Третье измерение экрана
Сделать трехмерным изображение в коммерческих масштабах пока удалось только в стереоскопическом кинотеатре. Самый большой минус этого технического решения — для просмотра требуются специальные очки. Развитие методов обработки и передачи данных позволяет предположить, что уже в недалеком будущем вместо соответствующих двумерных изображений, привычных для потребителей сегодня, они получат возможность любоваться уже трехмерными эффектами.
Различные методы создания трехмерного изображения, или более кратко — 3D-технологии, появляющиеся вот уже многие годы, вызывают поначалу воодушевление. Однако в каждом случае энтузиазм быстро исчезает, поскольку решение на поверку оказывается или непрактично, или неадекватно. Потребность в хороших 3D-дисплеях очевидна, особенно в медицине и образовании. Однако промышленность еще должна произвести практичный дисплей, показывающий убедительное 3В-изображение.
Точки зрения
На проходившей в Японии выставке CEATEC 2003, посвященной последним достижениям и перспективам развития в области бытовой развлекательной электроники, демонстрировались различные варианты домашнего стереоскопического кино. Специалист компании Matsushita Electric с корзинкой специальных очков предлагает посмотреть стереоскопическое видео на плазменном дисплее Panasonic
Люди воспринимают глубину (дальность) с помощью глаз из-за эффекта пространственного несовпадения изображений, проецирующихся на сетчатку (бинокулярный параллакс). Этот эффект происходят из-за строения лица: правый/левый глаз видит предмет под незначительно различающимися углами. Таким образом, для создания трехмерного изображения необходимо показывать картинки для правого и левого глаз. При этом они должны поступать к наблюдателю раздельно: одна на правый глаз и одна — на левый.
Методы, использующие специальные очки для разделения изображений, применяются уже много лет. Они используют либо поляризующие очки, либо очки, закрывающие попеременно то левый, то правый глаз. В одной широкоизвестной системе пользователь надевает специальные очки с пластиковыми линзами разного цвета, красного и синего. Таким образом, один глаз получает красные изображения, а другой — синие. Изображения поступают одновременно или последовательно.
Подобные методы просты в использовании. Соответственно, они применяются в 3D-фильмах, на выставках и различных увеселительных мероприятиях. Однако этот метод требует наличия специальных очков. Для повсеместного распространения 3D-изображения необходима технология, не требующая специальных очков.
Существуют методы передачи трехмерного изображения, использующие компьютерную и голографию, которая записывает и воспроизводит данные, снятые с трехмерных объектов. Появление новых технологий возобновило интерес к 3D-изображению. Эти технологии используют электронные дисплеи, плазменные или ЖК, цифровую обработку изображений, технологию HDTV, компьютерную графику и другие технологии. Также современные достижения (прорыв) в области человеческого бинокулярного зрения дают серьезные основания для создания реального 3D-дисплея.
Осенью прошлого года на выставке CEATEC в Японии компании Sharp и Sanyo представили дисплеи, которые могут отображать трехмерные объекты без использования специальных очков. Sharp продемонстрировал игру пинбол и электронные иллюстрированные книги на 4- и 15-дюймовых дисплеях.
Принципы трехмерного изображения
Стереоскопическое кино теперь можно посмотреть и дома: в комплект к DVD с 3D-записью прилагаются двуцветные очки
Демонстрация 50-дюймовой плазменной 3D-панели Sanyo с четырьмя точками просмотра на европейской выставке CeBIT 2004. В этом 3D-дисплее используется принцип параллаксного барьера. Чтобы увеличить зону просмотра без ухудшения разрешения по горизонтали, специалисты Sanyo разработали линейчатый параллаксный барьер с диагональной структурой, имеющей апертуру в форме лестницы. При этом отдельные пиксели как бы размазываются по горизонтали и вертикали
Технологии, применяемые в 3D-дисплеях, в основном используют или бинокулярную систему, или многолинзовую систему. В одном из образцов бинокулярной системы структура демонстрирует два изображения одного и того же объекта с двух камер, одна справа, одна — слева. Зритель может наблюдать трехмерное изображение только с одной точки.
Мультилинзовая система демонстрирует трехмерное изображение, основываясь на принципе бинокулярного параллакса. Бывают трех-, пяти- и восьмилинзовые системы. И бинокулярная, и мультилинзовая системы имеют разновидности: одна требует наличия специальных очков, другая — нет. В настоящее время 3D-дисплеи, не требующие наличия очков, уже используются на практике. В них применяются системы параллаксного барьера и двояковыпуклых линз.
Ученые впервые открыли принципы параллаксного барьера в 1903 году. В этой системе используется тонкая апертура в виде длинных узких прорезей, называемая параллаксным барьером, располагается перед линейчатым изображением, нацеливая на правый и левый глаз. Эта апертура разделяет изображение на два, для правого и левого глаза.
Позднее исследователи объявили об открытии бинокулярной и многолинзовой систем, использующих принципы параллаксного барьера. Например, в 1992 году компании NHK Science и Technical Research Laboratories объявили о создании пятилинзовой ЖК-системы, использующей параллаксный барьер. Эта технология объединяет ЖК-дисплей прямого видения и барьер. Инженеры применили линейчатый барьер и апертуру к каждой паре пикселей ЖК-дисплея. Результатом стал 3D-дисплей, имеющий относительно простую структуру. Эта система объединяет различные методы, от бинокулярных до мультилинзовых конструкций, потому что это дает возможность пользователю изменять форму, частоту апертуры и положение барьера в соответствии с числом точек зрения 3D-изображения.
Кроме того, для работы с существующими телевизионными системами 3D-дисплей также может отображать двумерное изображение путем отмены возможностей барьера (путем отключения). Таким образом, дисплей может воспроизводить как двумерное, так и трехмерное изображение. В 1994 году Sanyo объявила о создании ЖК-дисплея, использующего фирменную технологию Image Splitter System. Эта система разделяет изображения для правого и левого глаза. В 1997 году компания объявила о создании совмещенного 2D/3D-ЖК-дисплея, который использует принципы этой системы. Те же принципы работают и в совмещенном переключаемом 2D/3D ЖК-дисплее фирмы Sharp.
В то же время лентикулярная (двояковыпуклая) система, изобретенная в 1932 году, использует вместо параллаксного барьера двояковыпуклые экраны. Изображения для правого и левого глаз переводятся в полосы, расположенные в фокальной плоскости двояковыпуклого экрана. Во время просмотра изображения через эти линзы наблюдатель может увидеть трехмерное изображение без использования специальных очков из-за пространственных характеристик линз. Стереоскопические открытки и детские иллюстрированные книжки используют выпуклые линзы вместе с цветной печатью.
3D-проектор использует те же самые принципы с двумя ЖК- или ЭЛТ-проекторами, каждый их них проецирует идентичные изображения, один для правого и один для левого глаза, на двояковыпуклый экран. NHK Science и Technical Research Laboratories, а также многие другие компании используют этот метод. Демонстрации проходят на различных мероприятиях. В совокупности с бинокулярной системой производители рассматривают развитие (разработку) двояковыпуклых дисплеев, использующих мультилинзовую систему для создания стереоскопических изображений, видимых из разных (многих) точек зрения.
На выставке CeBIT 2004 Philips показал мультилинзовый 3D-ЖК-дисплей с диагональю 20,1 дюйма с семью точками наблюдения. Дисплей имеет разрешение 533х400 и широкий диапазон рекомендуемого расстояния до экрана (от 300 до 1500 мм), на котором сохраняется эффект объемного изображения. Для увеличения зоны просмотра слой с вертикальными линзами слегка наклонен. Это снимает ограничения на положение наблюдателя перед экраном и позволяет видеть объемное изображение сразу нескольким зрителям с разных направлений.
Переключаемые ЖК-дисплеи
Ноутбук серии Mebius — самый известный из продуктов Sharp с комбинированным 2D/3D-дисплеем
Sharp Corporation и Sharp Laboratories of Europa, Ltd. в Великобритании разработали технологию переключаемых ЖК-дисплеев, способных воспроизводить как 3D или стереоизображения, так и обычные 2D или плоские изображения. Sharp утверждает, что расширит использование 3D-ЖК-дисплеев и улучшит качество просмотра 3D-ЖК-панелей. Например, при работе с компьютером он работает как обычный 2D-дисплей для набора текста и таблиц. Переключение в 3D-режим позволяет пользователю работать с 3D-контентом, таким как компьютерная графика или игры с необычайно ярким ощущением объемности и реализма. В соответствии с политикой Sharp большие дисплеи могут использоваться в персональных компьютерах, ЖК-телевизорах, системах компьютерной графики, CAD/CAM и медицинских системах. Средние и маленькие версии этих дисплеев могут применяться в персональных цифровых органайзерах, а также в развлекательном оборудовании, таком как игровые приставки.
3D-ЖК-дисплей от компании Sharp использует принцип параллаксного барьера. Он объединяет классический TFT ЖК-дисплей и так называемый переключаемый ЖК-дисплей, собственную технологию Sharp. Переключаемый ЖК-дисплей позволяет оптическому параллаксному барьеру контролировать пути распространения света. Этот метод разделяет изображение таким образом, что слегка отличающиеся изображения попадают на правый и левый глаз соответственно. Система представляет изображение для правого глаза и изображение для левого глаза как стереографическую пару на TFT ЖК-дисплее. Каждый глаз видит изображение, предназначенное только для него; мозг комбинирует изображения и воспринимает его в виде трехмерного объекта. Для отображения двумерного контента переключаемый ЖК-дисплей электрически контролирует параллаксный барьер и делает его прозрачным, таким образом, подавляя его способность разделять световые пути.
Очков не требуется
Sanyo Electric стимулирует разработку 3D-дисплеев, для использования которых не требуется специальных очков. Это развитие возникло на фоне увеличения использования 3D-изображения в области медицины, развлечений и презентаций и для CAD/CAM-систем. Sanyo давно была вовлечена в процесс исследования и разработки 3D-дисплеев. В настоящее время компания разрабатывает 50-дюймовый плазменный дисплей, демонстрирующий трехмерное изображение без каких-либо специальных очков.
Этот 3D-дисплей также использует принципы параллаксного барьера. Однако, согласно утверждениям Sanyo, соответствующая параллаксная система имеет вертикальную апертуру. Использование вертикальной системы в комплексах, имеющих много точек для наблюдения трехмерного изображения, становится причиной ухудшения горизонтального разрешения с увеличением количества точек обзора. Чтобы преодолеть это препятствие, Sanyo разработала диагональную барьерную систему, имеющую апертуру в форме лестницы. Технические подробности о ней пока неизвестны. Согласно заявлению Sanyo, диагональная барьерная система вертикально и горизонтально размазывает каждый элемент изображения, что может положительно сказаться на горизонтальном разрешении, и в итоге обеспечивает полное улучшение в качестве 3D-дисплеев.
Это означает, что, например, когда данные типа multi-viewpoint с персонального компьютера отображаются на плазменной панели напротив апертуры наклонного барьера, свет от плазменных пикселей будет меняться вместе с передвижением наблюдателя. Таким образом, наблюдатель может видеть разные изображения. Такая структура позволит пользователю наблюдать трехмерные изображения с широкого круга точек обзора. Sanyo утверждает, что подобный продукт будет полезен в тематических парках, где они достигнут мощного визуального влияния, а также на различных мероприятиях и в области образования.
В наши дни отображение объемной графики с высоким уровнем детализации без использования специальных очков все больше подкрепляется техническими и социальными потребностями общества. Однако чтобы 3D-дисплеи стали полноценным окном в трехмерный мир, потребуется и резкое развитие 3D-программного обеспечения, такое же как и воспроизводящего его «железа». У телевещателей нет технических проблем, чтобы начать трансляцию 3D-изображения: дело только за массовым созданием стереоскопического видео. Одновременно разработчикам нужно будет проводить дополнительные научные исследования, связанные с физиологией и психологией восприятия человеком объемного изображения и функциями человеческого глаза.
Стереоскоп
Попытки создания трехмерных изображений имеют удивительно долгую историю, беря свое начало в 1838 году, когда был изобретен стереоскоп. Этот прибор имел два окуляра, показывающих два слегка смещенных изображения одного и того же объекта. Подобно действию глаза и мозга, когда они видят реальный объект, стереоскоп смешивает две картинки, придавая изображению ощущение глубины и объема. До наших дней этот же принцип используется при съемке пары стереоскопических слайдов.
3D-консорциум
С начала 2003 года плоскому изображению объявлен официальный бой. В армию под названием 3D Consortium объединились пять крупных японских компаний: Itochu, NTT DATA, Sanyo, Sharp и Sony. Задача нового объединения проста, и заключается она в формировании рынка объемных изображений (начиная от контента и заканчивая аппаратной реализацией). Плоское изображение морально устарело, как заявляют представители консорциума, оно не может передать всего великолепия объемной картинки. Поэтому настало время переходить на изображение трехмерное.
Если углубиться в историю, то можно вспомнить, что и Sanyo, и Sharp, и Sony делали раньше попытки выпускать мониторы (телевизоры), демонстрирующие некое подобие объемного изображения, но качество трехмерной картинки у всех тех устройств было неудовлетворительным. Дисплеи-очки, как, собственно, и различные надеваемые светофильтры, в расчет не берутся, поскольку они требуют дополнительных приспособлений для просмотра 3D-контента, а значит, их массовое применение ограничено. 3D Consortium будет искать новые пути по реализации доступного по цене и естественного стереоизображения.
На сегодняшний день 3D Consortium насчитывает уже семьдесят компаний участниц: пять компаний-основательниц (они составляют управляющий комитет) и шестьдесят пять обычных членов. В состав консорциума входят не только разработчики и производители оборудования. Свой интерес в этой нише также имеют кинокомпании, поставщики и продавцы контента, учебные организации, разработчики ПО, системные интеграторы и многие другие. Ведь рынок объемного изображения еще не освоен, и у первопроходцев имеется большой шанс найти на нем свой «клондайк».
Консорциум не собирается ограничивать свою работу территорией одной Японии. Экспансия будет направлена и за ее пределы. На первом этапе она будет проявляться в просветительской деятельности, а затем, когда почва будет подготовлена, в дело пойдет торговля. И такого рынка индустрия еще не знала. Телевизоры есть почти у всех, мониторы есть у многих, а вот стереотелевизоров и стереомониторов нет ни у кого.
Стереоскопический дисплей Kodak
Компания Eastman Kodak в стереоскопическом дисплее использует метод шаровых линз (Ball Lens Technology), который был разработан ее специалистами и показан в прошлом году. Пользователь сидит перед системой, которая создает виртуальное изображение с помощью двух ЖК-дисплеев с высоким разрешением (один дисплей для каждого глаза). Наблюдатель смотрит в два «парящих световых шара», которые формируют для каждого глаза увеличенное изображение дисплея. Комбинация широкого угла обзора и виртуального изображения устраняют причины зрительного напряжения, присущие другим автостереоскопическим системам. Дисплей Kodak имеет большую зону оптимального наблюдения (45° по горизонтали и 36° по вертикали) и обеспечивает разрешение 1280х1024 пикселя. Пользователь смотрит на пару дисплеев через большие (32 мм) визуализирующие изображение «зрачки», которые дают ощущение присутствия в кинотеатре и позволяют наблюдать виртуальное объемное изображение перед экраном на расстоянии в полторы его высоты. Kodak допускает изменение масштабирования системы, увеличивая или уменьшая разрешение системы, что может потребоваться для различных практических применений.
У NEC свой взгляд
Компания NEC продемонстрировала прототип 2,5-дюймового стереоскопического ЖК-экрана, который имеет своеобразную организацию пикселей. Специалисты именуют ее HDDP, и при использовании двояковыпуклой линзы она дает эффект трехмерного изображения. В обычных ЖК-экранах пиксели имеют квадратную форму, разделенные по вертикали на три точки: красного, зеленого и синего цвета. Исследователи из NEC разделили пиксели по горизонтали на три точки каждого цвета, после чего пиксели были разделены вертикально на два «субпикселя» для формирования изображения, видимого правым и левым глазом.
Для отображения трехмерных изображений на ЖК-экранах пиксели «для правого и левого глаз» чередуются, что означает двукратное уменьшение горизонтального разрешения. Стандартными ЖК-экранами для мобильных телефонов являются 2,2–2,5-дюймовые QVGA-решения — с разрешением 180 точек на дюйм, поэтому они не способны воспроизвести качественное трехмерное изображение — в отличие от HDDP-дисплеев, которые с равной легкостью воспроизводят как трехмерные, так и двумерные изображения (в последнем случае пары субпикселей воспроизводят одно и то же изображение).
По мнению специалистов компании, предложенная технология позволит ускорить расширение рынка «трехмерных дисплеев». На начальном этапе предложенная NEC-технология будет применяться в дисплеях именно мобильных телефонов — данный рынок развивается, согласно анализу, быстрее других.