Трехмерные дисплеи

Разработками формирования трехмерного изображения мировая наука занимается около 200 лет. В настоящее время для получения трёхмерного изображения используется голография, лазерная трехмерная проекция, системы безочкового растрового наблюдения и различные методы с использованием специальных очков.

В последние годы ряд компаний разработали мониторы (экраны), дающие трехмерное изображение без использования очков. Пространство, в котором можно наблюдать изображение, формируемое 3D дисплеем, называется объемом воспроизведения, а пространство, в котором находится зритель - объемом наблюдения. Только находясь внутри объема наблюдения человек вправе рассчитывать на восприятие объемного неискаженного изображения, заключенного в объем воспроизведения.

3D дисплеи можно разделить на группы, по способности отображения 3D информации:

1. Стереоскопические.

Воспроизводят два ракурса объемной сцены, один из которых предназначен для левого, а другой - для правого глаза.

ПРИНЦИП. Разделение объема воспроизведения на две части условной вертикальной плоскостью, перпендикулярной плоскости экрана и проходящей через его центр. Слева от плоскости наблюдается изображение для левого глаза, справа - для правого.

На рисунке 283 изображен стереоскопический дисплей.

Рисунок 283. Стереоскопический дисплей

2. Мультивидовые.

Воспроизводят несколько последовательных ракурсов объемной сцены, любые два из которых составляют стереопару.

ПРИНЦИП: Разделение объема воспроизведения несколькими условными вертикальными плоскостями, проходящими через центр экрана. В каждой части разбитого плоскостями пространства наблюдается свой вид (ракурс) объемной сцены (см. рисунок ниже).

На рисунке 284 показана схема восприятия изображения человеческим глазом с мультивидового дисплея.

3. Голографические.

Воспроизводят непрерывное световое поле, соответствующее световому полю реальной 3D сцены.

Гологрфические дисплеи можно рассматривать как дальнейшее развитие мультивидовых дисплеев с очень большим количеством воспроизводимых ракурсов.

ПРИНЦИП: Разделение объема воспроизведения множеством условных вертикальных плоскостей, проходящих через центр экрана. В каждой части разбитого плоскостями пространства наблюдается свой вид (ракурс) объемной сцены.

На рисунке 285 показан голографический 3D дисплей.

Рисунок 284. Мультивидовый дисплей

Рисунок 285. Голографический 3D дисплей

4. Волюметрические.

Воспроизводят изображение в виде набора точек ( вокселей) или векторов, физически разнесенных в ограниченном рабочем пространстве дисплея (объеме воспроизведения).

На рисунке 286 показано изображение, создаваемое волюметрическим 3d дисплеем.

Рисунок 286. Волюметрический 3d дисплей

Трехмерные дисплеи осуществляют прямой вывод трехмерного изображения, рассчитанного компьютером. Это изображение может быть статическим или динамическим, то есть управляться так же, как и в обычном плоском мониторе. В большинстве реализаций изображение - полупрозрачное, что как раз хорошо для представления органов тела.

Сфера применения трехмерных дисплеев весьма широка: реклама, PR, презентации, медицина, образование, проектирование, видеоигры и т.д. В медицине такого рода дисплеи, после появления на рынке, могут стать обязательной составной частью томографов или иных объемных сканеров, рентгеновских аппаратов - с программным обеспечением для построения трехмерных моделей по нескольким проекциям рентгенограмм. А также могут применяться в сфере МРТ (магнитно-резонансной томографии), хирургии, ангиографии, ЯМР-спектроскопии и УЗИ. Сфера применения дисплеев может быть расширена до проведения консилиумов, моделирования и принятия решений, осуществления сетевых консилиумов специалистов.

3D дисплей для хирургов

Научно-исследовательскими институтами Берлина, в числе которых знаменитый институт Фраунгофера, разработан новый объемный дисплей для использования в медицине.

Новый монитор может не только выполнять 3D-визуализацию, но и имеет встроенную функцию перемещения и вращения изображения без необходимости прикосновения к нему. Это удобно, в частности, при проведении операций, где руки хирурга должны быть стерильными, и он не может работать с манипулятором или другими приборами.

Чтобы изучить трехмерное изображение, которое отображается на мониторе, врач просто садится на кресло перед ним. Если ему нужно повернуть изображение или наклонить его, он просто поднимает палец вверх и нажимает виртуальную кнопку в воздухе. Используя другой жест, он может вызвать на экран следующее изображение. 3D-монитор может формировать изображение органов пациента под таким же углом зрения, под которым хирург видит их на операционном столе.

Как система понимает жесты хирурга? Над дисплеем установлено две камеры. Поскольку они фиксируют положение пальца с разных углов зрения, появляется возможность определить его точное положение в пространстве. Камеры фиксируют 100 кадров в минуту. Третья камера, которая интегрирована в монитор, направлена на лицо и глаза хирурга. Она фиксирует наклон головы и направление взгляда, после чего данные передаются на обработку специальной программе. Используя полученные данные, программа генерирует пару стереоскопических изображений – одно для левого глаза, а другое – для правого. Если хирург немного наклоняет или поворачивает голову, изображения тут же адаптируются под новое положение.

На рисунке 287 показан 3D-дисплей для хирургов.

Рисунок 287. 3D-дисплей для хирургов

Трехмерная графика.

Волюметрический дисплей Perspecta Spatial 3D

Perspecta Spatial 3D уже имеет практическое применение в инженерной науке и медицине. Устройство предназначено для вывода трехмерного изображения с персональных компьютеров. Внешне оно совсем не похоже на привычный экран на базе ЭЛТ или ЖК-матрицы. Perspecta Spatial 3D представляет собой прозрачную сферу диаметром 51 см, размещенную на специальной подставке. Никаких специальных очков, для того чтобы видеть трехмерное цветное изображение, не требуется. Чтобы посмотреть на отображаемый предмет с другого ракурса, достаточно подойти к дисплею с другой стороны. Качество изображения не зависит и от угла, под которым смотрит наблюдатель.

На рисунке 288 показан прибор Perspecta Spatial 3D.

Рисунок 288. Прибор Perspecta Spatial 3D

Рисунок 289. Дисплей Perspecta Spatial 3D, отображающий трехмерную модель человеческого сердца

К компьютеру Perspecta Spatial 3D подключается через интерфейс Ethernet, а для формирования трехмерного изображения используются технологии OpenGL и VRML. Число вокселей (объемных пикселей) в изображении может достигать 100 млн. Система работает по принципу пересчета декартовых (прямоугольных) координат в сферические. Полученные сферические координаты затем используются для подсветки вокселей на проекционном экране, вращающемся со скоростью 10 оборотов в секунду. Устройство предназначено для применения в самых разных областях - от медицины до геофизики и оборонных технологий.

На рисунке 289 показан дисплей Perspecta Spatial 3D, отображающий трехмерную модель человеческого сердца. На рисунке 290 показана работа врача с прибором Perspecta Spatial 3D.

Рисунок 290.

Работа врача с прибором Perspecta Spatial 3D

Трехмерная графика. Трехмерное УЗИ

Трехмерное УЗИ (3D) позволяет получить объемное изображение плода. Это значительно повышает качество диагностики, а родителям позволяет увидеть будущего малыша. С помощью трехмерного УЗИ они могут сами определить пол ребенка, посмотреть на него в движении, и даже пересчитать каждый пальчик на ручках.

Самая главная ценность исследования на этом аппарате – максимальная точность информации о здоровье ребенка. Уровень аппаратуры таков, что работая в том и другом режимах - 3D и 2D – диагностики, позволяет выявить «незамеченные» другими аппаратами пороки развития. А это очень важно для здоровья будущего ребенка, в некоторых случаях – это вопрос жизни. Данные трехмерного исследования дают дополнительную информацию, особенно для диагностики некоторых пороков развития плода. Сочетание квалифицированного двухмерного и трехмерного ультразвука – диагностический метод в акушерстве, обеспечивающий современное право пациента на полное владение медицинской информацией.

На рисунке 291 изображено трехмерное УЗИ плода.

Рисунок 291. Трехмерное УЗИ плода

4D виртуальный человек

4D формат — это продолжение уже известного 3D формата. 4D изображение – объемное изображение, выходящее за пределы экрана, которое формируется и за счет таких спецэффектов, как распространение запахов движения и звука.

Ученые из университета в Калгари создали первую в мире завершенную объектно-ориентированную виртуальную модель человеческого тела. Команда, в которую входят программисты, биологи, математики и дизайнеры, работала над созданием модели более шести лет - своей целью она ставила разработку самого подробного анатомического атласа среди существующих. Этот четырехмерный атлас человеческого организма, названный CAVEman, позволит исследователям буквально попасть внутрь своих экспериментов, при помощи перевода медицинской и геномной информации в четырехмерный формат.

Новое изобретение является настоящим прорывом в области медицинской информатики и системной анатомии. В ближайшее время CAVEman станет незаменимым инструментом, как для обучения молодых специалистов, так и для опытных врачей, исследующих новые пути планирования хирургических операций. Компьютерное изображение человека строится на основе магниторезонансной томографии и охватывает более 3 тыс. изменяющихся во времени различных частей организма.

CAVEman находится в специальной комнате, где его четырехмерное изображение создается при помощи проекции от трех стен и пола. Анатомический атлас в формате 4D создан на основе информации, полученной из учебников по анатомии, и представляет собой тело человека, увеличенное в десятикратном масштабе. CAVEman полностью повторяет структуру человеческого тела, причем любую его деталь можно при необходимости увеличить и представить в удобном ракурсе. Основные системы и органы для видео атласа преобразованы в анимированные трехмерные модели компьютерными художниками.

При помощи новой технологии ученым удастся более точно изучить природу многих заболеваний, а также более тщательно смоделировать методы их лечения.

На рисунке 292 изображен макет, который представляет собой модель человеческого организма, увеличенного в 10 раз.

Рисунок 292. Макет CAVEman

На рисунке 293 показана часть макета CAVEman

Рисунок 293. Четырехмерное изображение CAVEman, созданное при помощи проекции от трех стен и пола

Рисунок 294. Четырехмерное изображение CAVEman

Трехмерная графика. Контрольные вопросы

1. Что такое трехмерная графика?

2. Чем трехмерное изображение отличается от плоского?

3. Какие основные шаги необходимо выполнить для создания трехмерного изображения?

4. Что такое рендеринг?

5. Какие существуют системы рендеринга?

6. Что такое анимация?

7. Какие известны программные продукты для трехмерного моделирования?

8. Где трехмерная графика может использоваться в медицине?

9. Что такое 3D-сканеры?

10. На какие два основных типа делятся 3D сканеры?

11. Какие существуют достоинства и недостатки у контактных 3D – сканеров?

12. В чем состоят преимущества бесконтактных 3D – сканеров?

13. Где используются ультразвуковые 3D – сканеры?

14. В чем состоит уникальность 3D сканера Brilliance iCT?

15. Какие трехмерные технологии используются в медицине?

16. Какие существуют виды трехмерных дисплеев?

17. Расскажите об использовании 3D-дисплея для хирургов.

18. Расскажите об использовании волюметрического дисплея Perspecta Spatial 3D.

19. Что такое трехмерное УЗИ?

20. Для чего был создан 4D виртуальный человек?

Трехмерная графика. Список литературы

1. Бондаренко М. Ю., Бондаренко С. В. 3ds Max 2008 за 26 уроков (+CD). — 1-е издание. — Диалектика, 2008. — 304с. — ISBN

2. В. А. Верстак, 3ds Max 8. Секреты мастерства (+CD): 672 стр. Издательство «Питер», 2006

3. ИвановВ.П., БатраковА.С. Трёхмерная компьютерная графика / Под ред. Г.М.Полищука. — М.: Радио и связь, 1995. — 224 с.

4. Сергей Цыпцын. Понимая MAYA. — М.: Арт Хаус медиа, 2007. — С.1428.

5. Снук Г. 3D-ландшафты в реальном времени на C++ и DirectX 9, 2-е издание. — «КУДИЦ-ПРЕСС», 2007. — С.368.

6. Джеймс Ли, Брент Уэр. «Трехмерная графика и анимация», 2-е издание: Пер. с англ. — М.: 2002. — 640 стр.

7. Джон Кундерт-Гиббс, Майк Ларкинс, Дариус Деракшани, Эрик Кунзендорф Освоение Maya 8.5 = Mastering Maya 8.5. — М.: «Диалектика», 2007.

8. Дональд Херн, М. Паулин Бейкер. "Компьютерная графика и стандарт OpenGL ", 3-е издание: Пер. с англ. — М.: Издательский дом «Вильямс», 2005. — 1168 стр.

9. Келли Л. Мэрдок, Autodesk 3ds Max 9. Библия пользователя. 3D Studio MAX 9: Пер. с англ. — М.: 2007. — 1344 стр. с ил., Издательство «Диалектика»

10. Крис Мараффи. Создание персонажей в Maya: моделирование и анимация = Maya Character Creation. — М.: «Вильямс», 2004. — С.448.

11. Шаммс Мортье, Autodesk 3ds Max 9 для «чайников». 3d Studio Max 9: Пер. с англ. — М.: Издательский дом «Диалектика», 2007. — 384 стр. с ил.

12. Шон Бонни, Стив Анзовин Внутренний мир 3ds Max 9. Autodesk 3D Studio max 9. — М.: «Вильямс», 2007. — С.1072.

13. Эдвард Энджел. "Интерактивная компьютерная графика. Вводный курс на базе OpenGL ", 2-е издание: Пер. с англ. — М.: Издательский дом «Вильямс», 2001. — 592 стр.