В рубрику "Оборудование и технологии" | К списку рубрик | К списку авторов | К списку публикаций
Павел Варгин
Генеральный директор ПКБ “Рельеф”
В XIX веке паровая машина привела в движение паровоз и пароход. Возможность за 80 дней (по расчетам Жюля Верна) обогнуть земной шар сильно уменьшила нашу планету в сознании человека. Телеграф и телефон способствовали еще большему ее уменьшению. Принцип относительности позволяет нам говорить о том, что произошло расширение сознания. Атомный XX век сменил век пара и электричества. Возможность одномоментной гибели цивилизации от силы атомной бомбы обозначила ужасную перспективу – уничтожение сознания человека. Политикам удалось преодолеть возникшую опасность, подняв нашу цивилизацию на новую ступень развития. Какое изобретение может стать символом XXI века? По-видимому, то, которое окажет наибольшее воздействие на наше сознание. Среди возможных претендентов на эту роль объемное телевидение обладает преимуществом, поскольку оно по своей сути предназначено для этого. Есть основания предполагать, что воздействие может приобрести необычайную силу, следствием которой может стать захват сознания. Феномен захвата сознания состоит в невозможности или устойчивом нежелании сопротивляться постороннему воздействию на разум человека.
Каким будет объемное телевидение? Может быть, вы сразу представили себе стереотелевидение или стереокино, фильмы “Аватар” или “Алиса в стране чудес”? Это ошибочное, а точнее, далеко не полное представление.
С точки зрения телезрителя, по сравнению с обычным телевидением объемное будет обладать двумя новыми качествами: трехмерной интерактивностью (возможностью взаимодействия с изображением) и объемностью, позволяющей глазам человека работать в естественном режиме, перемещая взор с близких объектов наблюдения на дальние. Ранее в журнале Broadcasting № 6, 7 за 2007 год обсуждалась возможность технической реализации объемного телевидения. В данной статье мы расскажем о некоторых его особенностях.
Буквальный перевод слова “телевидение” – "дальновидение”– обозначает возможность наблюдать далекие от нас события. Далекие не только в пространстве, но и во времени, так как существует возможность записи событий прошлого. Заметим, что телевидение осуществляет также дальнослышание. В принципе существует возможность передачи на большие расстояния запахов, тактильных и даже вкусовых ощущений. Возможно также дистанционное воздействие на вестибулярный аппарат человека. И все-таки используется термин “телевидение”, так как считается, что наибольший объем информации человек получает через зрение.
Слово “объемное” созвучно слову “обнимать”. Корень слова “ем” означает действие, сходное со значением слов “взятие, хватание”.
Это действие иллюстрирует рис. 1, где объект А осуществляет ем объекта В.
Сравните с фразой: “я ем (кушаю)”. Приставка “об (о)” означает круговой, всесторонний характер действия. Такое действие в заключительной его фазе иллюстрирует рис. 2.
На рисунках приведены плоские схемы, нам же следует представлять указанные действия как пространственные.
В этой статье мы говорим о телевидении, и обнимать объекты мы собираемся в основном визуально – при помощи глаз и телекамеры. Таким образом, в данном случае речь идет о всестороннем охвате объектов физического мира. Использование терминов, связанных с телесными ощущениями, оправдывается их понятностью для всех носителей языка.
Иногда в качестве альтернативы термину “объемное телевидение” предлагаются другие варианты. Например, стереотелевидение (греч. stereos – пространственный). Исторически термин привязан к методам создания, передачи и воспроизведения стереопары (двух слегка различных изображений для левого и правого глаза). Метод стереопары не подразумевает трехмерной интерактивности и не обеспечивает полной объемности изображения.
Другой вариант – телевидение со свободной точкой наблюдения (англ. free viewpoint television) возник в связи с развитием многоракурсных методов воспроизведения плоских изображений. Этот термин обычно подразумевает ограниченную интерактивность, но не указывает на объемность изображения.
Термин “виртуальная реальность” (от лат. virtus – потенциальный, возможный и лат. realis – действительный, существующий) – дословно “нереальная (кажущаяся) реальность” – в приложении к телевидению акцентировал бы внимание на реалистичности воспроизведения модели мира телевизором. В телевидении качество телевизионного изображения, его реалистичность принято оценивать множеством предназначенных для этого метрологических характеристик. Говорить об уже состоявшейся реальности воспроизведения не приходится, поскольку нет предела совершенству. Вместе с тем необходимо отметить, что термин “виртуальная реальность” в технике ассоциируется с многомодальностью (воздействием на различные органы чувств), что, конечно, соответствует направлению развития объемного телевидения.
Переходя к классификации систем объемного телевидения, хотелось бы заметить, что если вы, уважаемый читатель, никогда не были в стереокино (3D-кинематографе), то вы можете все-таки представить себе, что такое объемность телевизионного изображения, глядя в окно или в зеркало. Но если вам не довелось играть в компьютерные 3D-игры, вам скорее всего будет трудно представить себе, что такое трехмерная интерактивность. Важно не только посмотреть, как играют в “стрелялки” в ближайшем интернет-кафе, но и самому попробовать двигаться внутри изображения с помощью компьютерной мыши или джойстика. Трехмерный телевизионный мир отличается от игрового мира тем, что последний нарисован художником, создателем 3D-игры, а в случае объемного телевидения он строится в реальном времени в памяти компьютера с помощью множества специальных объемных телекамер. Опыт трехмерного взаимодействия с объемным изображением на примере компьютерной игры позволит вам с полным пониманием обратиться к следующим разделам настоящей статьи.
Подчеркнем, что фундаментальное отличие системы объемного телевидения от системы обычного плоского или стереоскопического телевидения состоит в том, что объектом телевизионной передачи является не сюжет, показанный телережиссером, а трехмерный телевизионный мир, в котором разворачивается сюжет, доступный наблюдению с любой выбранной телезрителем точки зрения с задействованием всех механизмов восприятия этого мира зрительной системой человека. При этом и у самого телережиссера возможности формировать свою точку зрения на события резко возрастают. Пассивный телезритель может не включать режим интерактивности и смотреть на мир глазами режиссера. В любом случае при просмотре объемной телепередачи появится захватывающая иллюзия реальности происходящего.
Объекты наблюдения, которые составляют физический мир, доступны глазу человека и телекамере благодаря формируемому ими световому полю. Обсуждая фундаментальные вопросы зрения человека, Э.Х. Адельсон и Д.Р. Берген в статье “Пленоптическая функция и элементы первичной стадии зрения” (The plenoptic function and the elements of early vision), опубликованной в 1991 году, ввели описывающую “все, что можно увидеть”, пленоптическую функцию (от лат. plenus – полный и англ. optic – оптический). Она представляет собой запись распределения интенсивности света внутри пучка лучей на входе оптической системы глаза
P = P(Θ, φ, λ, t, Vx, Vy, Vz),
где Θ, φ – угол места и азимут линии визирования; Vx, Vy, Vz – координаты наблюдателя; λ – длина волны света и t – время. Эта функция позволила авторам создать таблицу базовых визуальных элементов, подобную периодической таблице Д.И. Менделеева. Элементы таблицы представляют собой двухмерные сечения пленоптической функции. Некоторые из этих элементов являются математическими аналогами рецептивных полей (см. ниже) зрительной системы человека. Функция нашла широкое применение в литературе по компьютерной графике и многоракурсному телевидению.
Для классификации систем объемного телевидения можно использовать геометрическую часть пленоптической функции, при этом параметр λ, связанный с цветом излучения, можно опустить, подразумевая, конечно, что объемное изображение цветное. В отличие от глаза объемная телевизионная камера способна использовать зависимость пленоптической функции от времени для определения расстояния r от точки наблюдения до наблюдаемой точки объекта методом активной светолокации, при этом r и t связаны известной линейной зависимостью. Заменим также оригинальные обозначения Vx, Vy, Vz на x, y, z соответственно.
При новой параметризации получим:
P = P(Θ, φ, λ, r, x, y, z),
функцию шести переменных (измерений), где: Θ, φ, r – составляют сферическую систему координат с центром в точке наблюдения, а x, y, z – декартовы координаты точки наблюдения. Для определенности углы Θ, φ можно отсчитывать относительно оси, параллельной оси глубины z. Оси х (горизонтальную) и у (вертикальную) в одних случаях (для измерений) удобно выбрать параллельными плоскости окна объемного телевизора, а в других (для навигации) привязать к какому-либо объекту телевизионного изображения. Шесть параметров (измерений) практически полностью определяют конфигурацию (геометрию) системы отображения в пространстве. Хотя в некоторых случаях полезным может оказаться введение параметра φ – поворота телевизионной камеры вокруг оптической оси (крена), и тогда общее число измерений может вырасти до семи. Заметим, что у человека существует специальный механизм, парирующий повороты глаз вокруг оси зрения при наклоне головы вбок. Можно считать, что Θ, φ, r – числовые значения координат точки поверхности наблюдаемого объекта в субъективной системе координат, а x, y, z – объективные координаты центра зрачка глаза субъекта или объектива телекамеры.
Сегодня на рынке кинооборудования принято говорить о 3D (трехмерном) стереоскопическом изображении. В 4D-кинозале добавляются кресла с динамическими платформами. В 5D-кинематографе добавляется комплекс спецэффектов (ветер, брызги воды, генераторы дыма и снега, имитаторы прикосновений и покалываний, инжекторы запахов). Такое употребление терминов (3D, 4D, 5D) обусловлено скорее рекламными, чем техническими соображениями.
Наш выбор параметров классификации систем объемного телевидения соответствует геометрии отображения физического мира человеком и обусловлен стремлением к тому, чтобы телевизионная система максимально ей соответствовала.
Уточненный нами геометрический вид пленоптической функции, позволяет говорить о шестимерности развитой системы объемного телевидения. Учитывая это, можно составить следующую классификацию систем объемного телевидения (табл. 1).
В соответствии с приведенной таблицей необходимо привести формулу обсуждаемого варианта системы телевидения, например 3D (θ, φ, x), что означает, что мы имеем дело с двухмерным изображением θ, φ трехмерной модели, при возможности ее оглядывания, перемещаясь по горизонтали x. Такая формула отсутствует в таблице, содержащей лишь некоторые примеры. Смысл ее очевиден. В данном случае в телевизионной системе отсутствует измерение r, то есть не предусмотрена возможность изменения аккомодации и конвергенции глаз при отслеживании объемного сюжета.
Поскольку наличие координат θ и φ в телевизионной системе обязательно, их можно опустить и использовать сокращенную формулу, например 5D (r, x, z). Последняя обозначает систему объемного телевидения или телевизора (формулы могут не совпадать) с трехмерным (r) изображением и возможностью перемещаться в трехмерном пространстве (трехмерная интерактивность) в горизонтальной плоскости (x, z).
В нашей системе классификации обычная стереоскопическая система будет иметь обозначение 2,5D (r) или просто 2,5D.
Такое дробное обозначение нуждается в пояснении. Когда мы направляем свое внимание на определенную зону пространства, задавая дистанцию наблюдения, эта зона выделяется с помощью органа зрения. Выделение по углу происходит благодаря пику разрешающей способности глаза возле линии визирования (рис. 5), а выделение по глубине (дальности) – благодаря аккомодации и конвергенции глаз. Аккомодация (фокусировка) глаза обеспечивает ясное видение в пределах глубины резкости. Конвергенция (скашивание) глаз минимизирует диспаратность (рис. 6) на выбранной дистанции наблюдения, исключая двоение изображения. Если телевизионная система не обеспечивает функций конвергенции и аккомодации глаз, то в ней отсутствует измерение r, если обеспечивает обе функции, мы говорим о наличии этого измерения, если обеспечивается только одна – о 50% реализации измерения r или о 0,5r. При наблюдении стереопары конвергенция глаз меняется при переносе внимания с близких точек объекта на дальние, а аккомодация остается неизменной, соответствуя дистанции расположения стереопары. Такая неестественная работа глаз приводит к их повышенному утомлению.
Вводя классификацию систем объемного телевидения, необходимо отметить, что любая функция, включая пленоптическую, имеет область определения и область значений. В общем случае областью определения n – мерной функции с учетом возможного вырождения по координатам является к – мерное многообразие, где к < n, что подчеркивает возможную зависимость областей определения различных параметров пленоптической функции друг от друга. При оценке ее области определения необходимо учитывать наличие двух миров – физического и телевизионного, – системы пространственных координат которых необходимо привязывать друг к другу. Для случая классификации систем объемного телевидения следует определять координаты точки наблюдения x, y, z в системе координат, привязанной к телевизионному миру (пространству телевизионного изображения).
Рис. 3 иллюстрирует “аквариумную”, с замкнутым объемом изображения, схему объемного телевидения, когда наблюдаемый сюжет ограничен сферической поверхностью. В данном случае систему телевидения можно характеризовать формулой 6D (θ, φ, r, x, y, z). Точка наблюдения здесь находится в точке физического пространства, внешней по отношению к пространству изображения. В отличие от физического аквариума вы
можете менять с помощью джойстика содержание объемного изображения сферического терминала (телевизора) в интерактивном режиме, виртуально изменяя координаты x, y, z и перемещаясь таким образом в совершенно другую область телевизионного мира. С другой стороны, вы можете при желании обойти свой “аквариум” кругом, приблизиться или удалиться от него, тем самым физически изменяя свои координаты x, y, z в физическом мире. В обоих случаях центр системы координат x, y, z остается привязанным к какой либо выбранной точке объемного изображения.
Приведенную схему наблюдения большого телевизионного мира трудно назвать естественной, поскольку мы привыкли видеть окружающий мир без резких ограничений его объема. Конструкция монитора (телевизора) должна обеспечивать восприятие объемного изображения без искусственных ограничений по глубине и с достаточно широким полем зрения (рис. 4). В этом случае у телезрителя легко возникает иллюзия присутствия внутри телевизионного изображения при минимально ощущаемых собственных размерах. Здесь мы также имеем дело с системой телевидения, характеризуемой формулой 6D (θ, φ, r, x, y, z). Центр системы координат x, y, z в данном случае также следует привязать к выбранной точке объемного изобра жения. Для обеих схем наблюдения может оказаться удобным поворот системы координат x, y, z вокруг вертикальной оси y так, чтобы ось z была направлена в сторону наблюдателя.
Область пространства изображения в совокупности с привязанной к ней областью физического объема возможного перемещения точки наблюдения представляет собой пространство наблюдателя.
Область определения координат θ, φ, r, зависящая от положения точки наблюдения и поворота зрителя, представляет собой пространство (зону) наблюдения.
Все познается в сравнении. Можно было бы вести рассказ об объемном телевидении, сравнивая его с обычным плоским телевидением, но более экономным представляется путь проведения параллелей между системой объемного телевидения и сознанием человека. Сознание – субъективная модель окружающего мира, формируется в процессе активности человека в трехмерном физическом мире. Всю жизнь мы совершенствуем эту модель, познавая мир.
Опубликовано: Журнал "Broadcasting. Телевидение и радиовещание" #4, 2011
Посещений: 14767
Статьи по теме
Автор
| |||
В рубрику "Оборудование и технологии" | К списку рубрик | К списку авторов | К списку публикаций
