Tudomány 3D-ben

Tudományos és oktatási célokra egyaránt szolgáló nagyméretű sztereoszkopikus megjelenítő berendezés épült az Eötvös Loránd Tudományegyetem Vizualizációs Centrumában. A modern megjelenítési eljárást alkalmazó, Magyarországon egyedülálló képalkotó eszköz felépítéséről, elvi és technikai működéséről, valamint létrehozásának céljairól kérdeztük Frei Zsoltot, az Eötvös Loránd Tudományegyetem Fizikai Intézetének docensét, a Vizualizációs Centrum egyik életre hívóját.

"Egy természettudományos kutató számára azért fontos a vizualizáció, mert manapság, az egyre összetettebb kísérleti berendezések és az egyre nagyobb teljesítményű számítógépek korában sok olyan kutatási projektet hajtunk végre, amelyekben óriási mennyiségű adat keletkezik. Ezeknek a méréseknek, szimulációknak az eredményeit célszerű valamiképpen megjeleníteni" - magyarázza az [origo] Tudomány rovatának Frei Zsolt.

Egyszerűbb feladatok esetén elegendő egy egydimenziós görbe vagy egy kétdimenziós ábra, de bonyolult, időben és térben egyaránt változó folyamatok megfelelő szemléltetéséhez már hasznosabb lehet térbeli, sztereóképet közölni a felhasználóval. Ezt a célt szolgálja a Vizualizációs Centrumban megépített új berendezés.

A Vizualizációs Centrumban megépített sztereoszkopikus berendezés létrehozásának céljairól hallgassa meg Frei Zsoltot!

Sztereoszkopikus és volumetrikus megjelenítés

Két eljárás ismeretes ma arra, hogyan lehet a képi megjelenítés során sztereóinformációt juttatni a néző szemébe. Az egyik az úgynevezett sztereoszkopikus, a másik az úgynevezett volumetrikus eljárás. Utóbbi esetben az lenne a cél, hogy teljes térfogatában létrejöjjön egy körbejárható, bármely oldaláról megszemlélhető térbeli látvány (például egy stadion kicsinyített mása a nappaliban, amelyben háromdimenziós focisták éppen a BL-döntőt játsszák). Ennek a technikai megvalósítása rendkívül bonyolult és egyelőre futurisztikus, a berendezések kísérleti stádiumban vannak. Annál valóságosabb a sztereoszkopikus módszer, amelyet a kutatók a jelen esetben alkalmaztak.

Amikor bámészkodunk, a jobb és bal szemünk két különböző nézőpontból látja ugyanazt a látványt, a tárgyak kissé eltolódnak egymáshoz képest az érzékelt képeken. Ez a csekély eltérés hozza létre az emberi térlátást. Az agyunk úgy észleli, hogy azok a tárgyak, ahol az eltolódás nagy a bal és a jobb oldali kép között közelebb, amelyeknél kicsi, távolabb vannak. Vagyis ha valamilyen módon a bal, illetve a jobb szemünkkel egyazon tárgy két különböző síkbeli nézetét tudjuk közölni, agyunk "becsapható", mert a hatást térbeli élményként éli meg. A sztereoszkopikus eljárás ezt a különös képességünket használja ki.

Ma, a számítástechnika korában nem nehéz a megjelenítendő tárgyak különböző nézeteit létrehozni. Sokkal izgalmasabb kérdés az, hogyan lehetséges technikailag megvalósítani a két szemünknek szánt képek szeparációját.

A négy sztereoszkopikus eljárás

A legegyszerűbb "kék-piros" eljárás (ún. anaglyph módszer) a fény hullámhossz szerinti eloszlási tulajdonságát használja ki. A tárgyról készült kép egyik nézetét pirossal, másik nézetét kékkel rajzolják meg, majd a kettőt egymásra szuperponálják. A lilás színű, életlen képet egy olyan szemüveggel nézve, ahol az egyik szem előtt piros, a másik szem előtt kék színszűrő található (miáltal egyik az szembe a tárgy egyik nézete, a másikba a másik nézete jut el), a néző számára létrejön a szürkés színű, de térhatású ábra. Létezik ennek egy továbbfejlesztett, általánosított változata is (ún. Infitec módszer), amely már színes képek közlésére is alkalmas, de amelyben a szemüveg már egy bonyolult "szűrőáteresztési" görbe alapján működik. A harmadik lehetőség a passzív sztereoszkopikus eljárás, ami a fény poláros tulajdonságát használja ki. A képek előállításához vetítőkre, a megtekintésükhöz két különböző irányban áteresztő polárszűrős lencséjű szemüvegre van szükség. Az eddig ismertetett eljárások mindegyike alkalmas sztereókép előállítására, de a tudományos vizualizációhoz az ezeknél megbízhatóbb minőségű, úgynevezett aktív sztereoszkopikus eljárás a legmegfelelőbb.

Aktív sztereoszkopikus eljárás

Az eljárás elve egyszerűnek hangzik, technikai megvalósítása annál nehezebb. A képet egy 120 Hz frekvenciával működő vetítő hozza létre, mégpedig nagy sebességgel, időben felválta 60 képet a jobb és 60 képet a bal szem számára. A térhatású kép itt is egy szemüveg segítségével válik láthatóvá, amelynek a keretébe a jobb, illetve bal oldalon egy-egy nagy sebességgel ki/bekapcsolható, folyadékkristályos (LCD) blende illeszkedik.

A Vizualizációs Centrum aktív sztereoszkopikus eljárással működő berendezése egy megfelelően nagy teremben található, ahol a szórt fény kiküszöbölésére a falak, a padló, de még a plafon is feketére van festve. Hátul, a fal melletti állványon van a két precízen beszintezett vetítő, amelyek tükrök segítségével vetítik a kép jobb, illetve bal felét hátulról (!) egy széles vászonra. A két vetítő speciálisan erre a célra gyártott, 120 Hz frekvenciával működő eszköz (a kereskedelmi forgalomban kapható általános célú vetítők általában 60 Hz-esek).

Szinkronizáció - saját fejlesztés

A berendezés működésének elengedhetetlen feltétele a vetítő és a szemüveg közötti szinkronizáció. A vetítő kiad egy szinkronjelet, amely tartalmazza azt az információt, hogy mikor kell a szemüveg LCD blendéinek ki-, illetve bekapcsolnia. Ez a szinkronjel bekerül egy távadó dobozkába, ahol infravörös jellé konvertálódik. A szemüveg keretén lévő pici infravörös vevő már ezt érzékeli, és kapcsolgatja az aktív sztereószemüveg blendéit ki és be.

Tekintse meg a helyszínen készült képgalériánkat!

"A gond az volt, hogy a kereskedelmi forgalomban kapható infravörös adóknak elég kicsi a hatótávolságuk, mert arra az esetre vannak kifejlesztve, amikor valaki egy asztali számítógép előtt ülve szeretne sztereóképeket nézegetni, és a pici adóberendezést karnyújtásnyira, a monitor tetejére teszi fel. A mi berendezésünkhöz azonban nagy hatótávolságon működő infravörös szinkronizátorra volt szükség. Ez év során sikeresen kifejlesztettünk néhány hallgatóval egy ilyen szemüvegvezérlő eszközt, mégpedig olyan formában, hogy ezekből több sorba kapcsolható és egyszerre működtethető, így képesek vagyunk az egész termet ellátni szinkronjellel" - magyarázza Frei Zsolt.

A vászon

A sztereoszkopikus berendezésben használt vászon szintén különleges. Egy egyszerű mozivászonra szemből vetítik a képet, és ha közelről megnézzük, láthatjuk, hogy a barázdáiba apró szemcsék vannak szőve, amelyek arra szolgálnak, hogy az összegyűjtött fényt visszaszórják a nézőkre (tehát nem oldalt a falakra). "Nekünk egy olyan vászonra volt szükségünk, ami pont fordítva működik" - mondja Frei Zsolt.

Az USA-ból megrendelt, 5 m x 2,1 m nagyságú vászon, amihez jó közel kell állni, hogy a teljes látómezőnket betöltse kép, hátulról kapja a fényt, így semmit nem takar ki a képből az ember teste. Fontos tulajdonsága, hogy nem csak középpontosan előre, hanem minden irányban gyorsan szétszórja a fényt, hogy ami az ember látómezejének legszélén, a kép legtávolabbi csücskén van, az is jól érzékelhető legyen.

Következő fejlesztés: tracking

A tracking, vagyis nyomon követés célja az, hogy miközben a néző sétálgat a vászon előtt, a számítógép folyamatosan számon tartsa a pozícióját, és mindig azt vetítse ki a vászonra, ami az adott nézőpontból éppen megfelelő. Például, ha valaki már jó alaposan megtekintette egy kivetített autó külsejét, egy hirtelen mozdulattal leguggolva az alját is szemügyre vehesse. Ennek megvalósításához egyrészt a vászon két sarkába egy-egy kamerát kell elhelyezni, amelyeknek elülső lapja infravörös ledekkel van körbevéve, másrészt a szemüveg keretére speciális habszivacsgolyókat kell erősíteni. A ledek által kibocsátott infravörös jelek visszaverődnek a kamerákra, ezáltal a néző térbeli helyzete meghatározható, és ha a két kamera információit közöljük a számítógéppel, akkor az mindig a megfelelő pozícióból készített képet vetíti elénk.

A berendezés építőinek következő célja a tracking megvalósítása, amelyben a legnagyobb nehézséget az okozza, hogy a tracking eszközei és a szintén infravörös jellel működő szemüvegvezérlő közötti interferálást elkerüljék. "Olyan nyomkövető eszközt szeretnénk szeptemberig kifejleszteni itt az intézetben, amely nagyon jól passzol ahhoz a szemüveg-szinkronizátorhoz, amelyet szintén mi fejlesztettünk ki" - mondja búcsúzóul Frei Zsolt.

Jónás Katalin