Технологии объемного изображения

     Возрождение интереса к объемным изображением, началось с создания цветной пленки и доступных фотоаппаратов для массового пользования. Процесс создания объемного изображения упрощался до предела: нужно было сфотографировать, проявить и вставить в стереоскоп, которые стоили относительно не дорого.

     Сегодня стерео применяется во многих областях: реклама, презентации, фильмы и компьютерные игры, детская и познавательная литература и тд. Анаглифические изображения сразу нашли свое место: в отличие от стереоскопа, который предназначался для одного, анаглифические картинки и кино могли смотреть сразу несколько человек, к тому же их можно просматривать практически на любом мониторе или даже на стене (если использовать проектор). К тому же само создание стереофотографий не такое сложное, как может показаться на первый взгляд: для начала нужно иметь цифровой фотоаппарат, компьютер и стандартные программы (Photoshop или Adobe illustrator). Сегодня стереопары получают: 

       -Одномоментной  съемкой двумя фотокамерами;

       -Последовательная  съемка фотоаппаратом с двух  ракурсов;

       -Преобразование  двухмерного изображения в трехмерное, с помощью программного обеспечения;

       -Создание  стереоизображения из двух видеокадров;

       -Применение  стерео в фотографиях, изображениях  и кинематографе дает больше  простора воображению, нежели  двухмерная графика. 

       Совсем  недавно в СМИ прошла информация о вреде стерео, поэтому будет  полезно упомянуть и об этом. При  просматривании стереоизображений, глазные  мышцы тренируются и как всякая тренировка мышц – дает полезный результат. Офтальмологические клиники давно  применяют стереокартинки для предупреждения детского косоглазия, выравнивания у детей цвето – и световосприятия, а так же с помощью стереокартинок лечат глазные патологии у взрослых и детей. Однако не стоит злоупотреблять просмотром 3d-фильмов или стереоизображений – в каждой тренировке нужно знать меру и это касается не только глаз.

     Сегодня мы наблюдаем возрождение 3d – открывается  множество 3d-кинотеатров, снимается  все больше 3d-фильмов, Появляются новые  производители 3d продукции. Уже разработали  модели 3d-телевизоров, 3d проекторов, 3d фотокамер, 3d видеокамер и 3d ноутбуков  – будущее за 3d, но даже в век  высоких технологий анаглифические изображения и стереоскопы будут популярны из-за своей дешевизны и доступности.

3. Описание  технологии

       В настоящее время широкое применение получили четыре типа подобного воспроизведения: активный, пассивный, автостереоскопический и анаглиф. Особое значение в развитии данной области имеет именно автостереоскопическая технология, так как позволяет видеть 3D - изображение на экране электронного устройства без применения специальных очков. Это способствует развитию 3D – телевидения, причем новые дисплеи таких телевизоров весьма высокого качества. На фоне прежних, появляются новые технические характеристики устройств воспроизведения: глубина 3D – эффекта, стабильность, четкость 3D – изображения, уровень комфортности и прочее. Яростная конкуренция между мировыми производителями электроники способствует быстрому развитию отрасли 3D – телевидения. Это, по мнению многих экспертов, приведет к массовому переходу на 3D – технологии уже в ближайшее время. Ведь уже сейчас имеется масса всевозможного видеопродукта, изготовленного в 3D – формате. Такие проекты получают весомую поддержку со стороны государства. Монитор 3D – телевизора позволяет пользователю увидеть воспроизводимое изображение в объемном формате, это увеличивает реалистичность картинки и делает просмотр более приятным.

       Однако  такие новинки имеют и некоторые  недостатки, например ограничение зоны просмотра (расстояние до монитора должно быть в пределах от 3 до 6 метров, с  отклонением угла не более 60 градусов), к телевизору требуется специальная  тумба под телевизор, подставка  под телевизор. Также следует  отметить ухудшение параметров разрешения при передаче 3D – изображения, что  требует производства мониторов  с гораздо боле высоким разрешением. Ну и самая главная проблема –  это специальный контент, которого все еще очень мало, а обычное видео требует первоначальной обработки (нет возможности обрабатывать картинку в реальном времени).

       Именно  из этих соображений 3D – технологии широко применяют в области рекламы, развлечений, средств для тренировок и инсталляции. Само же 3D – телевидение сейчас находится на начальном этапе развития. Но все это вопрос времени, инженерная мысль и научно-технический прогресс обязательно выведут эту область в разряд лидеров. И произойдет это в ближайшее время.

1. Стереоочки

       Анаглиф – очки (Рисунок 1) — разноцветные очки, вместо линз у которых вставлены светофильтры цветов CMY. Дешёвый, но достаточно эффективный метод, физически он не обеспечивает правильную передачу цветного стереоизображения, однако нервная система довольно хорошо интерпретирует его. Время адаптации около 30 секунд, после длительного использования на пропорциональный период нарушается цветовосприятие.

       

Рисунок 1-Анаглифные очки

       Затворные стереоочки (Рисунок 2). На экран проецируется то картинка для левого глаза, то для правого. Соответственно, очки открывают обзор то левому глазу, то правому. Применяются в 3D-кино формата XpanD. Изредка используются в компьютерных играх, так как позволяют задействовать обычный ЭЛТ-монитор (но с мощной видеоплатой — нагрузка на неё повышается вдвое). ЖК-монитор годится не каждый — истинная частота обновления у большинства из них не превышает 30..75 Гц (имеется в виду фактическое время перестроения ЖК-цепочек, а не частота развёртки). Примером такой технологии является nVIDIA 3D Vision. Для использования 3D Vision нужен ЖК, плазменный или OLED-монитор с частотой развёртки 100 Hz или выше, видеокарта от nVIDIA с 3D Vision и специальные очки. Начиная с 2009—2010 годов в мире началось массовое производство телевизоров, работающих по этому принципу. В апреле 2010 года в России началось конвейерное производство 3D-телевизоров Samsung в Калужской области. Зритель надевает ЖК-очки, которые поочерёдно (с частотой 60 Гц) затемняют левый и правый глаза человека, телевизор при этом показывает 120 изображений в секунду.

       

Рисунок 2-Затворные стереоочки

       Поляризованные стереоочки (Рисунок 3). Сами очки несколько дороже анаглифных и требуют прецизионного спецоборудования, вдобавок киноэкран должен быть алюминированным, чтобы не было деполяризации света. Однако (кроме понижения яркости и дороговизны) выраженных недостатков не имеют. Обычно применяются в стереокинотеатрах. Имея два схожих проектора, экран и некоторое количество поляризационной плёнки от неисправного ЖК-монитора, можно самостоятельно воспроизвести в большей или меньшей степени такой стереоэффект.

       

Рисунок 3-Стереоочки с поляризационными фильтрами

       Основанные  на линейной поляризации (дешевле, но при  наклонах головы стереоэффект теряется). Применяется в 3D-кино формата IMAX 3D.

       Основанные  на круговой поляризации (дороже). Применяется в 3D-кино формата RealD Cinema.

       Благодаря последним технологическим достижениям  поляризационные технологии стремительно набирают популярность.

     Стереоочки с многополосными фильтрами — обеспечивают стереоэффект за счёт того, что линзы пропускают лишь узкие полосы красного, зелёного и синего. Проекционное оборудование относительно дёшево, но сами стереоочки дороги. Применяется в 3D-кино формата Dolby 3D.

       Технология  Dolby 3D формирует для каждого глаза изображения с разными длинами волн красного, зелёного и синего цветов. Специальные очки отфильтровывают определённые длины волн, так что зритель видит стереоизображение. В сравнении с поляризационным данный метод позволяет сэкономить на стоимости экрана (не требуется посеребрённый или алюминированный экран), но стоимость самих фильтр-очков оказывается намного выше.

2. Эффект  Пульфриха

       Использование эффекта Пульфриха нельзя отнести к стереоскопическим методам, поскольку при этом не формируются разные картинки для правого и левого глаз. Эффект Пульфриха заключается в том, что при запаздывании нервного сигнала от одного глаза, движение объекта справа налево (или слева направо, но не вверх или вниз) кажется изменяющим глубину, к наблюдателю или от наблюдателя. Такое запаздывание может быть вызвано размещением нейтрального (серого) затемняющего фильтра перед одним глазом.

       Поскольку эффект Пульфриха зависит от движения в определенном направлении, его применимость сильно ограничена.

       Преимуществом метода является возможность просмотра  «обычным» способом, без специальных  очков, при этом изображение не двоится, в отличие от стереоскопических  методов, а только пропадает иллюзия  глубины.

3. Безочковые  методы

       Включают  несколько технологий, не требующие  от зрителя ношения специализированных очков для создания иллюзии стереоизображения. Используются в экспериментальных  видеопанелях. В основном, представлены растровыми системами. (Кроме растрового, из безочковых методов известен также игольчатый, но сведений о его применении в кинематографе нет).

       В растровых методах используется пространственное разделение стереопары. Изображение на экране состоит из узких вертикальных полосок, с чередованием изображений стереопары. Перед экраном  размещается растр с таким  же шагом, элементы которого позволяют  каждому глазу видеть только «свои» полоски изображения. При достаточном  удалении зрителя от экрана полоски  сливаются в единое полутоновое  изображение.

       Существует  два типа растра — оптический (также  называемый щелевым или барьерным) и линзовый (лентикулярный).

       Оптический  растр состоит из вертикальных непрозрачных полос, с щелями между ними. Полосы затеняют для каждого глаза «несоответствующие» части изображения.

       Линзовый  растр (более применимый в настоящее  время) состоит из вертикально расположенных  цилиндрических плоско-выпуклых линз. Линза одновременно выполняет функции  щели и затеняющей полосы. Этот метод  также применяется при изготовлении стереооткрыток.

       Недостатки  растровых методов:

       Качественное  изображение наблюдается только при некоторых ракурсах, что, помимо необходимости расположения зрителей в фиксированных секторах обзора, накладывает ограничения на размер экрана

       Эффективное разрешение изображения по горизонтали  уменьшается в два раза.

       В кинематографе растровые экраны использовались в ранних узкоформатных стереосистемах.

4. Объемный дисплей

       Объемный  дисплей относится к средствам визуализации и может быть использовано для воспроизведения трехмерного изображения объектов.

     Сущность  изобретения заключается в том, что с помощью термоэлектрических элементов, размещенных в насыщенном растворе жидкого кристалла в  изотропной жидкости, регистра памяти, содержащего информацию о координатах  элементов трехмерного изображения,  генератора импульсов тока  и  коммутаторов последовательно охлаждают  капли жидкого кристалла в  насыщенном растворе, находящиеся в  окрестности определенных термоэлектрических элементов, координаты которых соответствуют  координатам трехмерного изображения.   Элементы трехмерного изображения формируются в виде облака капель жидкого кристалла в нематической фазе, видимого в рассеянном свете. Цветовые оттенки устанавливаются подбором глубины импульсного охлаждения. Технический результат: повышение точности воспроизведения трехмерного изображения.

     Объемный  дисплей работает следующим образом (Рисунок 4): в исходном состоянии (в отсутствие отображаемых элементов изображения) емкость 2, микронеоднородный материал - насыщенный раствор жидкого кристалла 3 и размещенные в емкости 2 термоэлектрические элементы 13 с проводниками 14, 15 незначительно рассеивают проходящее через емкость световое излучение от источника 1.

     

Рисунок 4-Принцип работы объемного дисплея

     Величина  рассеяния света в исходном состоянии  может быть минимизирована выбором  интервала между соседними термоэлектрическими  элементами 13 значительно больше, чем  собственные размеры термоэлементов и выбором изотропной жидкости и  жидкого кристалла (в изотропной фазе) с близкими коэффициентами преломления  для светового излучения от источника 1. В исходном состоянии насыщенный раствор жидкого кристалла в  изотропной жидкости содержит взвесь мельчайших капель жидкого кристалла, размеры которых зависят от температуры. С помощью блока 4 регулирования  температуры в емкости 2 устанавливают  и поддерживают температуру, при  которой капли жидкого кристалла  находятся в изотропном состоянии, а их размеры много меньше длины  волны оптического излучения. Элемент  объемного изображения формируется  при прохождении импульса тока через  заданный термоэлектрический элемент  в виде облачка, состоящего из капель жидкого кристалла. Импульс тока приводит к кратковременному охлаждению одной из поверхностей термоэлектрического  элемента. Вблизи охлажденной поверхности  капли жидкого кристалла охлаждаются, переходят в нематическую фазу и увеличиваются в размерах. При достижении капелями размеров, соизмеримых с длиной волны, падающего на них света элемент объемного изображения становится видимым в рассеянных лучах при наблюдении через боковые поверхности емкости 2. По завершении импульса тока через определенное время происходит обратный процесс нагревания и уменьшения размеров капель жидкого кристалла в окрестности рассматриваемого термоэлектрического элемента и переход капель в исходное изотропное состояние с малым рассеянием света. Выделение тепла на противоположной поверхности термоэлектрического элемента компенсируется блоком 4 регулирования температуры в емкости 2. Изменение цвета рассеянного от элемента объемного изображения излучения от голубого до красного оттенка достигается за счет выбора длительности охлаждения, например путем подачи одного, двух и т.д. импульсов тока на определенный термоэлектрический элемент. С ростом капель, при их охлаждении, в рассеянном излучении формируются цветовые оттенки от голубого до красного. Более подробно, в соответствие с рисунком, по сигналам генератора 5 импульсов запускается источник 7 тока и трехканальный регистр 6 памяти устанавливает в двоичном коде: на первом выходе адрес одного из блоков сканирования (соответствующего координате Z), на втором и третьем выходах - адреса проводников 14 и 15, соответствующих координатам X и Y.. Через термоэлектрический элемент 13, установленный в точке пересечения проводников 14 и 15 проходит импульс тока. Температура на одной из его поверхностей уменьшается, что приводит к формированию вблизи указанной поверхности элемента трехмерного изображения виде облачка капель жидкого кристалла в нематической фазе, видимого в рассеянном свете. Повторением описанной процедуры заданное в регистре 6 памяти число раз достигается рост капель жидкого кристалла до размеров, обеспечивающих требуемый цветовой оттенок элемента трехмерного изображения. Аналогично последовательно формируются другие элементы трехмерного изображения.