Трехмерный (пространственный) интерфейс и виртуальная реальность. Возможности создания трехмерных изображений

Такой тип интерфейса все более востребован в последнее время. Самая убедительная иллюстрация этого — виртуальная реальность, но этим отнюдь не исчерпывается круг возможных приложений 3D (3-Dimensions, т.е. трехмерных) образов. В целом пространственный интерфейс сочетается с другими возможностями, особенно в WIМ Р- интерфейсах.

Простейший случай — это когда в WIMP-интерфейсе используются элементы объемности, к примеру такие как затенение (для кнопок, полос прокрутки и др.). Разумно используемый эффект трехмерности позволяет «подсветить» активные (или какие-то нужные) области. К сожалению, во многих интерфейсах злоупотребляют этими эффектами, скульптурно выделяя каждый фрагмент текста, меню, границы, в результате чего теряется смысл этого мощного средства. В пространственных интерфейсах сами объекты обычно плоские, но путем изменения их размеров (использование законов перспективы) создают ощущение удаленности-приближенности. Для приближения ощущения трехмерности пользуются углом освещения, размерами (о которых мы сказали) и наложениями одних изображений на другие.

Трехмерные интерфейсы в большинстве случаев относятся к интерфейсам прямой манипуляции. Смысл в том, что пользователь не отдает команды системе, а манипулирует объектами, что значительно более естественно. Первым популярным применением этого метода была корзина для удаления файлов на Macintosh (начиная с Windows 95, такая корзина стала стандартом и в ОС Windows, хотя присутствовала она и раньше). Ограничимся констатацией того простого факта, что если перетащить в нее пиктограмму файла, он будет удален.

Важно понимать еще две вещи. Во-первых, для достижения достаточной эффективности не обязательно стараться наиболее реалистично отразить действие, значительно важнее более реалистично отразить объект, над которым это действие совершается. Например, компьютерную панель управления работой осветительных приборов необязательно снабжать точными имитациями выключателей. Главное — реалистично отразить на ней план помещения и расположение источников света, равно как и показать прямую (непосредственную) связь между этой информацией и собственно выключателями. Во- вторых, бывают ситуации, когда эффективность непосредственного манипулирования уравновешивается неэффективностью физических действий пользователя.

Термин «виртуальная реальность» или «виртуальное окружение» означает, что создается такое компьютерное изображение, которое, находясь в согласии с прошлым опытом человека, интуитивно воспринимается им как естественное. Управление виртуальной реальностью стирает границу между вводом и выводом информации.

Виртуальная реальность отличается от множества других компьютерных образов выполнением следующих условий:

  • • графическое изображение должно позволять пространственные преобразования, зависящие, скажем, от пространственного положения пользователя;
  • • все три оси, описывающие положение объектов в пространстве, должны быть «активны», т.е. задействованы;
  • • изменения объектов на экране должны соответствовать их реальным изменениям в трехмерном пространстве;
  • • должно быть реализовано большинство интуитивно возможных взаимодействий с предъявляемым объектом в реальном мире;
  • • должны быть возможны преобразования объектов по всем реальным или требуемым степеням свободы;
  • • реакция объектов на воздействие должна происходить в квазире- альное время.

Виртуальная реальность есть результат отделения (можно даже сказать, отрыва) логического представления процессов от их физической сути. Для человеко-компьютерного взаимодействия под логическим представлением понимаются представления пользователя о системе. Наиболее ярким примером этого являются файловые системы — мы давно уже не задаемся вопросом, какие конкретно блоки на дисках занимают те или иные данные, более того, содержимое файлов совершенно не зависит от того, как именно и на каких носителях они лежат. Сегодня развиваются еще и виртуальные центры обработки данных, значит, кроме виртуальных систем хранения данных, внедряются и виртуальные машины. Виртуализация требует наличия средств преобразования логического представления в физическое и обратно. Для этого в качестве ресурсов могут выступать как программные, так и аппаратные средства. Главное - возможность разделения объекта виртуализации на отдельные блоки, каждый из которых можно сравнительно легко преобразовать в требуемую форму. Скажем, если мы хотим использовать многопоточную обработку, например на многопроцессорной машине, приложение должно быть разделено на потоки (thread) - относительно независимые «нити» выполнения, которые можно исполнять параллельно как на нескольких процессорах или даже машинах, так и на одном (но с точки зрения приложения тоже параллельно). В этом случае преобразователь может быть встроен в операционную среду, чтобы обеспечивать взаимодействие и изоляцию приложений и их частей. На уровне приложений, например, виртуализация существует давно: еще в 1960—1970 гг. ею пользовались для создания псевдомногоза- дачных сред. Примерно тогда же появились виртуальные машины в мэйнфреймах IBM. Это позволило перейти от пакетной обработки данных к интерактивным приложениям и обеспечить параллельную работу нескольких пользователей или приложений. Сегодня большинство операционных систем поддерживает параллельную обработку приложений и может обслуживать одновременно несколько пользователей, а средства виртуализации продолжают развиваться дальше, например, в сторону обеспечения одновременной работы нескольких операционных систем на одной машине. Современный уровень развития средств виртуализации позволяет временно не- задействованным ресурсам приносить реальную пользу. Виртуальная реальность дает конкурентные преимущества, именно поэтому и столь популярна.

Для человеко-компьютерного взаимодействия основной смысл виртуальной реальности состоит в создании автономных программных приложений, чьи абстрактные репрезентации ориентированы прежде всего на представления пользователей. В этой связи уместно помнить, что в виртуальной реальности могут происходить и невыполнимые преобразования.

Степень погружения пользователя в виртуальную реальность зависит от правдоподобности этой реальности. Погружение имеет техническое содержательно-изобразительное и индивидуально-психологическое измерения. Цель погружения достигнута, когда пользователь верит, что находится не в том мире, где находится его физическое тело. Различают внешние и внутренние факторы погружения; внешние факторы определяются используемой технологией, а внутренние отражают субъективный опыт взаимодействия с подобными объектами.

Виртуальное окружение должно соответствовать субъективным ожиданиям человека (т.е. быть почти абсолютной метафорой — см. п.4.4) и, таким образом, расширять его возможности овладения предметом и принятия решений. Разработка ПИ и инструментария должна при этом отвечать следующим принципам:

  • • трехмерность объектов на экране;
  • • прямая манипуляция и интуитивное взаимодействие с объектами вместо ввода команд;
  • • интерактивность, а не формализованная последовательность действий;
  • • мультисенсорная адресация, а не только зрительно воспринимаемая.

Эти требования вытекают из основной цели — человеко-компьютерное взаимодействие должно быть максимально аналогичным взаимодействию с реальным миром, где важны и формы, и фактура, и звуки, и осязательные ощущения, и запахи, и окружение. Все сенсорные каналы человека в идеале должны участвовать во взаимодействии. Наличие интерактивности в ПИ, особенно в web-сайтах, является важнейшим фактором, определяющим отношение к программе или сайту. Как показал ряд исследований, оптимальная для определенной целевой аудитории интерактивность значительно увеличивает позитивность восприятия (товара, услуги, компании, представленных на сайте или программы, если это ПИ программы). При этом следует помнить, что интерактивность многогранна в отношении информации, которую она сообщает, ведутся исследования влияния разной степени и разной содержательности интерактивности на заинтересованность пользователей и на их отношение к сайту, программе.

В последнее время широкий круг разработчиков стремится создать трехмерный, т.е. объемный интерфейс, который смог бы стать по-настоящему массовым продуктом. Несмотря на то, что уже известно множество способов создания объемных изображений, в этой области постоянно патентуются новые изобретения. При этом одни исследователи концентрируют усилия на создании изображений не на экране, а «в воздухе», другие — на создание трехмерных изображений, пусть даже и на экране, хотя желательно, конечно, тоже там.

В 2001 г. в Южной Корее были представлены первые разработки так называемого Walk-thru Fog Screen (прогулка сквозь туманный экран) — плоского экрана, состоящего из частиц, напоминающих дым или туман, на который проецируются изображения. Экран состоит из ламинарных потоков воздуха, которые нагнетаются сверху и перемещаются упорядоченными слоями, параллельными направлению течения. Между слоев воздуха закачивается туман, на который и происходит проекция изображения. В результате получается плавающая в воздухе картина, сквозь которую можно проходить или даже изменять ее с помощью специальной аппаратуры. Создатели предлагают использовать изобретение в качестве декораций для театров, улучшения дизайна помещений, визуальных презентаций, рекламы.

В том же году корпорация 102 Technology презентовала устройство, проецирующее на воздух изображение, которое можно крутить руками. Это устройство не создает туман или другое вещество, а изменяет свойства воздуха так, что при освещении специальными приборами на нем проецируется изображение. Оно, как и в случае с ламинарным экраном, не имеет физической глубины, является плоским, двумерным. Изобретение выпущено в продажу в виде проектора с диагональю 30 дюймов и разрешением до 1024 х 768 пикселей (и стоимостью около 25 тыс. долларов).

Другим направлением стало создание мониторов, изображение на которых выглядит объемным. Трехмерное восприятие здесь достигается за счет того, что изображение, поступающее в левый глаз, отличается от поступающего в правый. Этот эффект бинокулярного зрения используется, в частности, в стереокино: камера снимает с помощью двух объективов, расставленных как человеческие глаза, а при демонстрации фильма зрителю нужно надеть специальные очки с соответствующими светофильтрами, разными для каждого глаза.

Более перспективными являются технологии создания стереоскопического изображения без специальных очков. Их кратко можно разделить на те, которые используют расположенные на экране дисплея преломляющие микролинзы, и на те, которые используют систему слежения за головой зрителя с помощью видеокамер. Дисплеи этих типов достаточно сложны, поэтому сейчас трудно говорить об их рыночных перспективах. В 2013 г. специалисты компании HP Labs, в Калифорнии предложили весьма перспективный дисплей, который формирует изображение в воздухе на некотором расстоянии от ЖК-экрана, с углом обзора 180° — зритель может перемещаться влево и вправо по отношению к изображению, заглядывая за него [15]. При этом для достижения эффекта не требуются стереоочки или другие аксессуары. В основе метода лежит создание материала с нанобороздками, которые заставляют лучи света идти в различных направлениях, т.е. эти нанобороздки являются как бы направляющими пикселями. Далее осуществляется определенная группировка этих лучей, отражающихся от объекта, каждый под своим углом, для получения различных изображений для левого и правого глаза зрителя. Метод ярко иллюстрирует возможности манипулирования направлением, цветом и другими свойствами света, заставляя его проходить через фактурные материалы, выполненные на уровне нанометров. Количество «направляющих пикселей» определяет количество ракурсов, с которых зритель может видеть изображение. В представленном HP дисплее насчитывается 200 точек обзора при просмотре статичных изображений и 64 точки при воспроизведении видео с частотой 30 кадров/с. Данный дисплей не слишком сложен, так как представляет собой всего лишь модификацию обычного ЖК- дисплея. Вместе с тем использование всех потенциальных возможностей такого дисплея предполагает, что отображаемый на нем контент содержит столько же изображений, сколько точек обзора имеет этот дисплей, т.е. 200 в данном случае. Кстати, такое количество точек обзора не означает, что надо снимать демонстрируемый объект с 200 ракурсов — все дополнительные ракурсы могут быть воссозданы с помощью специальной программы. Отметим при этом, что дисплей не использует вращающихся зеркал, лазеров и множества графических процессоров. В нем нет движущихся частей, как в других подобных установках. Некоторые исследователи считают его серьезным прорывом за последнее 100 лет.

Сотрудники института имени Генриха Герца в Берлине представили на выставке CeBIT-2005 новую технологию создания объемных изображений «Mixed-Reality», позволяющую просматривать ЗО-изображения без специальных стереоочков. Первую такую разработку представила компания Sharp летом 2004 г. Пример такого дисплея показан на рис. 2.3. В 2004 г. германская компания SeeReal Technologies выпустила на рынок трехмерный двадцатидюймовый LCD-монитор с самым высоким в мире на тот период разрешением: 1600 х 1200 пикселей. Монитор воспроизводит 16,7 млн цветов, имеет яркость 250 кд/м2 и контрастность 400:1. В основе работы этого дисплея лежит уникальный принцип отслеживания положения глаз пользователя в пространстве: система подстраивает изображение таким образом, чтобы каждый глаз видел свою картинку При этом никаких очков не нужно. Этот дисплей пригодится не только фанатам игр, но также медикам, физикам и конструкторам, ведь он позволяет моментально получать гораздо больше информации о предмете, будь то новая деталь самолета или белок.

Похожую систему представляла в 2005 г. компания Grundig для телетрансляций. Классическая телевизионная панель была переработана: поверх экрана появился фильтр, позволяющий транслировать разные картинки для левого и правого глаз.

Пример вертикально расположенного ЗО-дисплея

Рис. 2.3. Пример вертикально расположенного ЗО-дисплея

В 2005 г. калифорнийская компания ЕР Industries запатентовала изобретение, позволяющее снимать объемное кино без использования двух параллельных потоков информации для каждого глаза. Система Circlescan 4D работает на основе эффекта Пульфриха: левый и правый глаза видят изображение с задержкой во времени благодаря тому, что на один из них надевается темный светофильтр. Из-за него человеческий мозг обрабатывает информацию на долю секунды медленнее, поэтому если камера смещается во время съемки, в разные глаза попадает разное изображение. Система Circlescan 4D работает на основе вращающихся зеркал, которые направляют изображение в объектив кинокамеры, поэтому ее движение при съемке не обязательно и не влияет на результат. Снятые таким образом фильмы могут быть показаны на самом обычном экране, от зрителя требуется лишь использование затемняющего фильтра для любого глаза.

В конце 2004 г. группа сотрудников Кембриджского университета, основавших компанию Light Blue Optics, разработала первый голо- графический проектор для мобильных устройств, основой которого является чип, способный генерировать до 200 голограмм в секунду.

В 2008 г. исследовательская группа университета Аризоны создала голографический дисплей, позволяющий динамически обновлять отображаемую информацию. Его ключевым элементом стал фото- рефракционный полимер, позволивший создавать и цветные, и обновляемые голограммы. Существо построения изображения состоит в анализе объекта в трехмерном пространстве и выработке параметров для 120 голографических пикселей, получивших обозначение hogel. Один голографический пиксель представляет собой узкую полоску на фоторефракционном материале дисплея, создаваемую при помощи двух лазеров — на один подается модулированное, на другой — немодулированное излучение.

Все 120 голографических пикселей записываются последовательно, один за другим, и располагаются на поверхности пластика в виде массива параллельных полос. Изображение затухает со временем, так что необходимо его периодическое восстановление, однако в течение нескольких часов сохраняет приемлемое качество. Для просмотра голограммы достаточно светодиодной подсветки. Голографический экран имеет размер 4x4 дюйма (примерно 10 х 10 см), уже создан более крупный монитор. Возможно обновление экрана каждые 3 минуты.

Перспективной разработкой 3 D-дисплеев можно признать работу японской компании Toshiba, предложившей технологию, позволяющую создавать объемные изображения с многометровой визуально воспринимаемой глубиной на плоском, горизонтально лежащем дисплее. Созданы два жидкокристаллических экрана размером 15,4 и 24 дюйма, которые располагаются горизонтально и проецируют изображение над собой. Физическое разрешение матриц дисплеев составляет 1920 х 1200 точек, однако сами изображения, на которые следует смотреть под углом (а не отвесно вниз), имеют разрешение 480 х 300 точек, так как при взгляде с разных положений наблюдателю открываются различные пиксели, отвечающие за тот или иной угол просмотра. Сверху матрицу прикрывает специальное стекло с решеткой из множества маленьких линз, которые обеспечивают распространение различных изображений одного и того же предмета в правильных направлениях. Кардинальное отличие от предшественников состоит именно в том, что иллюзия объемности изображения действительно создается в разных плоскостях пространства. Правда, пока изображение нельзя обойти вокруг, так как при смещении более чем на 30° картинка растает.

До сих пор стереоскопические изображения можно было просматривать только на вертикально расположенных экранах. Изменение ориентации дисплея, по мнению авторов разработки, позволит улучшить восприятие объемных образов, увеличить угол обзора и создавать целые композиции, состоящие как из виртуальных, так и из реальных объектов, т.е. обеспечить вполне реалистическое ощущение глубины. Специалисты Toshiba считают, что зрители испытывают неудобство при просмотре 3D-изображений, если они воспринимаются расположенными всего в нескольких сантиметрах от поверхности дисплея, поскольку бессознательно зритель предполагает, что пространство за дисплеем имеет бесконечную глубину.

В противоположность этому стереоскопические изображения той же высоты будут выглядеть натуральнее на расположенном горизонтально дисплее, поскольку зрители будут считать, что перед дисплеем ничего нет. Благодаря проецированию изображений объектов под разными углами никаких дополнительных приспособлений вроде специальных очков не требуется. Обычно для создания 3 D-изображений в каждый глаз наблюдателя проецируется отдельная картинка. При этом стереоскопический эффект исчезает, как только наблюдатель меняет собственное местоположение. В представленном Toshiba дисплее наблюдатель может перемещаться без потери ощущения объемности. Пример композиции из трех виртуальных и одного реального объекта на горизонтальном 3D-дисплее компании Toshiba показан на рис. 2.4.

Представители компании говорят о возможности создания в ближайшие годы плавающих над столами меню в ресторанах, о новых игровых системах и системах обучения, электронных книгах с трехмерными иллюстрациями и других подобных вещах. Впрочем, уже в настоящее время трехмерные изображения активно внедряются в практику, в частности в системы автоматизированного проектирования (САПР). Мировые лидеры в производстве САПР давно убеждают пользователей переходить на ЗО-моделирование. Компания Autodesk, ставшая ведущей в области двухмерного черчения, интен-

Пример горизонтально расположенного ЗО-дисплея компании Toshiba. Композиция из трех виртуальных и одного реального объекта

Рис. 2.4. Пример горизонтально расположенного ЗО-дисплея компании Toshiba. Композиция из трех виртуальных и одного реального объекта

сивно переходит с 2D на 3D. Следует, впрочем, уточнить, что компания предлагает не 3D вместо 2D, а 3D и 2D вместе. Конечно, совсем без 2D жить невозможно — есть огромный круг задач, которые проще и эффективнее решить в 2D. Широко известный AutoCAD, содержащийся во всех продуктах компании, поставляется теперь со всеми 3D-решениями по умолчанию.

Отдельно стоит упомянуть о разработках устройств, «обогащающих реальность» (Augmented Reality Systems). Одним из интересных примеров использования этой технологии является разработанное в Колумбийском университете устройство «The Mobile Augmented Reality System» (MARS). Пользователь, надевший специальный шлем, получает возможность читать тексты, смотреть изображения об объектах окружающей его реальности, включая людей, а также прослушивать музыку. Глядя в небо, можно будет прочесть номер рейса пролетающего самолета, а подходя к ресторану, узнать, что сегодня в меню и по какой цене. Водитель, чинящий машину, будет видеть и по ходу ремонта узнавать функцию и схему частей двигателя; полисмен, глядя на прохожих, сможет их идентифицировать и выслеживать интересующих его людей; архитекторы смогут на местности видеть новые здания - в разрезе и в разных ракурсах. Система MARS может обмениваться информацией с системой глобального позиционирования GPS. Общая схема использования системы MARS представлена на рис. 2.5.

Общая схема использования системы MARS (пример). Источник

Рис. 2.5. Общая схема использования системы MARS (пример). Источник: http://www 1 .cs.columbia.edu/graphics/projects/mars/mars.html

Совсем недавно в рамках развернутой презентации ОС Windows 10 компания Microsoft показала интерфейс дополненной реальности, который с помощью очков позволяет отображать в реальном окружении голографические объекты и дает возможность манипулировать ими (так называемый концепт HoloLens). В отличие от очков Google Glass, многие сценарии использования которых ограничиваются камерой, и Oculus Rift, которые предполагают достаточно узкие условия применения, HoloLens открывает очень интересные перспективы для работы проектировщика и дизайнера. Это взаимодействие с реальной средой, привязка элементов интерфейса к объектам в ней. Видеопрезентацию технологии можно посмотреть по адресу https:// www.youtube.com/watch ?v=aThCrOPsyuA, описание — в статье Джесси Хемпела [16].

Есть и довольно экзотические разработки, например ЖК-дисплей в контактной линзе, предложенный центром микросистемных технологий при Гентском университете в Бельгии. Такой дисплей может быть встроен в контактную линзу и полностью повторять ее форму. К линзе-дисплею подсоединены проводники, которые подают напряжение на ЖК-матрицу. Пока дисплей не может выводить произвольное изображение, и предполагается, что он будет использоваться в медицинских целях — для защиты поврежденной сетчатки или радужной оболочки глаза от яркого света, — а также в косметологии как способ окрашивания глаз в произвольный цвет. Однако в будущем планируется, что дисплей станет, во-первых, автономным, во-вторых, сможет выводить и произвольные изображения, что позволит ему заменить очки дополненной реальности, такие как Google Glass. Кроме того, такие линзы могут заменить солнечные очки, и их не нужно будет каждый раз снимать. Достаточно будет отключить питание, и линзы станут прозрачными, или включить для затемнения. Включать или выключать линзы может и датчик освещенности.

Вообще направление разработки дисплеев-линз и компьютеров- линз представляется весьма перспективным. Есть разработка контактной линзы с антенной для беспроводной подачи энергии и CMOS-схемой, обслуживающей один пиксель в центре линзы.

Лаборатория ICT Graphics Lab при Южнокалифорнийском университете еще в 2009 г. представила интерактивный панорамный (изображение можно рассматривать с любой точки окружности) световой дисплей. Дисплей основан на технологии проецирования изображения на вращающееся анизотропное зеркало.

Однако любые технологии стереовидения, как с очками, так и без них, предполагают создание иллюзии объема на плоском экране. Революцию в ЗБ-дисплеях может сделать истинное трехмерное изображение. Наиболее перспективные на сегодняшний день технологии, способные решить этот вопрос, — голографические и объемные дисплеи. Например, в 2008 г. на рынке появились дисплеи марки HoloVisio, производимые венгерской компанией Holografika. Суть ее технологии состоит в проецировании картинки двумя десятками узконаправленных проекторов, благодаря чему изображение раскладывается в пространстве дисплея как бы вглубь. Столь сложный способ визуализации дорого обходится в прямом и переносном смысле: на 72-дюймовом экране, фронтальная плоскость которого имеет разрешение 1280 х 768 пикселей, фактически имеется 73 млн воксель- ных элементов. Стоимость самого дисплея достигает полумиллиона долларов. Однако не только цена, но сложность самой конструкции останавливает массовое внедрение такого рода дисплеев. Эта сложность имеет существенное побочное свойство в виде сложности программного обеспечения в частности и воспроизводства голографического контента вообще. Именно поэтому продолжается поиск более простых и дешевых способов воссоздания объемного изображения.

Предложенный компанией Microsoft Research Cambridge голографический дисплей, названный Vermeer, представляет собой комплекс из голографического дисплея без экрана и видеокамеры, придающей системе сенсорные функции. Дисплей использует технологию проекции между двух параболических зеркал (мираскоп). Лазерный луч рисует изображение с частотой 2880 раз в секунду, последовательно проходя по 192 точкам. В результате зритель видит картинку, обновляемую 15 раз в секунду, висящую в пространстве и полностью доступную для контакта. Как раз контакт с голографическим изображением и обеспечивает видеокамера, являющаяся аналогом известного жестового манипулятора Microsoft Kinect.

Разработка японского Национального института передовых наук и технологий (Advanced Industrial Science and Technology, AI ST) и Университета Кейо совместно с компанией Burton Inc. существенно отличается от описанных технологий: найден способ генерировать действительно трехмерное изображение, а не иллюзию, основанную на том, что в разные глаза подается разная информация. Развитие новой технологии способно окончательно стереть грань между реальным и виртуальным мирами и обладает огромным потенциалом, в частности, вследствие простоты технологии. Устройство способно создавать в воздухе физически трехмерное изображение. Это серьезный прорыв в области разработок трехмерных интерфейсов. Разработки японских ученых существенно изменяют представления о пределах возможного, совмещая реальность с киберпространством.

Это, по сути дела, не голограмма; никаких специальных оптических эффектов не используется. В данном случае невидимые для человеческого глаза импульсы мощного инфракрасного лазера длительностью около 1 наносекунды (10-9 с) и частотой повторения около 100 Гц, конвергирующие с другим инфракрасным лазерным лучом, формируют прямо в воздухе небольшие сгустки плазмы — отдельные «пиксели», словно парящие в воздухе. В устройстве используется явление плазменной эмиссии в окрестностях фокуса лазерного излучения — визуально оно воспринимается как светящаяся точка или шарик. Лазерные лучи отражаются от нескольких рефлекторов, и в общей сложности за одну секунду в воздухе удается сгенерировать до сотни «парящих пикселей», которые могут располагаться в нескольких метрах от источника излучения. Как и в случае с Walk- thru Fog Screen, здесь используется специальный незаметный для глаз пар особого состава. Изображение проецируется инфракрасным импульсным лазером, который при помощи системы качающихся зеркал фокусируется на заданных точках пространства и генерирует маленькие шарики светящейся плазмы. Прибор способен зажигать в любом месте пространства до 100 таких точек в секунду, если там содержится нужный состав. Каждая точка создается одним лазерным импульсом, глаз наблюдает точки одновременно, а не последовательно, за счет эффекта остаточного изображения. Построение массива трехмерных точек осуществляется с помощью механической развертки лазерного луча, а также изменения точки фокусировки. Технология управления лазерным фокусом позволяет уже сейчас обеспечить глубину трехмерного объема в несколько метров, а в перспективе — существенно увеличить ее. Сколь бы малым ни казалось значение «100 пикселей в секунду», изображения, полученные с помощью этого устройства, — прекрасное зрелище. Из таких светящихся точек можно создавать непосредственно в воздухе сложные трехмерные изображения, которые будут подлинно трехмерными, но при этом нематериальными. Пока прибор способен создавать лишь слегка окрашенные однотонные голубоватые точки, однако в будущем, несомненно, будут разработаны устройства, создающие значительно более качественные изображения. На рис. 2.6 показаны изображения, сделанные по технологии AIST.

Этими же разработчиками создана технология Aerial 3D. Практическая демонстрация проектора Aerial 3D состоялась в ноябре 2011 г. в рамках выставки CES 2011. Технология Aerial 3D использует эффект возбуждения атомов кислорода и азота фокусированными лазерными лучами. На сегодняшний день установка способна проецировать объекты, состоящие из 50 тыс. элементов (точек), с частотой 10—15 «кадров» в секунду. В будущем разработчики планируют довести скорость до 20—25 «кадров» в секунду и перевести изображение из монохромного (зеленого) режима в цветной.

Успех, достигнутый в создании 3D-изображений, закономерно породил активную разработку стандартизированных форматов таких изображений в Интернете группой компаний во главе с корпорацией Intel и Национальным институтом стандартов и технологий США (National Institute of Standards and Technology - NIST).

Примеры изображений по технологии AIST

Рис. 2.6. Примеры изображений по технологии AIST.

Источник: www.aist.go.jp/aist_e/latest_research/2006/20060210/20060210.html

Обсуждая перспективы развития технологий генерирования изображений, нельзя обойти вниманием такое важное направление, как гибкие дисплеи. В настоящее время практически все крупные производители включились в технологическую гонку по созданию гибких дисплеев. Среди компаний-лидеров можно назвать Samsung, LG, Hewlett-Packard. Компания Hewlett-Packard (HP), например, создала материал для производства дисплеев толщиной всего 100 микрометров. Дисплеи из этого материала чрезвычайно энергоэкономичны, хорошо совмещаются с технологиями миниатюризации оперативной памяти и накопителей.

Компания LG в 2012 г. представила готовый к производству образец гибкого дисплея. Показанное устройство имеет диагональ 6 дюймов и разрешение 1024 х 768 точек. Максимальный угол сгибания может достигать 40°. Дисплей весит 14 г, имеет толщину 0,7 мм и выдерживает падение с высоты 1,5 м на твердую поверхность (рис. 2.7).

Дисплей LG. Тонкий и гибкий

Рис. 2.7. Дисплей LG. Тонкий и гибкий.

Источник: http://zoom.cnews.ru/publication/item/37360

Компания Sony в 2012 г. анонсировала 9,9-дюймовый гибкий дисплей на основе матрицы OLED. Толщина дисплея 110 микрометров, а разрешение — 960 х 540 точек (плотность элементов 111 PPI). Дисплей был представлен на бостонской Display’s Display Week 2012 в виде серии скриншотов на ноутбуке.

Презентационные гибкие дисплеи для дома, офиса и рекламных конструкций под марками NanoFlex и Nano Wrap предлагает компания Nanolumens. Дисплеи не отличаются особой тонкостью (толщина матричной подложки может достигать 4 см), но, как утверждают производители, они практически не накладывают ограничений на площадь и диагональ экрана. В доказательство своих слов они уже продемонстрировали презентационный гибкий дисплей площадью в 5 м2.

Перспективы применения прозрачных дисплеев — это системы дополненной реальности. Такого рода устройства активно разрабатываются многими компаниями, подразделяясь на три основных типа: системы-экраны, системы-очки и системы-контактные линзы. Компания Samsung, например, предполагает разработать мобильный компьютер с гибким прозрачным экраном, способный заменить как традиционный планшет, так и расширить функции доступа к информационной сети, совмещенной с видимой реальностью. Компания Microsoft в лице своего подразделения Microsoft Applied Sciences разрабатывает интерфейс для прозрачного экрана, благодаря которому человек вручную сможет манипулировать наблюдаемыми объектами. Компания Google в конце июня 2012 г. в рамках выставки Google I/O провела большую презентацию очков виртуальной реальности с прозрачными экранами. Функции такого рода устройств — звонки, видеосъемка от первого лица, работа с интернет-службами и проч.

Эволюция дисплеев выражается в гонке точности цветопередачи, разрешений и размеров изображения. Что касается цветопередачи, то большинство матриц выпускаемых сейчас дисплеев используют три основных цвета: красный, зеленый и голубой. Это соответствует разделению колбочек человеческого глаза по чувствительности. Однако имеются и отступления от этого стандарта добавлением в эту триаду 4-го цвета - белого. Дисплеи с такой технологией впервые были представлены компанией Clairvoyante в 2005 г. Впоследствии дисплеи с четырьмя элементами использовала компания Motorola (телефоны ES400, Atrix 4G). Samsung в 2008 г., купив Clairvoyante, решила развивать технологию с 4 основными цветами, оснащая матрицей RGBW (Red, Green, Blue, White) дисплеи новых смартфонов и планшетных компьютеров. В 2011 г. корпорация Sony пустила в серийное производство дисплеи с матрицей RG BW собственной разработки. В настоящее время она применяется в смартфонах Xperia Р и фотоаппаратах Cybershot DSC-RX100. Другим отступлением от 3-цветного канона явилось дополнение его не белым, а желтым цветом. Этим путем пошла компания Sharp, реализовав матрицы RGBY в дисплеях новых телевизоров линейки Sharp Aquos Quattron. Некоторые разработчики не ограничились просто добавлением одного цвета к стандартной триаде, а пошли революционным путем, работая с совсем иными цветовыми пространствами. Так, компания Apple в 2005—2006 гг. рассматривала возможность использования пространства CMYK (Cyan, Magenta, Yellow, ЫасК — голубой, фиолетовый, желтый и черный), но не решилась, а кемеровская компания «Мадлоад Креатив» рискнула и выпустила в 2010 г. линейку мониторов Typotronic с дисплеями CMYK и диагональю от 17 до 22 дюймов. Эти мониторы, как указывает производитель, не рассчитаны на повседневное использование, а только для вывода изображений перед печатью, позволяя увидеть типографский офсетный оттиск именно с той цветопередачей, какой она будет в реальности.

В отношении разрешений дисплеев следует сказать, что у разных людей разрешающая способность заметно отличается, но в среднем составляет 1 угловую минуту. Однако такая четкость присуща лишь сектору в центре, простирающемуся на 10—12° по горизонтали и вертикали. Столь скромные характеристики человеческого зрения компенсируются тем, что эта система динамическая. Глаз подобен не фотоаппарату, делающему снимки, а камере, постоянно фокусирующейся на частях картинки, которая собирается мозгом в единое целое. Технические же решения дисплеев неуклонно увеличивали именно величину их разрешения. Самое большое разрешение демонстрирует экспериментальный плазменный дисплей, созданный компаниями NHK и Panasonic. При размере диагонали 145 дюймов его экран содержит более 33 млн элементов — 7680 х 4320 точек. Такое же разрешение у 85-дюймового дисплея телевизора компании Sharp. По плотности элементов на единицу площади передовые позиции занимают дисплеи с не очень большим разрешением (1280 х 720 точек), но малым экраном. Таков смартфон НТС Rezound и Sony Xperia S. При диагонали дисплеев в 4,3 дюйма параметр point-in-inch (точек в квадратном дюйме) у них равен 342. Однако рекорд принадлежит 5-дюймовому дисплею производства LG, имеющему разрешение 1920 х 1080 точек и 440 точек в квадратном дюйме. Данный дисплей был анонсирован в мае 2012 г.

Максимальные размеры дисплеев также постоянно растут. Самым большим дисплеем сейчас является экран на стадионе Charlotte Motor Speedway в Северной Каролине (США), отражающий гонки NASCAR. Дисплей создан компанией Panasonic, он использует матрицу LED шириной 60,96 м (200 футов) и высотой 24,38 м (80 футов). Разрешение дисплея не слишком большое — 1280 х 720 точек, но учитывая расстояние, с которого смотрят на этот дисплей, данный параметр не столь важен. Разработаны также масштабные составные дисплеи, которые могут оказаться весьма перспективными при создании виртуальной реальности. Это прежде всего продукты немецкой исследовательской компании Sensory Minds и компаний Montfort Werbung, Realtime Department и radarTOUCH. Дисплей с названием Multitouch Experience Cube (Интерактивный куб) представляет собой комнату с 23 сенсорными дисплеями, расположенными на стенах по периметру. Под управлением специального программного обеспечения «Интерактивный куб» позволяет проводить презентационные мероприятия, лекции, виртуальные экскурсии в атмосфере полного погружения в материал. Создан и сферический дисплей с матовым покрытием диаметром 1,72 м (68 дюймов). Изображение проецируется четырьмя проекторами яркостью в 4 тыс. люменов каждый. Лучи проектора полностью покрывают поверхность сферы, демонстрируя специально создаваемые для такого дисплея фильмы научно-познавательного характера. Данный дисплей разработан Национальным управлением океанических и атмосферных исследований США. Сейчас в мире установлено 82 таких дисплея (в США, Японии, странах Западной Европы).

Эволюция человеко-компьютерного взаимодействия представлена в табл. 2.1.

Таблица 2.1

Развитие основных средств человеко-компьютерного взаимодействия

Формат

данных

Двоичный

код

Синтаксис

команд

Графические

объекты

Представление

объектов

Мерность

1-мерные

1-мерные

2-мерные

3-мерные

Способ взаимодействия

Основан на кодах

Язык команд

Прямая манипуляция

Сочетанный (речь, жесты,...)

Средства взаимодействия

Перфолента

Алфавитно-

цифровая

клавиатура

Графический

интерфейс

Комбинированное взаимодействие (язык, прямые манипуляции, речь и Т.Д.)

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ   След >