В рубрику "Оборудование и технологии" | К списку рубрик | К списку авторов | К списку публикаций
В последние годы значительно возрос объем информации, воспринимаемой человеком с экранов отображающих устройств. В связи с этим все большее внимание уделяется вопросам повышения качества и информационной емкости видеоизображения.
Одним из шагов на пути к достижению этой цели является создание стереоскопических дисплеев. Трехмерное изображение, создаваемое такими устройствами, несет дополнительную информацию о размерах, объеме и взаимном расположении объектов
Стереодисплеи широко используются там, где требуется пространственное восприятие информации: например, в медицине или дефектоскопии. Кроме того, качественное трехмерное изображение воспринимается бинокулярным зрительным аппаратом человека, не вызывая его эмоционального и физического утомления.
Для обозначения трехмерных стереоскопических изображений зачастую пользуются термином 3D. Однако это же обозначение применяется и для изображений, представляющих собой проекции трехмерных объектов на плоскость. При повороте объекта эти проекции изменяются, что создает иллюзию объемности. По форме и соотношению размеров объектов, их взаимному перекрытию, а также наличию теней наш мозг "достраивает" объем. К сожалению, результат далеко не всегда получается удовлетворительным.
Стереоизображение: разделяй и властвуй
Отличие стереоскопического изображения заключается в том, что и левый и правый глаз наблюдателя видит отличающиеся друг от друга картинки, точно так же, как это происходит при естественном рассматривании трехмерного объекта. В итоге мозг получает достаточное количество информации для формирования трехмерного образа, и наблюдатель видит изображение, части которого располагаются не в плоскости, а в пространстве (рис. 1).
Стереоскопическая картинка формируется из двух изображений: левого и правого кадров стереопары, представляющих собой вид объекта из двух разнесенных в пространстве позиции. Для восприятия объема при просмотре стереокартинки необходимо обеспечить раздельное наблюдение (сепарацию): правый глаз должен видеть изображение только правого кадра, а левый - только левого кадра.
Существует несколько способов сепарации. Наиболее распространенными на сегодня являются:
Анаглифический способ сепарации известен с середины XIX века и используется до сих пор. При создании анаглифической стереокартинки "красная" составляющая, например, правого кадра стереопары накладывается на "сине-зеленую" составляющую левого кадра (рис. 2).
Для разделения изображений при просмотре используются специальные очки с красным и сине-зеленым фильтром. Анаглифическое изображение можно воспроизвести практически на любом отображающем устройстве, включая телевизионный приемник с ЭЛТ. В 1975-1978 гг. сотрудниками Ленинградского телецентра совместно с кафедрой телевидения ЛЭИС проводились опытные трансляции цветного стереоизображения по анаглифическому способу.
Основной недостаток данного способа (плохая цветопередача), к сожалению, принципиально неустраним. Кроме того, глаза видят изображение в разных цветовых оттенках, что неестественно для зрительного аппарата человека, а потому утомляются.
Эклипсный (светоклапанный) метод сепарации широко применяется в сфере интерактивных компьютерных игр. Суть его заключается в следующем. На экран видеомонитора последовательно выводятся изображения левого и правого кадров стереопары. Синхронно с выводом изображений переключаются специальные очки с жидкокристаллическими (ЖК) затворами, через которые наблюдатель смотрит на экран (рис. 3).
Таким образом, при формировании на экране монитора изображения правого кадра левый ЖК-затвор затемняется, и наоборот: при воспроизведении левого кадра затемняется правый ЖК-затвор.
Данный способ позволяет получить высокое качество сепарации и хорошее разрешение изображений. Однако для его реализации требуются отображающие устройства, способные работать при очень высоких частотах обновления (кадровой развертки). Дело в том, что каждый из глаз видит изображение с пониженной вдвое частотой кадров, поэтому возможно появление эффекта мерцания (рис. 4).
Частота отображения кадров, при которой мерцания незаметны, зависит от ряда факторов - в частности, от соотношения длительности интервала активной части и интервала гашения. Например, в телевидении изображение появляется на экране на 18,4 мс с перерывом всего в 1,6 мс, и мерцания практически незаметны. В случае с ЖК-очками интервал гашения гораздо больше и равен интервалу активной части. Если частота обновления монитора 100 Гц, то каждый из наших глаз видит такую картину: изображение - 19 мс и черный экран - 21 мс. В таком случае появление мерцаний неизбежно.
Для устранения этого неприятного эффекта необходимо, чтобы частота обновления монитора была не менее 150 Гц. При этом владельцам 17-дюймовых мониторов придется в лучшем случае ограничиться разрешением экрана 800x600 пикселей. Жидкокристаллические мониторы, к сожалению, не подходят для данного способа сепарации сразу по двум причинам. Во-первых, ЖК-экраны не работают на частотах выше 85 Гц, а потому при просмотре через светоклапанные очки обязательно появится мерцание. Во-вторых, изображение на экране ЖК-монитора изменяется достаточно медленно (время отклика составляет от 6 до 20 мс). В момент открытия, например, правого ЖК-затвора очков наблюдатель должен видеть правым глазом изображение правого кадра стереопары. Но вследствие инерционности жидких кристаллов еще целых 6 мс (в лучшем случае) будет наблюдаться постепенно исчезающее изображение левого кадра. В итоге сепарация изображений будет очень плохой.
Поляризационный способ сепарации широко применяется в стереокинотеатрах (например, в кинотеатре IMAX).
Принцип действия этого способа весьма прост. Изображение, например, правого кадра проецируется на специальный недеполяризующий экран через поляризатор с вертикальным направлением поляризации света, а изображение левого кадра - через поляризатор с горизонтальной поляризацией (рис. 5).
Наблюдатели смотрят на экран через поляризационные очки, причем направления поляризации стекол для правого и левого глаз совпадают с направлениями поляризационных фильтров соответствующих проекторов. В итоге правый глаз видит изображение, формируемое "правым" проектором, а левый глаз - формируемое "левым" проектором.
Поляризационный способ позволяет получить качественное цветное стереоскопическое изображение. Однако у этого способа есть и недостаток: сложность и дороговизна, так как требуется сразу два проектора, специальный экран, поляризаторы и очки. Кроме того, при повороте головы влево или вправо сепарация изображений уменьшается (при 45° - до нуля) и ощущение объемности исчезает.
ЖК-монитор? Трехмерный дисплей!
Авторы данной статьи предлагают вариант построения поляризационного стереоскопического ЖК-монитора. Принцип его действия базируется на особенности устройства модулирующих поток света жидкокристаллических ячеек. Каждая ячейка включает в себя два поляризатора. Проходя сквозь ячейку, свет оказывается поляризованным в строго определенной плоскости, одинаковой для всех ячеек. Если изменить направление поляризации половины ячеек на ортогональное и воспользоваться поляризационными очками, то можно получить стереоскопическое изображение (рис. 6).
Каждый глаз будет видеть сквозь поляризатор очков только те пиксели, которые пропускают свет, поляризованный в соответствующей плоскости. Все остальные пиксели будут казаться черными. Для того чтобы дискретная структура не была заметна, необходимо расположить пиксели с одинаковой ориентацией поляризаторов в шахматном порядке. Кодированный видеосигнал должен формироваться из изображений кадров стереопары программно и передаваться в монитор исключительно по цифровому интерфейсу (DVI).
Данный дисплей легко получить из стандартного ЖК-монитора путем изменения направления поляризации каждого второго пикселя. Модифицированный таким образом монитор при просмотре без поляризационных очков будет абсолютно неотличим от стандартного дисплея. А значит, подобное устройство станет многофункциональным. Без очков это обычный ЖК-монитор, а с очками и специальным программным обеспечением - качественный трехмерный стереоскопический дисплей.
Изображение, которое видит каждый из глаз через поляризационные очки, будет состоять из уменьшенного вдвое числа точек. Однако это не позволяет считать, что разрешение изображений упадет вдвое. Например, для 17-дюймового ЖК-монитора, физическое разрешение которого составляет 1280x1024 пикселя, при просмотре в трехмерном режиме можно будет различить структуру, состоящую из 640 черных и 640 белых чередующихся вертикальных полос! Причиной тому служит расположение пикселей в шахматном порядке. Недостаток подобного устройства заключается в уменьшении эффективной яркости экрана, так как каждый из глаз наблюдателя будет видеть не все пиксели экрана, а только половину.
Растровый способ сепарации изображений является, пожалуй, самым старым. Еще в 1692 г. французский художник Буа-Клэр использовал в своих картинах решетку из вертикально расположенных пластин для достижения пространственного эффекта. Похожая структура (светопоглощаю-щий линзовый растр) применялась в кинотеатре "Москва", где в феврале 1941 г. состоялась премьера стереоскопического фильма "Концерт". Растры, применяемые для получения стереоизображений, обладают сепарирующим свойством: разделение изображений происходит без очков, автоматически, поэтому растровые системы зачастую называют автостереоскопическими.
И без очков
Отсутствие очков - главное достоинство растровых систем. Наиболее распространены сегодня линзовые (лентикулярные растры), состоящие из цилиндрических плосковыпуклых линз, расположенных вертикально. Рассмотрим работу такого растра на примере просветного растрового стереоэкрана (рис. 7).
Стереоэкран работает "на просвет": с одной его стороны находятся проекторы, а с другой - зрители. Кодирующий линзовый растр создает чередующиеся полосы изображения от правого и левого проектора на диффузно рассеивающем экране. Декодирующий растр направляет излучение от нечетных полос вправо, а от четных - влево, в итоге зритель видит объемное изображение. Данная технология используется для создания стереоскопических экранов больших размеров.
Очень похожий принцип действия у автостереоскопических дисплеев, где вместо кодирующего растра и рассеивающего экрана применяется матричный монитор на основе плазменной (PDP) или жидкокристаллической (LCD) панели (рис. 8).
Линзовый растр в таких устройствах может быть наклонным - для борьбы с эффектом окраски стереоизображения в один из основных цветов (красный, зеленый или синий) или для создания многоракурсных изображений.
Главный недостаток растровых систем - изменение качества стереоскопического изображения при смещении глаз пользователя от некоторого оптимального положения. Для борьбы с этим эффектом разработаны устройства, которые отслеживают положение головы зрителя и сдвигают в нужном направлении либо линзовый растр, либо весь стереодисплей.
Кроме перечисленных выше существуют и другие технологии создания объемного видеоизображения, которые пока не получили широкого распространения. В качестве примера можно привести голографию - метод получения пространственного изображения объекта (голограммы) путем регистрации амплитуды и фазы световых волн, отраженных от его поверхности. Существуют разные способы получения голограмм, однако все они основываются на явлениях дифракции и интерференции световых волн. Излучаемый лазером когерентный монохроматический свет разделяется на две составляющие, из которых формируются опорный и предметный пучки света. Предметный пучок отражается от регистрируемого объекта и складывается с опорным пучком - в пространстве формируются неподвижные области максимумов и минимумов: интерференционная картина, которая фиксируется, например, специальной фотопластинкой (рис. 9).
При освещении этой пластинки лазерным лучом в пространстве появляется объемная копия регистрируемого объекта, которая может быть почти неотличимой от оригинала. В отличие от стереопары, содержащей только два ракурса объекта, голограмма содержит информацию о бесконечно большом количестве видов, поэтому при рассматривании голографического изображения с разных сторон возникает ощущение плавного оглядывания объекта. К сожалению, высококачественные цветные голографические изображения пока еще большая редкость.
Говоря о ЗВ-мониторах, нельзя не упомянуть о стереодисплее SmartrON, разработанном одной из компаний. Основу его конструкции составляют две разделенные специальной маской LCD-панели. Расчет прозрачности каждого из пикселей этих панелей осуществляется на основе математических алгоритмов нейронных сетей. SmartrON можно назвать автостереоскопическим устройством, так как для наблюдения объемного изображения не требуется индивидуальных сепарирующих устройств - очков. Одним из достоинств этого монитора является возможность работы в двух режимах - трехмерном и обычном (2D).
Принтер, сканер, стереодисплей...
Развитие трехмерных отображающих видеоустройств сдерживает ряд факторов, в частности отсутствие специального видеоматериала. Однако с каждым годом ситуация меняется в лучшую сторону. Широкое распространение цифровых фотоаппаратов и компьютерной техники служит стимулом к развитию стереофотографии, которая, в свою очередь, стимулирует появление стереоскопических изображений. Прогресс в области электроники приводит к упрощению и удешевлению процесса стереосъемки. Уже разработаны компьютерные программы, позволяющие конвертировать обычное видео в стереорежим, а также специальные алгоритмы сжатия. Таким образом, можно надеяться, что уже в недалеком будущем стереодисплей станут для нас такими же привычными устройствами, как принтер или сканер.
Инженер Всесоюзного научно-исследовательского института телевидения (г. Санкт-Петербург)
Артем Авраменко
Аспирант кафедры телевидения Государственного университета телекоммуникаций им. проф. М.А. Бонч-Бруевича (г. Санкт-Петербург)
Иван Мухин
Опубликовано: Журнал "Broadcasting. Телевидение и радиовещание" #5, 2005
Посещений: 28168
Автор
| |||
Автор
| |||
В рубрику "Оборудование и технологии" | К списку рубрик | К списку авторов | К списку публикаций
