Doktoranci Politechniki Krakowskiej stworzyli nakładkę do wyświetlania obrazu w 3D

Zbudowali autorską platformę autostereoskopową pozwalającą na dynamiczne wyświetlanie obrazów trójwymiarowych i eksplorację zjawisk percepcji głębi bez używania specjalnych okularów. Za swój projekt otrzymali pierwszą nagrodę dla doktorantów na tegorocznej Uczelnianej Sesji Kół Naukowych Politechniki Krakowskiej.

 

Autostereoskopia oparta na barierze paralaksy to technika, która jest znana ludzkości od ponad 100 lat. – Naszym celem nie było "wynalezienie" czegoś zupełnie nowego, tylko opracowanie i przetestowanie własnego prototypu systemu autostereoskopowego  – mówi mgr inż. Michał Dolina, doktorant drugiego roku Szkoły Doktorskiej Politechniki Krakowskiej, specjalista IT na Wydziale Informatyki i Telekomunikacji PK.

 

Tak powstał system VisScope - Michał Dolina i mgr inż. Jakub Dec (również doktorant drugiego roku) wykonali go całkowicie samodzielnie w ramach Koła Naukowego Grafiki Komputerowej Visgraph, którego są opiekunami. Całość działa w czasie rzeczywistym i może prezentować różne rodzaje trójwymiarowych treści na zwykłym ekranie LCD. Technologia nie jest nowa. Była już stosowana chociażby w popularnej na przełomie lat 2009/2010 przenośnej konsoli do gier wideo Nintendo 3DS. – To jest nasza interpretacja i implementacja tej techniki w postaci działającego systemu, który można wykorzystać np. do wyświetlania interaktywnych grafik, materiałów promocyjnych czy nawet zaprogramowanych scen 3D – podkreśla Jakub Dec.

 

 

DIY, czyli “Do It Yourself”

 

 

Ludzie widzą świat trójwymiarowo dlatego, że mają parę oczu, które są umieszczone w pewnej odległości od siebie. Każde oko widzi obraz pod nieco innym kątem, a mózg automatycznie łączy te dwa obrazy w jedno przestrzenne wrażenie głębi. Z racji tego, że „głębia” jest wyłącznie interpretacją na poziomie mózgu, możliwym jest, aby wywołać to samo wrażenie sztucznie, bez fizycznej głębi. – Nasze urządzenie działa na tej samej zasadzie, ale zamiast dwojga oczu patrzących na prawdziwą, trójwymiarową scenę, mamy dwa obrazy wyświetlane jednocześnie na płaskim ekranie. Przed ekranem znajduje się przezroczysta folia z precyzyjnym układem pionowych pasków - tzw. bariera paralaksy. Jej zadaniem jest skierowanie każdego z tych obrazów do oczu oglądającego w taki sposób, aby lewe oko widziało inny obraz niż prawe – mówi Michał Dolina.

 

Choć samo wygenerowanie obrazu nie wymaga skomplikowanych obliczeń, zaawansowana matematyka jest potrzebna do precyzyjnego wyznaczenia fizycznych parametrów bariery paralaksy – takich jak szerokość i rozmieszczenie przesłon – tak, aby działała poprawnie w konkretnym środowisku. Znając właściwości zarówno ekranu, bariery jak i oglądającego i ich wzajemne relacje można dosłownie zmusić komputer do „spojrzenia oczami oglądającego”  – Opracowaliśmy silnik graficzny, który działa tak, jak ludzki wzrok, tzn. obserwuje wirtualny świat przez dwie kamery a potem konstruuje z tego obraz „współpracujący” z barierą paralaksy – mówi Jakub Dec.

 

Następnym krokiem było zaprojektowanie samego urządzenia, a więc odpowiedniej ramki z regulowanym odsunięciem od ekranu oraz wydrukowanie i złożenie nakładki z wmontowaną w nią barierą. – To wszystko brzmi nieskomplikowanie, bo największa praca odbywa się tak naprawdę w naszym mózgu - przy odbiorze docierającego do naszych oczu obrazu. Niemniej, technologia jaka stoi za “oszukaniem” oczu, by wydziały trójwymiarowo coś, co trójwymiarowe nie jest, to skomplikowany proces dużych obliczeń cyfrowych i dużej dawki “zabawy” z percepcją – mówi Michał Dolina.

 

 

Czy to już czas hologramów?

 

 

Przygotowany przez doktorantów silnik graficzny służy do wyświetlania prostych scen  trójwymiarowych, ale naukowcy przygotowali też skrypt składający dwa obrazy stereoskopowe oraz dwa prerenderowane (uprzednio przygotowane w programie wizualizacyjnym) stereoskopowe filmy. Skrypt działa też w przypadku filmów pełnometrażowych nakręconych w technologii trójwymiarowej. – Jeżeli obraz źródłowy jest zarejestrowany poprawnie, to wytworzenie iluzji głębi jest praktycznie pewne – podkreśla Jakub Dec. – Osiągnięcie tego efektu jest też możliwe z niestereoskopowego obrazu, bądź filmu dzięki zastosowaniu sztucznej inteligencji, którą można wykorzystać do wyprodukowania maski głębokości i na jej podstawie sztucznie odtwarzać głębię obrazu (tak jak w przypadku „zdjęć 3D” dostępnych na niektórych platformach social media), ale to nadal jest tak naprawdę ten pierwszy etap procesu - pozyskanie obrazu stereoskopowego – dodaje.

 

Obraz trójwymiarowy można oglądać w zwykłych warunkach domowych oświetlonego (lub nie) pomieszczenia. Nie potrzeba żadnych projektorów, ciemni ani specjalnych źródeł światła. Ważne jest jednak, by patrzeć na ekran z odpowiedniej odległości i pod właściwym kątem. – Wtedy efekt 3D jest najlepiej widoczny, bo będzie mniej zjawisk, które mogą zniszczyć tę iluzję – mówi Michał Dolina.

 

Jakość widzianego obrazu zależy przede wszystkim od trzech aspektów:

1. Precyzji dopasowania folii paralaksy do ekranu: Folia musi być idealnie ustawiona względem pikseli ekranu. Nawet drobne przesunięcie/skręcenie folii względem ekranu może spowodować, że obraz będzie zniekształcony. Mowa o przesunięciach rzędu 0,5 mm a nawet mniejszych.
2. Rozdzielczości wyjściowej obrazu: Ponieważ wyświetlane są dwa widoki na raz, każdy z nich zajmuje tylko część fizycznej rozdzielczości ekranu. Im szersze pasy projekcji tym bardziej rzuca się w oczy ich obecność i tym bardziej rozpraszają oglądającego. Ograniczeniem tu jest rozdzielczość ekranu, na którym przeprowadzana jest projekcja - najmniejsza szerokość takiego paska to 1 piksel docelowego ekranu.
3. Jakości folii: Im dokładniej wykonana bariera paralaksy, tym czystszy i bardziej stabilny obraz.

 

Jeśli nie teraz, to kiedy?

 

 

Doktoranci mają już plan na to, aby ulepszyć i rozwinąć swoje rozwiązanie. Przede wszystkim w temacie zachowania czystości efektu 3D w czasie ruchu odbiorcy. – Ruch głowy znacząco zaburza efekt, stąd chcemy opracować system dynamicznego pozycjonowania bariery paralaksy w zależności od pozycji głowy przed ekranem. To jest usprawnienie, które Nintendo wprowadziło w drugiej wersji konsoli 3DS – mówi Jakub Dec. Naukowcy myśleli o komercjalizacji swojego rozwiązania, ale jeśli taki krok nastąpi, to dopiero po obronieniu doktoratów.

 

W ramach swoich przewodów doktorskich w Szkole Doktorskiej Politechniki Krakowskiej Michał Dolina i Kuba Dec zajmują się lingwistyką obliczeniową, czyli analizą języka naturalnego za pomocą narzędzi informatycznych i matematycznych. – Szukamy ukrytych wzorców i struktur, które trudno zauważyć gołym okiem. Patrzymy na tekst nie tylko jako zbiór słów, ale jako tzw. system złożony. Chcemy zrozumieć, jakie wzorce pojawiają się w nim jako w pewnej „całości”, jak bardzo są regularne, i czy zachowują się podobnie na różnych poziomach: od pojedynczych zdań po całe rozdziały, książki i zbiory – tłumaczy Michał Dolina.

 

Żeby zobaczyć jak słowa i zdania się ze sobą łączą używają m.in. analiz struktur sieciowych oraz multifraktalnych. Te metody pozwalają ocenić stopień złożoności i różnorodności tekstu w różnych skalach – od poziomu pojedynczych zdań po całe korpusy. Innymi słowy: umożliwiają sprawdzenie, czy struktura tekstu zachowuje podobny charakter niezależnie od skali obserwacji, czy też ujawnia nowe cechy w miarę rozszerzania kontekstu. – To nie mówi nam, gdzie dokładnie tekst się zmienia, ale pozwala zobaczyć czy – przykładowo - jest jednolicie monotonny, czy złożony losowo, czy może raczej złożony, ale w kontrolowany sposób - ma w sobie rytm, zmienność i bogactwo tych struktur. Te cechy później klasyfikujemy i z tych klasyfikacji można wyciągać kolejne wnioski - pozwala to np. na wykrycie fragmentów pisanych przez kogoś innego – mówi Jakub Dec.

 

W przyszłości, już po zakończeniu doktoratu, naukowcy chcą wrócić na ścieżkę badawczo-rozwojową związaną z grafiką komputerową. Czy to się uda? – Zobaczymy, ale na pewno nie przestaniemy działać w tym kierunku – mówią zgodnie.

 

« powrót