ИТ-индустрия движется вперед семимильными шагами, но до полноценного искусственного интеллекта всё никак не дойдет. И поскольку ответственные решения пока принимает не компьютер, а человек, одна из важнейших задач, стоящих перед разработчиками современных информационных систем, — обеспечить наглядное и удобное представление информации.

Популярные в последнее время центры поддержки принятия решений (ситуационного анализа) с мощными системами визуализации строятся ради того, чтобы руководители могли справиться с увеличивающимися объемами поступающей информации и усложняющейся ее структурой, получить инструмент для прогнозирования сценариев и оценки рисков.

Конгресс-центры и залы для совещаний в крупных компаниях тоже включают современные средства визуализации, но вдобавок часто дополняются системами аудио- и видеоконференцсвязи, обеспечивающими взаимодействие с региональными офисами. Помещения для собраний акционеров помимо этого еще снабжаются системами автоматического подсчета голосов.

Отечественные инжиниринговые предприятия и НИИ сегодня проводят техническое переоснащение и переобучение персонала с целью перехода от двумерных САПР к трехмерным. Эти последние гораздо нагляднее представляют информацию, что позволяет ускорить проектирование объектов и облегчает поиск нестыковок в частях проекта, выполняемых разными специалистами и отделами. Для эффективного применения трехмерных САПР требуются мощные системы стереоскопического отображения информации.

Серьезную нагрузку на средства визуализации дают системы геолого-гидродинамического моделирования, применяемые в нефтегазовом комплексе (рис. 1). Будучи размещены в корпоративных центрах нефтяных компаний и научно-исследовательских проектных институтах, они обслуживают сложнейшие компьютерные геофизические и гидродинамические модели залежей, занимающие терабайтные базы данных. Основные производители подобного ПО — Landmark, Paradigm, Roxar, Schlumberger.

Еще одна область применения систем трехмерной визуализации — корпоративное образование. Такие системы устанавливаются в аудиториях, на тренажерных комплексах для обучения операторов и т. д.

По ту сторону экрана

В зависимости от того, как источник изображения располагается по отношению к зрителям, системы трехмерной визуализации делятся на два класса: с фронтальной и обратной проекцией. Система с обратной проекцией (проектор и аудитория находятся по разные стороны экрана) может занимать больше места в помещении из-за того, что за экраном нужно оставить пространство для проекторов и доступа к ним. Фронтальная система экономит площадь, но заставляет продумать местоположение аппарата, чтобы ничто не перекрывало падающий на экран световой поток.

Большие панорамные экраны получаются путём сшивки изображений от нескольких проекторов. Чтобы места стыков картинок были незаметны для зрителя, сшивка идет полосами с плавным уменьшением яркости одного проектора и увеличением другого.

Как образуется стерео

Стереоскопические технологии добавляют системам визуализации новое качество — возможность выводить объемное изображение. С этой целью используется бинокулярный принцип: для левого и правого глаза зрителя формируются две несколько различные картинки.

Строго говоря, объемное зрительное восприятие человека не опирается исключительно на бинокулярный характер зрения. Закрыв один глаз, вы обнаружите, что картинка не станет плоской. Дело в том, что пространственное изображение создается не на сетчатке глаза, а в мозгу, причем с учетом множества факторов. Так, в процессе аккомодации (фокусировки глаз на различных предметах с помощью глазных мышц) и конвергенции (сведении направлений взгляда левого и правого глаза) мозг получает информацию о расстоянии до объектов. Пространственное восприятие усиливается и такими эффектами, как заслонение одних объектов другими, изменение угловых размеров при удалении от наблюдателя и т. д. Механизмы происходящих в мозгу процессов досконально не исследованы, но ясно, что задачи распознавания образов и построения объемного изображения тесно переплетены между собой.

Для выделения световых потоков, направляемых к разным глазам пользователя, в системах стереоскопического отображения применяются специальные очки. В зависимости от того, каким образом разделяются левый и правый полукадры, очки могут быть пассивными или активными (снабженными электронными схемами и быстродействующими световыми ЖК-затворами).

Цветовое (анаглифное) разделение информации для левого и правого глаза знакомо почти всем. Наверняка вам попадались в рекламных буклетах причудливо раскрашенные иллюстрации, которые нужно рассматривать через очки с красным и синим пленочными фильтрами. Результирующее стереоскопическое изображение проявляет некоторые признаки объемности, но цветным его назвать нельзя.

Временное разделение информации для левого и правого глаз предполагает поочередную смену полукадров. Очки при этом должны быть активными и работать синхронно со сменой соответствующих полукадров — открывать световые затворы то для левого глаза, то для правого.

Чтобы зрители не страдали от утомления зрения, смена полукадров должна происходить по меньшей мере 110 раз в секунду. Подобная система хороша тем, что может обслуживаться одним быстродействующим проектором. Но она неудобна для зрителей: им приходится использовать громоздкие очки с ЖК-затворами и электронными схемами, от которых тянутся провода к модулю управления, или, в случае беспроводного управления ИК-сигналом, снабженные батареями для питания.

Поляризационное разделение информации предполагает, что изображения для левого и правого глаза передаются светом разной (перпендикулярно ориентированной) поляризации. Картинка на экране формируется двумя одновременно работающими проекторами с соответствующими поляризаторами. Зрители для наблюдения стереоскопического изображения надевают недорогие и легкие пассивные очки с пленочными поляризаторами.

Поляризационный метод позволяет облегчить и удешевить очки, но требует применения специального экрана, который сохраняет плоскость поляризации отражаемого или проходящего луча. Недостаток технологии — необходимость держать голову прямо (если зритель наклоняет ее, возникают искажения в виде призрачных контуров).

Чтобы снизить стоимость системы, некоторые компании совмещают временное и поляризационное разделение информации, что позволяет использовать один проектор, но требует добавления специального оптического устройства, которое периодически поворачивает поляризацию луча. Как и в системе временного разделения полукадров, в этом случае частота их смены должна быть равна 110 Гц или выше.

Спектральное разделение информации (иногда его называют узкополосным) сегодня считается наиболее перспективным. Этот метод разделения картинок для левого и правого глаза опирается на то, что человеческий глаз содержит цветовые рецепторы, регистрирующие три базовых цвета.

Строго говоря, ни мультимедийный проектор, ни компьютерный монитор, ни телевизор не воспроизводят картинку в том виде, в каком ее создает природа. Солнечный свет обладает широкой цветовой гаммой, в природе присутствуют все оттенки радуги, не говоря об ультрафиолетовом и инфракрасном излучениях. Полностью воссоздать их искусственным путем нереально. Возможность более или менее адекватно воспроизвести цветную картинку на экране зиждется на том, что наши природные цветовые рецепторы (колбочки сетчатки глаза) настроены лишь на три основных цвета — красный, зеленый и синий. Все остальные оттенки мы воспринимаем как комбинации этих цветов.

Метод спектрального разделения информации для левого и правого глаза предполагает использование узкополосных интерференционных пленочных фильтров, разделяющих каждый из трех базовых цветов на два оттенка (рис. 2). Условно говоря, подобные фильтры выделяют сине-фиолетовый и сине-голубой, зелено-желтый и зелено-голубой, красно-оранжевый и красно-кумачовый цвета.

Спектральный метод позволяет передавать полукадры для левого и правого глаз одновременно, для чего требуются два проектора, оснащенные соответствующими узкополосными цветовыми фильтрами (рис. 3). Зрители для наблюдения стереоскопического изображения надевают пассивные очки с пленочными фильтрами, выделяющими соответствующие оттенки.

Достоинства спектрального метода очевидны: можно использовать простые и легкие пассивные очки, не требуется экран, сохраняющий поляризацию лучей при их отражении или просвете, при наклоне головы не появляются фантомные изображения.

Бинокулярная стереоскопия создает на экране весьма эффектную картинку: зрителям кажется, что изображение висит в воздухе перед экраном. Четко видна пространственная структура, можно оценить взаимное расположение элементов. Будучи расположенными в разных местах в аудитории (рис. 4), зрители, тем не менее, видят одно и то же изображение. Возможность развернуть экранный объект для показа сбоку, увеличить, приблизить и т. д. реализуется программными средствами в пакете визуализации.

Для показа стереокартинки используемые программные пакеты должны быть совместимы со стандартом Open GL, тогда трехмерное изображение можно сформировать с помощью дополнительной внешней утилиты. Встречаются и встроенные средства стереоскопии — бинокулярный механизм в виде двух работающих одновременно и разнесенных в пространстве виртуальных камер. К сожалению, далеко не все пакеты трехмерного моделирования приспособлены к работе в стереорежиме.

Наметки на будущее

Понимая, что бинокулярная схема серьезно ограничивает возможности систем трехмерного отображения информации, специалисты уже сегодня говорят о перспективных голографических и объемных (волюметрических) дисплеях, которые оперируют уже не пикселами, а вокселами, т. е. пространственными графическими элементами, и не требуют применения стереоочков. Несколько зарубежных фирм ведут интенсивные исследования в данной области. Например, американская компания Actuality Systems разрабатывает волюметрические дисплеи семейства Perspecta, выглядящие как прозрачная сфера диаметром порядка 50 см, внутри которой парят объемные цветные изображения.

Внутри сферы Perspecta располагается экран в виде прозрачного полукруга, и на него проецируется изображение с DLP-проектора. Полукруг вращается с частотой порядка 24 об/с, картинка на нем меняется в зависимости от угла поворота; в результате перед наблюдателем возникает трехмерное изображение примерно из 100 млн. вокселов.

Другие прототипы объемных дисплеев предусматривают вращение матрицы светодиодных излучателей, поочередное включение собранных в пакет и освещаемых проектором ЖК-экранов и т. д. Можно ожидать, что через 10—20 лет технология объемных дисплеев будет готова к коммерческому применению. К тому времени до нужного уровня вырастет и мощность компьютеров.