Телевидение 2020 года 1
• 3 D - Природа объема • Непрерывное повышение требований к качеству телевизионного (ТВ) вещания, с точки зрения новых способов представления визуальной информации, вынуждает исследователей как в нашей стране, так и за рубежом искать новые методы кодирования, передачи и воспроизведения ТВ-изображений. 2
• Так, переход к цифровому телевидению привел к возобновлению интереса к системам телевидения высокой четкости (ТВЧ), которое, по мнению разработчиков, обеспечивает более реалистичное и естественно выглядящее представление сцен по сравнению с существующими аналоговыми системами цветного телевидения – NTSC, SECAM, PAL. Но тем не менее, ТВЧ не обеспечивает представление очень важной особенности окружающего нас мира – пространственного впечатления. Поэтому на данный момент можно уверенно говорить о том, что следующий эволюционный шаг в телевидении за системами стереоскопического (от греческих слов «стерео» – объемный и «скопия» – смотреть, видеть) телевидения, или 3 DTV позволяет создать ощущение глубины в наблюдаемых сценах, что делает происходящие события более реалистичными. Помимо вещания, эффект объемности воспроизводимых сцен может быть использован при освоении и изучении космоса, в обучении (например, для имитации полетов), медицине, видеоиграх, видеосвязи, при исследовании морских глубин, в киноиндустрии и др. 3
• При построении системы 3 DTV необходимо понимать, как воспринимает человек посредством зрительного аппарата реальный трехмерный мир, с помощью какой геометрии камер может быть осуществлена съемка объектов сцены, каким образом происходит разделение изображений стереопары при их просмотре и в чем состоят особенности наблюдения объемной видеоинформации на «плоском» экране. • Особенности стереоскопического зрения человека. Человек имеет пять органов чувств, с помощью которых осуществляется восприятие окружающего мира. При этом доминирующим является зрение, благодаря которому мы воспринимаем до 90 % всей поступающей к нам информации. • Человек воспринимает окружающий мир трехмерным. Объемное, или стереоскопическое, зрение определяется способностью зрительной системы к восприятию перспективы или расположения предметов по глубине пространства наблюдения. Создание пространственного представления об объекте обусловлено рядом психофизиологических процессов. 4
• Различные объекты и их пространственное расположение зрительно воспринимаются как при монокулярном (одним глазом), так и при бинокулярном (двумя глазами) зрении. В первом случае главную роль играют такие факторы монокулярного зрения, как зрительная память, линейная и воздушная перспективы, видимая величина объектов, заполненность промежутков пространства между объектами, загораживание одних объектов другими (эффект окклюзии), распределение светотени на поверхности объектов, контраст и цветность объектов, временной параллакс, ощущения различия в напряжении мышц глаза при изменении кривизны хрусталика, учет мышечной работы глаз при их поворотах. • Однако наиболее достоверно объемность предметов и их пространственное расположение воспринимается при наблюдении двумя глазами, т. е. при бинокулярном зрении. Основную роль при этом играет глазной базис, или расстояние между зрительными осями глаз при рассматривании удаленных предметов. Величина глазного базиса у различных людей колеблется от 52 до 74 мм. Среднее его значение принято равным 65 мм [1]. Перед тем как рассматривать физику глубинного зрения, уместно будет кратко напомнить строение 5 глаза.
• Глаз представляет собой тело примерно шарообразной формы, заключенное в плотную непрозрачную оболочку – склеру (рис. 1). Передняя часть склеры прозрачна и имеет несколько более выпуклую форму. Она называется роговицей. За роговицей находится радужная оболочка, имеющая в середине отверстие – зрачок. За зрачком расположен хрусталик, представляющий собой прозрачное тело двояковыпуклой формы. Пространство между роговицей и хрусталиком, называемое передней камерой, заполнено водянистой влагой, а внутренность глазного яблока – студенистым прозрачным веществом (стекловидным телом). Роговица, передняя камера и хрусталик образуют оптическую систему глаза с углом зрения порядка 120°. С внутренней стороны в глазное яблоко входит зрительный нерв, состоящий из большого количества (порядка миллиона) нервных волокон, 6 связанных со зрительным центром головного мозга
• . Разветвляясь, нервные волокна покрывают изнутри глазное яблоко оболочкой, называемой сетчаткой. Сетчатка представляет собой мозаику из светочувствительных нервных окончаний двух видов: колбочек и палочек. Колбочки (порядка 7 млн) – аппарат дневного зрения, который характеризуется малой световой чувствительностью, большой разрешающей способностью и цветоразличительными свойствами. Палочки (порядка 130 млн) – аппарат сумеречного зрения. Характеризуется малой разрешающей способностью, большой световой чувствительностью, невозможностью различать цвет. Распределение колбочек и палочек на сетчатке глаза неравномерно. Центральная часть сетчатки содержит только колбочки (это так называемое желтое пятно – зона наилучшего видения, имеет форму эллипса), а периферия – колбочки и палочки. Причем плотность колбочек убывает с удалением от центра, а плотность палочек почти постоянна. Неравномерное распределение на сетчатке колбочек и палочек приводит к тому, что человек в прямом направлении видит объекты четко (за счет колбочек), а слева и справа от себя, при фиксации взгляда в прямом направлении, – не четко (восприятие осуществляется за счет палочкового аппарата). 7
Рассмотрим физику глубинного зрения на примере некоторой точки А (рис. 2), расположенной в пространстве. При ее наблюдении на сетчатках обоих глаз возникают проекции этой точки – ал и апр, попадающие в центр желтого пятна. Появление в пространстве точки Б, соответственно, приводит к проекциям бл и бпр. Фиксация взгляда на точке А, при наличии точки Б, приводит к возникновению углов δ 1 и δ 2, не равных между собой. Это неравенство (δ 1≠δ 2) определяет механизм возникновения стереоэффекта. При этом точки А и Б воспринимаются как разноудаленные по глубине. • • При рассматривании предметов двумя глазами зрительные оси сходятся под некоторым углом, называемым углом конвергенции (сходимости). Для точек А и Б углами конвергенции являются соответственно α и β. Из геометрических построений ясно, что α+δ 1+с+d= 180° и β+с+d+δ 2=180°. Тогда α−β=δ 2−δ 1, т. е. при смещении наблюдаемых точек (объектов) по глубине изменяются не только δ 1 и δ 2, но и углы конвергенции α и β. Разность углов конвергенции Δ=α−β, называемая угловым параллаксом (от греческого слова «уклонение» ), определяет восприятие глубинного расположения предметов. Параллакс является обязательным условием возникновения стереоскопического эффекта. 8
• Разноудаленность точек А и Б приводит к тому, что отрезки между проекциями этих точек не равны между собой, т. е. албл ≠апрбпр. При рассматривании А и Б одновременно и фиксировании своего внимания, например, на точке А, т. е. при проецировании ее в середину желтого пятна обеих сетчаток, точки бл и бпр займут положение на разном расстоянии от ал и апр. Точки ал, апр и бл, бпр называются соответствующими. Соответствующие (идентичные, одноименные, сопряженные) точки – точки на сетчатках глаз, являющиеся изображениями одной и той же точки объекта. Если точка объекта совпадает с точкой пересечения зрительных осей либо лежит на поверхности гороптера (геометрическое место точек в реальном пространстве, наблюдаемых двумя глазами с одинаковым углом конвергенции), то соответствующие точки на сетчатках глаз называются корреспондирующими точками (ал и апр). Соответствующие точки на сетчатках глаз, являющиеся изображениями точек объекта, не лежащих на поверхности гороптера, называются диспаратными точками (бл и бпр), т. е. это проекции точек объекта, расположенных ближе или дальше точки фиксации взгляда. Существующее понятие диспаратности обозначает величину параллакса между корреспондирующими и диспаратными точками на сетчатках левого и правого глаз, выраженную в угловой или дуговой мере. 9
• • Минимальный угловой параллакс, которому соответствует минимально различимое восприятие глубины, называется порогом глубинного зрения. Среднее его значение 10”… 20” [2]. Острота глубинного, или стереоскопического, зрения определяется как величина, обратная порогу глубинного зрения. Максимальным угловым параллаксом называется такой параллакс, при котором еще отсутствует двоение изображения при его просмотре. В результате экспериментальных исследований была определена его величина, которая составила 60’… 70’ [2]. Помимо углового параллакса существует и линейный, представляющий собой разность длин отрезков албл - апрбпр. Аналогично угловой мере, если эта разность невелика, то в сознании возникает стереоскопическое восприятие, дающее суждение о взаимном удалении точек А и Б по глубине. Для восприятия стереоэффекта требуется работа сознания приблизительно в течение нескольких секунд. И только по истечении этого времени человек начинает воспринимать стереоизображение. В зависимости от сложности изображений и степени знакомства с рассматриваемыми объектами требуется различное время для восприятия объемности. Например, для наиболее сложных и малознакомых объектов это время достигает 15 с [1]. 10
• Пространственное смещение объекта приводит не только к изменению угла конвергенции, но и аккомодации, т. е. изменению кривизны глазного хрусталика. Аккомодация обеспечивает резкость изображений объектов на сетчатках при различных расстояниях их от наблюдателя. При бинокулярном зрении одновременно происходят два процесса – конвергенции и аккомодации, т. е. каждому углу конвергенции соответствует определенное состояние аккомодации глаз. Зрительный аппарат человека допускает небольшой разрыв между плоскостями конвергенции и аккомодации в пределах 1 дптр [3]. Превышение этого предела приводит к относительной слабости зрения (астенопии), которая проявляется в снижении зрительной работоспособности (утомлении), в мышечных расстройствах зрительного аппарата, в постепенном ухудшении остроты зрения. 11
• • • Оптические схемы получения стереотелевизионных изображений. Исходя из того что человек воспринимает окружающий мир двумя глазами, то и получение стереоскопического изображения подразумевает съемку какой-либо сцены с двух, разнесенных по горизонтали, позиций. Существует несколько вариантов расположения камерных объективов относительно преобразователей свет-сигнал или оптических приставок к ним. Наибольшее распространение получили оптические схемы с двумя передающими камерами, разнесенные на базис съемки, который определяется расстоянием между центрами объективов. С точки зрения формирования геометрически высокоточного и синхронного считывающего растра в обоих преобразователях свет-сигнал наилучшими можно считать твердотельные матрицы – структуры ПЗС и КМОП. Оптические оси камер могут либо пересекаться, либо быть параллельными. Различные виды оптических схем получения стереотелевизионных изображений позволяют, учитывая особенности съемки, адаптировать параметры стереотелевизионной системы к условиям практического использования. 12
• На рис. 3 представлена оптическая схема стереокамеры с параллельными оптическими осями объективов. Как видно, соответствующие точки, например, для объекта М находятся на тех же самых строках растра. Местоположение точек отличается горизонтальным смещением (параллаксом), при условии юстировки (входит как составляющая часть процесса калибровки стереокамер) оптических изображений на светочувствительных поверхностях преобразователей светсигнал, с точностью до одного элемента разложения. Юстировка необходима для исключения вертикального смещения изображений стереопары по отношению друг к другу, приводящего к нежелательному вертикальному параллаксу. Точка М, находящаяся в зоне стереоэффекта, проецируется на левую и правую светочувствительные поверхности преобразователей свет-сигнал, образуя точки Мл и Мпр, связь между которыми можно представить как: где p(xл, yл) - линейный параллакс между точками Мл и Мпр, выраженный в элементах; x, y, – координаты точек в 13 горизонтальном и вертикальном направлениях соответственно.
• Формула для параллакса, выраженного в элементах разложения, в данном случае имеет вид: где b – базис съемки; f – фокусное расстояние; q – диаметр элемента разложения; ZМ – расстояние до объекта М. • В результате при параллельности оптических осей преобразователей свет-сигнал поиск соответствующих точек (эта операция необходима для оценки величины параллакса и используется при кодировании стереоскопических изображений с целью уменьшения количества передаваемых данных) осуществляется только в горизонтальном направлении, что позволяет сократить количество выполняемых операций. Все проекции объектов в левом изображении находятся левее относительно соответствующих проекций в правом. Это позволяет сократить участок поиска, что также приводит к уменьшению времени определения величин параллаксов. В то же время при данном способе построения стереокамеры затруднено наблюдение за объектами, находящимися на близком расстоянии от нее – 0, 5… 2 м [4], а отсутствие конвергенции оптических осей объективов затрудняет легкость слияния стереоскопического изображения при его просмотре, поскольку это не согласуется со зрительным аппаратом человека (зрительные оси обоих глаз, как было показано ранее, пересекаются при рассматривании объектов). Зона стереоскопического обзора (заштрихованная область) относительно мала (зависит от базиса 14 съемки).
• Другим недостатком является то, что по краям изображений стереопары появляются зоны, целиком состоящие из новых элементов, не вносящие вклада в стереоэффект и затрудняющие оценку величины параллакса при кодировании изображений. • Схема со скрещенными оптическим осями объективов (рис. 4) близка к зрительной системе человека и обеспечивает более легкое слияние изображений стереопары, чем в предыдущем случае, а также более широкую зону стереоскопического обзора. 15
• Недостатком схемы является наличие паразитного вертикального параллакса (рис. 5), который вызывает нарушение стереоэффекта (глаза человека располагаются по горизонтали, поэтому вертикальный параллакс вызывает разрушение объемности сцены при восприятии). Область поиска при оценке величины параллакса увеличивается и тем самым увеличивается время обработки. Схема со скрещенными осями приводит к усложнению математического анализа, т. к. при определении горизонтального и вертикального параллаксов необходимо учитывать зависимость от бокового смещения точек объектов. Данная схема может быть применена при съемке стереоскопических ТВ-программ, но только с последующей коррекцией искажений, приводящих к вертикальному параллаксу. 16
• Третий вариант оптической схемы представляет собой модернизированный первый, у которого площадь зоны стереовидения увеличивают за счет смещения оптических центров объективов относительно центра преобразователя светсигнал (рис. 6). При этом формируется неискаженное стереоскопическое изображение, а из-за конвергенции оптических осей объективов обеспечивается сравнительно легкое слияние изображений стереопары. Смещение оптических центров объективов не приводит к появлению вертикального параллакса, поэтому параллакс по горизонтали может быть определен с помощью простых уравнений. 17
• Способы сепарации (разделения) изображений стереопары. • Возможность восприятия на приемной стороне стереоскопических изображений (стереопары) достигается за счет использования специальных устройств, позволяющих осуществлять взаимонезависимое наблюдение левым глазом левого изображения стереопары, а правым глазом – правого изображения. • Технические средства деления (сепарации) стереопары на левое и правое изображения строятся в зависимости от решаемой задачи. Различают два вида сепараций стереопары: очковые и безочковые, или экранные. Под первым подразумевается разделение изображений непосредственно у глаз каждого наблюдателя, а под вторым – разделение изображений на экране, общее для всех зрителей. • К очковым методам сепарации относятся анаглифный (анаглифический) метод, использующий цветные очки – анаглифы, поляризационный или поляроидный (очки из поляроидов), эклипсный (последовательный, обтюрационный), который реализуется посредством очков с жидкими кристаллами. К этой группе методов относится и деление 18 изображений с помощью стереоскопа.
Простейший стереоскоп содержит вертикальную планку, разделяющую изображения стереопары, и они попадают через линзы каждое в определенный глаз (рис. 7). Современные стереоскопы имеют более сложную конструкцию, одна ко ид е я их функционирования осталась неизменной. Различают стереоскопы щелевые, линзовые, призменные, зеркальные и комбинированные. • Ценное свойство стереоскопов – высокая степень селекции изображений, отсутствие световых потерь. В то же время имеющиеся недостатки – невозможность группового наблюдения стереоизображений, конструктивная сложность (необходимо обеспечить точный угол зрения, точную юстировку левого и правого изображений и др. ) – ограничивают применение стереоскопов. Обычно их используют в специальных системах стереотелевидения, при проведении психовизуальных экспериментов и в качестве стереоскопических микроскопов. • Кратко рассмотрим существующие способы сепарации. • Стереоскоп. 19
• Анаглифный метод (в переводе с греческого – «рельефный» ). В данном методе воспроизведение изображений стереопары осуществляется благодаря тому, что каждое изображение окрашено в цвет, дополнительный по отношению к другому (например, одно изображение – красное, а другое – синезеленое). Дополнительные цвета – это те, которые при смешении дают белый цвет. Просмотр стереоизображений происходит с помощью анаглифных очков, у которых вместо линз вставлены светофильтры. При использовании красного и синего (или сине-зеленого) светофильтров принято устанавливать красный светофильтр перед правым глазом. • В настоящее время анаглифные стереоскопические изображения популярны в сети Интернет, также выпускаются известные фильмы в версии 3 D, использующие анаглифный метод представления объема. 20
• Поляризационный метод. Сепарация изображений осуществляется благодаря предъявлению изображений стереопары в поляризованном свете. При использовании линейной поляризации света поляризаторы устанавливаются перед экранами телевизоров (одна – для левого изображения, другая – для правого) таким образом, чтобы их ориентация была взаимно перпендикулярной. Телевизоры располагаются под углом 900, а изображения, предназначенные для левого и правого глаза, смешиваются на полупрозрачном зеркале. Зрители наблюдают стереоизображение через поляроидные стереоочки, светофильтры-анализаторы которых сориентированы аналогично поляризаторам, то есть таким образом, чтобы световые лучи, предназначенные для левого глаза, попадали только в левый глаз и полностью гасились для правого. Недостатком применения линейных поляризаторов является некоторое ухудшение сепарации при наклоне зрителем головы в сторону, что приводит к рассогласованию ориентации анализаторов и поляризаторов. Этот недостаток практически полностью устраняется при использовании циркулярных (круговых) поляризаторов и анализаторов. Другой недостаток – большие потери света в поляроидных пленках, достигающие 70 % [4]. К достоинствам метода относятся: простота использования, применимость в телевидении. В настоящее время выпускаются современные мониторы, на экраны которых уже нанесены поляроидные пленки круговой поляризации: нечетные строки «закручивают» световой поток в одном направлении, а четные – в другом. Левый кадр при этом располагается, например, в нечетных строках, а правый – в четных. Данный способ воспроизведения и разделения изображений стереопары позволяет обойтись всего лишь одним монитором. Кроме того, повышается контраст воспроизводимого изображения, поскольку поляризационные пленки защищают от внешней засветки экран. 21
• • • Круговая поляризация используется в настоящее время и в кинотеатрах при показе 3 Dфильмов. Перед каждым проектором помещается поляризационная пленка. Экран при отражении от него светового потока не должен менять направление падающего на него света, иначе произойдет разрушение стереоэффекта. В связи с этим используется экран с серебряным покрытием. Эклипсный метод. Изображения стереопары при данном методе предъявляются последовательно. При воспроизведении, например, левого изображения, правый глаз должен быть изолирован так, чтобы изображение попадало только в левый глаз, и наоборот. При стереотелевизионном воспроизведении стереоскопического изображения по эллипсному методу достаточно использовать только один ТВ-приемник, на который последовательно подаются левые и правые изображения. Для исключения мельканий, в большинстве случаев, ТВ-приемник должен работать с удвоенной частотой кадров. Наблюдение производится с помощью коммутационных жидкокристаллических (ЖК) очков, состоящих из двух ячеек обтюрационного типа. При воспроизведении одного из кадров стереопары соответствующая ячейка становится прозрачной. Управление ЖК-очками осуществляется как проводным, так и беспроводным (чаще всего с использованием инфракрасных излучателей) способами. При этом обеспечивается синхронность и синфазность с изображениями, предъявляемыми на экране ТВ 22 приемника.
• Достоинством последовательного метода является возможность использования его в телевидении, при минимальных световых потерях. В качестве недостатка можно отметить относительную сложность ЖК-очков. • Экранная сепарация. • Суть этого метода состоит в том, что с помощью специального экрана, например состоящего из линз, световые потоки от левого и правого изображений фокусируются в определенные места пространства. Если с этих мест смотрят зрители, то они увидят стереоскопическое изображение без использования каких-либо наглазных устройств. • Экранная сепарация находится в настоящее время в начальной стадии практического применения в телевидении. Имеющиеся в наличии устройства хоть и обеспечивают объем без очков, но имеют пока некоторые проблемы с обеспечением необходимой четкости изображений, а также обладают зависимостью от угла наблюдения. 23
• • Особенности наблюдения стереоскопических изображений. При наблюдении стереоскопических изображений с помощью какого-либо воспроизводящего устройства или на стереоэкране, зритель каждым глазом видит соответствующие точки левого и правого изображений, образующих стереопару. Так, для некоторой точки М, принадлежащей произвольной формы объекту (рис. 8), левое изображение формирует на экране точку Мл, а правое – точку Мпр. Расстояние между этими точками называется экранным параллаксом, который пропорционален параллаксу, полученному при съемке объемной сцены, т. е. параллаксу съемки. В зависимости от расположения соответствующих точек стереопары различают отрицательный и положительный параллаксы, т. е. знак величины параллакса определяется геометрией передаваемой сцены. 24
• При отрицательном параллаксе соответствующая точка для правого глаза Мпр располагается левее соответствующей точки для левого глаза Мл. При их рассматривании зрительные оси пересекаются перед плоскостью воспроизведения изображений стереопары. В месте их пересечения формируется изображение рассматриваемой точки. Таким образом, при отрицательном параллаксе точка М располагается в предэкранном пространстве. • При положительном параллаксе точка Мпр находится правее точки Мл. В результате, точка М займет место в заэкранном пространстве. 25
• Величина экранного параллакса может быть определена, исходя из следующего выражения: где b – глазной базис; D - расстояние между мнимым изображением объекта (точки) и наблюдателем; d – расстояние от стереоэкрана до наблюдателя. • При увеличении расстояния между соответствующими точками объекта происходит изменение положения в пространстве стереоскопически видимого изображения объекта – удаление его от плоскости экрана. Однако увеличивать до бесконечности это расстояние нельзя. Практически раздвижение точек ограничивается максимально допустимой величиной параллакса, в результате превышения которого слитное восприятие единого зрительного образа этих точек нарушается и изображения точек, составляющих некоторый объект, а также и сам объект начинают восприниматься раздельно. Само раздваивание слитного стереоскопического изображения объясняется уже упомянутым ранее разрывом конвергенции с аккомодационными усилиями глаз, фиксирующих плоскость 26 экрана. Такой разрыв происходит, когда разность углов ЛМл П и
• Этим предельным углом определяется возможная глубина воспроизведения стереоскопического эффекта в заэкранном пространстве. Совершенно аналогично определяется и возможная глубина воспроизведения стереоскопического изображения в предэкранном пространстве. • Литература: • 1. Валюс Н. А. Стереоскопия. – М. : Изд. АН СССР, 1962. • 2. Шмаков П. В. , Колин К. Т. , Джакония В. Е. Стереотелевидение. – М. : Связь, 1968. • 3. Чуриловский В. Н. Теория оптических приборов. – М. – Л. : Машиностроение, 1966. • 4. Мамчев Г. В. Стереотелевизионные устройства отображения информации. – М. : Радио и связь, 1983 27
28
300 звук камера УЗТС К О М М У Т А Т О Р 300 Пульт распределитель IIIIII Видеомагнитофонное воспроизведение Видеомагнитофонная запись Монитор контрольный ЛУР Сервер 29
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 30
31
Телевидение 2020 года 32
Телевидение 2020 года 33
34