Цифровые 3D технологии

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. Размеры экрана составляли 3х3 м.

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. 6. Поток света, исходящий от кодированного изображения, проходя через линзы, разделяется таким образом, что левый глаз наблюдателя видит левое изображение стереопары, правый глаз - правое.

Рис. 6 Схема  разделения кодированного изображения  стереопары с помощью линзового  растра

 

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: 1) качественное изображение наблюдается только при некоторых ракурсах, что, помимо необходимости расположения зрителей в фиксированных секторах обзора, накладывает ограничения на размер экрана; 2) эффективное разрешение изображения по горизонтали уменьшается в два раза.

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.

 

1.7 3D-дисплеи

 

Также в настоящее  время на мировом рынке активно продвигаются 3D дисплеи. 3D-дисплей – любое устройство, способное вывести изображение, воспринимаемое человеком как объемное, без очков или других дополнительных устройств. 3D-дисплеи подразделяются на 3 вида:

1) аутостереоскопические. Воспроизводят два ракурса объемной сцены, один из которых предназначен для левого, а другой - для правого глаза.

2) волюметрические. Воспроизводят  изображение в виде набора  точек (вокселей) или векторов, физически  разнесенных в ограниченном рабочем пространстве дисплея (объеме воспроизведения).

3) голографические. Воспроизводят  непрерывное световое поле, соответствующее  световому полю реальной 3D сцены.

1. Аутостереоскопические.

На сегодняшний день к этому типу относятся практически  все серийно выпускаемые устройства, какими бы эпитетами вроде "реальное 3D", "суперобъемный", "ошеломляюще реалистичный", "голографический" и пр. не украшались их рекламные буклеты и пресс-релизы.

Принцип: разделение объема воспроизведения на две части  условной вертикальной плоскостью, перпендикулярной плоскости экрана и проходящей через его центр. Слева от плоскости наблюдается изображение для левого глаза, справа - для правого (рис. 7).

 

 

 

 

 

Рис.7 Принцип работы аутостереоскопического дисплея

Очевидно, что для наблюдения стереоизображения человек должен располагать голову так, чтобы каждый глаз находился в "своем" пространстве, а это несколько утомительно.

Достоинства: 1) относительная  простота изготовления, есть серийно  выпускаемые модели; 2) невысокая  себестоимость, возможно снижение цены в обозримом будущем; 3) реально достижимая скорость потока данных (двукратное увеличение от моно); 4) наличие инструментария для создания контента, драйверов, программ;

Недостатки: 1) невозможность "оглядывания" и динамического  параллакса; 2) некоторая ограниченность зоны стереоэффекта; 3) наличие зон "неправильного" псевдоскопического эффекта; 4) вдвое меньшее горизонтальное разрешение в стереорежиме.

Цены на аутостереоскопические 3D дисплеи в данный момент выше чем  на LCD мониторы (панели) аналогичных размеров, но тем не менее аутостереоскопические 3D дисплеи себя очень хорошо зарекомендовали в рекламной индустрии.

Аутостереоскопические 3D дисплеи широко применяются на выставках, в шоу-румах, в торговых залах для привлечения потребителей, при этом вызывая гораздо больше эмоций, чем обычные плазменные панели.

2. Волюметрические 3D дисплеи  (V3D).

Существенно отличаются от всех рассмотренных выше типов 3D дисплеев, формирующих изображение  с помощью элементов, расположенных  в одной плоскости.

Принцип: воспроизведение  объемного изображения в виде вокселов или векторов, реально разнесенных  в рабочем объеме дисплея (объеме воспроизведения), четко ограниченном его конструкцией (рис. 8).

Рис.8 Принцип волюметрического дисплея

 

Достоинства: 1) истинно объемное изображение, обеспечивающее естественную связь между конвергенцией и аккомодацией, динамический параллакс и другие пространственные эффекты; 2) большой угол обзора, вплоть до 360 градусов по горизонтали и 270 градусов по вертикали;

Недостатки: 1) невозможность отображения непрозрачных объектов, нельзя отобразить реалистичную графику и видео; 2) объем воспроизведения закрыт физически, невозможно совмещение с реальными объектами; 3) требуется очень большая скорость потока данных; 4) очень высокая стоимость, от многих десятков но нескольких сотен тысяч долларов.

3. Голографические 3D дисплеи  (H3D)

Воспроизводят непрерывное  световое поле, соответствующее световому  полю реальной 3D сцены. Однако, современная  техника немыслима без цифровой обработки сигналов, стало быть, любая непрерывная функция с некоторой точностью апроксимируется рядом дискретных значений.

Принцип: разделение объема воспроизведения множеством условных вертикальных плоскостей, проходящих через центр экрана. В каждой части  разбитого плоскостями пространства наблюдается свой вид (ракурс) объемной сцены (рис. 9).

Рис.9 Голографический  дисплей

 

Достоинства: самое реалистичное 3D изображение, обладающее всеми оптическими  свойствами отображаемого реального  объекта;

Недостатки: 1) техническая  сложность на пределе современных  возможностей аппаратуры; 2) вычислительных мощностей хватает только для  статических изображений.

 

2. Стереоскопический кинематограф

 

Стереокинематограф нельзя назвать полноценным способом демонстрации объёмных изображений, поскольку он основывается лишь на бинокулярном зрении. Если закрыть один глаз, объёмный эффект пропадает. В то же время, смотря на реальные объекты, закрыв один глаз, человек может без труда определить, объёмный ли перед ним объект, или плоская картинка.

За счёт того, что стереокинематограф основан только на бинокулярном эффекте, часто объекты кажутся плоскими, но размещёнными друг за другом, в разных параллельных плоскостях.

Разглядывая объёмную картинку, человек интуитивно ожидает, что  можно будет рассматривать разные её части по своему желанию: сначала  сфокусировать взгляд на ближнем  объекте, затем на предмете подальше, однако, стереоскопическое кино, картинки для которого формируются тем же способом, что и для обычного плоского кинематографа, навязывает точку фокусировки. Резко изображается то, что хотел выделить режиссёр, а второстепенные на его взгляд детали размываются. И если зритель пожелает рассмотреть второстепенные детали, то у него это никак не получится: они будут оставаться размытыми в любом случае. В обычном, плоском, кино этот эффект привычен и понятен мозгу, но в стереорежиме сильно мешает просмотру.

По этим причинам стереокино не рекомендуется смотреть людям с такими дефектами зрения, как косоглазие.

 

2.1 Ранние патенты и исследования

 

Эра стереоскопического кинематографа началась в конце 1890-х годов, когда британский первопроходец  кинематографа Уильям Фриз-Грин подал патентную заявку на метод производства стерескопического фильма. В описании процесса указывалось, что изображения с двух плёнок проецируются на экран рядом друг с другом; зритель надевает стереоскоп, который совмещает два изображения в одно целое. Однако из-за того, что метод подразумевал использование слишком громоздкой аппаратуры, использование его в театрах представлялось непрактичным. Фредрик Юджин Ив запатентовал установку для стереосъёмки в 1900 году. Его камера оснащалась двумя объективами, расставленными на расстоянии 1,75 дюйма (~4,44 см). 10 июня 1915 года Эдвин Портер и Уильям Уодделл представили в Нью-Йоркском театре «Астор» серию экспериментальных фильмов, снятых по анаглифическому методу (в красном и зелёном цвете).

 

2.2 Примеры систем стереоскопической  киносъёмки до 1952 года

 

Считается, что первым стереофильмом, демонстрировавшимся  публично в коммерческом порядке, была кинолента «Сила Любви», представленная в Ambassador Hotel Theater в Лос-Анджелесе 27 сентября 1922 года. Камера была разработана продюсером фильма Гарри Фейроллом и кинематографистом Робертом Элдером. Фильм демонстрировался с двойной плёнки в красно-зелёном анаглифе. Таким образом, это был первый случай применения двойной плёнки и первый случай применения анаглифических очков. После демонстрации фильма прокатчикам и прессе в Нью-Йорке фильм пропал из виду и теперь считается утраченным. В начале декабря 1922 года Уильям Ван Дорен Келли, изобретатель цветной системы Prizma, решил воспользоваться растущим интересом к стереокинематографу, возникшему после демонстрации фильма Фейролла, и снял короткометражную ленту с помощью стереокамеры собственной разработки. Позднее Келли заключил сделку с Сэмюэлем Ротафелем о демонстрации первой серии из числа его короткометраж Plasticon — «Movies of the Future» («Фильмы Будущего») в нью-йоркском Rivoli Theater. Келли, один из ранних производителей цветных фильмов, использовал технологию Prizma для печати и анаглифических фильмов. Известно, что в начале 1923 года он безрезультатно искал прокатчиков для своей второй ленты серии Plasticon «Сквозь деревья — Вашингтон, округ Колумбия» (Through the Trees — Washington D.C.). Фильм представлял собой стереоскопическую кинозарисовку города Вашингтон, выполненную Уильямом Креспинелом. Также в декабре 1922 года инженер Лоуренс Хаммонд (изобретатель знаменитого электрооргана) и Уильям Кэссиди представили публике свою систему Teleview. Teleview представлял собой самый ранний пример реализации «затворного» метода: два проектора поочерёдно, на высокой скорости транслировали кадры, предназначенные для левого и правого глаза; встроенные в подлокотники зрительских кресел синхронизированные визоры открывались и закрывались соответствующим образом, так что, эксплуатируя инерционность человеческого зрения, создавалась эффектная стереоскопическая иллюзия. Единственным театром, который установил у себя эту систему, оказался нью-йоркский Selwyn Theater. Для этой системы был снят всего один полнометражный фильм The Man From M.A.R.S. (позднее перевыпущенный под названием Radio-Mania) 27 декабря 1922 года. Стоит заметить, что идея самому Хаммонду не принадлежала, но он смог добиться её жизнеспособной реализации.

В 1923 году Фредерик Юджин Ив и Джэкоб Левенталь начали выпускать стереоскопические короткометражные фильмы, снятые за трёхгодичный период. Первый, называвшийся «Plastigrams», распространялся на территории США компанией Educational Pictures в красно-синем анаглифическом формате. Конец 1920-х и начало 1930-х — время, когда интерес к стереокинематографу практически сошёл на нет, во многом из-за Великой Депрессии. Луи Люмьер снял свой первый стереофильм в Париже в сентябре 1933 года. На следующий год он выпустил римейк своего «Прибытия поезда» 1895 года в анаглифическом формате.

В 1936 году Левенталя и  Джона Норлинга привлекли к съёмкам  серии «Audioscopiks» студии MGM. Плёнки выпускались фирмой Technicolor в красно-зелёном анаглифическом формате. Первый фильм под названием Audioscopiks, был представлен 11 января 1936 года и номинирован на «Оскар» за технологические новшества. Следующий фильм — The New Audioscopiks был представлен 15 января 1938.

Воодушевлённые успехом  двух фильмов серии Audioscopiks, MGM выпустила  ещё один анаглифический стереофильм »Убийство в трёх измерениях» (1941). В отличие от предшествующих лент, эта короткометражка снималась с помощью стереокамеры, построенной внутри самой студии. Плёнку в формате красно-синего анаглифа выпускала Technicolor.

Хотя ленты для анаглифических фильмов печатались в цвете, ни один из этих фильмов цветным, строго говоря, не являлся, цвет нужен был только для достижения анаглифического эффекта.

 

2.3 Появление Polaroid

 

Во время обучения в Гарвардском университете у  Эдвина Лэнда возникла мысль использовать поляризацию света для коммерческих нужд (в частности, для защиты от автомобильных фар и от солнечных лучей). К 1929 году Лэнд в своей лаборатории изобрёл и запатентовал поляризующую (поляроидную) плёнку, которую к 1932 вывел на рынок в качестве коммерческого продукта. Хотя изначально Лэнд разрабатывал фильтр для защиты от блеска автомобильных фар, Лэнд вполне отдавал себе отчёт, что его изобретение может пригодиться и на рынке стереоскопии. Использование Polaroid-фильтров означало, впрочем, необходимость разработки принципиально новых проекторов. Две плёнки, каждая из которых содержала изображения для одного глаза, необходимо было проецировать в строгой синхронизации, что потребовало применение внешнего синхронизирующего мотора. Более того, обычный матовый экран не отражал поляризованный свет, требовалось использовать экран, изготовленный из каких-либо отражающих материалов (или с посеребрённой поверхностью). В 1939 году начинается вторая мировая война, и на протяжении всех 1940-х годов интерес кинопроизводителей к стереокинематографу практически исчезает.