Многие обозреватели предполагают, что следующим качественным скачком будет появление объемного телевидения. Предсказывают, что такое телевидение появится в течение 10 лет. В данной статье рассказывается, как уже сегодня на основе промышленно выпускаемых устройств создаются системы показа стереоскопического видео.
Краткая историческая ретроспектива
В истории развития телевидения и цифрового видео можно выделить следующие крупные этапы:
1 - черно-белое телевидение - передается яркость изображения.
2 - цветное телевидение - передается яркость и цветовые составляющие. С точки зрения объема данных, добавление цвета - это количественный переход. С точки зрения наблюдателя - качественный.
3 - появление цифрового видео (Video CD, DVD) - качественный переход с точки зрения формата данных.
4 - цифровое видео и телевидение высокого разрешения (Blu-Ray, HDTV) - количественный переход с точки зрения объема данных. Однако передаются все те же составляющие: яркость и цвет.
Среди специалистов и зрителей назрело ожидание очередного качественного перехода, давно предсказанного писателями-фантастами, - появление объемного телевидения. Долгое время "узким местом" в реализации стереоскопического видеопоказа был объем данных, который было невозможно передать существующими средствами. Цифровое телевидение позволило передавать достаточное количество информации и стало основой ряда устройств, позволяющих осуществить объемную визуализацию.
Каким должно быть стереоскопическое телевидение
Попробуем сформулировать основные требования к объемному телевидению для широкого применения в домашних условиях.
С точки зрения пользователя (зрителя):
-
Устройство воспроизведения должно создавать реалистичное ощущение объемности изображения.
-
Просмотр должен осуществляется естественно, без напряжения, для просмотра не должны требоваться дополнительные устройства (например, шлем или специальные очки). Он должен быть доступен как для одного наблюдателя, так и для нескольких зрителей одновременно.
-
Устройство визуализации должно «уметь» показывать как стереоскопические, так и обычные изображения.
-
Устройство визуализации должно быть достаточно компактным и удобным для размещения в жилых помещениях.
С точки зрения инженеров, обобщенные требования к средствам и техническим устройствам объемного телевидения:
-
Объем данных, необходимых для показа стереоскопического изображения, не должен существенно превосходить объем данных, передаваемых для обычного изображения.
-
Способ передачи данных должен быть совместим с существующими стандартами и технологиями.
Казалось бы, перечисленным требованиям трудно удовлетворить одновременно. Однако совокупность современных технических решений делают это возможным.
Физические основы стереоскопического восприятия
Получить представление об объемности окружающего мира человеку позволяет ряд явлений: геометрическая и воздушная перспектива, тени и блики на поверхностях объектов, относительные размеры объектов. Изобразительные приемы, моделирующие эти явления, используются художниками с давних пор для передачи объемности трехмерных предметов, нарисованных на плоскости.
Природа наделила человека бинокулярным зрением - парой глаз, расположенных на расстоянии 60-70 мм. За счет этого человек видит мир одновременно с двух точек наблюдения. В результате изображения, получаемые левым и правым глазом, слегка отличаются. Эти два изображения принято называть стереопарой. Анализируя различия между изображениями стереопары, мозг человека получает информацию об объеме и удаленности наблюдаемых объектов (рис. 1).
Кажущееся смещение рассматриваемого объекта, вызванное изменением точки наблюдения, называется параллаксом и является главным фактором в восприятии трехмерности мира.
Все способы, которые широко используются для создания стереоэффекта в видео, используют принцип раздельного просмотра - левому глазу человека демонстрируется левое изображение стереопары, правому - правое. Различия заключаются в том, каким образом достигается сепарация (разделение) изображений стереопары. Большинство современных устройств стереовизуализации и в кино, и в телевидении основаны на методах, известных более 100 лет.
Анаглифному методу показа 150 лет. Метод предложен Дальмейда и Дюко дю Ороном в 1858 году. Реализован в кино Луи Люмьером в 1935-м. Анаглифный метод (от греч. anagliphos - рельефный) состоит в окрашивании изображений стереопары в дополнительные цвета. Оба кадра стереопары формируют одно изображение. Разделение левого и правого кадра происходит с помощью цветных очков, окрашенных в соответствующие цвета. Анаглифный метод используется и в кинопоказе, и в телевизионных трансляциях. Этот метод работает практически на любых цветных телевизорах и мониторах. Достоинство метода - простота и дешевизна реализации, недостаток -- потеря части цветов и необходимость использования очков.
Поляризационному методу стереопроекции около 120 лет. Предложен Ж. Андертоном в 1891 году. Получил широкое распространение после изобретения в 1935-м Е. Лэндом поляроидной пленки. Левый и правый кадр проецируются одновременно, но свет поляризуется (линейно или циркулярно) в разных направлениях. Просмотр осуществляется с помощью очков, имеющих соответствующие светофильтры. Поляризационный метод получил широкое распространение в кинопрокате благодаря четкому разделению стереопары, сохранению цветности; недостатки - необходимость использования дорогостоящего оборудования, специальных устройств визуализации и очки, которые зритель должен надевать. Используется в кинотеатрах IMAX и др.
Растровому стерео более 110 лет. Впервые метод безочкового стерео с применением параллельного светопоглощающего растра предложен одновременно Бертье и Лизегангом в 1896 году. Впервые в мире для демонстрации стереокино этот метод был предложен в СССР С. Ивановым и А. Андриевским и реализован под руководством Б. Иванова в 1942-м. Первый в мире кинотеатр с растрово-линзовым экраном "Стереокино" был открыт в Москве в 1947-м. Растр выглядел в виде ряда непрозрачных вертикальных полос. Свет проходил в прозрачные участки между полосами, каждому глазу зрителя показывался необходимый фрагмент изображения. Размеры экрана составляли 3х3 м.
Подобные устройства «безочковой» объемной визуализации называются автостереоскопическими. Этот метод имеет различные конструктивные реализации: барьерный, линзовый варианты. В настоящее время в основном используется линзово-растровый (lenticular) вариант конструкции экранов. Для показа через растр исходная стереопара кадров "нарезается" на вертикальные полоски, которые затем чередуются так, чтобы под каждой линзой оказалась пара полос: одна от левого кадра, другая - от правого. Такое "полосатое" изображение называют кодированным. Принцип действия линзово-растрового экрана показан на рис. 2. Поток света, исходящий от кодированного изображения, проходя через линзы, разделяется таким образом, что левый глаз наблюдателя видит левое изображение стереопары, правый глаз - правое.
Наибольший эффект от линзово-растрового способа показа достигается, когда показываются не два кадра стереопары, а ряд кадров, сделанных с небольшим смещением по горизонтали (многоракурсная съемка). В этом случае при просмотре образуется широкая зона стереовидения, в которой наблюдатель может перемещаться, поочередно наблюдая сцену с разных ракурсов. Появляется возможность как бы заглянуть за объекты переднего плана. Это придает натуральность наблюдаемому стереоизображению. В фотографии для съемки серии кадров используют специальные стереофотокамеры с рядом объективов (рис. 3), или специальные штативы, позволяющие при съемке перемещать камеру в горизонтальном направлении (рис. 4).
Достоинство растрового метода в том, что устройство сепарации объединено с самим изображением и зрителю нет необходимости надевать какие-либо очки для просмотра. Кроме того, формирование объемного изображения из серии кадров, снятых с различных точек зрения, позволяет придать большую реалистичность сцене.
Недостаток в том, что для качественного воспроизведения объемного изображения требуется гораздо больше данных. Если для анаглифного и поляризационного методов достаточно двух кадров стереопары, то для растрового желательно иметь одновременно 9-12 кадров. Далее будет рассказано о способе решения данной проблемы.
Стереоскопические мониторы (телевизоры)
Существует большое количество реализаций стереоскопических мониторов. Практически у всех известных марок (LG, Philips, Sharp, Panasonic, Sony и др.) есть модели стереомониторов, основанные на принципе линзового растра. Это можно объяснить тем, что данные устройства достаточно хорошо отвечают требованиям 1-5 из обозначенных выше. Разработка линзово-растровых стереомониторов началась еще в прошлом веке (например, Philips), однако действительно хорошего эффекта и определенного коммерческого успеха удалось добиться лишь сравнительно недавно, с распространением стандарта высокого разрешения (HD). Это связано с тем, что для формирования кодированного многоракурсного изображения требуется разрешение более высокое, чем для каждого из исходных кадров по отдельности: под каждую линзу должны войти элементы всех исходных кадров. Только с появлением возможности передавать и декодировать видео высокого разрешения количества пикселов стало достаточно, чтобы увеличить качество воспроизводимого стерео (3D) эффекта.
