2.1   Основа 3Д зрения - бинокулярное зрение

    В «аппарате» зрения человека отсутствует прямой трехкоординатный анализатор световых распределений. Глаза воспринимают совокупность сферических волн, трактуемые зрением как «размытые» действием свободного пространства точечные источники света, над которыми проводится операция сжатия (обратная «размывающему» действию свободного пространства) хрусталиками глаз, фокусирующими («сжимающими») световые источники на поверхности сетчатки, формируя тем самым информацию о 3Д сцене в виде пары ее плоских (двумерных) проекций (рис.4) для последующего анализа сознанием (мозгом) человека. Глубина 3Д сцены «вычисляется» мозгом по геометрическим различиям между этими плоскими проекциями, и итоговая 3Д сцена возникает в виртуальном виде в сознании человека. В этом суть бинокулярного зрения, являющегося основой трехмерного видения человека.
    Соответствующие требования к 3Д дисплеям. Критерием отличия настоящего 3Д дисплея от всех других дисплеев - обязательное "задействование" бинокулярного зрения.

    3Д дисплей должен обеспечивать условия комфортного наблюдения отображаемых 3Д сцен (как при наблюдении натуральных сцен в природе). Зрение человека характеризуется двумя психофизиологическими свойствами - аккомодацией и конвергенцией - которые должны быть взаимно согласованы при наблюдении сцен (рис.5). Аккомодация есть фокусировка хрусталиков глаз на наблюдаемом объекте (точке 0) за счет усилий глазных мышц хрусталика (условно поверхность фокусировки обозначена как 1). Конвергенция есть пересечение зрительных осей 2 и 3 глаз на наблюдаемом объекте за счет соответствующего поворота глаз. Согласование аккомодации и конвергенции означает пересечение поверхности 1 и осей 2, 3 в одной и той же точке 0 пространства.
    Соответствующие требования к 3Д дисплеям. Отсутствие указанного согласования может вызвать дискомфорт зрения, усиливающийся при увеличении рассогласования. Минимизация (устранение) указанного рассогласования является одной из основных задач в подклассе 3Д дисплеев с "объектным двухкоординатным представлением", включающем в себя все стереоскопические (в классическом понимании) дисплеи. Это рассогласование практически отсутствует в подклассе 3Д дисплеев с "объектным трехкоординатным представлением", включающем в себя все дисплеи с "объемной метрикой" (в классическом понимании) - volumetric displays, что является одним из основных мотивов к практической разработке данного подкласса, несмотря на большие сопутствующие технические сложности.

    К числу часто используемых при 3Д-отображении свойств зрения относится свойство зрительной памяти человека хранить в течение короткого времени результат действия светового потока и аккумулировать результаты действия световых воздействий (импульсов). Длительность такой зрительной памяти зависит от интенсивности световых воздействий. Если длительность зрительной памяти оказывается меньше интервала времени между последовательными световыми импульсами данной интенсивности, то эти импульсы не воспринимаются слитно (как стационарное результирующее световое распределение), а вызывают мерцания. Определить величину частоты поступления световых импульсов (кадров изображения), соответствующей отсутствию мерцаний, можно по эмпирической формуле Fmin = 9,6 lg(E+2,3), где E – световая экспозиция глаз (световой поток в люксах) [Э1]. Важно, что каждый участок сетчатки глаза при этом должен рассматриваться отдельно в отношении частоты поступления на него импульсов света, поскольку каждый участок сетчатки воспринимает "свой" участок 3Д сцены. Заметность мерцаний на некотором участке сетчатки, возбуждаемым импульсным светом (и степень дискомфорта наблюдателя), зависит от площади этого участка, а также от характера светового распределения, поступающего на другие участка сетчатки. Большие площади импульсного светового распределения мерцают заметнее, чем малые при одинаковой плотности интенсивности импульсного светового потока.
    Соответствующие требования к 3Д дисплеям. Если частота предъявления будет существенно меньше указанной величины, то либо возникнут сильные мерцания наблюдаемого суммарного светового распределения, либо (при очень больших временных промежутках между подачами отдельных 1Д световых распределений) зрение человека не будет воспринимать их как некоторую суммарную картину, что приведет к сильному дискомфорту зрения. На практике частота кадров 100 Гц является достаточной для малозаметности мерцаний стереоизображения средней яркости () для номального углового поля зрения, не включающего в себя периферийное зрение и при отсутствии динамических световых потоков, создаваемых, например, люминесцентными лампами. При кадровой частоте 120 Гц мерцания отстутствуют даже при наблюдении световых потоков уровня солнечного освещения.. Следует отметить, что заметность мерцаний зависит также и от продложителдьности наблюдения.

    Ряд вспомогательных механизмов зрения помогает бинокулярному зрению в получении более реалистичного восприятия 3Д сцен и в однозначном распознавании протяженности 3Д сцен в «трудных» случаях.
    Разрешение глаза и угловые характеристики восприятия объема. Приближенная зависимость разрешения глаза от угла восприятия относительно зрительной оси глаза показана на рис.6. Максимальное разрешение (несколько угловых минут) характерно только для центрального (20⁰-30⁰) углового поля зрения (УПЗ). Величина углового разрешения глаз зависит от способа реализации 3Д изображения [ссылка на статью Бобринева] Полное суммарное УПЗ двух глаз составляет около 180⁰ по горизонтали и 135⁰ по вертикали, однако УПЗ восприятия объемного изображения составляет 120⁰х135⁰ (120⁰ есть общая область УПЗ для обоих глаз). Размер зрачка глаза колеблется в среднем от 2 до 8 мм в зависимости от освещенности сцены.
    Соответствующие требования к 3Д дисплеям. Реализация расширенного поля зрения возможна, например, за счет взаимной состыковки ряда световых распределений, создаваемых несколькими дисплеями, при этом центральный дисплей долже создавать изображение с наиболее высоким угловым разрешением, а периферийные - допускается с существенно меньшим без потери объема визуальной информации (как это следует из кривой разрешения). Это позволяет устранить эффект рамки и способствует максимальной погруженности в наблюдаемую сцену.     Саккады. Интересным психофизиологическим свойством зрения человека являются саккады – непроизвольные микродвижения глаз в процессе рассматривания объектов сцены. Основное назначение саккад – обеспечить биохимическое функционирование оптических рецепторов сетчатки, которые в случае непрерывного светового потока теряют чувствительность (перестают воспринимать свет). Присутствие саккад вводит временную модуляцию в интенсивность светового потока для каждого из рецепторов, предотвращая тем самым потерю чувствительности рецепторов даже в случае полностью неподвижных наблюдателя и воспринимаемого им визуального объекта. Наличие саккад, как полагает ряд исследователей, является важным также и для формирования натуральности, «живости» наблюдаемых 3Д сцен, поскольку микродвижения глаз приводят к соответствующим микроизменениям в угле зрения на наблюдаемый объект 0 (рис. 7), что позволяет глазам всегда оглядывать объект со «слегка» разных позиций.
    Соответствующие требования к 3Д дисплеям. Для того, чтобы были "задействованы" саккады при просмотре 3Д сцены, воспроизводимых 3Д дисплеем, он должен не только создавать изображение с достаточно высоким угловым разрешением, но и предъявлять различные ракурсы при микроизменениях угла наблюдения, обусловленныых саккадами.
    На рис.5a приведены примерные спектральые характеристики зрительного аппарата человека: глаза в целом и цветовых рецепторов по отдельности. Цветное зрение человека определяется совместной работой трех цветовых рецепторов, находящихся в т.н. колбочках, которые работают при достаточно высокой интенсивности (яркости) попадающего в глаза светового потока. Колбочки сосредоточены в основном в центральной области сетчатки. Преимущественно в периферийной области сетчатки расположены т.н. палочки, которые одинаково реагируют на все цвета, и начинают работать при малой интенсивности света (для которой колбочки недостаточно чувствительны). Палочки характеризуются лучшими временными характеристиками, чем колбочки (способны реагировать на более быстрые временные изменения светового потока).
   Следует отметить существенно разную чувствительность глаз к трем основным цветам, в относительных единицах ее можно оценить в среднем как G(550 нм):R(630 нм):B(460 нм)=17:3,7:1.
    Отдельные спектральные характеристики трех цветовых рецепторов в сумме дают общую спектральную характеристику глаза (верх рис. 5а). Спектральная характеристика каждого из цветовых рецепторов показаны на рис.5а внизу условно с одинаковым максимальным уровнем для того, чтобы была возможность оценить эффективную ширину каждой спектральной кривой (на уровне 0,5), которая составляет около 50-80 нм.
    Соответствующие требования к 3Д дисплеям. Высококачественный 3Д дисплей должен без искажений передавать цветовую гамму объектов 3Д сцены, что может быть существенным затруднением при реализации, например, объектных трехкоординатных дисплеев.
   Знание спектральных характеристик глаз позволяет, например, строить 3Д дисплеи со спектроделительной стереопарой, а знание разности в чувствительности глаз к спектральным составляющим строить 3Д дисплеи с цветоделительной стерепарой.
    Знание спектральных характеристик глаза важно для построения 3Д дисплеев на основе анаглифических, цветокоммутируемых и спектроделительных стерепар.
    Существует ряд семантических (смысловых) признаков изображения, по которым сознание человека способно качественно (но не количественно, как с помощью бинокулярного зрения) распознавать протяженность наблюдаемых 3Д сцен, например, перекрытие (occlusion) дальних объектов непрозрачными ближними, линейная и воздушная перспектива сцены, параллакс вследствие движения (motion parallax) объектов, взаимное затенение, изменение контраста, цветового тона (chromostereopsis) и степени размытости текстуры (texture gradient) объектов в зависимости от их удаленности.
    Соответствующие требования к 3Д дисплеям. Изображение 3Д сцены, формируемым дисплеем, не должно своим содержанием противоречить указанным семантическим признакам. Например, 3Д дисплей "обязан" обеспечивать визуальное перекрытие дальних объектов более близкими непрозрачыми объектами, ходящимися на той же оси наблюдения. В противном случае 3Д дисплей не будет конкурентноспособным по достоверности отображения.