Дисплей в объеме

3D-дисплеиПереход от плоского изображения к объёмному стал не менее революционным шагом, чем переход от черно-белого к цветному. Если недавно плоскую картинку многие воспринимали как единственно возможную, то теперь объемное изображение становится всё более привычным

09.09.2008
17:20
Егор Федоров

 

Объёмное зрение

 

Природа наделила нас двумя глазами, и благодаря этому мы видим окружающий мир объёмным. Как это происходит? Всё дело в расстоянии между глазами - стереобазе. Мы видим один и тот же предмет с двух разных точек одновременно. Изображения, формируемые на сетчатке каждого глаза, несколько отличаются друг от друга. Чем ближе объект, тем значительнее эффект бинокулярного параллакса.

 

 

На основании различий получаемых на сетчатке изображений мозг формирует представление о глубине сцены или о расстоянии от наблюдателя до объектов. Справедливости ради стоит заметить, что это упрощённое объяснение. Для «расчета объёма» мозг также использует информацию о глубине резкости (необходимы некоторые усилия для перевода фокуса с близких объектов на дальние) и «узнавание» объектов.

 

Как увидеть объём на плоском экране?

 

Для того чтобы получить «искусственное» объёмное изображение, надо дать каждому глазу увидеть свою картинку. Два изображения вместе составляют стереопару.

 

Стереопару на одном экране условно можно показать тремя способами:

 

1. Шлемы (очки) виртуальной реальности. В оба стекла встроены небольшие экраны, каждый из которых формирует отдельную картинку;

 

2. 3D-очки. В отличие от предыдущего варианта, сами изображение не формируют, а позволяют каждому глазу видеть свою картинку с общего экрана;

 

3. 3D-экраны. Позволяют видеть объёмное изображение без использования 3D-очков («невооруженным глазом»).

 

Поскольку материал посвящен экранам, рассмотрим два последних метода подробнее.

 

Первыми появились устройства, позволяющие видеть объёмное изображение на экране при помощи специальных очков.

 

Зеркальные системы. Эта технология оказалась настолько неудобной и, следовательно, коммерчески невыгодной, что массовый зритель так и не испытал ее на себе. Стереопара проецировалась на экран таким образом, чтобы изображения не перекрывались. Картинки на экране располагались рядом. Очки были сделаны по принципу стереоскопа: система зеркал направляла правую картинку в правый глаз, левую - в левый. Получалось «настоящее» объемное изображение. Однако ширина его была вдвое меньше ширины экрана, а процесс размещения зрителя перед экраном и индивидуальной настройки зеркал становился сущим кошмаром (невозможно без содрогания вспоминать свои опыты, для которых понадобились почти все найденные в доме зеркала, включая настенное из прихожей).

 

Очки с красно-зелёными или красно-синими светофильтрами. Сейчас этот вид получения объемного изображения широко распространён в кинотеатрах. При просмотре «объёмных фильмов» зрители надевают очки с плёнками-светофильтрами. Этот метод применяется и в кино, и на телевидении, и в компьютерной сфере. Его популярность объясняется тем, что он, пожалуй, самый недорогой из всех видов получения объёма на экране.

 

Стереопара подготавливается специальным образом. При съёмке на каждой камере устанавливается красный или зелёный светофильтр (сегодня съёмка ведётся обычным образом, а стереопары подготавливаются на компьютере при монтаже). Затем она проецируется на один экран так, что картинки накладываются одна на другую. Светофильтры в очках пропускают в каждый глаз только «свою» картинку. Если правый глаз через красный светофильтр видит только те кадры, что сняты через правую камеру с использованием красного светофильтра, то левый - точно так же, но уже через зелёный светофильтр. У этого метода есть и недостатки: светофильтры уменьшают количество цветовых оттенков в получаемом изображении; несоответствие характеристик светофильтров в очках светофильтрам (реальным или виртуальным), используемым при подготовке стереопары, приводит к нежелательным эффектам, разрушающим стереокартину.

 

Очки с поляризаторами. Наибольшее распространение технология получила в компьютерной области (популярные очки VR-100 от ASUS, которыми комплектовались видеокарты серии Deluxe). Ряд фирм предлагает решения и для телевидения. Это очки в комплекте с устройством их синхронизации с кадровой разверткой, которое встраивается между источником видеосигнала и видеовходом телевизора.

 

Вместо светофильтров используются оптические затворы, работающие по принципу ЖК-матриц. Кадры стереопары выводятся на экран не одновременно. Компьютерные мониторы показывают сначала один, затем второй. На телевидении одно изображение выводится в чётных строках растра, второе - в нечётных (в чётном и нечётном полях кадра). Когда на экран выводится картинка для левого глаза, синхронно срабатывает затвор и правый глаз её не видит. Аналогично происходит со второй картинкой стереопары. Здесь объёмное изображение имеет лучшую цветовую насыщенность, в отличие от случая со светофильтрами. Недостатки: необходимость синхронизации очков с отображением стереопары на экране (мало нам очков, так от них ещё и кабель куда-то тянется!), яркость картинки уменьшается вдвое, как и частота обновления экрана (каждый глаз видит половину демонстрируемых кадров/полей); при просмотре телепрограмм вдвое уменьшается вертикальное разрешение.

 

И вот, наконец, появились «честные» 3D-экраны, дающие объёмное изображение без использования очков. Но и тут есть свои тонкости.

 

Метод линз. Принцип его работы аналогичен календарикам с объёмной или меняющейся в зависимости от угла наклона картинкой. Расположенные перед экраном вертикально тонкие цилиндрические линзы отклоняют свет от пикселей таким образом, что одни из них видны только правым глазом, другие - только левым. Главная проблема – варианты положения зрителя перед экраном сильно ограничены: можно сидеть лишь строго напротив центра экрана и только на определенном расстоянии от него. Каждый производитель борется с этой проблемой по-своему. Например, Philips применяет не два, а до девяти вертикальных рядов пикселей за каждой цилиндрической линзой, а A.C.T. Kern использует специальную камеру на дисплее. Она следит за положением глаз зрителя и специальным программным обеспечением корректирует изображение, что позволяет смотреть на экран почти с любых ракурсов и расстояний. Метод позволяет получать объёмное изображение не только на ЖК или плазменных панелях, но и на большом экране, содержащем вертикальные цилиндрические линзы.

 

Метод затеняющей маски. Компания Sharp предлагает на рынке ноутбук с переключаемым 2D/3D-экраном, а с некоторых пор и 2D/3D-монитор. Технология такова: между цветной TFT LCD панелью и лампой подсветки расположена еще одна ЖК-матрица - параллаксный барьер. В режиме 2D барьер полностью пропускает свет, и монитор работает, как обычно. При активации 3D-режима в параллаксном барьере становятся непрозрачными тонкие вертикальные линии. Они затеняют свет от лампы подсветки, в результате чего чётные вертикальные ряды пикселей TFT-матрицы становятся невидимы одному глазу, а нечётные - другому. При этом падает яркость экрана и вдвое ухудшается горизонтальное разрешение. Смотреть 3D-изображение можно, расположившись точно напротив центра экрана, примерно в 53 см от него. Подобную технологию использует и Sanyo, только параллаксный барьер в этом случае расположен перед TFT-матрицей. Для увеличения углов обзора и диапазона расстояний от экрана до зрителя Sanyo использует параллаксный барьер в виде ступенчатых, а не непрерывных вертикальных линий. Это решение увеличивает углы обзора, но несколько снижает четкость картинки.

 

Что готовит завтрашний день?

 

Технологии формирования объёмного изображения при помощи специальных очков отработаны довольно хорошо и по всем параметрам неплохи. Пожалуй, их главным недостатком является наличие самих очков. Поэтому скоро их вытеснят экраны, формирующие объёмное изображение. Тогда 3D-очки, скорее всего, займут нишу мобильных устройств. Смотреть на ходу видеоклипы, конечно, не получится, но почему бы не использовать такие очки, например, в метро по дороге на работу? Некоторые фирмы уже сегодня предлагают нечто подобное, например XEYE от Leadtek - очки-мониторы с наушниками.

 

В случае с 3D-экранами пока ещё остаётся простор для технических улучшений. Впечатляющие результаты уже достигнуты в случае, когда один зритель смотрит на изображение с одной точки. А вот для увеличения углов обзора и возможного количества зрителей предстоит ещё немало работы. Хотя в последние годы и тут заметен прогресс. С июля 2004 года компания Sharp вывела на рынок 15-дюймовый 3D ЖК-дисплей LL-151D. Компания Philips разработала чип IC3D, позволяющий отображать объём на экране мобильного телефона, а компания Samsung представила первый 3D-дисплей для мобильника и прогнозирует рынок 3D-экранов до 2 миллиардов долларов к 2010 году. Компания Opticallity заявила, что ее технология позволит смотреть изображение на 3D-экране под углами до 120 градусов нескольким зрителям одновременно.

 

А недавно молодой изобретатель Джереми Ньютон разработал так называемый «вывернутый наизнанку» интерактивный компьютерный экран, на котором могут смотреть различные видеоизображения одновременно несколько зрителей. Предложенная изобретателем система состоит из линзового-растрового, или лентикулярного, стереоскопического экрана, камеры, отслеживающей положение зрителей, и управляющего компьютера. Массив из вертикально ориентированных линз позволяет выделять изображения, предназначенные для просмотра двумя зрителями, сидящими слева и справа друг от друга.

 

Все разработки ведут к тому, что вскоре нам больше не придется выстраиваться в очередь в собственной гостиной, чтобы аккуратно сесть в неподвижной позе на строго отмеренном расстоянии от телевизора для просмотра трёхмерного видео.