Что такое 3 D и почему так важно его правильное понимание? (Часть вторая) 1
• Три измерения 3 D. • Межзрачковое расстояние. • Размер экрана. Расстояние просмотра. • Механизмы управления изображением. • Неподвижное положение. • Автостереоскопические системы. • Очки. Микростереопсис. • Развитие стереозвука. Три измерения 3 D. Межзрачковое расстояние. 2
• Если цель съемки стереоскопического 3 D состоит в том, чтобы записать в корне отличающиеся ракурсы бинокулярного зрения, то для стереографа важно иметь представление, насколько обычно различны эти ракурсы. Нет необходимости точно их дублировать, так как может возникнуть необходимость увеличить или уменьшить эффект. Хотя сигналов глубины человеческого зрения много, в зависимости от расстояния они оказывают разное влияние. Стереоскопическое зрение (стереопсис), или бинокулярный параллакс, является очень сильным сигналом, и очень важен на очень небольших дистанциях, где расстояние между зрачками глаз имеет значение. Поскольку дистанция увеличивается, стереоскопическое зрение снижается и пропадает совсем через несколько сотен метров. 3
• Снимая изображения для левого и правого глаза объективами, расположенными вне соответствующей дистанции, мы получим "гиперстерео"; стереоскопическое зрение расширено на большое расстояние, но зритель воспринимает уменьшенный сигнал глубины, как если бы он смотрел на кукольный дом или глазами великана. "Гиперстерео" — наоборот. Стереограф может выбрать подходящее расстояние разделения ракурсов, основанное на кратности объектива и межзрачковом расстоянии у человека. • К сожалению, не существует единого межзрачкового расстояния. По словам одного исследователя, "вероятно, что диапазон 4580 мм будет включать (почти) всех взрослых, минимальное значение для детей (младше пяти лет) составляет около 40 мм". 1 Такой разброс межзрачковых расстояний у человека связан с наличием в бинокуляре регулирующихся стержней. Таким образом, стереография, основанная на межзрачковом расстоянии 40 мм (у детей), воспринималась бы взрослым зрителем как гиперстерео. И наоборот, материал, снятый, основываясь на взрослом межзрачковом расстоянии, становится для маленького ребенка, смотрящего на тот же 4 экран, гиперстерео.
• Размер экрана. • Смотря в бесконечность, оба глаза зрителя с нормальным зрением будут направлены прямо вперед. Угол вергенции будет равен нулю. Стереограф может измерять межзрачковое расстояние зрителя, снимать и монтировать материал с бесконечно удаленными объектами, которые разделены межзрачковым расстоянием, для показа на широком экране. Но, к сожалению, существует большой диапазон размеров экранов. Самые большие экраны находятся в кинозалах и имеют ширину более 30, 5 м. Самые маленькие экраны (за исключением встроенного экрана видеоочков) находятся, вероятно, в мобильном телефоне и имеют ширину примерно 2, 54 см. Размер диагонали экрана телевизора варьируется от нескольких сантиметров до 3, 86 м. • Функции регулирования несоответствия стерео, в зависимости от размера экрана, еще нет в телевизорах. А конфликт стереоскопического зрения, связанного с межзрачковым расстоянием и конвергенцией, в зависимости от размера экрана, весьма вероятен. 5
• Бесконечность, с точки зрения несоответствия, установленная на 40 мм на экране шириной 30, 5 м, станет0, 93 мм на экране телевизора формата 16: 9 с диагональю 81 см (32 дюйма). Для зрителя с индивидуальным межзрачковым расстоянием 68 мм при просмотре экрана с расстояния 2, 7 м (дистанция Ленчера) основанная на вергенции обратная связь глубины для бесконечности будет немного больше 2, 7 м, только за экраном. Наоборот, бесконечность разделения, установленная для маленького экрана, может увеличиться на больших экранах и выйти за пределы межзрачкового расстояния зрителя. Это заставит глаза разойтись в разные стороны, что является неестественным. 6
• Расстояние просмотра. • Как было отмечено выше, необходимо определить межзрачковое расстояние, размер экрана и расстояние просмотра, потому что углы вергенции зависят от всех трех параметров. Легче всего демонстрировать эффект с отрицательным параллаксом, условие которого заключается в том, что точка на изображении правого глаза расположена слева от изображения левого глаза. Как показано на рисунке, если отрицательный параллакс равен межзрачковому расстоянию, то точка вергенции будет находиться посередине между экраном и зрителем. Конечно, это расстояние будет меняться в зависимости от расстояния между экраном и зрителем. Зритель, смотрящий с расстояния 1, 2 метра, будет получать обратную связь вергенции, указывающую на то, что точка расположена в 0, 6 м от экрана. Зритель с таким же межзрачковым расстоянием, смотря на тот же самый экран с расстояния 3, 6 м, будет получать обратную связь вергенции, указывающую, что та же точка расположена в 1, 82 м от экрана. 7
• Механизмы управления изображением. • Неподвижное положение. • И вновь обратимся к стереоскопу, который применяли в первой 3 D-телетрансляции в 1928 году, чтобы управлять изображением для каждого глаза. Голова зрителя располагалась напротив бленды стереоскопа. Призматические линзы направляют оба глаза к соответствующему им изображению и увеличивают расстояние аккомодации (приспособляемости для восприятия объектов, расположенных на разном расстоянии), чтобы избежать конфликта вергенции и аккомодации и сделать возможным корректировку для разных межзрачковых расстояний зрителя. 8
• Современный эквивалент стереоскопа — видеоочки, которые снабжены двумя миниатюрными ЖКдисплеями с разрешением 640 x 480 с подвижной системой линз для каждого глаза, что обеспечивает комфортное расстояние аккомодации. Они дают картинку, идентичную просмотру экрана с диагональю 170 см с расстояния три метра. Стоят такие очки примерно 350 долларов. 9
• Последняя модификация включает в себя стереоскопические камеры дополненной реальности. • Автостереоскопические системы. • Автостереоскопические дисплеи используют технологии, основанные на двояковыпуклой (лентикулярной) линзе (см. первую часть статьи в 625 № 3, 2011) или препятствии (см. верхний рисунок справа), чтобы направить взгляд. Если используется более чем два ракурса, то зритель получает относительную свободу действий и, повернув голову, может получить новую информацию как в "реальном мире". 10
• К сожалению, полное разрешение дисплея должно быть разделено на число представленных ракурсов. Именно поэтому изображение, составляющее одно целое, на телевизионном экране кажется примитивным, несмотря на использование высококачественного оборудования. Наличие только двух ракурсов исправляет проблему разрешения. Но, к сожалению, это делает зону наилучшего восприятия более узкой. Как можно заметить по диаграмме, приведенной на верхнем рисунке справа, успешный контроль над ракурсом в автостереоскопическом дисплее также зависит от расстояния просмотра и отклонения от перпендикулярной оси. Если на достаточно большие автостереоскопические дисплеи смотреть с относительно коротких дистанций, могут появиться трудности в отслеживании объектов на 11 противоположной стороне экрана.
• Очки. • Не считая специальных очков для эффекта Пульфриха (одна затемненная линза) и хромостереоскопии (распределение цвета), очки для просмотра 3 D можно разделить на четыре категории: направляющие, поляризационные, анаглифные, затворные, — а каждую из них — на несколько подкатегорий. Когда в 1953 году журнал Business Week опубликовал статью под заголовком "3 D внедряется в телевидение", в мире использовали очки, направляющие взгляд, с призмами, чтобы направить глаза на горизонтальные стереопары (sideby-side) на телевизионном экране. 12
• При взгляде на дисплей с изображением side-by-side зрители без очков могут захотеть смотреть только одно из изображений, закрывая (возможно) другое, чтобы не отвлекаться. Когда изображение для правого глаза находится слева от изображения для левого глаза, зрители без очков могут время от времени сводить глаза к переносице ("скрещивать их"), чтобы из двух изображений получить одно 3 D-изображение. • Существует одна проблема с такими дисплеями — у них вертикально ориентированный формат изображения. Но тенденция в телевидении идет по пути расширения формата изображений, например, есть производители, предлагающие экраны формата 21: 9. Альтернативой этому стало вертикальное (top and bottom) расположение экранов для двух изображений. На экране формата 4: 3 каждое изображение выглядело как широкоэкранный фильм. И снова использовались призматические очки, показанные справа внизу. Просмотр без очков на таком экране невозможен. 13
14
• При просмотре горизонтальных и вертикальных экранов через призматические очки есть ограничение на расстояние зоны наилучшего восприятия. Недорогие регулирующие расстояние опытные очки, основанные на зеркальном отражении еще не поступили в массовое производство. Поляризационные очки используются в системах с соответствующими поляризаторами. Например, если ракурс левого глаза поляризован горизонтально, а ракурс правого глаза вертикально, тогда, если зритель надел соответствующие очки, левого глаза достигнет горизонтально поляризованный свет, а правого — вертикально поляризованный свет. Когда поляризованные изображения спроецированы, необходимо, чтобы экран не деполяризовал свет. Такие экраны часто называют "серебряными". На практике линейно поляризующие очки обычно поляризуются примерно на 45 и 135 градусов. 15
• Любой неправильно поляризованный свет, попадающий в глаза зрителя (перекрестная оптическая связь) с изображениями для левого и правого глаза, может быть воспринят как двоение. Много факторов влияют на двоение, в том числе используемые материалы поляризации, их положение и содержимое кадра (белый объект в ракурсе одного глаза пространственно совпадает с черным полем в ракурсе второго глаза — самый точный пример). Также могут использоваться системы, ликвидирующие посторонние изображения. В дополнение к линейным поляризаторам существуют круговые поляризаторы. 16
• Центрирование круговых поляризаторов неважно при изготовлении очков. На изображаемой стороне также можно использовать переключаемую оптическую задержку, чтобы временно полностью изменить направление круговой поляризации (например, чередование видеокадра и поля). Двоение изображения может также зависеть от длины волны (многие круговые поляризующие фильтры не способны устранять волны короткой длины, например синий цвет, в отличие от линейных поляризаторов) и влиять на угол пересечения головы зрителя и очков. Соответствующий 3 Dпросмотр требует вертикального положения головы. Линейные поляризаторы обеспечивают зрителей функцией автокоррекции. Если зрители видят раздвоенное изображение, они немного меняют положение головы, чтобы устранить этот эффект. Очки, основанные на круговой поляризации, не обеспечивают такую функцию. 17
• Очки с цветными фильтрами называют "анаглифными" (дословно — трехмерное искривленное изображение). Даже у недорогих цветных фильтров есть четко выраженные полосы прозрачности (которые пропускают определенные цвета насквозь) и полосы непрозрачности (которые препятствуют прохождению цвета насквозь). Когда такие фильтры использовались для черно-белых фильмов, на проецируемой стороне могли появляться небольшие двоения. К сожалению, цветные телевизионные экраны тоже плохо подходят для таких фильтров, приводя к сильно выраженному двоению изображения. 18
• Технология анаглифа может использоваться с современными телевизорами. Кроме двоения, у этих очков были и другие недостатки, включая плохую цветопередачу и несоответствие яркости между глазами. Также существует хромостереоскопическая проблема разной приспособляемости к красному и синему цвету. • По этим причинам (и по другим) существует много комбинаций цветов для линз анаглифных очков. Зелено-фиолетовая пара снижает несоответствие яркости. 19
• Иногда используется усиление, чтобы регулировать приспособляемость к красному. Считается, что темно -янтарносиняя пара улучшает цветопередачу. 2 Цветные и поляризованные фильтры являются причиной уменьшенного пропускания света к глазам из-за очков и из-за фильтров, используемых на экране или проецировании. В кинотеатрах, где уровни света ниже, чем перед телевизионными экранами даже в нефильтрованном проецировании, сокращения пропускания достаточно, чтобы заметно уменьшить насыщенность цвета. 20
• Один тип очков с цветными фильтрами не относится к анаглифу. В таких очках используется технология фильтра интерференции для создания чего-то, что можно было бы считать оптическим гребенчатым фильтром. Каждый глаз получает основные цвета: красный, зеленый, синий, но цвета, главные для одного глаза, не соответствуют главным цветам для другого. К настоящему времени система, очки для которой представлены справа, использовалась только с проекционным дисплеем. Последний тип — очки затворного типа. Они поочередно закрывают обзор то одному, то другому глазу синхронно с показом чередующихся ракурсов на экране. Такие устройства могут быть подключены к экрану с помощью проводной или по беспроводной (инфракрасный диапазон или радиодиапазон) связи. Для использования беспроводных активных очков необходимы батарейки. В бытовых телевизорах затемнение зависит не только от скорости переключения очков, но и от скорости обновления изображения и от оптических параметров дисплея. 21
• Микростереопсис. • Развитие стереозвука. • В 1881 году на Международном конгрессе по электричеству продемонстрировали то, что мы сегодня назвали бы стереозвуком. От пары микрофонов на краю сцены Парижского Оперного театра питание шло к паре телефонных аппаратов в комнатах для прослушивания. Тогда процесс назвали "бинауральным прослушиванием", но он принципиально был похож на 3 D-стереоскопию. 3 Толпы людей (среди них был и писатель Виктор Гюго) были впечатлены возможностью локализации звука. Демонстрация произвела ошеломляющий эффект. • С развитием электронных устройств, стереозвук широко использовали в микрофонах и громкоговорителях. Результат (звук, получаемый через эти устройства) иногда называли "стереопингпонг", то есть сначала слышали звуки, приходящие от одного говорящего, а затем от другого. 22
• Сейчас, когда стереозвук распространен, его часто получают с помощью методов с использованием "одиночного источника" (микрофоны, расположенные ближе). Эти методы создают менее ошеломляющий эффект, но часто полученный таким способом звук считают максимально приближенным к натуральному. 23
• Как отмечено ранее, конфликт между 3 D-вергенцией и аккомодацией может вызвать дискомфорт у зрителя, а несогласование между разделением во время получения изображения и вергенцией зрителя на этом же материале может изменить восприятие глубины 3 D. Есть ли другой вариант? Один из вариантов был назван "микростереопсис" (микростереоскопическое зрение). Он основан на сильной чувствительности бинокулярного зрения человека к стереоскопическому несоответствию — при некоторых условиях вплоть до части одной угловой секунды (угловая секунда — 1/3600 градуса дуги). Поэтому ощущение глубины может быть передано с очень небольшими несоответствиями изображениями для левого и правого глаза. Показанное изображение воспринимается всеми зрителями без очков как нормальное 2 D. Такие камеры для телевещания выпускались с начала 1970 годов. Два года назад Sony продемонстрировала камеру с одним объективом для съемки 3 D (но с двумя датчиками изображения), в основу работы которой был положен принцип "микростереопсиса". Однако дальше создания прототипа дело не пошло. 24
25
26
300 УЗТС звук камера К О М М У Т А Т О Р 300 Пульт распределитель IIIIII Видеомагнитофонное воспроизведение Видеомагнитофонная запись Монитор контрольный ЛУР Сервер 27
300 Ф А К У Л Т Е Т Ы Ректорат Отдел Ректор 3 этаж Проректор 2 этаж Пр Приемный монитор 3 этаж 1 этаж П 1 этаж ЛУ 28
29
Телевидение 2020 года 30
31