Warping de imagen digital en simuladores

Estamos rodeados de displays y pantallas rectangulares: monitores de ordenador y pantallas de televisión y hasta de cine. Sin embargo, en el ámbito de los sistemas de simulador visual, donde lo que se pretende es generar una experiencia inmersiva que cubra una parte considerable del campo de visión de quien se encuentra ante la pantalla, es habitual encontrarse con superficies cilíndricas, cónicas, esféricas y hasta elipsoidales. En consecuencia, las superficies de pantalla de simulador no suelen ser planas, sino curvas.

Desplegar imágenes en ese tipo de superficies requiere, casi siempre, recurrir a tecnología de proyección. El problema es que las imágenes creadas por los proyectores son casi siempre rectangulares, y proyectarlas sin corrección sobre una superficie de display no rectangular, curva, da como resultado una imagen distorsionada; una distorsión que se ve agravada por la imposibilidad práctica de que la posición del proyector y la del ojo del espectador/trabajador coincidan.

A lo que hemos de añadir que la mayoría de los simuladores utilizan varios proyectores. Para garantizar la uniformidad y una resolución y brillo adecuados en la totalidad de la pantalla, estos proyectores apuntan desde ángulos diversos a distintas secciones de la misma, y cada imagen sufre una distorsión diferente, que puede llegar a ser bastante compleja.

La solución del warping de imagen digital

La solución a este problema consiste en distorsionar con antelación -warping- la imagen procedente del proyector con el fin de que su geometría se perciba correctamente desde la posición de quien la contempla (Por lo general, sólo una persona ubicada en la mejor posición de visión ve la imagen totalmente libre de distorsiones). En el pasado, cuando los proyectores CRT eran la norma, la posición de los píxeles de una imagen se podía ajustar sobre la superficie del CRT por métodos analógicos. Hoy, los proyectores digitales, con sus rejillas rectangulares fijas de píxeles, exigen una técnica radicalmente distinta consistente en rehacer o remapear por completo la imagen.

El proceso de remapeado de una imagen digital sigue cuatro pasos. El primero es el del filtrado de la imagen entrante para reconstruir una imagen continua a partir de los píxeles individuales que la componen. El segundo paso consiste en llevar a cabo el warping, distorsionando matemáticamente la imagen rectangular en la forma precisada, por lo general no rectangular. En el tercer paso se vuelve a filtrar la imagen, esta vez para eliminar frecuencias espaciales (detalle) en la imagen sobre la que se ha practicado el warping, que superan la capacidad de la rejilla de píxeles para reproducir adecuadamente la imagen. En el cuarto y último paso se efectúa un resampleado de la imagen sobre la que se ha generado matemáticamente el warping, llenando los píxeles de la rejilla con la información nueva.

El tercer paso -en el que se filtraba la imagen tras someterla a warping- es imprescindible para evitar el aliasing provocado por el intento de reproducir información a una mayor frecuencia espacial de la que permite la rejilla de píxeles de un display. Entre los artefactos de imagen asociados con el aliasing destaca la percepción desde la distancia de unos bordes dentados (forma de escalera) en líneas diagonales, así como una especie de formación de bloques y una aparente concentración de actividad en zonas de alto detalle.

Hay diversos métodos de filtrado, también llamado interpolación, y difieren considerablemente en cuanto a su eficacia. Formas habituales de interpolación son la bilineal y la bicúbica, con esta última garantizando un resultado de mayor calidad y con menos artefactos. Un algoritmo de filtrado más avanzado es el algoritmo de Lanczos, que asegura una calidad de imagen incluso mejor.

Para lograr una mayor calidad podemos recurrir a lo que se conoce como EEC (siglas inglesas del Criterio de Igual Energía), lo que exige que cada muestra de la imagen original aporte la misma cantidad de energía global a la imagen final sobre la que se ha practicado el warping, evitando así cualquier pérdida o descarte de información de imagen. El uso de EEC suele dar como resultado unas imágenes estática y dinámicamente muy regulares, y con los artefactos de aliasing reducidos a la mínima expresión.

Las distintas implementaciones de warping exigen un uso de métodos de filtrado también diferentes. Una razón sería que, por cuestiones prácticas, los cálculos para efectuar el warping deben realizarse dentro de una única imagen de vídeo con el fin de evitar una reproducción irregular del movimiento causada por imágenes repetidas o desacopladas (estas últimas con información de dos imágenes entrantes consecutivas). Para reducir la latencia general del sistema lo ideal será realizar los cálculos en un tiempo muy inferior al de una imagen. Dependiendo de la cantidad de recursos computacionales de los que dispongamos, para cumplir con este requisito podríamos necesitar recurrir a un algoritmo de filtrado más simple y menos efectivo.

Opciones de implementación

Un dilema al que han de enfrentarse aquellos diseñadores que aplican las matemáticas del warping a los sistemas de display de proyección es el de dónde ubicar el 'motor' de warping. Tres son las opciones habituales: en el generador de imagen (GI), en un elemento de hardware externo conectado entre el GI y el display de proyección, o en el propio display. Las tres opciones pueden combinarse, pero los diseñadores suelen optar por una posición única.

Si el motor de warping está situado en el GI, el proceso de warping puede realizarse mientras tienen lugar la renderización de la imagen como parte del proceso de rasterización, o tras efectuar dicha rasterización en imágenes completas. Lo primero exige una integración estrecha con la aplicación, y lo segundo, una gran adaptabilidad a todo tipo de aplicación; esto último impedirá, sin embargo, acceder a la información de la escena, lo que podría redundar en una imagen final mejor y/o en una carga computacional menor.

La segunda opción – la de situar el motor de warping en una 'caja' externa – permite una mayor flexibilidad, pues hace posible su uso entre cualquier GI y cualquier display, pero exige también una mejor cualificación y ensamblaje del sistema. Por otra parte, puede suponer mermas tanto en la precisión como en la calidad de la imagen, debidas principalmente a las limitaciones impuestas por las interfaces de vídeo habituales.

La tercera opción consiste en implementar el motor de warping en el propio display. Esa íntima integración del motor en el hardware y software de procesamiento podría dar como resultado una altísima calidad de imagen. El warping en el display implica un diseño del hardware incorporado al proyector.

Conclusión

El warping es un proceso imprescindible para proyectar una imagen rectangular en una pantalla curva, libre de distorsiones para la persona situada en el emplazamiento de mejor visión. Hay diversos procedimientos de realización de warping en imágenes digitales, diferentes en cuanto a complejidad computacional y calidad de imagen. El proceso de warping puede tener lugar en tres emplazamientos diferentes dentro del sistema. Esas opciones de diseño podrían entrañar algunos sacrificios y generar unos niveles de rendimiento y calidad de imagen que variarán en función de cuál sea la implementación elegida.