных изображений, вводится также временное разделение изображений для каждого наблюдателя путем использования ЖК ячеек.

11. На основании разработанных в диссертации положений и рекомендаций создано ряд устройств визуализации изображений, внедренных в различных областях народного хозяйства. К ним относятся:

- стереоскопические устройства отображения для двух авиационных тренажеров отработки процесса дозаправки топливом в воздухе (тренажеры самолетов СУ-24 и СУ-27 изготовлены в ОАО «Пензенское конструкторское бюро моделирование»). Устройства в составе тренажеров успешно прошли государственные испытания и находятся в эксплуатации в соответствующих воинских частях. Внедрены в ОАО «Пензенское конструкторское бюро моделирование».

- способ построения стереоскопического устройства отображения двухпилотного авиационного тренажера (самолет ТУ-160) дозаправки топливом в воздухе, обеспечивающий формирование неискаженного объемного изображения на едином проекционном экране для каждого обучаемого. Внедрен в ОАО «Пензенское конструкторское бюро моделирование» в качестве основы для разрабатываемого в настоящее время тренажера. аппаратно-программный комплекс для развития навыков стереоскопического зрения, а также для диагностики и лечения нарушений бинокулярного и стереоскопического зрения (разработан в НИКФИ совместно с Московским НИИ глазных болезней им. Гельмгольца и кафедрой детской офтальмологии Всероссийского государственного медицинского университета). Комплекс прошел всесторонние медицинские испытания доказал свою эффективность и получено разрешение Минздрава РФ на применение. Внедрен в Московском НИИ глазных болезней им. Гельмгольца и Московском медицинском университете последипломного образования, а также установлен во многих специализированных детских садах;

- стереокомпьютерное устройство для показа каталогов с объемным изображением объектов имеющих большое культурное и общеобразовательное значение. Внедрено в Главном информационно-вычислительном центре Министерства культуры РФ;

- двухкомпонентные голографические экраны с двумя зонами видения для прибора визуального наблюдения специального назначения ВСК-3, обеспечивающие наблюдения изображения одновременно двумя операторами. Использование голографического экрана позволяет увеличить яркость изображения (примерно в 20 раз по сравнению с рассеивающим), улучшить комфортность наблюдения и повысить надежность выполнения ответственных динамических операций. Экраны внедрены на предприятии п/я 2572.

В результате выполнения диссертационной работы были разработаны научно обоснованные теоретические и экспериментальные методы, средства и технические решения формирования объемных изображений в различных обучающих системах, в том числе тренажерных, обладающих повышенной информативностью, доступностью и реалистичностью предъявляемой визуальной информации, внедрение которых вносит значительный вклад в развитие голографических и стереоскопических систем отображения трехмерной информации и повышение обороноспособности страны.

1. Голубятников И. В. Основные принципы проектирования и применения мультимедийных обучающих систем. М. Машиностроение 1999,318 с.

2. Хортон У., Хортон К. Электронное обучение: инструменты и технологии. Кудиц-Образ, 2005, 638 с. Пер. изд. : E-Learing Tools and Technologies. W. Horton, K. Horton. S.I., 2003.

3. Семенова Н.Г., Вакулюк B.M. Применение мультимедиа в учебном процессе. Учеб. пособие. Оренбург. РЖ ГОУ ОГУ, 2004. 98 с.

4. Алтунин В.К. Обучающие системы и тренажеры. Приборы и системы управления, 1996, №7, с. 41.

5. Нюберг Н. Д. Теоретические основы цветной репродукции. М., «Советская наука», 1947, 176 с.

6. Артюшин Л. Ф. Основы воспроизведения цвета. М., «Искусство», 1970, 548 с.

7. Husak М. The use of stereoscopic visualization in chemistry and structural biology. Proc. SPIE. Stereoscopic Displays and Virtual Reality Systems XIII. Vol. 6055, 605501 (Jan. 27, 2006).

8. Елхов B.A., Кондратьев H.B., Овечкис Ю.Н., Паутова JI.B., Паутов А.А. Стереокомпьютерные методы формирования изображений и их применение, Техника кино и телевидения, 2001, №8, с. 11 16.

9. Gilson Kevin J. Stereoscopic display of 3D models for design visualization. Proc. SPIE. Stereoscopic Displays and Virtual Reality Systems XIII. Vol. 6055,605503 (Jan. 27,2006).

10. Berther A. Images stereoscopiques de grand format/ Cosmos 34. 1896.

11. Borner R. Autostereoscopic 3D-imaging by front and rear projection on flat panel displays. Displays, Vol. 14, No. 1,1993.

12. Lippman G. Epreuves reversibles. Photographies integrales. Compt. Rend., 1908,146, pp. 446-451.

13. Liischer H. Die Raumlage der Bildbegrenzung im Stereobildern. Photo-Industrie und Handel. 1943. Oct. Nov.

14. Liischer H. Stereoskopische Tiefenzone und Tiefenscharfenzone des Auges. Foto-Kino-Technik. 1947. № 6.

15. Liischer H. Uber die Plastik des raumlichen Sehens und die stereoskopische Tiefenzone . Stereoskopiker. 1930. № 6.

16. Panum P. L. Physiologische Untersuchungen uber das Sehen mit zwei Augen. Kiel, 1858.

17. Gabor D. Three Dimensional Picture Projection, Pat. USA №3. 479.111, 1969.

18. Leith E. N., Upatnieks J. Wavefront Reconstruction with Diffused Illumination and Three-Dimensional Objects. J. Opt. Soc. Am., 1964, 54, pp 1295 1301.

19. Benton S. A. Hologram Reconstruction with Extended Incoherent Sources. J. Opt. Soc. Am., 1969, 59. pp. 1545 1546.

20. Benton St.A., Birner S.M. Edge-lit rainbow holograms. Proceedings of SPIE. Practical Holography IV. Volume 1212., 1990, pp. 149 157.

21. S.A. Benton. Autostereoscopic display system. US 6351280, February 2002 (Filed November 1998).

22. T. Okoshi. Three-dimensional imaging techniques. Academic Press, New York, San Francisco, London, 1976,403 p.

23. Денисюк Ю. H. Об отображении оптических свойств в волновом поле рассеянного им излучения. ДАН СССР, 1962,144, с. 1275 1279.

24. Денисюк Ю. Н. Об отображении оптических свойств в волновом поле рассеянного им излучения. Оптика и спектроскопия, 1963, 15, с. 522 -532.

25. Комар В. Г. О возможности создания театрального голографического кинематографа с цветным объемным изображением. Техника кино и телевидения, 1975, №4, с. 31-39, №5, с. 34 44.

26. Комар В. Г. О принципиальных схемах осуществления голографического кинематографа. Труды НИКФИ, М., 1975, вып. 78, с. 131 -160.

27. Комар В.Г., Сон Д.Ю., Майоров В.П. и др. Трехмерная цветная телевизионная многоракурсная безочковая система с голографическим экраном. Техника кино и телевидения. 1998, №4, с. 29 36.

28. Валюс Н.А. Стерео: фотография, кино, телевидение. М.: Искусство, 1986. 177 с.

29. Валюс Н. А. Растровая оптика. М., Гос. Изд-во технико- теорет. лит-ры, 1949,470 с.

30. Власов Н.Г. Радужная голография. Природа. 1993. №8. с. 74 80.

31. Vlasov N.G., Ivanova S.D. Rainbow holography and its application, Proceedings of SPIE. V.1978,1993. pp.361-367

32. Власов Н.Г., Заборов A.H. Запись радужных голограмм, восстанавливающих многоцветные изображения. ЖНиПФиК. 1987, т.32, с. 258-261.

33. Иванов С. П., Андриевский А. Н. Проекционный экран, в частности для стереоскопической, рир- проекции, дневной и т. п. проекции. Авт. свид. № 81626 кл. 42 h 23/27 от 7 июля 1943 г.

34. Иванов С. П., Иванов М. С., Быховский В. М. Интегральная стереодиапроекция на ЭКСПО-70. Техника кино и телевидения, 1970, №10, с. 33 38.

35. Болтянский А.Г., Овсянникова Н.А. Ханукаев Д.Р. Проекция стереоскопических фильмов по системе «Стерео-70». Техника кино и телевидения. 1978. № 4, с. 38-42.

36. Болтянский А.Г., Рожков С.Н., Слабова А.Е. Состояние и перспективы производства фильмов по системе «Стерео-70». Труды НИКФИ. М., 1985. Вып. 122.

37. Шмаков П. В. Основы цветного и объемного телевидения. М., «Советское радио», 1954, 303 с.

38. Шмаков П.В., Колин К.Т., Джакония В.Е. Стереотелевидение. М.: Связь, 1968.

39. Мамчев Г.В. Стереотелевидение. М.: Энергия, 1979.

40. Гребенников О.Ф., Тихомирова Г.В. Основы записи и воспроизведения информации (в аудиовизуальной технике). СПб.: СПбГУКиТ, 2002, с. 712.

41. Тихомирова Г.В. Физические основы получения зрительной информации. Сб-ПГУКиТ. Санкт-Петербург. 2005. 148 с.

42. Рожкова Г.И. Бинокулярное зрение. Сб. Физиология зрения. Ред. Бызов A.JI. М.: Наука, 1992.

43. Шелепин Ю. Е., Глезер В.Д., Бондарко В.М. и др. Пространственное зрение. Сб. Физиология зрения. Ред. Бызов A.JI. М.: Наука, 1992.

44. Ezhov V. A. and Studentsov S. A. Volume (or stereoscopic) images on the screens of standard computer and television displays. Proc. SPIE. Current Research on Image Processing for 3D Information Displays. V. 5821, pp. 102- 116(2005).

45. Starks M. R. New hardware and software for stereo graphics and video. Proc. SPIE. Stereoscopic Displays and Virtual Reality Systems III. V. 2653, 201 -209(1996).

46. Рожков С.Н., Овсянникова Н.А. Стереоскопия в кино-, фото, видеотехнике. Терминологический словарь. Из-во «Парадиз». Москва. 2003. 136 с.

47. Налимов И. П. Стереоголография. Материалы УШ Всесоюзной школы по голографии. ЛИЯФ, Л., 1976, с. 307-331.

48. Виноградов А., Голенко Г. Овечкис Ю. и др. Голографический синтез объемного изображения по стереотранспарантам с проекцией на голографический экран. Труды XII Конгресса УНИАТЕК, 5-10 октября 1976, СССР- Москва, с. 324 330.

49. Виноградов А. К., Голенко Г. Г. Овечкис Ю.Н. и др. Голографический синтез стереотранспарантов. I Всесоюзный научно- технический симпозиум «Оптическое приборостроение и голография», 4-8 октября 1976 г., Львов, Тезисы докладов. М., ч. I, с. 45 47.

50. Антонов В.М., Налимов И.П. Овечкис Ю.Н. и др. Голографическая печать дискретных стереограмм группового портрета. Техника кино и телевидения. 1979, №8, с. 48 50.

51. Налимов И.П., Овечкис Ю.Н., Шакиров А.Х. Принципы записи и наблюдения стереоголограмм. Материалы X Всесоюзной школы по голографии. Ленинград, ЛИЯФ, 1978, т. 2, с. 126 139.

52. Антонов В.М., Налимов И.П., Овечкис Ю.Н. и др. Печать и проекция стереоголограмм. Symp. Appl. Holografic INTERCAMERA, Praha, 1978, II cast. 331 -358.

53. Антонов В.М., Налимов И.П., Овечкис Ю.Н. и др. Печать и проекция стереоголограмм. Optica Aplicata, vX, №1,1980, pp. 13 27.

54. Антонов В.М., Налимов И.П., Овечкис Ю.Н., Шакиров А.Х. Голографический синтез стереорентгенограмм. Всесоюзная конференция «Регистрирующие среды, методы и аппаратура голографии», 1980, Кишинев, Тезисы докладов, с. 41 42.

55. Антонов В.М., Налимов И.П., Овечкис Ю.Н. и др. Голографическая печать стереотранспарантов на параллельных осях. Всесоюзная конференция «Регистрирующие среды, методы и аппаратура голографии», 1980, Кишинев, с. 43 44.

56. Карнаухов В.К., Овечкис Ю.Н., Мерзляков Н.С. Синтез гибридных оптико-цифровых голограмм и стереоголограмм. Материалы XIII Всесоюзной школы по голографии. Ленинград, ЛИЯФ, 1981, с. 126 -133.

57. Карнаухов В.К., Овечкис Ю.Н., Мерзляков Н.С. Синтез гибридных оптико-цифровых стереоголограмм. Журнал технической физики, 52, вып.2,1982, с. 396-399.

58. Karnauhov V.K., Ovechkis Yu.N., Merzliakov N.St. Synthesis of Hybrid Optical-Didgital Rainbow Holograms and Stereo Holograms. Optics Communication, v.42, №1, 1982, pp. 10 -12.

59. Дудников Ю.А., Рожков Б.К. Растровые системы для получения объёмных изображений. JL: Машиностроение, 1986. 215 с.

60. С. van Berkel and Clarke J.A. Characterisation and Optimisation of 3D-LCD Module Design. Proc SPIE. Stereoscopic Displays and Virtual Reality Systems III. Vol. 3012, 1997, pp. 179 186.

61. С. van Berkel, Clarke J. Autostereoscopic display apparatus. US Pat. No. 6,064,424, May 2000.

62. Benton S.A., Slowe Т.Е., Kropp A.B.and Smith S.L. Micropolarizer-based multiple-viewer autostereoscopic display. Proceedings of the SPIE, Vol. 3639, January 1999.

63. Дудников Ю. А. О расчете схемы получения интегральных фотографий смешанным способом. Оптико-механическая промышленность, 1974, 8, с. 13 -17.

64. Ives Н. Optical Properties of a Lippmann Lenticulated Sheet. J. Opt. Soc. Amer., 1931,3, pp. 171 -176.

65. Устинов В. Лазерная кинопроекция. Техника и технология кино. 2005, № 1, с. 68-76.

66. Kompanets I.N. and Gonchukov S.A. Volumetric displays. Proc. SPIE. Current Research on Image Processing for 3D Information Displays. Vol. 5821,125-136(2005).

67. Компанец И.Н., Гончуков C.A. 3D дисплей для отображения томографической информации. Тезисы докладов 1-ой Троицкой конференции по медицинской физике. 19-21 мая 2004 г., г. Троицк Моск. обл. с. 24-25.

68. Голдовский Е. М. Введение в кинотехнику. «Искусство», М., 1974, 575 с.

69. Комар В. Г. О резкости изображения в кинематографе. Техника кино и телевидения, 1962, 10, с. 1 11.

70. Комар В. Г. Информационная оценка качества изображения кинематографических систем. Техника кино и телевидения, 1971, №10, с. 9 22.

71. Кравченко Л. В. Количественная характеристика интегрального метода получения объемных киноизображений. Труды НИКФИ, М., 1975, вып. 78, с. 45-49.

72. Иванов С. П., Акимакина J1. В. Устройство для одновременной съемки нескольких стереоскопических снимков. Авт. свид. № 138141 кл. 57а, 3702 от 6 июля 1960 г.

73. Gabor D. Three Dimensional Picture Projection, Pat. USA №3. 479.111, 1969.

74. Комар В. Г., Мандросов В. И., Соболев Г. А. Геометрические свойства отражающего голографического экрана. Проблемы голографии, вып. 1, М., 1973, с. 79-82.

75. Мандросов В. И. Исследование некоторых методов голографии в отображающих системах. Автореферат канд. дисс., М., ВНИИОФИ, 1973.

76. Srinivasan V. S. Beam Reduction in Holographi for Holographies Movies. Appl. Opt., 1970, 9, pp. 2187-2189.

77. Cox M. E., Buckles R. G., Whitlas D. Cineholomicroscopy of Small Animal Microcirculation. Appl. Opt., 1971, 10, pp. 128-131.

78. Leith E. N., Brumm D. В., Hsiuo S. S. Holographic Cinematography. Appl. Opt., 1972, 11, pp. 2016-2023.

79. Denisjuk J. N. Perspectiven und Problemen der holografischen Kinematografie. Bild und Ton, 1974, 24,3,71-73.

80. Haines K. A., Brumm D. B. A technique for Bandwidth Reduction in Holographi System. Proc. IEEE, 1965, 55, pp. 1512 -1513.

81. Okoshi Т., Oshima K. Three-Dimensional Imaging from a Unidirectional Hologram: Wide-viewing Zone Projection Type. Appl. Opt., 1976, 15, pp. 1023 1029.

82. Налимов И. П., Овечкис Ю. Н. Голографические экраны. Обзорная информация, серия «Фотокинотехника», вып. 30, М., 1978, 65 с.

83. Борн М., Вольф Э. Основы оптики. «Наука», М., 1973, 719 с.

84. Власов И. Г., Мосякин Ю. С. Голограмма как оптический элемент. Материалы Ш Всесоюзной школы по голографии. ЛИЯФ, Л., 1972, с. 73 90.

85. Буйнов Г. Н., Мустафин К. С. Исследование возможности применения одноосевых голограмм для мультиплицирования изображений. Оптика и спектроскопия, 1973, 34, с. 936 940.

86. Кольер Р., Беркхарт К., Лиин Л. Оптическая голография, М., «Мир», 1973, 686 с.

87. Leith Е. N., Upatnieks J. Wavefront Reconstruction with Diffused Illumination and Three- Dimensional Objects. J. Opt. Soc. Am., 1964, 54, pp. 1295 1301.

88. Mandel L. Color Imagery by Wavefront Reconstruction. J. Opt. Soc. Am., 1965, 55, pp. 1697- 1698.

89. Collier R. J., Pennington K. S. Multicolor Imaging from Holograms Formed on Two- Dimensional Media. Appl. Opt., 1967, 6, pp. 1091 1095.

90. Kogelnic H. Coupled wave theory for thick hologram gratings. Bell Syst. Tech. J, 1969,48, pp. 2909 2947.

91. Комар В. Г. Об основных оптических свойствах толстослойных голограмм, воспроизводящих цветные изображения. Труды НИКОИ, М., 1976, вып. 82.

92. Pennington К. S., Lin L. Н. Multicolor Wavefront Reconstruction, Appl. Phys. Lett., 1965, 7, pp. 56 -57.

93. Lin L. H., Pennington K. S., Stroke G. W., Labeyrie A. E. Multicolor Holographic Image Reconstraction with White Light Illumination. Bell. Syst. Tech. J. 1966, 45, pp. 659-660.

94. Noguchi M. Color Reproduction by Multicolor Holograms with White-Light Reconstruction. Appl. Opt., 1973,12, pp. 496 499.

95. Zacharovas S. J., Ratcliffe D.B., Skokov G.R., Vorobyov S.P., Kumonko P.I., and Sazonov Y. A. Recent advances in holographic materials from Slavich. Proc. SPIE. Vol. 4149, pp. 73 80 (2000).

96. Васильева H. В., Кириллов H. И. Требования к высокоразрешающим фотоматериалам для голографии. Техника кино и телевидения, 1972, №7, с. 3 9.

97. Овечкис Ю.Н. Исследование свойств голографических экранов для проекции объемных изображений и разработка методов их записи. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. М. 1979. 184 с.

98. Овечкис Ю. Н. Глубина объемной сцены, передаваемой голографическим экраном с аберрациями. Техника кино и телевидения, 1978, 9, с. 65-67.

99. Овечкис Ю.Н. Исследование аберрационных характеристик голографического экрана. Техника кино и телевидения. 1982, №7, с. 28-31.

100. Meier R. W. Magnification and Third- order aberration in Holography. J. Opt. Soc. Am., 1965, 55, pp. 987-992.

101. Воробьев A.B., Овечкис Ю.Н., Семочкин П.Н. Формирование зон видения точечно-фокусирующих экранов. Техника кино и телевидения. 1984, №4, с. 50-51.

102. Комар В. Г., Налимов И. П., Овечкис Ю. Н., Федчук И. У., Шакиров А. X. Способ изготовления голографического просветного экрана. Авт. свид. № 584642 кл. G 02 В 5/32 от 22 августа 1977 г.

103. Комар В.Г., Овечкис Ю.Н., Соболев Г.А. и др. Способ изготовления экрана для проекции цветных объемных изображений Авт. Свид. №730127 от 26.12.1979.

104. Комар В. Г., Налимов И. П., Овечкис Ю. Н., Федчук И. У., Шакиров А. X. Запись голографических экранов для проекции объемных изображений. Техника кино и телевидения, 1978, №1, с. 15-17.

105. Гнеденко Б. В. Курс теории вероятностей. М., Изд. физ.-мат. литерат., 1961,406 с.

106. Latta J. N. Analysis of Multiple Hologram Optical Elements with Low Dispesion and Low Aberrations. Appl. Opt., 1972,11, pp. 1686 1696.

107. Sweatt W. C. Achromatic triplet using holographic optical elements. Appl. Opt., 1977, 16, pp. 1390- 1391.

108. Овечкис Ю. H. К вопросу изготовления голографических экранов. Техника кино и телевидения, 1978, №5, с. 55 58.

109. ИЗ. Комар В. Г., Овечкис Ю. Н. О цветопередаче голографических изображений. Техника кино и телевидения, 1976, 9, с. 18 22.

110. Комар В. Г., Овечкис Ю. Н. О цветопередаче голографических изображений. Труды НИКФИ. М., 1976, с. 67 72.

111. Odinokov S. В., Poddubnaya Т. Е., Rozhkov O.V., Yakimovich А.Р. Gray level distortions induced by 3-D reflective hologram. Proc. SPIE. Three-Dimensional Holography: Science, Culture, Education. Vol. 1238, pp. 109 — 117(1991).

112. Рожков О. В. Влияние нелинейности фазоэкспозиционной характеристики регистрирующего материала на качество голографического процесса. Материалы VII Всесоюзной школы по голографии. ЛИЯФ, Л., 1975, с. 244 259.

113. Гуревич М. М. Цвет и его измерение. М. -Л., изд-во АН СССР, 1950, 268 с.

114. Комар В. Г. О квалиметрии киноизображений. Труды НИКФИ, М., 1974, вып. 74.

115. Юстова Е. Н. Таблицы основных колориметрических величин. М., изд-во стандартов, 1967.

116. Овечкис Н. С. Новый количественный метод оценки цветовых различий на основе зональной системы трехцветных координат. Техника кино и телевидения, 1975,3, с. 30 33.

117. Овечкис Н. С., Артюшин JI. Ф., Герасимович М. Н. Зональная система трехцветных координат применительно к цветофотографическим процессам. Успехи научной фотографии, 1962, 9, с. 155 160.

118. Артюшин JI. Ф., Семенова Н. Ф. Требования к цветоделительным характеристикам позитивных, негативных и дубль-негативных пленок. Труды НИКФИ, М., вып. 74.

119. Блохин А. С., Виноградов А. К., Налимов И. П., Овечкис Ю. Н., Федчук И. У., Шакиров А. X. Установка для голографической проекции объемного изображения. Техника кино и телевидения, 1977, №11, с. 38-40.

120. Boone P. M. Use of reflection holograms in holographic interferometry and specie correlation for measurement of surface- displacement. Opt. Acta, 1975, 22, pp. 579-589.

121. Овечкис Ю. H., Шакиров A. X. Упрощенная схема записи отражательных голограмм. Труды НИКФИ. М., 1976, вып. 84.

122. Овечкис Ю. Н., Шакиров А. X. Внестендовая запись отражательных голограмм. ЖНиПФиК, 1978, 23, с. 370 372.

123. Овечкис Ю.Н. Исследование яркостных параметров голографических экранов. Труды НИКФИ, Москва, 1982, вып. 110, с.121 -126.

124. Мандросов В. И., Налимов И. П., Овечкис Ю. Н., Федчук И. У., Шакиров А. X. О пропускающих и отражающих свойствах голограмм, записанных на встречных и сопутствующих пучках. ЖНиПФиК, 1977, 22, с. 129- 132.

125. Налимов И. П., Овечкис Ю. Н., Шакиров А. X. Голографические экраны для проекции цветных и стереоскопических изображений. III Всесоюзная конференция по голографии. Тезисы докладов, 26 28 августа 1978 г., Ульяновск. Л., ЛИЯФ, с. 194 - 195.

126. Агеев А.А., Антонов В.М., Кузин А.А., Налимов И.П., Овечкис Ю.Н., Федчук И.У., Шакиров А.Х. Авт. Свид. №146407 от 07.07.1980.

127. Агеев А.А., Антонов В.М., Кузин А.А., Налимов И.П., Овечкис Ю.Н., Федчук И.У., Шакиров А.Х. Авт. Свид. №167924 от 05.01.1982.

128. Овечкис Ю.Н. Шакиров А.Х. Исследование шумовых характеристик зонально-фокусирующих голографических экранов. Материалы XVII Всесоюзной школы по голографии. Ленинград, ЛИЯФ, 1985, с.126-131.

129. Овечкис Ю.Н., Шакиров А.Х. Исследование шумовых характеристик зонально-фокусирующих экранов. Голография и ее применение (тематический сборник). Ленинград, 1986, с. 204 209.

130. С. van Berkel, Parker D.W., Franklin A.R. Multi-view LCD Display. Proc SPIE. Stereoscopic Displays and Virtual Reality Systems III. Vol. 2653, 1996. pp. 32-39.

131. Tomono T. et al. Autostereoscopic display with eye tracking. Proceedings of SPIE. Stereoscopic Displays and Virtual Reality Systems IX. Vol. 4660, 2002, pp. 266 274.

132. Кропман И.Л. Физиология бинокулярного зрения и расстройства его при соружественном косоглазии. Д., 1966. 206 с.

133. Григорян А.Ю. Использование жидкокристаллических очков в диплоптическом лечении косоглазия. Диссертация на соискание ученой степени канд. мед. наук. М., 1998. 117 с.

134. D.H. Mash et. al. Improvements in or Relating to Stereoscopic Display Device. UK Patent 1448520 (1986).141. Byatt, US Patent 4385806.

135. Попов H. С. Видеосистема PC. БХВ-Петербург, Арлит, 2000.143. http://www.win3d.com (win3d API).

136. Lipton, Lenny, Michael R. Starks, James D. Stewart, and Lawrence D. Meyer, Stereoscopic Television System, U.S. Patent No.4,523,226, Jun.ll, 1985.

137. Lipton, Lenny, and Lhary Meyer, A Flicker-Free Field-Sequential Stereoscopic Video System. SMPTE Journal, November 1984, p. 1047.

138. Пэдхем Ч., Сондерс Дж. Восприятие света и цвета. М. Мир, 1978.

139. Кравков С. В. Глаз и его работа. Издательство академии наук СССР. Москва-Ленинград. 1950. 531 с.

140. Lipscomb J. S., Wooten W. L. Reducing Crosstalk Between Stereoscopic Views. Proc. SPIE. Vol. 2177. P. 92 96 (1994).

141. Konrad J., Lacotte В., Dubois E. Cancellation of Image Crosstalk in Time-Sequential Displays of Stereoscopic Video. IEEE Transactions on Image Processing. Vol. 9. Number 5, pp. 897 908 (2000).

142. Елхов В.А., Овечкис Ю.Н., Паутова Л.В., Паутов А.А. Исследование и оптимизация параметров, влияющих на качество стереокомпьютерного изображения. Техника кино и телевидения, 2003, №5. с.37 41.

143. Томилин М.Г., Пестов С.М. Свойства жидкокристаллических материалов. СПб. Политехника. 2005. 296 с.

144. Тихомирова Г. В., Лапшин В. А., Капришин Ф. И. Пути устранения заметности мелькания изображения в кинематографе. Техника кино и телевидения. 2002. № 4.

145. Хьюбел Д. Глаз, мозг, зрение. М. Мир. 1990.

146. Розенблюм Ю.З., Кащенко Т.П., Ячменева Е.И., Григорян А.Ю., Елхов В.А., Кондратьев Н.В., Овечкис Ю.Н. Способ исследования и восстановления бинокулярного зрения. Патент РФ на изобретение № 2133103. Приоритет от 26.05.97.

147. V.A. Elkhov, Yu. N. Ovechkis, L. Pautova, Y. Rosenblum, O. S. Lev, A. Pautov. Method and device for central and suppression scotomas investigation. Proc SPIE, Ophthalmic Technologies XII; Vol. 4611, Jun2002. pp. 1 8.

148. Розенблюм Ю.З., Лев O.C., Елхов B.A., Овечкис Ю.Н., Паутова Л.В., Фейгин А.А. Способ подбора оптической коррекции зрения для чтения и работы с компьютером. Патент РФ на изобретение №2192815. Приоритет от 23.05.2001.

149. Сергиевский Л. И. Содружественное косоглазие и гетерофория. Медгиз, 1951. 132 с.

150. Исследование и восстановление бинокулярных функций методом бинариметрии. Методические рекомендации. М., 1992.

151. Elkhov V.A., Ovechkis Yu. N., Pautova L., Rosenblum Y., Lev O. S., Pautov A. Method and device for central and suppression scotomas investigation. Proc SPIE, Ophthalmic Technologies XII; Vol. 4611, Jun 2002, pp. 1 8.

152. Елхов В.А, Овечкис Ю.Н., Розенблюм Ю.З., Григорян А.Ю. Способ исследования поля зрения. Патент РФ на изобретение №2173080. Приоритет от 15.02.1999.

153. Шамшинова А.М, Волков В.В. Функциональные методы исследования в офтальмологии. М.: Медицина, 1998.

154. Новохатский А.С. Клиническая периметрия. М., 1973. 133 с.166. http://www.ultraline.ru/articles/projector/lcd-vs-dlp.shtml.167. http://www.christiedigital.com/

155. Елхов B.A., Овечкис Ю.Н. Видеопроекционное стереоскопическое устройство. Техника кино и телевидения, 2004, №7. с. 39 43.

156. Ландсберг Г. С. Оптика. М., Физматлит. 2003, 848 с.

157. Elkhov V.A., Ovechkis Yu.N. Light loss reduction of LCD polarized stereoscopic projection. Proc SPIE. Stereoscopic Displays and Virtual Reality Systems X, Vol. 5006, p. 45 48, May 2003.

158. Шацкая A.H. Основы стерео-фото-кино-съемки. M., «Искусство», 1983, 152 с.

159. Кваша М.М., Пустыльников B.C., Овечкис Ю.Н., Елхов В.А. Имитаторы внешней обстановки: состояние и пути развития». Журнал Российского авиаприборостроительного альянса «Мир авионики», 2005, №6, с. 58-61.

160. Пустыльников B.C. Состояние и проблемы имитации внешней визуальной обстановки в тренажерах. Международная научно-практическая конференция «Теория и практика имитационного моделирования и создания тренажеров», Сборник статей. Пенза, 2004, с. 142-146

161. Л.И. Леушина. Зрительное пространственное восприятие. Л: «Наука» Ленинградское отделение, 1978,175 с.

162. С.В. Кравков. Глаз и его работа. М.-Л., 1950, 531 с.

163. Ogle K.N. The optical space sense. In: The eye. Vol. 4. (Ed. H. Davson). New York-London, 1962, p. 211 - 419.

164. Моторные компоненты зрения. M: «Наука», 1975, 235 с.

165. Arun N. Kumar, Yanning Han, Siobhan Garbutt, and R. John Leigh. Properties of Anticipatory Vergence Responses. Investigative Ophtalmology & Visual Science, August 2002, Vol. 43, No. 8.

166. Кваша M.M., Пустыльников B.C., Родионов Н.Г. Устройства отображения визуальной информации для тренажеров операторов транспортных средств. Журнал Российского авиаприборостроительного альянса «Мир авионики», 2000, №4.

167. Годунов А.И., Григорьев Н. И., А. В. Кудиненко. Пилотажные и комплексные тренажеры летчика. Воениздат, М., 1985. 296 с.

168. Саркисян Г.М. Система трехмерной визуализации и подготовки данных комплексного тренажера летательного аппарата. Мир авионики, 2001, №2, с. 29.

169. Годунов А.И., Солдатенков О.Ф., Пустыльников B.C. Стереоскопический имитатор визуальной обстановки тренажера. Мир авионики. № 3, 2002. с. 33 34.

170. Елхов В.А., Овечкис Ю.Н., Паутова JI.B., Пустыльников B.C., Родионов Н.Г. Устройство отображения визуальной информации авиационного тренажера. Патент РФ на изобретение №2277725. Приоритет от 25.10.04.