chương 1, tác giả trình bày một cách tổng quan về khái niệm, nguyên lý hình ảnh 3D, lịch sử cũng như tình hình phát triển của công nghệ 3D trong nước và trên thế giới. Bên cạnh đó một số đặc tính của thị giác hai mắt như sự cạnh tranh (rivalry), sự hợp thị (convergence) và sự chênh lệch (disparity) cũng được nhắc lại. Chƣơng 2 - Nghiên cứu chụp và hiển thị ảnh 3D trên kính hiển vi điện tử quét (SEM). Chương 2 trình bày về nguyên lý tạo ảnh SEM cũng như các ảnh hưởng qua lại giữa các thông số và các hiện tượng xảy ra trong quá trình ghi ảnh.
Một quy trình đầy đủ từ việc chụp, xử lý và hiển thị ảnh SEM bằng kỹ thuật 3D hiển vi đã được xây dựng và hoàn thiện trong chương này. Ngoài ra, phương pháp đo chiều sâu bằng kỹ thuật chụp và hiển thị 3D cũng đã được đề xuất. Chƣơng 3 - Tổng hợp nanô tinh thể ZnO, nghiên cứu hình thái các nanô tinh thể ZnO bằng ảnh 3D SEM. Chương này mô tả quá trình tổng hợp các nanô tinh thể ZnO bằng phương pháp bốc bay nhiệt có sự tham gia của xúc tác Au.
Sản phẩm thu được là các nanô tinh thể ZnO có hình thái khác nhau. Hình thái và vi cấu trúc của các sản phẩm này đã được khảo sát bằng kỹ thuật 3D SEM, kết quả khảo sát cấu trúc tinh thể, tính chất quang cũng được trình bày và thảo luận ở đây. Cuối cùng, phần kết luận và kiến nghị trình bày các kết quả đạt được và đưa ra các kết luận rút ra từ những kết quả nghiên cứu của tác giả. Đồng thời, một số ý kiến đề xuất hướng nghiên cứu tiếp theo của đề tài cũng được nêu ra ở đây.
z CHƢƠNG 1 NGUYÊN LÝ HÌNH ẢNH 3D 1.1 Công nghệ ảnh nổi 3D Hình ảnh stereo đầu tiên được Wheastone sáng tạo năm 1838 [28, 29, 30]. Từ đó tới nay, những người làm việc với hình ảnh stereo không có nhiều, và thường không được biết đến, nhưng nhiệt tình và cống hiến của họ không hề suy giảm. Ngày nay, những thao tác sáng tạo về không gian thị giác hai mắt, không chỉ về hiện thực tuyệt vời của stereoscopy, đang được quan tâm ngày càng nhiều. Công nghệ 3D không còn xa lạ trên thế giới và đã được ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực khác nhau.
Thế kỷ 21 đang chứng kiến sự bùng nổ của công nghệ 3D, rất nhiều hãng lớn đã đầu tư mạnh cho các nghiên cứu và ứng dụng 3D như máy tính 3D (Sharp, Toshiba), game 3D (Sega), điện ảnh 3D (Walt Disney, Universal Studio), nhiếp ảnh 3D, hay cả ti vi 3D sẽ phổ biến trong vài năm nữa. Thị trường quảng cáo bằng công nghệ 3D cũng đang phát triển mạnh mẽ trên thế giới. Tại Việt Nam, giới trẻ cũng bắt đầu quan tâm đến các ứng dụng 3D, nhưng chỉ dừng lại ở phân đoạn tạo dữ liệu 3D (3D data) bằng các phần mềm dựng 3D có sẵn của nước ngoài (3DSMax, Maya) chứ chưa khai thác được các công nghệ hiển thị 3D (3D display). Dữ liệu 3D chỉ khi được kết hợp với hiển thị 3D thì mới phát huy được hết các ưu điểm và đem lại sự khác biệt thực sự của công nghệ 3D [52].
3D hay công nghệ 3D là khái niệm hay được lạm dụng trong thời đại kỹ thuật số hiện nay. Bất cứ cái gì thể hiện được (trực tiếp hay gián tiếp) tính hình khối hay hiệu ứng bóng đổ đều có thể được gọi là sản phẩm công nghệ 3D. Từ mô hình 3DSMax, font chữ 3D đến hoạt hình 3D. Tuy nhiên, khái niệm 3D nếu được hiểu đầy đủ và toàn vẹn phải gắn với con người, tức là phải tuân theo quy luật của sinh lý thị giác.
Vì con người có hai mắt nên nhận thức thị giác 3D gắn với con người phải là thế giới quan stereo. Công nghệ 3D thực thụ phải đem lại cảm giác đắm chìm (immersion) của chủ thể quan sát vào trong đối tượng quan sát. Khi một hình ảnh (image), mô hình (model) hay hoạt cảnh (scene) được tái hiện bằng các phương tiện kỹ thuật số (máy tính, máy ảnh, .), nó chưa được coi là 3D đầy đủ và đích thực nếu chưa thỏa mãn yếu tố trên. Một mô hình dựng trên 3DSmax, Maya có thể được coi là một thực thể 3D chưa trọn vẹn bởi nó mới chỉ có tính dữ liệu 3D (3D data) mà chưa có tính thể hiện 3D (3D z display).
Tính hình khối của các đối tượng này chỉ thể hiện gián tiếp thông qua các lệnh xoay, dịch chuyển, hay các hiệu ứng chiếu sáng và bóng đổ nhờ các công cụ điều khiển. Khi kết xuất (render) rồi trình chiếu trên các phương tiện hiển thị thông thường như màn hình máy tính, ti vi hay in ra giấy, ở mỗi thời điểm và mỗi vị trí, người quan sát chỉ nhận được những hình ảnh 2D. Chỉ khi dữ liệu đó được kết xuất ra hai luồng trái, phải riêng biệt và được hiển thị theo phương pháp 3D thì mới được coi là 3D đầy đủ. Ảnh nổi 3D nói riêng hay công nghệ hiển thị 3D nói chung có thể ứng dụng vào khoa học như Vật lý (chụp ảnh 3D các hệ vi cơ MEMS [9], các mẫu vật cỡ micrômét, nanômét), vào địa chất, công nghệ vũ trụ (ảnh 3D chụp bề mặt trái đất, bề mặt sao hỏa), giáo dục đào tạo (các hệ mô phỏng 3D tập lái xe ôtô, lái tàu thủy), y học (mô hình 3D cơ thể người hay sinh vật), kiến trúc (thiết kế mô hình nhà cửa 3D), bảo tồn bảo tàng (ảnh 3D các di tích hay cổ vật),.
Trong kỹ thuật ảnh hiển vi 3D, một số nhóm tác giả trên thế cũng đã đề xuất giải pháp chụp và hiển thị ảnh 3D trên thiết bị SEM, nhưng chưa có báo cáo nào trình bày một cách tường minh và cụ thể. Giải pháp của các sáng chế này thường là thay đổi kết cấu của thiết bị chụp SEM như lắp thêm cuộn dây làm lệch chùm điện tử [48], tạo hai súng điện tử hoặc kết hợp chùm điện tử và chùm ion hội tụ trong các thiết bị crossbeam FIB-SEM để ghi ảnh đồng thời ở 2 góc độ khác nhau [14]. Một số hình ảnh đã được chụp và hiển thị theo phương pháp 3D anaglyph như ảnh bề mặt sao hỏa, ảnh mặt trăng được phát hành bởi NASA [46, 47], ảnh hiển vi chụp các vi sinh vật hay ảnh chụp các mẫu khoáng vật phục vụ nghiên cứu các cơ chế phong hóa trong lĩnh vực khoa học đất [47]. Khi xem các ảnh này cần dùng kính phân màu anaglyph để tách hai luồng ảnh cho mắt trái và mắt phải.
Ngoài một số ảnh 3D anaglyph phục vụ cho nghiên cứu khoa học, tại viện Khoa học Vật liệu – viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam, một số ảnh tích hợp lenticular autostereo chụp phong cảnh, chụp người cũng đã được thực hiện. Không giống như ảnh 3D anaglyph, ảnh tích hợp autostereo có thể quan sát trực tiếp mà không cần dụng cụ hay thiết bị hỗ trợ. Những phiên bản 3D này mới đúng nghĩa là 3D theo định nghĩa ở trên và hiệu ứng 3D mới thể hiện trọn vẹn và đem lại sự khác biệt thực sự.2 Nguyên lý tạo hình ảnh 3D Hình ảnh 3D có thể được tạo ra dựa trên nguyên lý cảm thụ thị giác của con người [35, 36]. Do có 2 mắt, con người có hai điểm nhìn ở hai vị trí khác nhau trong không gian thực.
Hai hình ảnh khác nhau do mắt trái và mắt phải thu được z tạo nên các hiệu ứng đặc thù trong não bộ, bao gồm sự cạnh tranh (rivalry), sự chênh lệch (disparity) và hợp thị (convergence) [29, 30]. Các phương pháp hiển thị 2D thông thường chỉ cho ta cùng một hình ảnh trong mắt phải và mắt trái, vì vậy không tạo nên các hiệu ứng nói trên. Trước khi nghiên cứu cách chụp và hiển thị ảnh 3D SEM, chúng ta xem xét lại những đặc tính của thị giác hai mắt, đó là sự cạnh tranh (rivalry), sự hợp thị (convergence) và sự chênh lệch (disparity).1 Sự cạnh tranh (rivalry) Sự cạnh tranh lưỡng thị là một hiện tượng độc đáo của thị giác hai mắt. Đó là khi hai mắt quan sát hai hình ảnh khác nhau, người quan sát lúc nhìn thấy hình ảnh này, lúc nhìn thấy hình ảnh kia, một cách hỗn loạn.
Tuy nhiên, hiện tượng này lại làm cho thị giác hai mắt khác hẳn về chất với thị giác một mắt, nó tạo nên vẻ đẹp và sự phong phú mà người nhìn một mắt không bao giờ hình dung nổi. Ví dụ điển hình là khi ta nhìn một viên kim cương, vì các tia sáng cầu vồng do khúc xạ ánh sáng của viên kim cương rơi vào mỗi mắt khác nhau, nên người quan sát thấy viên kim cương lấp lánh. Tương tự như vậy khi ta nhìn một chiếc đĩa CD dưới ánh sáng mặt trời, các tia sáng huyền ảo do hiện tượng cạnh tranh lưỡng thị đem lại vẻ đẹp độc nhất vô nhị. Hình ảnh stereo và holo có thể tái hiện được vẻ đẹp này, mà phim ảnh 2D không bao giờ thể hiện được.1 minh họa về hiện tượng cạnh tranh của hai mắt.
Dùng kỹ thuật nhìn chéo (cross view) ta sẽ thấy hình ảnh nổi với 4 hình tròn biểu hiện 4 loại thụ cảm thị giác khác nhau: A - cạnh tranh thuần khiết; B - hoà ảnh (fusion), đĩa tròn sẽ nổi lên trên nền; C - xuyên thấu (transperancy), một đĩa tròn chìm sâu ra sau nền (mắt trái ưu thế), một đĩa tròn nổi lên trên nền (mắt phải ưu thế); D - trong suốt và cạnh tranh: một đĩa với các sọc chìm sau nền, một đĩa có các sọc cạnh tranh (sâu bằng nền), biến mất và hiện ra liên tiếp. Hình ảnh minh họa về hiện tượng cạnh tranh (rivalry) của hai mắt. Dùng kỹ thuật nhìn chéo (cross view) để quan sát hình ảnh nổi với 4 hình tròn biểu hiện 4 loại thụ cảm thị giác khác nhau. Hiện tượng này còn được áp dụng để tìm ra những khác biệt nhỏ giữa hai bức ảnh, ví dụ như: ảnh hai bầu trời sao được so với nhau bằng cách cho mỗi mắt nhìn một ảnh, mắt sẽ dễ dàng nhận ra sự khác biệt giữa hai bức ảnh nhờ vào sự cạnh tranh lưỡng thị.2 Hợp thị (convergence) Hiện tượng hợp thị của mắt thường gắn chặt với thị sai hai mắt và sự cạnh tranh hình ảnh, như vậy, rất khó có thể tách rời ra như một tín hiệu về độ sâu.
Người ta cho rằng khởi nguồn của tín hiệu độ sâu là từ các cơ điều khiển chuyển động của mắt [29]. Hiện tượng hợp thị là kết quả của sự chồng hai hình ảnh, cho ta cảm giác về chiều sâu (hình 1.