Một cách tiếp cận cho hiện hình ảnh ba chiều

Một cách tiếp cận cho hiện hình ảnh ba chiều

Một số vẫn đề chọn lọc của Công nghệ thông tin, Hai Phong 25 - 27 thang 8 nam 2005

MOT CACH TIEP CAN CHO HIEN THI HINH ANH BA CHIEU

Lê Hải Khôi, Đỗ Năng Toàn, Phạm Thế Anh, Trịnh Xuân Hùng

Viện Công nghệ thông tin

Tóm tắt: Hiển thị hình ảnh ba chiều là dich hướng tới của các kỹ thuật công nghệ thông tin hiện đại nhằm giúp con người có thể tương tác một cách thân thiện với máy tỉnh Báo cáo này trình bày và phân tích các khía cạnh kỹ thuật của cúc thiết

bị hiển thị 3 chiều hiện có trên thị trường Trình cơ sở đó trình bày một quan điểm

iy giải cho nguyên lý của các thiết bị và phỏng đoán sự ra đời của thiết bị hiển thị

3 chiều mới gắn gũi với con người hơn

1 GIỚI THIỆU

Từ trước tới nay, để tạo cảm giác thực khi quan sát ảnh, người ta vẫn hay dùng một số kỹ

thuật như chiếu phối cảnh đối tượng, hay tạo bóng của đối tượng, Tuy nhiên, tất các các kỹ

thuật đó chỉ làm cho con người có cảm giác dường như cảnh đang xem là thực, con người vẫn

không thê cảm nhận được chiều thứ ba của đối tượng Hiển thị ba chiều hay còn gọi là hiển thị

stereo là một kỹ thuật biéu diễn một đối tượng trong thế giới ba chiều lên mặt phẳng hai chiều

mà làm cho con người vẫn cảm nhận được chiều thứ ba của nó Thông thường, để quan sát được

các hình ảnh stereo cần phải có các thiết bị phần cứng hỗ trợ như: Card màn hình hỗ trợ stereo,

kính quan sát stereo, thiết bị Emitter truyền tín hiệu tử card màn hình đến kinh quan sát

Trên cơ sở trình bày và phân tích các khía cạnh kỹ thuật của các thiết bị hiển thị 3 chiều

hiện có trên thị trường Báo cáo đưa ra một quan điểm lý giải cho nguyên lý của các thiết bị và

phỏng đoán sự ra đời của thiết bị hiển thị 3 chiều mới gần gũi với con người hơn

Phan con lại của báo cáo được tổ chức như sau: Phần 2 trình bày các thiết bị phần cứng phục vụ cho hiển thi stereo Phan 3 trình bày hiển thị stereo đưới góc nhìn của phép chiếu Trên

cơ sở đó đề xuất một cách tiếp cận mới cho hiển thị stereo Phần cuối cùng là liết luận về vấn đề van dé nghiên cứu

2 THIẾT BỊ PHÀN CỨNG PHỤC VỤ CHO HIẾN THỊ STEREO

2.1 Thiết bị phần cứng

a) Kính nỗi mầu (AnaglyphGlass)

Mất trái kính được gắn một bộ lọc màu màu đỏ có tác dụng chỉ cho các tia sáng màu đỏ

đi qua, còn mắt phải được gắn một bộ lọc màu xanh có tác dụng chỉ cho các tia sáng màu xanh

đi qua Người ta chiếu hai hình ảnh của cùng một đối tượng lên mà hình bằng hai máy chiếu màu là đỏ và xanh tương ứng Khi dùng kính quan sát các hình ảnh đỏ, xanh trên nền trắng thì

Một số vẫn đề chon lọc của Công nghệ thông tìn, Hải Phòng 25 - 27 tháng 8 năm 2005

mắt trái của kính (đỏ) chỉ cho các tia sáng đỏ mà không cho các tia sáng xanh đi qua, do vậy

những điểm ảnh đỏ nhìn qua mắt kính trái sẽ hoà lẫn với màu nền đỏ nên mắt trái không quan sát được các điểm ảnh đỏ, còn các tia sáng xanh sẽ bị mắt kính trái khuyếch tán nên những chỗ

có điểm ảnh xanh sẽ không có ánh sáng tới mắt, do đó mắt sẽ nhìn thấy chúng như những điểm ảnh màu đen trên nền đỏ Ngược lại, mắt kính phải (xanh) chỉ cho các tỉa sáng xanh đi qua mà

không cho các tia sáng đô đi qua nên các điểm ảnh màu đỏ nhìn qua mắt kính phải sẽ là những điểm ảnh đen trên nên xanh và những điểm ảnh xanh thì không nhìn thấy do bị hoà lẫn với màu

nên xanh

Tuy nhiên, trong một số trường hợp các tia sáng màu xanh vẫn bị lọt qua mắt trái va ngược lại các tia sáng màu đỏ vẫn bị lọt qua mắt phải, điều này sẽ ảnh hưởng đến tính chính xác

khi quan sát ảnh (hình 1) Nói chung, loại kính này vẫn còn nhiều hạn chế và ảnh kết quả mà

mắt quan sát được chỉ là ảnh đen trắng

Hình 1 Kính AnaglyphGIlass và hai hình ảnh đó, xanh của chiếc ghế

b) Kính nỗi ShutterGlass

Đề mắt vừa có thể thé quan sát được ảnh nỗi vừa cảm nhận được màu sắc của đối tượng,

người ta sử dụng kính có khả năng phân cực các hình ảnh cho mỗi mắt: Một trong những loại kính đó là kính ShutterGlass, đi kèm loại kính này cần có thiết bị phần cứng khác là một bộ truyền tín hiệu (Emitter) từ card màn hình (hỗ trợ stereo) đến bộ cảm ứng của kính Nguyên lý

làm việc của các thiết bị đó như sau: mỗi khi màn hình được vẽ lại (refresh) thì card màn hình

sẽ lần lượt xuất các hình ảnh trái, phải của đối tượng ra màn hình với một độ trễ At rất nhỏ, thiết

bị Emiter sẽ truyền tín hiệu đến bộ cảm ứng trên kính biết để thu các hình ảnh tương ứng vào mỗi mắt Nghĩa là, khi card mà hình xuất hình ảnh trái ra màn hình thì thiết bị Emitter sẽ truyền tín hiệu cho bộ cảm ứng trên kính biết đề mắt trái của kính thu được hình ảnh trái, khi card màn hình xuất hình ảnh phải ra màn hình (chận lên hình ảnh trái) thì thiết bị Emitter sé truyén tin

hiệu để mắt phải của kính thu được hình ảnh phải Mỗi khi mà hình được vẽ lại thì cả hai hình ảnh trái, phải trên màn hình sẽ bị xoá và card màn hình lại tiếp tục xuất cặp hình ảnh trái, phải

mới Quá trình xuất ảnh và thu ảnh được thực hiện đồng bộ và lặp lại với tần số rất nhanh (hình

2) Bởi vậy, khi đeo kính mỗi mắt của ta sẽ quan sát được chính xác một hình ảnh trái, phải

tương ứng của đối tượng, các hình ảnh này được gửi đến não và sẽ được não tổ hợp để tạo ra độ

sâu của đối tượng

397

Một số vẫn đề chọn lọc của Công nghệ thông tin, Hải Phòng 25 - 27 tháng 8 năm 2005

_ _ _ _ _ ——=—====== _ _===Ẻ= ỏ _ _—===Ễễễễễễ ==ẽẼ====ễ

SyncCord

for IR tink}

Graphics Card Sends L&R images sequentiaty

te CRT monitor

Shutter Glasses altemate © L&R in sync with flipping screen

Hình 2 Nguyên lý hoạt động của kinh ShutterGlass 2.2 Nguyên lý hiển thị Stereo

Con người có khả năng cảm nhận được chiều thứ 3 của đối tượng là vì chúng ta có hai

mắt để quan sát đối tượng (binocular vision) Do vị trí của hai mắt là khác nhau nên khi quan sát đối tượng sẽ tạo ra hai hình ảnh của chính đối tượng nhưng chúng bị lệch nhau một góc rất nhỏ, tức là ở mỗi vị trí ta đã quan sát được hai góc độ khác nhau của đối tượng Có thế dễ dàng kiểm

chứng tín hiệu binocular vision cia ching ta bằng ví dụ đơn giản sau: dat ban tay của bạn ở

trước mắt 30 em, sau đó lần lượt nhắm mỗi mắt lại, kết quả bạn sẽ thấy bàn tay nhảy từ bên trái qua bên phải Như vậy, khi chúng ta quan sát một đối tượng bằng hai mắt thì thực tế là chúng ta

đang quan sát được hai hình ảnh của đối tượng (với sự chênh lệch rất nhỏ mà chúng ta không nhận ra), hai hình ảnh này sẽ được gửi đến não và bộ não sẽ tổ hợp chúng lại để tạo ra một đối tượng ba chiều (hình 3)

xo V2

yk Não Hình 3 Quá trình thu nhận ảnh của con người

Sự khác nhau về vị trí giữa các điểm nhìn của hai mắt gọi là binoeular disparity hay còn goi la eye seperation Binocular disparity la dang tín hiệu được bộ não hay sử dụng nhất dé cảm

nhận độ sâu của đối tượng bởi vì việc tổ hợp hai hình ảnh được bộ não thực hiện rất đơn giản

Vậy khi nhắm một mắt lại, con người có thể cảm nhận được độ sâu của đối tượng? Khi nhắm một mắt lại, con người vẫn có thể cảm nhận được độ sâu của đối tượng bằng cách cho đầu

chuyển động, khi đầu chuyên động sẽ quan sát được các góc độ khác nhau của đối tượng, một

Một số vẫn đề chọn lọc của Công nghệ thông tin, Hải Phòng 25 - 27 thắng 8 năm 2005

dãy liên tiếp những hình ảnh này (được tạo bởi một mắt) sẽ được gửi đến não, bộ não sẽ tổ hợp

chúng để tạo ra chiều thứ ba của đối tượng (hình 4)

Hình 4 Quan sát đối tượng bằng một mắt (mắt phải) Bắt chước quá trình thu nhận ảnh của con người, người ta tạo ra hình ảnh 3 chiều bằng

nguyên lý sau: Thứ nhất, với mỗi đối tượng sẽ tạo ra hai hình ảnh của nó bằng cách đùng hai camera dé chiếu nó lên mặt phẳng chiếu, hai hình ảnh này sẽ lệch nhau một góc rất nhỏ (hình 5) Sau đó, người xem sẽ đeo kính stereo để quan sát các hình ảnh đó Kính sẽ lọc các hình ảnh để

méi mat chỉ nhìn được một hình ảnh tương ứng

Camera trai

Mặt phẳng

chiếu

Hình 5 Dang hai camera dé tgo ra hai hình ảnh của đỗi tượng

3 HIẾN THỊ HÌNH ẢNH THÔNG QUA PHÉP CHIẾU

3.1 Phép chiếu phối cảnh

a) Phép chiếu một tâm chiếu

Giả sử mặt phẳng chiếu là mặt XOY, tâm chiếu M có toạ độ (0,0,-1⁄r), điểm P(x,y,z)

được chiếu lên mặt phẳng chiếu thành điểm P° có toa dé (x’,y’,z’) nhu hình 6 Ta xác định các toạ độ của P° như sau Ta có z° = 0

399

M6t sé van 48 chọn lọc của Công nghệ thông tin, Hải Phòng 25 - 27 tháng:8 năm 2005

—ễẳằ.——————— .—=—=_=. CC

Hình 6 Pháp chiếu phối cảnh một tâm chiếu

ƠI † ' t

Ta có; AMH’P’ ~ AMHP => JP MPL, MP

HP MP x MP AMOP'~AMNP> 2“ „ MO _ MP 1íz

Tương tự, y'=

l+rz Vậy ta có điểm P(x,y,z,1) bj chiếu thành P,y,z,l) được xác định như sau: P\ * —— 0,1) Hay P, y, 0, l+rZ)

l+rz l+?z

Gọi ma trận biến đổi của phép chiếu phối cảnh một tâm chiếu là:

đa @, @, a

d, d, d, d,

a 4, a a,

b, b; by b

ad, d, d, d,

Một số vẫn đề chọn lọc của Công nghệ thông tin, Hải Phòng 25 - 27 tháng 8 năm 2005

CD _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _

x=ax+b,y+cz+d,

=4;x+b,y+c,z+d

o y=đ; 2} + C; > Y(x,y,x)

O=a,x+b,yt+ce,z+d,

l+rz=a,x+b,y+c¿z+d,

a, =1,b, =0,c, =0,d, =0 1000

=0,b, =1, =0,đ, =0 0 100

Do dé, 1? TT 7 Vay, T=

a, =0,b, =0,c, =r,d, =l 0001

b) Phép chiếu nhiều tâm chiếu

Phép chiếu hai tâm chiếu có thể được tạo ra từ phép chiếu một tâm chiếu kết hợp với một

phép xoay (hình 7)

Ta có,

Tuong ty nhu vay, phép chiéu ba tâm chiếu có thể được tạo ra từ phép chiếu hai tâm chiếu kết hợp với một phép xoay Hay từ phép chiều một tâm chiếu kết hợp với 2 phép xoay 3.2 Hién Stereo dưới góc nhìn của phép chiếu

Để hiển thị stereo người ta phải tạo ra hai hình ảnh phối cảnh của cùng một đối tượng ở

hai góc độ khác nhau, trong thực tế việc này được thực hiện bằng cách dùng hai camera ở hai vị trí khác nhau để chiếu vào đối tượng Làm như vậy ta sẽ thu được hai hình ảnh phối cảnh của

401

Một số vẫn dé chọn lọc của Công nghệ théng tin, Hai Phong 25 - 27 thang 8 năm 2005

đối tượng với một sự sai khác nhỏ tương tự như khi ta quan sat đối tượng bằng hai mắt vậy, sau

đó người xem sẽ dùng kính nổi để quan sát các hình ảnh đó sao cho mỗi hình ảnh phối cảnh được tạo ra bởi mỗi máy chiếu chỉ đi đến được một mắt tương ứng, hai hình ảnh phối cảnh đó đồng thời đi vào mỗi mắt và sẽ được gửi đến não để bộ não tổ hợp chúng tạo ra sự cảm nhận về

độ sâu của đối tượng (hình 8) Đây chính là trường hợp thể hiện bởi hai tâm chiếu kết hợp với

một phép xoay

Hình 8, Hién thi stereo với người hai mất Đối với người chỉ còn một mắt, họ vẫn có thể quan sát được ảnh nổi bằng một loại kính đặc biệt khác nhưng vẫn cho hiệu quả y như người hai mắt Đối với người hai mắt, khi đeo kính nổi thì bộ não của họ đồng thời thu được hai hình ảnh phối cảnh ở hai mắt cùng lúc Nhưng đối với người chỉ còn một mắt, thay vì đeo kính để nhận đồng thời hai hình ảnh phối cảnh thì họ

phải đeo một loại kính khác có khả năng nhận liên tiếp hai hình ảnh phối cảnh đó chỉ qua một

mắt với một tốc độ rất nhanh, vì vậy bộ não vẫn nhận được hai hình ảnh phối cảnh với hai góc

độ khác nhau nên não sẽ tổ hợp chúng để tạo ra hình ảnh nỗi giống như khi quan sát bằng cả hai

mắt (hình 9)

F

hinh

Hình 9 Kính xem anh stereo cho người một mắt

Ngày nay, với sự phát triển rất mạnh mẽ của công nghệ phần cứng, người ta đã chế tạo ra một loại màn hình hiển thị stereo mà người xem không cần phải đeo bat ky một loại dụng cụ gì,

đó là màn hình nỗi có khẳng năng tự động phân cực các hình ảnh phối cảnh trái, phải đến mỗi mắt để não tổ hợp chúng và fạo ra sự cảm nhận vẻ độ sâu của đối tượng Tuy nhiên, những màn

hình đó có giá rất đắt Ví dụ, một mản hình 15” năm 1999 có giá $8600 và bây giờ giá của nó giảm xuống còn $1600 Màn hình trên chỉ có tác dụng đối với người hai mắt, còn đối với những

người một mắt mà không cần đeo kính thì có quan sát được hình ảnh ba chiều không? Câu trả

lời là vẫn có thể được bằng giải pháp sau đây Như ở trên đã trình bày, để ý thức của chúng ta cảm nhận được độ sâu của đối tượng thì ít nhất phải có hai hình ảnh chụp đối tượng ở hai góc

độ khác nhau gửi đến não Khi đó, não sẽ tổ hợp chúng để tạo ra hình ảnh ba chiều Đối với

người hai mắt khi đeo kính để quan sát hoặc khi không đeo kính nhưng quan sát trên màn hình

nỗi thì hai hình ảnh này được gửi đồng thời đến hai mắt và sau đó hai hình ảnh nằm ở hai võng mạc mắt sẽ được gửi đồng thời đến bộ não Còn đối với người một mắt và không đeo kính, bằng

cách nào đó nếu ta có thể đưa được hai hình ảnh trái, phải đến bộ não chỉ thông qua một con

mắt còn lại thì hiệu quả tạo ra cũng sẽ y như người hai mắt Ta chú ý rằng, mỗi khi mà hình

được vẽ lại (refresh) thì card mà hình sẽ xuất lần lượt các hình ảnh trái, phải ra mà hình tuy

nhiên lần xuất sau (hình ảnh phải) lại đè lên hình ảnh trước Điều này có nghĩa là, khi vừa mới

đưa hình ảnh trái ra màn hình trắng thì con mắt còn lại sẽ thu được ngay hình ảnh trái đó vì trên

màn hình lúc này chỉ có một mình hình ảnh trái mà thôi, nhưng đến thời điểm sau khi xuất ảnh phải xong, trên màn hình có cả hai hình ảnh trái và phải chồng lên nhau, nêu không đeo kính thì

cả hai hình ảnh sẽ được gửi đến não Kết quả là hai hình ảnh thu được ở não sẽ không như ý

muốn, do vậy hiệu quả ảnh tạo ra cũng không đúng Tuy nhiên, nêu ta thực hiện phép xoá màn

hinh (refresh) tai thoi điểm trước khi xuất hình ảnh phải ra thì kết quả sẽ đúng như mong đợi, hai hình ảnh riêng rẽ này lọt độc lập vào con mắt còn lại và bộ não sẽ tổ hợp chúng để toạ ra một ảnh ba chiều (Hình 10)

Hình 10 Hién thị stereo trường hợp một phép chiếu kết hợp với 2 phép xoay

403

Một sỗ vẫn đề chọn lọc của Công nghệ thông tin, Hải Phòng 25 - 27 thắng 8 năm 200%

L =========—————=—=====———————.———

4 KÉT LUẬN

Hiển thị hình ảnh ba chiều là một xu hướng tất yếu trong thời đại mới, có như vậy mới

đáp ứng được những nhu cầu hết sức đa dạng của người dùng Trong báo cáo này, chúng tôi trình bầy các khía cạnh phân cứng liên quan đến việc hiển thị hình ảnh ba chiều và nguyên lý

hiển thị hình ảnh ba chiều Từ đó, đưa ra những giải pháp để hỗ trợ người một mắt vẫn có thể quan sát được ảnh ba chiều với hiệu quả giống hệt như là những người hai mắt Nguyên lý hiển

thị stereo với hai tâm chiêu và một phép xoay trên đã được chúng tôi cài đặt và hoạt động tốt

trong các hệ thống thực tại ảo của Viện CNTT, người xem có thể đeo kính ShutterGlass để quan

sát các hình ảnh nỗi,

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] "Comparing Depth from Binocular Disparity with Depth from Motion”, Frank H Durgin and Dennis R Proffitt University of Virginia Thomas J Olson, 2002 [2] "3D Stereo Rendering Using OpenGL (and GLUT)”, Paul Bourke, November 1999, Updated May 2002

[3] “Stereo graphics: making images with depth (part 1)”, John D, Fowler 1983

[4] “Introduction to Stereo Viewing Methods.htm”