Вынесенное в заголовок утверждение, наверное, у многих вызовет недоумение и скептическое отношение - откуда такая особая миссия стереоскопических средств, ведь чуть ли не у каждого сейчас на слуху, например, голография с ее фантастическими возможностями, к тому же создаются консорциумы мощных фирм-брендов для поисковых исследований и технической реализации всевозможных средств объемного отображения, заявляющие о достижении технологических прорывов в не столь отдаленное время: неужели таким штурмом не преодолеются все барьеры, чтобы заставить должным образом функционировать любые, какие потребуются, средства объемного отображения, да и некоторые из читателей, наверное, уже не раз слышали рекламные сообщения о каких-то свершающихся великих достижениях в данной сфере ?
Автор данных строк сам мечтает о возможном научно-техническом прорыве в сфере трехмерных дисплеев и прилагает свои усилия в этом направлении, постоянно проводит широкое исследование технических решений, но понимает крайнюю сложность осуществления такого прорыва, его практическую невозможность в ближайшем будущем при существующем уровне знаний законов физики, принципов построения техники и технологическом уровне. Научный вклад в эту сферу можно признать весомым только в том случае, если результатом этого вклада является либо предложение нового физически реализуемого принципа работы дисплея, либо (если берется за основу устройство с известным принципом работы) создание такой совокупности научно-технически методов, которая ведет к разработке практически ценного дисплея. Для трехмерных дисплеев практическая ценность означает способность формировать трехмерные (объемные) изображения с требуемыми параметрами разрешения, контраста, быстродействия и т.д., удовлетворяющие условиям поставленной задачи объемного отображения. Следует подчеркнуть, что речь идет об ИНФОРМАЦИОННЫХ трехмерных дисплеях, т.е. предназначенных для донесения до потребителя (наблюдателя, оператора) семантической (смысловой) информации в достаточной для решаемой задачи мере. Если же указанные параметры визуального устройства не могут в принципе ни в каком варианте реализации соответствовать основным требованиям характерных современных задач объемного отображения, то эти визуальные устройства не относятся к дисплеям, а их следует считать визуальными аттракционами для визуализации различных физических эффектов с целью удивления детей и украшения стендов выставок и рекламных шоу (и такие трехмерные визуальные аттракционы имеют полное право на существование, но цель их создания иная и критерии для их качества иные, чем у трехмерных информационных дисплеев, которые именно и являются целью данного исследования) либо удовлетворения неистребимого любопытства разработчиков (что само по себе является интересным времяпрепровождением и может натолкнуть разработчика или его слушателей на конференциях на какие-то иные мысли и навеять новые ассоциации, но сама такая работа все же не может быть отнесена к созданию ПРАКТИЧЕСКОЙ дисплейной техники, не может выдаваться за устройство, которое имеет серьезную перспективу). По сложившемуся в течение многих лет первоначально-интуитивному (и подкрепленному сейчас текущим многосторонним физико-техническим исследованием) мнению автора, только стереоскопические средства в полной мере удовлетворяют вышеприведенным критериям информационных трехмерных дисплеев. Все альтернативные (НЕстереоскопические) средства трехмерного отображения (НЕстереоскопические трехмерные дисплеи) характеризуются настолько серъезными принципиальными физико-техническими ограничениями, что реальное широкое применение такие дисплеи смогут найти только после преодоления упомянутых ограничений - но сейчас совершенно неясно никому, когда это сможет произойти (содержание специализированной литературы и реально созданной техники однозначно свидетельствует об этом факте).
Есть объективные физические законы, которые штурмом одолеть пока никому не удалось, например, построить вечный двигатель первого рода (гипотетический двигатель со 100% к.п.д. в виде термодинамически изолированной системы, которая не имеет права обмениваться энергией с другими системами). Но ведь никто не пришел в уныние из-за такой невозможности, успешно строятся разнообразные двигатели без рекордных к.п.д., которые, хотя зачастую несовершенны и даже достаточно опасны в экплуатации из-за воспламеняющегося или токсичного топлива, но тем не менее успешно применяемы, и никто от них не отказывается во имя ожидания вечного двигателя, хотя на заре развития физики многие пытались его построить, и было бы совсем неплохо его иметь, но это невозможно.
Конкретно для трехмерных дисплеев всегда надо принимать во внимание, например, давно известную специалистам проблему с динамическими рабочими средами, без успешного создания которых нельзя реализовать ни один из дисплеев. Основное преимущество стереоскопических систем состоит в том, что для них не надо специально создавать отдельную динамическую рабочую среду, поскольку стереоскопия основана на использовании стереопар, т.е. пар плоских ракурсов (проекций) той объемной (трехмерной сцены) которую надо отобразить. Воспроизвести стереопары почти всегда можно с помощью самых обычных (стандартных) моноскопических дисплеев. Поэтому все разнообразие стереоскопических средств во многом обусловлено разнообразием способов предъявления двух изображений (составляющих стереопару) порознь двух глазам наблюдателя (используя тот факт, что объемное видение человека основано на т.н. бинокулярном зрении, т.е. на способности воспроизводить в сознании человека настоящую объемную сцену путем анализа этим сознанием малых различий в геометрической структуре двух изображений, возникающих на сетчатках двух глах за счет действия их хрусталиков-объективов).
Средства трехмерного отображения помимо стереоскопических. О каких НЕстереоскопических трехмерных дисплеях идет речь ? Таковыми могут быть только два вида - ГОЛОГРАФИЧЕСКИЕ дисплеи и ТРЕХКООРДИНАТНЫЕ дисплеи (англ. наименование вторых - "volumetric displays", которое можно буквально перевести как "дисплеи с объемной метрикой"). В подразделе "Полная классификация трехмерных дисплеев" (подготавливаемом к интернет-публикации в данном разделе) заинтересованный читатель найдет доказательство того факта, что исходя из существующего понимания физических законов распространения света (законов распространения оптического изображения сквозь пространство), физически реализуемых средств регистрации параметров световой волны и с учетом свойств человеческого зрения НЕВОЗМОЖНО создать никакие другие альтернативные виды трехмерного дисплея, кроме двух вышеперечисленных, равно как невозможно создать вечный двигатель первого рода при существующих знаниях законов природы. Т.е. может существовать всего три вида трехмерных дисплеев с учетом самих стереоскопических средств, и усилия никаких консорциумов в принципе не способны изменить эту ситуацию.
Дисплеи с трехкоординатной разверткой (volumetric displays) имеют целый ряд настолько серьезных физико-технических ограничений (недостатков в свойствах формируемого объемного изображения и в сложности реализации), что здесь также, по мнению автора, тоже неопределенно долго будут сводиться на нет любые попытки создать такие дисплеи для серьезного, широкого практического применения. Однако это не исключает целесообразности создания частных видов трехкоординатных дисплеев для решения определенных задач объемного отображения. Например, заслуживает большого уважения проделанная работа по созданию реально работающего трехкоординатного дисплея, основанного на вращении отражающей плоскости, разработанный в фирме Actuality (США) -
http://www.actuality-systems.com , хотя к решению широкого круга задач объемного отображения он, к сожалению, в принципе не способен (доводы изложены ниже).
Что диктует актуальность данного исследования. В очередной раз было решено активнее возобновить свой поиск альтернативных средств объемного отображения из-за немалого удивления промелькнувшими в 2005 г. победными сообщениями на специализированных конференциях о скором появлении голографических дисплеев для телевидения, однако, поскольку вероятность технологических прорывов никогда не исключена, то следовало понять, что же послужило возможным ключом к решению такой серьезной проблемы. Было решено заодно посмотреть повнимательнее, что же стоит также за параллельно нарастающими восхвалениями в новейших публикациях достоинств трехкоординатных (volumetric) дисплеев (упорно не находящих реального применения, хотя принцип работы и основные схемы таких дисплеев был предложены более полувека назад).
Голографические дисплеи. Попытки обнаружить какие-нибудь реально работающие голографические дисплеи, решающие какие-либо мало-мальские практические задачи (не говоря уже о воспроизведении телеизображения) не увенчались успехом до сих пор (2010 г.), что навело на мысль о наступлении череды мифов в сфере трехмерных дисплеев в связи с резко нарастающим общественным пониманием ее актуальности. Помимо возможной преднамеренной "выдачи желаемого за действительное", обнаружились неправильные интерпретации из-за недостаточного понимания физики явлений, когда, например, ошибочно приписывают свойства голографического дисплея визуальным устройствам, в которых применяют дифракционные решетки или СТАТИЧЕСКИЕ голограммы в качестве оптических элементов; однако такие устройства не характеризуется никакими достоинствами настоящего голографического дисплея, каковой на самом деле реализуется только посредством применения ДИНАМИЧЕСКОЙ голографической рабочей среды, синтезирующей ДИНАМИЧЕСКИЙ голографический образ из совокупности сигналов изображения (как правило, электрических), форма последних должна описываться дифракционным интегралом Френеля-Кирхгофа от функции, представляющей сам отображаемый трехмерный объект, т.е. голографическим дисплеем должно быть смоделировано "размытие" исходных трехмерных объектов естественной френелевской дифракцией и подано в виде соответствующего светового потока в глаза (зрительный аппарат) наблюдателя. Только в этом случае будет реализован настоящий голографический образ, который дает трехмерное многоракурсное изображение исходной сцены (практически с непрерывным угловым спектром ракурсов), которое близко в принципе к идеальному с точки зрения естественности восприятия его зрением человека.
Но голографические дисплеи, как и ранее, выпадают из числа практически реализуемых на неопределенно долгое время, поскольку попытки создать для них подходящую динамическую рабочей среду длятся много десятилетий. Проблема в том, что наиболее подходящая кандидатура на роль такой динамический среды - акустооптический модулятор (АОМ) - можно реализовать только в виде одномерного устройства, если надо получить достаточную для практической динамической голографии полосу частот акустооптической модуляции (в несколько десятков гигагерц), и попытки создать двумерную голографическую среду методом стыковки большого количества одномерных АОМ приводят к недопустимо громоздким и сложным в настройке устройствам даже в случае реализации монохромного (одноцветного) изображения, что там говорить о полноцветном... Помимо этого, вряд ли с помощью голографического дисплея можно воспроизводить сцены реального мира, поскольку в этом случае надо решать проблемы подавления спекл-шумов при освещении исходных сцен лазерным излучением и вообще суметь создать нужный уровень освещенности при безопасности интенсивного лазерного излучения для участников сцены в силу опасности для зрения интенсивного лазерного света из-за его очень сильной направленности (в естественном свете голограммы создавать пока не научились, а использование статической голограммы в качестве пространственного мультиплексора множества ракурсов, создаваемыми в некогерентном свете обычными видеосредствами, вполне возможно, только это уже будет стереоскопический дисплей с голографическим мультиплексором, не позволяющим придать данному дисплею свойства голографического дисплея). Поэтому только компьютерно-синтезированные образы, похоже, можно будет воспроизводить (в отдаленном будущем, если появятся соответствующие динамические среды) с помощью голографического дисплея, но в реальном времени для расчета френелевского голографического образа надо применять фактически суперкомпьютеры, имеющие производительность на несколько порядков больше производительности традиционных компьютеров, рассчитывающих традиционные образы для предъявления их непосредственно "по их точкам".
Трехкоординатные дисплеи (volumetric displays). В трехкоординатном дисплее есть только одно объективное обстоятельство, действительно оправдывающее внимание к нему - отсутствие рассогласования аккомодации и конвергенции зрения наблюдателя (как и при наблюдении объектов реального мира). Это хорошо, но чтобы это стало достоинством трехмерного ИЗОБРАЖЕНИЯ (а не только достоинством в принципе), надо еще суметь сформировать это изображение без ухудшения его остальных важных параметров, позволяющих только в совокупности обеспечить решение любой практической задачи.
Оценим, есть ли серьезные основания утвержать, что такое достаточно качественное трехмерное изображение может быть сформировано трехкоординатным дисплеем. Достаточно с позиций геометрической оптики построить ход лучей изображения (воспроизводимого "многообещающим" дисплеем такого вида, описываемым в новейших публикациях, и основанным на послойном пассивном отражении модулированного светового пучка попеременно возникающими и исчезающими - управляемым электрически - диффузно-рассеивающими плоскостями), чтобы сразу же обнаружить присутствие строгой угловой селективности в предъявляемом визуальном образе (для выявления этого недостатка не надо строить макетов) - см.
доказательство.
Этот фундаментальный недостаток априори (заранее) уже сам по себе способен зачеркнуть все будущее таких дисплеев, причем, самое удивительное, этот недостаток не только игнорируется (о нем ничего не говорится в публикациях), но более того, делается основной упор на полное его якобы отсутствие, в результате чего возникает мнимое достоинство, которое кочует из одной публикации в другую у разных разработчиков для обоснования мотивации создания этих дисплеев !
(Вдобавок ко всему автор в процессе изложения вышеуказанного доказательства угловой селективности попутно обнаружил явление псевдоцвета из-за наличия сформулированного автором фактора неперекрытия во времени парциальных модуляционных актов по оси z, откуда вытекает, что все цвета сцены воспроизводятся таким дисплеем "наоборот", если не начать применять тотальную компьютерную трехмерную перекодировку цветов).
А практическим следствием указанной угловой селективности в образе является то, что только для одной заранее заданной позиции наблюдателя (о которой заранее "сообщили" компьютеру источника информационного сигнала) будет сформирован корректно воспринимаемый образ, т.е. невозможно корректно воспринимать формируемый образ трехмерного обьекта как несколькими наблюдателями, находящимися в разных пространственных позициях, так и одиночным наблюдателем, меняющего свою позицию. Иными словами, сложнейший в изготовлении трехкоординатный (volumetric) дисплей, рекламируемый как уникальный МНОГОракурсный, оказывается всего лишь ОДНОракурсным устройством, как и простой стереоскопический дисплей, который, однако, на три порядка дешевле относительно любого трехкоординатного, требующего к тому же сигнального источника чудовищной сложности, а стереоскопический работает фактически с стандартными источниками, и при этом может предъявлять объемные сцены сечением в многие десятки (до сотен) квадратных метров, глубиной до километра, и (при желании) почти с фотографическим разрешением, а объем сцены, предъявляемый трехкоординатным (volumetric) дисплеем, никогда не выйдет за пределы нескольких кубич. дециметров объема, занимаемого рабочей средой трехкоординатного дисплея, причем не избежать "грубого" изображения им объектов наблюдаемой сцены вдоль координаты z (по глубине сцены) из-за явной дискретности структуры визуального образа, предъявляемого здесь в виде совокупности отдельных сечений взаимно параллельными плоскостями.
Таких сечений на всю глубину рабочей среды реально может быть не больше нескольких сотен в лучшем случае, иначе крайне сложно вообще реализовать такой дисплей, т.е. будет всего, скажем, около 100-300 отсчетов-пикселей по глубине сцены протяженностью в 100 см, тогда расстояние между соседними сечениями-отсчетами будет 10-3 мм, что уже на порядок грубее, чем стандартное стереоизображение с разрешением 1024 х 768 пикселей на экране размерами 400 х 300 мм, в котором глубина по координате z воспроизводится с таким же пространственным разрешением 0,5 мм, с каким расположены пиксели моноизображения по координатам x и y (около 0,5 мм).
Конечно, исследователи имеют полное право применять любые схемы для исследования различные физические эффектов и моделирования различных объектов, в том числе в схемах трехкоординатных дисплеев, но выдавать эти схемы за прототип широко востребованных в будущем дисплеев просто несерьезно. В широкой практике дисплей с такими реальными свойствами просто мало кому нужен, для него надо еще искать узкоспециализированные задачи объемного отображения, где достаточно довольствоваться "грубыми" изображениями каркасных объектов или почти прозрачных объектов. Просмотр томографических объектов (на такую возможность указывают в публикациях) действительно на первый взляд реальное применение, но маловероятно найти желающих иметь такое "удовольствие" за крайне большие средства, которые надо израсходовать на такой дисплей. Если в престижно-рекламных целях все же потратить безумные деньги, чтобы в единичных образцах сделать такой трехкоординатный дисплей с параметрами разрешения, близкими к указанным стандартным для стереоскопического дисплея, чтобы попытаться расширить круг решаемых трехкоординатным дисплеем задач, но все равно такой рекламный ход в целом не даст значимого ускорения продвижению трехкоординатных средств трехмерного отображения в практику, поскольку отсутствие рассогласования аккомодации и конвергенции зрения при наблюдении такого образа, который сам по себе существенно искажен (изломан по глубине) по сравнению с оригиналом (и еще неясно, достаточна ли будет яркость изображения, каково реальное качество цветопередачи, что не менее важно для цели широкого применения), то пользователь, если ему дать надлежащим образом функционирующий (за счет вложения дополнительных средств) стереоскопический дисплей, наверняка предпочтет его для успешного выполнения своей работы, поскольку лучше все же наблюдать изображения более высокого качества, пусть даже воспринимаемое с некоторыми нарушениями указанного согласования (что не портит зрение, как показывают столетия наблюдения стереоизображений, и даже позволяет, например, с использованием стереоскопических очков лечить у детей косоглазие и других недостатки зрения - имеются сертификаты Минздрава России на такие практически применяемые методики). При существенных затратах на передовые стереоскопические средства указанное рассогласование иожно свести практически к нулю во многих случаях, во всяком случае, проблема рассогласования аккомодации и конвергенции представляется не настолько нерешаемой для 3ДСТЕРЕО средств, каковой она пока предстает при попытках реализовать иные виды трехмерных дисплеев.
В философском смысле для успешного продвижения в практику разработчики трехкоординатных дисплеев должны будут просто превзойти Природу, поскольку естественный ход эволюции признал целесообразность применения интеллектуального анализа различий в парах "плоских" изображений для полноценного восприятия объемности мира, т.е. Природа не стала выполнять (или не смогла выполнить в силу крайней сложности) в зрительном апарате человека единый трехкоординатный оптический анализатор наблюдаемых трехмерных сцен (тогда бы экономная Природа имела возможность снабдить человека одним глазом, а не "тратиться" на два). В то же время создание полноценного трехкоодинатного дисплея человеком по сложности эквивалентно реализации указанного трехкоординатного оптического анализатора (только задача обратная - смоделировать трехкоординатный оптический образ, а не проанализировать его трехкоординатным способом). Иначе говоря, надо реализовать "по точкам" в трехмерной рабочей среде второй (параллельный) визуальный трехмерного мир, повторив в точности уже существующий во всем размере объема исходной сцены при необходимости, и это надо обязательно сделать без появления какой-либо угловой селективности в предъявляемом наблюдателю визуальном образе. Но отсутствие указанной угловой селективности возможно только при новом фантастическом подходе - для этого надо создать искусственную трехмерную среду, в каждой точке которой в реальном времени осуществляется АКТИВНАЯ модуляция света посредством локальных изменений коээфициента пропускания самой трехмерной среды (а не пассивное рассеяние поступающего извне уже модулированного света матовыми плоскостями, составляющими псевдотрехмерную среду и характеризующимися неизменным коэффициентом пропускания в каждой точке указанных плоскостей, как это предлагается сейчас). Но создать такую активно-модулируемую монолитную трехмерную среду с одинаково большими размерами по всем трем координатамм не менее сложно (если не более), чем голографическую рабочую среду (все динамические трехмерные оптические среды пока оказываются малоэффективными при любом способе адресации, оптическом или электрическом). Предлагать сделать такой вариант для практического применения в силу его явной нереализуемости не приходит на ум даже далеким от техники исследователям; этот вариант, наверное, никогда не будет реализован в виде неживой материи (только живой мозг, если его представить как динамическую рабочую среду, физически устроен на похожих уровнях сложности трехмерной адресации). Самое интересное, что принципиально избыточно устраивать все эти сложности с искусственным трехмерным оптическим миром перед воспринимающим трехмерный образ зрительным аппаратом человека, поскольку все равно человеческое зрение превращает любое самое сложное трехмерное изображение в два "плоских" изображения, чтобы проанализировать именно их - так не целесообразно ли с самого начала строить именно такой дисплей, который рассчитан на предъявление в готовом виде именно этих пар плоских структур (а именно таковым и является любой стереоскопический дисплей, который здесь принципиально адекватен по сложности !).
Резюме. В обозримом будущем "рамки" стереоскопических (3ДСТЕРЕО) средств на самом деле будут определять собой "рамки" ареала практически реализуемых и конкурентноспособных по параметрам изображения технических решений, воплощаемых в действительно востребованные трехмерные дисплеи, для безупречной работы которых надо разрабатывать способы преодоления, пожалуй, самой важной проблемы простых стереоскопических дисплеев - возможное рассогласование аккомодации (фокусировки глаз) и конвергенции (угла сходимости зрительных осей глаз) у наблюдателя в процессе наблюдения стереоизображения. Хотя эта проблема практически не ухудшает объективные параметры формируемого стереодисплеями объемного изображения, не приводит к нарушению функционирования самого зрения (как показывают вековые традиции применения стереоскопии в разных областях человеческой деятельности), и может быть легко минимизирована, например, отдалением наблюдателя от экрана, но само наличие указанного рассогласования может приводить к дискомфорту (усталости) зрения при долгом наблюдении стереоизображения, особенно в простых стереоскопических системах с близким расположением экрана к наблюдателю. Однако всегда будут обеспечены минимальные материальные затраты при максимальном эффекте объемного отображения (вплоть до "погружения" наблюдателя в трехмерную сцену) за счет сочетания соответственно непревзойденной совместимости стереоскопических средств с существующими моноскопическими дисплеями, стандартными информационными каналами при адекватности стереоскопических форматов представления визуальной информации свойствам бинокулярного зрения человека. Следует также отметить, что утомление зрение всегда присутствует и без наблюдения стереоизображения при долгом созерцании обычного моноскопического изображения на экране близкорасположенного монитора или телевизора (и ничего страшного не происходит, никто от такого рода занятий не отказывается, а только принимает меры по понижению степени усталости глаз - отдых и т.д.). Поэтому выбор кем-либо каких-либо иных (альтернативных) средств объемного отображения (которые всегда будут два-три порядка дороже стереоскопических средств) будет оправданным только при КАРДИНАЛЬНОМ улучшении качества объемного изображения, формируемого этими средствами, чтобы не "проигрывать" по разрешении, цветопередаче, панорамности передовымстереоскопическим средствам. По всей видимости, такая конкурентоспособность голографических дисплеев если и будет достигнута, то не ранее, чем лет через 30-50, при условии удачных технологических достижений для реверсивных голографических сред, которые позволят преобразовывать электрические информационные сигналы в реальном времени с получением пространственного разрешения в среде порядка нескольких тысяч отсчетов-пикселей на 1 мм для получения хотя бы стандартного (для сегодняшних стереоскопических средств) пространственного разрешения в собственно голографическом изображении). В отношении трехкоординатных дисплеев: сложность их изготовления в варианте, удовлетворяющем условиям широкого применения, будет неоправданна в течение того же долгого периода времени ни в одной из их теоретически возможных конфигураций.
Поскольку "самотек" данной сферы очень долгое время не рождает ничего кардинального, то назрела необходимость в некоем "коньке-горбунке" - пойди туда, не знаю куда, но принеси идеальный трехмерный дисплей. В общем говоря, надо в этой сфере не иначе как "сказку сделать былью...". И реальным воплощением пути для "конька-горбунка" может стать только фундаментальное теоретико-практическое физико-техническое исследование трехмерных дисплеев, стимулирующее всемирный штурм сознанием в этом направлении, хотя автор понимает, что много исследователей может быть не заинтересовано в таком подходе в силу разных причин. Поэтому первичная цель исследования состоит в постановке собственного авторского понимания 3Д дисплеев на такой физический уровень, который позволяет генерировать собственные идеи по развитию данной сферы, а другие пусть присоединяются по мере их способности осознать важность и пользу такого подхода, в неотвратимости всеобщего признания такового в итоге автор не сомневается в силу объективности данного метода.
А самая мощная практическая помощь такому подходу (который совершенно неизвестно когда принесет революционный практический результат в виде "идеального" трехмерного дисплея, поскольку активно работающее сознание должно найти сочетание каких-то очень удачных физических идей с их соответственно подготовленным зрелым технологическим воплощением) - это эволюционное развитие имеющихся средств трехмерного отображения в соответствии с правильным пониманием их потенциальных возможностей, что выдвигает на первый план развитие стереоскопических средств и информационно-телекоммуникационной инфраструктуры для них (позволяющее уже сейчас приобщиться к наблюдению полноценного объемного изображения везде, где это целесообразно, и также способствующее все более массовой подготовительной работе общественного сознания в этом актуальном направлении).