ВведениеБольшую часть информации человек получает на основе зрительного аппарата. Поэтому наблюдается закономерный тренд к актуальности, привлекательности и информативности гра-фической информации. При этом важным моментом является возможность визуализировать изображение в трехмерном формате. Здесь следует выделить объемный дисплей [1–3], в котором объемное изображение создается объемными пикселями, или так называемыми вокселями. Автостереоскопический способ отображения графической информации подразумевает возмож-ность наблюдать объект с различных ракурсов [4–6], что является предпочтительным для наблюдателя. Исходя из этого можно сделать вывод, что технологии, направленные на воспро-изведение объемного изображения, являются в настоящее время достаточно перспективными. Авторским коллективом на основе комбинированного применения оптической и компью-терной обработок предложен [7–12] ряд автостереоскопических дисплеев, которые отличаются конструкторскими решениями. Предложенный на основе анализа потребностей пользователей модельный ряд объемных дисплеев включает в настоящее время 5 модификаций. Ниже приво-дится их краткая характеристика и примеры 4-й и 5-й модификаций (рис. 1 и 2). Рис. 1. Дисплей 4-го типа Рис. 2. Дисплей 5-го типаХарактеристика 5-и модификаций объемных дисплеев:1)универсальная мобильная насадка для создания объемного дисплея без движущихся частей с использованием многослойных наклонных проецирующих граней;2)универсальная мобильная насадка для создания объемного дисплея без движущихся ча-стей с использованием параллаксных барьеров и видеоряда из набора чересстрочных стереопар;3)объемный дисплей без движущихся частей с использованием параллаксных барьеров, чересстрочной стереопары, проецируемых на наклонных гранях пирамиды;4)объемный дисплей кругового обзора с вращающейся рабочей областью и массивом проекторов (см. рис. 1);5)объемный дисплей без движущихся частей с использованием горизонтальной стерео-пары и оптической системы из ожерелья линз (см. рис. 2).В предлагаемом модельном ряде используется вышеуказанный комбинированный принцип формирования объемного изображения, который описывается схемой (рис. 3), согласно которой из первичных изображений P устройством вывода формируется составное изображение P'. Рис. 3. Последовательность преобразований исходного изображения при формировании объемного изображения [12]При этом для правильного соединения составных элементов изображений необходима синхронизация. Далее получается изображение Q, которое является синхронизованным как по времени, так в и пространстве. Это изображение передается в оптическую систему для форми-рования результирующего объемного изображения Y. Это изображение воспринимается непо-средственно наблюдателем в виде изображения Y'. При этом необходимо учитывать его психо-физиологические особенности Z.Согласно схеме на рис. 3 совокупность характеристик двумерных изображений опреде-ленным образом влияет на конечное объемное изображение. Значения входных и выходных пе-ременных системы определяются на основе этих характеристик. Необходимо учитывать опре-деленные ограничения, которые обусловлены использованием различных технических устройств. При этом ограничения влияют на итоговое объемное изображение, а также опреде-ляют качество восприятия человеком объемного образа.Для решения этой так называемой прямой задачи, связанной с определением значений Y' по заданным характеристикам входного изображения X и параметрам процедуры формирова-ния объемного изображения, воспринимаемого наблюдателем, нами предложена соответству-ющая математическая модель, основанная на использовании статусных функций [13].При конструировании автостереоскопического дисплея из предложенного модельного ряда и возможных других необходимо решать так называемую обратную задачу. В этом случае по требуемым характеристикам выходного объемного изображения необходимо определить значе-ния переменных, описывающих входное изображение и процесс формирования объемного об-раза используемыми устройствами, реализующими процесс на рис. 3. В общем случае обратные задачи, как известно, относятся к числу некорректно поставленных. Это справедливо в нашем случае, т. к. нельзя гарантировать единственность и существование решения.Решению этой актуальной научно-технической задачи посвящена настоящая статья.Постановка цели и задач исследованияКачество выходного объемного изображения и степень его восприятия человеком зависят от качества входного изображения, от схемы внутреннего построения автостереоскопического дисплея и от индивидуального восприятия. Поэтому важным моментом является определение допустимого множества значений входных переменных системы и требований к выходным, ис-пользуя информацию о предпочтениях пользователем к качеству конечного образа или сцены.Целью исследования является синтез характеристик параметров автостереоскопических дисплеев из заданного множества с требуемыми показателями качества формирования выход-ного объемного изображения с учетом параметров входных образов и свойства устройств, реа-лизующих процесс формирования объемного изображения.Для достижения поставленной цели требуется решить, в частности, следующие задачи:1. Определить наиболее информативные переменные, а также их взаимосвязь при форми-ровании объемных изображений дисплеями заданного модельного ряда. Выделить переменные, используемые в конструкторских и пользовательских процессах принятия решений.2. Разработать архитектуру системы поддержки принятия решений (СППР) при конструи-ровании автостереоскопических дисплеев заданного модельного ряда.3. Выполнить апробацию предложенных решений по автоматизации процесса проектиро-вания автостереоскопических дисплеев.Конечным результатом исследовательских работ является программный комплекс для поддержки принятия решений конструктором при проектировании автостереоскопических дис-плеев, а также для пользователей – для выбора и настройки характеристик дисплеев заданного модельного ряда.Предлагаемая СППР должна решать прямую и обратную задачи при конструировании ав-тостереоскопических дисплеев. Прямая задача связана с вычислением значений выходных ха-рактеристик формируемого объемного изображения по заданным входным. Обратная задача связана с определением требований к значениям параметров входного изображения и конструк-ции дисплея при заданных значениях выходных объемных изображений.Далее рассмотрим результаты решения задачи определения наиболее информативных пе-ременных и параметров, определяющих качество объемного изображения.Характеристика переменных и параметров процесса формирования объемных изображенийДля достижения требуемого качества объемного изображения на выходе объемного дис-плея необходимо, как указывалось выше, решение сложной задачи по выбору технического решения, конструктивных особенностей, а также качества входного изображения. Поэтому для автоматизации процесса по подбору требуемых характеристик объемных дисплеев целесообразно использовать программное обеспечение, способное указывать на возможные варианты решения задачи, при этом оставляя права выбора конечного варианта за пользователем и конструктором.В качестве инструмента решения задачи предлагается использовать СППР для определе-ния параметров объемных дисплеев, в частности состава оптической системы и значений коли-чественных характеристик отдельных элементов, которые в дальнейшем окажутся полезными для инженеров-конструкторов, проектировщиков при разработке или тестировании конструк-ции дисплея, способного формировать изображение заданного качества. Также полученные зна-чения могут быть использованы при программной обработке изображения. Генерируемые зна-чения по изменению переменных опорных кадров, которые предлагаются СППР, могут непо-средственно влиять на количественные и качественные характеристики итогового изображения, приближая их к желаемому значению.Для создания СППР проведено формализованное описание предметной области объемных дисплеев, а также разработаны процедуры определения выходных характеристик процессов ви-зуализации. Также сформированы базы данных параметров дисплеев характеристик первичных изображений и визуализации, определены взаимосвязи (табл. 1).Таблица 1 Матрица смежностей взаимосвязей между параметрами, влияющих на качество формируемого объемного изображенияПараметрОтносительностьразмеровДвумерное разрешениеПараллакс движенияВращение объектаТениПерспективыОкклюзияНеоднородность формыГрадиент текстурыКонвергенцияБинокулярнаядиспаратностьРазмер областиобъемного изображенияУгол обзораТрехмерное разрешениеЛиниатураЯркостьКонтрастностьБитность цветаЧастота обновленияОтносительность размеров0100110110011100000Двумерное разрешение0000000000000000000Параллакс движения1101111110011110001Вращение объекта1100111110011110001Тени0100011100011101110Перспективы1100101110011100000Окклюзия1111100100011100000Неоднородность формы0100001010001100000Градиент текстуры0100000000000111110Конвергенция1011110100011000001Бинокулярная диспаратность1000011100001000001Размер области объемного изображения0000000000000010000Угол обзора0000000000010010001Трехмерное разрешение0100000000010010000Линиатура0100000000011000000Яркость0000000000000000000Контрастность0000000000000000010Битность цвета0000000000000000000Частота обновления0000000000000010000Кроме этого, введены оценочные характеристики выявленных параметров на основе об-работки экспертных оценок (табл. 2).Таблица 2Весовые коэффициенты влияния характеристик на выходное изображениеПараметрЭкспертСреднее значение коэффициента12345678910Относительность размеров0,070,020,040,050,040,070,030,020,040,020,04Двумерное разрешение0,080,020,040,060,030,020,080,070,060,040,05Параллакс движения0,060,040,040,070,060,060,050,030,060,030,05Вращение объекта0,060,040,060,030,030,040,020,040,050,130,05Тени0,040,040,070,090,070,100,070,070,080,070,07Перспектива (прямая, обратная, панорамная, сферическая, воздушная, перцептивная)0,120,080,100,110,10,10,100,100,10,090,1Взаимное перекрытие объектов (окклюзия)0,050,10,070,010,010,010,010,010,010,020,03Неоднородность формы0,020,080,080,060,050,050,070,060,090,040,06Градиент текстуры 0,020,050,080,120,070,080,070,080,060,070,07Конвергенция0,040,080,040,030,070,060,080,050,070,080,06Бинокулярная диспаратность0,090,090,10,10,10,10,120,10,10,100,1Размер области объемного изображения0,040,090,040,070,090,080,070,070,070,080,07Угол обзора0,080,060,040,030,070,050,020,060,040,050,05Трехмерное разрешение0,070,060,050,040,020,030,010,030,020,070,04Линиатура0,020,020,020,050,060,060,050,050,060,010,04Яркость0,020,040,020,020,040,020,060,050,020,010,03Контрастность0,020,030,040,020,030,020,040,060,020,020,03Битность цвета0,060,040,020,020,040,040,040,040,040,060,04Частота обновления рабочей области0,040,020,050,020,020,010,010,010,010,010,02Итого11111111111Представленные выше характеристики использованы при построении СППР, архитектура которой описывается ниже.Разработка архитектуры СППР при построении объемных дисплеевРазработка автостереоскопических дисплеев с использованием комбинированного способа и определенных технических решений для достижения заданных значений качества восприятия объемных образов ‒ это важная научно-техническая задача. Поэтому целесообразно автома-тизировать проектирование перспективного модельного ряда автостереоскопических дисплеев. Для этого необходимо разработать и применять требуемое математическое обеспечение. Пред-лагаемая для этого СППР необходима для определения значений параметров автостереоскопи-ческих дисплеев, а также процесса формирования объемных изображений на основе первичных образов. Эта информация весьма полезна для конструкторов при разработке процессов проекти-рования, построения аппаратного и программного обеспечения для производства автостерео-скопических дисплеев с требуемыми значениями показателей качества восприятий выходных объемных изображений.Функционально СППР должна основываться на формализованном описании предметной области автостереоскопических дисплеев. Кроме этого, должны быть разработаны процедуры вычисления значений выходных характеристик при визуализации (прямая задача). Требуются базы данных характеристик автостереоскопических дисплеев, параметров первичных образов, а также объемной визуализации. Далее, требуются модули подбора значений параметров ав-тостереоскопических дисплеев для обеспечения заданного качества объемной визуализации (обратная задача).В связи с вышеизложенным предлагается архитектура СППР (рис. 4), которая включает необходимые компоненты, среди них информационное обеспечение, которое содержит следующие ресурсы:– база данных (БД) параметров автостереоскопических дисплеев;– база знаний (БЗ) предметной области автостереоскопических дисплеев;– БД статусных функций;– БЗ для поддержки принятия решений в области автостереоскопических дисплеев;– БД параметров визуализации;– БД характеристик первичных образов. Рис. 4. Архитектура СППР для разработки автостереоскопических дисплеевПодсистема поддержки принятия решений для подбора характеристик входных изобра-жений и определения конфигурации автостереоскопичеспических дисплеев включает следу-ющие модули:– выбор типа из модельного ряда автостереоскопических дисплеев;– определение значений параметров входного образа (контрастность, яркость и др.) для автостереоскопических дисплеев заданного модельного ряда;– определение значений параметров, которые описывают динамику образов (смена кадров, изменение размеров, перемещение, вращение), для автостереоскопических дисплеев заданного модельного ряда;– определение значений параметров оптической и аппаратной компонент автостереоско-пических дисплеев;– вывод результирующей информации в виде таблиц.Функционирование СППР осуществляется под контролем управляющего модуля, который организует необходимое взаимодействие модулей для поддержки принятия решения и инфор-мационного обеспечения, а также двух групп пользователей. К ним относятся администратор и оператор, являющийся пользователем или тестирующим инженером по знаниям.Администратор осуществляет управление разграничением уровней доступа различным категориям пользователей, способен вносить правки в исходный код, алгоритм, а также изме-нять и корректировать данные в БЗ и БД на основе подтвержденных отзывов от пользователя и экспериментальных данных от инженера.Пользователь в пошаговом режиме осуществляет процесс проектирования на основе отве-тов на вопросы, определяющих наиболее важные критерии объемного дисплея и входного изоб-ражения, в результате определяются тип дисплея, основные параметры первичных изображений, а инженер, в свою очередь, на основе полученных данных может провести математическое моделирование трассировки луча или визуализировать процесс построения изображения на за-ранее подготовленном ПО для оценки качества получаемого объемного изображения и оценить эффективность подбора характеристик, осуществленного СППР. В процессе работы системы осуществляется обращение к модулям (подпрограммам) определения подходящего типа дисплея, вычисления значений статических (яркость, контрастность и др.) характеристик, характеристик, описывающих динамику (вращение, перемещение, смена кадров) на входном изображении, а также модулю вычисления переменных значений аппаратной и оптической составляющей для дисплеев предлагаемого типа.Для хранения БЗ, БД, результатов опроса пользователей, а также полученных от работы системы значений предлагается использовать облачное хранилище, уровень доступа к которому также разграничен для разных групп.Достоинством такой системы является многомерность направленности полученных данных, т. е. доступ к результатам имеют все группы пользователей, что одновременно позво-ляет осуществлять:– изменение входного изображения пользователем;– создание конструкции дисплея инженером-конструктором;– проверку эффективности работы предложенной системы по средствам математического моделирования инженером-разработчиком;– редактирование алгоритмов и способов представления информации программистом;– контролирование функционирования системы администратором.Реализация СППР при конструировании автостереоскопических дисплеевПри реализации предложенной СППР проектирования разработана схема для выявления пользовательских и конструкторских предпочтений (требований). Эта схема реализована в со-ответствующем модуле, написанном на языке программирования С++. Использование этой процедуры позволяет достаточно четко определить требования конструктора, пользователя при конструировании автостереоскопических дисплеев или настройке параметров из заданного мо-дельного ряда объемных дисплеев.Для решения обратной задачи проектирования, связанной с достижением требуемого ка-чества выходного изображения на основе подбора характеристик входных изображений, про-цесса визуализации используются знания экспертов. Их формализация осуществляется на осно-ве продукционных правил «ЕСЛИ–ТО», что реализуется с использованием языка программиро-вания искусственного интеллекта Prolog.Ниже приводятся фрагменты процедуры выявления требований к характеристикам авто-стереоскопических дисплеев с использованием соответствующего модуля и скриншот получен-ного результата (рис. 5, 6).При функционировании СППР вначале необходимо определить перечень вопросов о каче-стве выходного изображения. На их основе далее решаются прямая или обратная задачи. Вопросы для повышения информативности предоставлены в наглядной форме, так, например, пользователю ‒ о желаемом угле обзора от 0 до 360°. Дисплеи 1, 2-го типа модельного ряда ограничены углом обзора до 180° одной проецирующей плоскости. Дисплей 3-го типа может быть реализован при угле обзора 90, 270 или 360°, при выборе 3-х или 4-х проекционных плоскостей соответственно. Дисплеи 4-го и 5-го типа могут иметь любой из возможных диапазонов, однако при увеличении угла обзора значительно увеличиваются габаритные размеры изделия. Рис. 5. Алгоритм определения характеристик автостереоскопических дисплеев на основе пользовательских и конструкторских требований Рис. 6. Пример результата работы СППРСледующий вопрос позволяет пользователю определить диагональ экрана для построения 3D-изображения с желаемыми габаритами. Доступен ввод длины, глубины и ширины изобра-жения в сантиметрах. Для определения диагонали экрана достаточно длины и ширины изобра-жения. Проводится вычисление диагонали с последующим переводом в дюймы и округлением до целого числа, для приближения к реальным размерам дисплеев. Этот вопрос позволяет опре-делить площадь объемного изображения, что также вносит ряд ограничений по использованию определенного типа дисплея. Дисплей 4-го типа из-за особенностей оптической системы не поз-воляет сформировать изображение свыше 1 000 см3, а дисплей 5-го типа ограничен 8 000 см3. В зависимости от списка доступных для воспроизведения дисплеев из модельного ряда СППР выводит информацию рекомендательного характера для пользователя и разработчика (см. рис. 6) согласно алгоритму работы (см. рис. 5).Характеристики, требующиеся пользователю: уровень яркости; уровень контрастности; минимальное значение fps; разрешение изображения.Характеристики, требующиеся инженеру-конструктору: количество линз; значение LPI; диагональ дисплея; количество зеркал.ЗаключениеВ статье рассмотрены вопросы разработки перспективных автостереоскопических диспле-ев, позволяющих формировать объемные изображения, видимые с различных сторон без допол-нительных устройств (очки и т. п.). Приведена характеристика предложенного авторским коллективом модельного ряда автостереоскопических дисплеев, разработанных на основе патента [7]. Предложена архитектура системы, которая позволяет автоматизировать решение прямой и обратной задач, возникающих при проектировании объемных дисплеев и их использовании. Приведено описание разработанного алгоритма по определению значений характеристик конструируемого автостереоскопического дисплея из предложенного модельного ряда. Представлен пример апробации алгоритма, реализованного на языке программирования C++. Для решения прямой и обратной задач в предложенной гибридной экспертной СППР предлагается формализация экспертных знаний с использованием языка программирования искусственного интеллекта Prolog.