Краткий обзор технологий формирования 3D-изображения

Принципы формирования трехмерного изображения: описание технологий, история и перспективы развития.

Сегодня уже никого нельзя удивить 3D-очками. Да и мониторы, обеспечивающие объемное изображение, тоже перестали быть редкостью. Люди воспринимают эти устройства как должное, о них мечтают и недолюбливают, их оценивают и тестируют, ищут преимущества и недостатки, но мало кто знает, за счет чего обычная картинка становится трехмерной. Что ж, попытаемся исправить это упущение.

Человеческий глаз и 3D
Для начала давайте разберемся, как же вообще наш мозг может «обмануться» и воспринять обычную плоскую картинку в качестве трехмерной. Сразу хочу сказать, что подобных способов несколько. Например, 3D-изображение можно создать игрой света и тени или особым расположением элементов картинки. Но в компьютерных устройствах обычно используется несколько иной принцип. Дело в том, что у человека два глаза, каждый из которых смотрит на мир под своим углом. Информация, получаемая обоими глазами, обрабатывается мозгом и «сливается» в одну картинку. Именно этот факт и используют разработчики в своих целях. Оказывается, достаточно просто показать каждому глазу свое, специальным образом рассчитанное, изображение. Мозг анализирует полученную информацию и «обманывается», создавая у человека впечатление трехмерности увиденного.

Две картинки
Первый и самый очевидный способ, который приходит в голову для реализации «двуглазого» принципа — это простое разделение картинок. Достаточно предоставить каждому глазу свой собственный монитор, на котором и показывать нужное изображение. Этот способ был назван методом пространственного разделение. На нем основывается множество устройств различных компаний. Наибольшее распространение получили всем известные шлемы виртуальной реальности, которые по-научному называются HMD — Helmet Mounted Display. Главный плюс HMD — полное погружение в виртуальную реальность, которое используется во многих областях, начиная с компьютерных игр и заканчивая шлемами для пилотов боевых истребителей.

Но не только шлемы виртуальной реальности основаны на принципе пространственного разделения. Во многих специальных областях и научных исследованиях применяются BOOM-дисплеи (Binocular Omni-Orientation Monitor). В принципе, эти устройства внешне очень похожи на обычные бинокли. Только зачастую их устанавливают на специальных «журавлях», увешанных датчиками, которые следят за положением устройства в пространстве.

Цвет цвету рознь
Кстати, а вы знаете, что первые трехмерные картинки были созданы аж в 1858 году? Именно тогда француз Джозеф д’Альмедиа изобрел первый метод создания 3D-изображений — цветовое мультиплексирование. В основе этого принципа лежит использование двуцветных картинок. Причем на каждой картинке совмещены два изображения: одно для левого глаза, другое для правого. Отличаются они друг от друга цветом, одно из них синее, другое красное. Для того, чтобы человек увидел трехмерную картинку, он должен надеть специальные очки. Вместо линз в них установлены соответствующие светофильтры. В результате глаз, смотрящий через синее стекло, видит синюю картинку, но не замечает красную. Точно так же второй глаз видит красную картинку, но не замечает синюю.

К сожалению, подобная технология практически не нашла применения в компьютерных устройствах. Дело в том, что глаза каждого человека по-своему воспринимают цвета, в результате чего некоторые люди вообще не видят стереоэффекта, а другим приходится долго всматриваться в изображение. Естественно, не стоит забывать и о том, что современного пользователя нельзя привлечь двуцветными картинками, им подавай как минимум 16-битный цвет. Так что технология цветного мультиплексирования была признана несовершенной.

Открыто, закрыто…
Не так давно был разработан еще один принцип трехмерного восприятия изображений, который применяется в большинстве современных устройств. Называется этот способ временное мультиплексирование. В нем тоже применяются специальные очки, только в них используются не линзы, а оптические затворы. Но не путайте эти затворы с теми, что стоят внутри фотоаппаратов. Предназначение у них одно, но принципы действия совершенно различны. Если в фотоаппаратах используются механические шторки, то в 3D-устройствах применяются жидкие кристаллы, которые при поляризации становятся непрозрачными. На компьютер устанавливается специальная программа, которая по очереди показывает изображение для правого и левого глаз. В то время, когда показывается «правая» картинка, затвор на левом глазу закрывается, а когда «левая» — закрыт правый глаз. Изображения чередуются с большой частотой, и у человека создается впечатление, что он смотрит обоими глазами одновременно.

К плюсам временного мультиплексирования можно отнести высокое качество полученного объемного изображения. При использовании этого способа не возникает абсолютно никаких геометрических или цветовых искажений. Правда, недостатки у подобных систем тоже есть, и достаточно существенные. Так, например, частота кадров картинки снижается вдвое, так как за одно и то же время нужно успеть вывести в два раза больше картинок. Естественно, можно попытаться увеличить частоту регенерации монитора, но на ЭЛТ это не получается из-за эффекта послесвечения люминофора. С ЖК-панелями дело обстоит получше, но они все еще остаются не доступными подавляющему большинству пользователей. Да и сами устройства, использующие принцип временного мультиплексирования, достаточно дороги.

Конечно, были попытки удешевить технологию временного мультиплексирования, чтобы сделать ее доступной для рядовых пользователей. Так, например, специалисты из компании Tentronix предложили специальную панель, которая навешивается на монитор, и выполняет функцию затвора. Принцип действия точно такой же, как и в обычных устройствах — жидкие кристаллы. Правда, пользователям все равно нужны очки, только их устройство уже гораздо проще. Конечно, эта разработка не получилась дешевле других, но зато она гораздо удобней в использовании. Например, очки теперь стали не такими тяжелыми и громоздкими, а еще панель более долговечна, очки же дешевы, и заменить их не сложно.

Обойдемся без очков
Все вышеописанные технологии требовали от пользования надевания на голову различных устройств. К счастью, в последнее время это стало совсем необязательно: появились стереоскопические дисплеи, при использовании которых не нужны ни очки, ни шлемы. Все эти устройства основаны на одном принципе — мультиплексирование по направлению. В этом принципе использован тот факт, что глаза человека смотрят на объект под разным углом. Поэтому, если взять два изображения на одном экране, и сделать так, чтобы каждое из них было видимо только под определенным углом, можно добиться трехмерной картинки. Кстати, если на экране совместить не два, а, несколько изображений, то у пользователя появится возможность наблюдать за объектом с разных сторон.

3D из нашего детства
Помните, когда мы были детьми, продавались стереоскопические календарики? Для тех, кто этого уже не застал, объясню. Календарики эти представляли собой рельефные карточки с нанесенным специальным образом изображением. Если смотреть на картинку под одни углом, видишь одно, а под другим — другое. Это достигалось за счет особого рельефа поверхности, который представлял собой чередование призм и линз. Подобный принцип используется и в наиболее распространенных автостереоскопических дисплеев.

Экран такого 3D-дисплея также рельефный и состоит из множества мельчайших цилиндрических линз, а за каждой такой линзой прячутся две колонки пикселов (стереопара). Когда монитор работает, свет от точек проходит через поверхность экрана и преломляется таким образом, что одна колонка каждой стереопары видна только одному глазу, а вторая — другому. Таким образом, получается стереоскопическое изображение с правильной геометрией и нормальным цветовым балансом. Но, конечно, не обошлось тут и без недостатков.

Во-первых, для того, чтобы увидеть трехмерное изображение, нужно обязательно смотреть на экран прямо. Два человека уже не смогут одновременно взглянуть на картинку. Хотя это мелочи по сравнению со вторым минусом технологии. Подумайте сами, раз каждая колонка пикселов предназначена только для одного глаза, то общее разрешение по горизонтали снижается в два раза. Что же будет, если на экране разместить не два изображения, а больше? Правда, в этой ситуации отличились ученые из Philips. Они запатентовали технологию, при использовании которой на жидкокристаллическую панель с разрешением 1024x768 можно выводить семь изображений (шесть стереопар). При этом реальное разрешение картинки, увиденной человеком, будет составлять 438x256 пикселов, что, согласитесь, не так уж и плохо. Устройства эти уже производятся и продаются. Состоят они из обычной жидкокристаллической панели, на которую «надевается» дополнительный экран, состоящий из линз.

Немного дальше продвинулись немецкие ученые. В своей разработке, продающейся под маркой Dresden 3D Display, они используют систему слежения за головой пользователя, благодаря которой программа «знает», под каким углом человек смотрит на экран. Это позволило добиться лучшего качества изображения, а кроме того, появилась возможность «программного» переключения картинок. То есть пользователь может рассмотреть объект на дисплее под различными углами, просто поворачивая голову.

Зачем нужен параллакс?
Сейчас существует несколько разных разработок, использующих для разделения изображения эффект параллакса. Так, например, компания Sanyo в своих устройствах применяет барьерные сетки, которые очень похожи на апертурные решетки современных кинескопов. Эти сетки обычно располагаются между жидкокристаллической панелью и лампой подсветки. Они преломляют световые лучи таким образом, что они проходят только через определенные колонки пикселов под соответствующим углом. Это обеспечивает такой же эффект, как и линзовый экран, то есть каждый глаз видит только свою картинку.

Инженеры компании Sharp разработали свои устройства, в которых между лампой подсветки и жидкокристаллической панелью располагаются цилиндрические линзы. Они преломляют лучи и направляют их на пиксели экрана нужным образом. Получается, что подсветка происходит не рассеянным светом, а вертикальными лучами, каждый из которых проходит через два соседних столбца пикселей. Кстати, подобные устройства — самые дешевые из трехмерных дисплеев. Цена пятнадцатидюймовой модели уже меньше полутора тысяч долларов.

Технология будущего
Последняя технология, о которой я хочу рассказать вам сегодня, пожалуй, самая интересная. В ней для разделения изображения с обычного жидкокристаллического монитора используется голограмма. Да-да, вы не ослышались. Для получения трехмерного изображения перед экраном создается голограмма. Она таким образом преломляет световые лучи, что четные строки видны только левому глазу, а нечетные — правому. Между прочим, эти устройства уже поступили в продажу, а разработчики продолжают свою работу в области Holographic Optical Elements (именно так была названа вся категория устройств, использующих голографические элементы).

Будем надеяться…
На что же нам хочется надеяться, простым пользователям? Конечно, на появление новых, более совершенных, устройств и технологий. Но не только. Хочется думать, что устройства для «трехмерного зрения» в самом ближайшем времени станут доступны, пока же цена в 10-20 тысяч долларов непосильна даже большинству американцев и европейцев. Правда, уже наметилось положительное изменение ситуации. Снижаются цены на абсолютно все 3D-устройства, снижаются понемногу, но постоянно. А это позволяет нам надеяться, что трехмерные дисплеи когда-нибудь станут таким же обязательным атрибутом любого домашнего компьютера, как сейчас обычный ЭЛТ-монитор.