5. Элементы реальной стерео

Проект StereoStep: безочковая 3D-технология на базе SSE-пластин и 2D-экранов.
1. Введение.
Пользуясь приглашением к публикации, представляем вам одну из конструкций, разработанных
в проекте StereoStep, - для демонстрации 3D-эффектов на 2D-экранах. Для лучшего восприятия
пояснений, предлагаем для начала взглянуть на любой стерео-календарик, или на любую из
широко распространенных стерео-открыток. Если пощупать лицевую часть такого изделия, то вы
обнаружите его однородную шероховатость. Вооружившись лупой, можно увидеть, что лицевая
поверхность такой стерео-картинки образована одинаковыми смежными прозрачными
цилиндрическими сегментами, которые размещены вертикально
(относительно линии глаз) на прозрачной же подложке, на
обратной стороне которой расположена картинка. Это плоское
оптическое устройство из прозрачной пластмассы (в особых
случаях - из стекла) называется лентикулярным растром, или
просто лентикуляром. Сам стерео-эффект от открытки, который
могут наблюдать сразу несколько произвольно размещенных
зрителей, есть следствие очень простых оптических фактов,
известных из школьной физики. Первый такой факт: лучи, проходящие через центр обычной
линзы, не отклоняются. Второй факт: параллельные лучи одного цвета, проходящие через
обычную выпуклую линзу, концентрируются (сходятся) в точку, которая лежит на фокальной
плоскости этой линзы. Такую точку схождения можно определить по месту пересечения
фокальной плоскости с центральным лучом того же направления, что и прочие лучи из этого
пучка параллельных. Кстати, пластмассы, которые используются для изготовления лентикуляров,
подбираются так, чтобы ослабить т.н. хроматическую аберрацию; это означает, что даже
разноцветные параллельные лучи сходятся в пластиковых линзах очень близко. Третий факт из
школьной физики: на достаточном удалении от линзы (по сравнению с ее радиусом) лучи от
точечного источника света можно считать параллельными.
А теперь вспомним, что у нас в норме два глаза, которые разнесены примерно на 6,5
сантиметров. Концентрируя зрение на каком-либо элементе наблюдаемой сцены, мы рефлекторно
скрещиваем на этом месте зрительные оси обоих глаз, и между ними появляется некоторый угол
(его еще называют угловым параллаксом). Для близких к глазам наблюдаемых объектов он,
естественно, больше, чем для удаленных. Мускульные ощущения от поворотов глаз, вместе с
оттенками и интенсивностями световых лучей (а также «данными» от вестибулярного аппарата)
позволяют нашему мозгу сформировать ощущение объемности наблюдаемой сцены: визуальные
особенности предметов, их сравнительные габариты, близость-дальность и фронтальное
размещение, свое положение относительно них и т.д. Это не врожденная способность: все
детеныши с бинокулярным (двуглазым) зрением обучаются этому прямо с младенчества, пока не
овладевают ею в совершенстве. Что же позволяет даже несмышленышам, или людям с предельно
ограниченной подвижностью (кроме глазной моторики), - гарантированно и минимальными
средствами ощутить реальную объемность наблюдаемого? Всего-навсего разница в «отпечатках»
одной и той же сцены в левом и правом глазах. Рассмотрим это на элементарном примере: два
разноцветных (для отличия) равных габаритами
шарика, размещенные прямо перед бинокулярным
наблюдателем. Что он видит своими глазами? На
иллюстрации показано, что, даже для шаров просто
расположенных в линейку, - образы, «отпечатанные»
на сетчатках левого и правого глаза отличаются. Этих
отличий достаточно для того, что ощутить: красный
шар дальше зеленого, т.е. появилась протяженность –
глубина сцены, которую один глаз – без
дополняющей информации, - никак сформировать не
сможет. Даже в самом обедненном виде
искусственного проявления этой глубины (например,
с помощью стереоскопа), достаточно изолированно и
одновременно показать обе эти «картинки» (они
называются ракурсами) в соответствующие глаза: у наблюдателя от них возникнет то же самое
ощущение, как от реальной сцены с шарами, которую он видел воочию. Этот фундаментальный
для бинокулярности факт уже давно учтен и освоен в техническом зрении - в качестве
перспективной платформы для визуального очувствления роботизированных систем. И именно
этот факт является базой для всех сегодняшних «очковых» 3D-технологий: есть некий
одновременный или попеременный носитель изображений-ракурсов и есть наблюдатель этого
носителя в стерео-очках, которые осуществляют выбор необходимого ракурса (и подавление
другого) для адресного представления каждому глазу. Этот же принцип используется для
безочковых стерео-эффектов в технологиях фиксированного размещения зрительских мест, или в
трекерной технологии - для свободного и безочкового просмотра стерео единственным зрителем.
2. Оптика стерео-открытки.
А теперь, вернувшись к началу статьи, рассмотрим, как это все же происходит без очков, причем
сразу для нескольких свободно располагающихся зрителей, - в недорогих «лентикулярных»
календариках или стерео-открытках? Сразу оговоримся, что эта дешевизна вызвана оптической
простотой, ценой используемых материалов (в основном, пластмасса и краски) и самой обычной
полиграфической технологией. Значительно большее время (пока!) затрачивается здесь на
подготовку к печати. Этот процесс включает в себя поракурсную операторскую съемку сцены с
близкими параллаксами и формирования из такой последовательности полученных ракурсов
специальной графической кодограммы Липпмана-Бонне. Сама кодограмма несложным образом
синтезируется на компьютере – были бы ракурсы. Чтобы не загромождать текст и не дублировать
иные публикации об этом предмете, - мы изложили пояснения кодограммы в отдельном
иллюстрированном приложении, где наглядно показано – что она собой представляет и в чем
состоит процесс ее синтеза. Все, кто заинтересуются этим, - могут сделать запрос на нашу почту,
или обратиться к редакции, в распоряжении которой это приложение есть. Итак, считаем, что мы
уже знаем, как устроена графика у лентикулярного стерео-календарика. Что же тогда видит
зритель? Покажем это, пользуясь теми самыми школьными фактами оптики, которые излагались
раньше, и рассматривая под увеличением ход лучей на срезе лентикуляра. Полагаем, что
наблюдатель удален от стерео-картинки на дистанцию,
значительно превосходящую радиусы малоразмерных линз.
Это означает, что в области наблюдения (это видно под
«увеличилкой») расходящиеся световые лучи все равно
педставляются параллельными, и, значит, каждый глаз
однозначно видит сквозь лентикуляр только свой набор
фрагментов из кодограммы Липпмана-Бонне. Причем, каждый
фрагмент, «проходя» сквозь линзу, снова инвертируется по
горизонтали, приобретя ориентацию исходного (при
фотографировании) ракурса. Ввиду дистанции просмотра и
малости линз, каждый набор фрагментов представляется глазу
практически слитным, а невидимые глазу области
кодограммы просто не могут просочиться не в свои ракурсы,
т.к. центральные лучи от них идут в ином направлении. – это
и есть основа иллюзии с видимыми и скрытыми областями
кодограммы на одном и том же носителе. В итоге
наблюдения, зритель в каждый момент времени видит
каждым глазом в точности один как бы «неповрежденный»
ракурс, причем соблюдается адресность их «доставки»: если
левый глаз видит тот ракурс, который образован всеми
соответствующими фрагментами кодограммы, то правый глаз
увидит смежные фрагменты, относящиеся к более правому
ракурсу. Ясно, что если дистанция наблюдения сократиться, то наблюдаемые ракурсы уже не
будут смежными, т.к. за счет увеличения центрального угла линзы, «считываться» будут уже
несмежные фрагменты кодограммы. Это приведет к увеличению параллакса. С другой стороны,
если зритель увеличит дистанцию, то, в итоге, наборы видимых фрагментов обоих глаз совпадут –
параллакс исчезнет и стерео-картинка будет казаться плоской. Со всем этим и с любой стереокартинкой может поэкспериментировать каждый любознательный человек, - как с наглядной
иллюстрацией правильности школьной физики-оптики. Важный вопрос, который после этих
пояснений обычно умалчивается: а как то же стерео наблюдают несколько зрителей? Они что –
располагаются в затылок друг другу – вслед за удачно расположенным наблюдателем? Вовсе нет,
и в этом нет необходимости, т.к. само устройство лентикуляра позволяет видеть другим зрителям
иные пары смежных ракурсов (кстати, им та же сцена будет видна иначе), или необходимые
«полосовые» наборы не только под «накрывающими» линзами, но и сбоку – под соседними
линзами, - до пределов видимости. Другими словами, зрительский фронт просмотра вовсе не
ограничен – ни слева, ни справа, - в пределах сохранения параллакса. Это и есть основа важного
зрительского режима оглядывания сцены – в тех же пределах ракурсного охвата. И, в отличие от
двухракурсных технологий, даже с картами глубины, - в мультиракурсном просмотре не возникает
«барельефности» сцены, - оглядывание имеет вполне качественный характер. Есть лишь одно –
легко устранимое неудобство, когда глаза какого-либо из зрителей «разъезжаются» в смежные
полосовые наборы (в крайние – самый левый и самый правый ракурсы сцены): возникает
ощущение заметного «перескока» и потери объемности изображения, которое устраняется
небольшим сдвигом влево или вправо. Этот же эффект «перескока» можно наблюдать специально,
перемещая стерео-картинку горизонтально перед глазами. Иногда аналогичное ощущение
«перескока» появляется и в случаях большого и/или неравномерного параллакса между
ракурсами. Но, если параллакс небольшой (т.е. съемка произведена с достаточно большим
количеством ракурсов), и дистантно выдерживается почти равномерно, то единственной (и легко
устранимой) причиной заметности «перескока» является только охват взглядом сразу двух
смежных полосовых наборов – полос от противоположных ракурсов. Ясно, что, в случае
круговой/панорамной съемки сцены – для специальных целей (кругового оглядывания на
цилиндрическом экране), и этот малозначимый дефект наблюдения автоматически исключается.
3. Проецирование сквозь щелевой растр.
Теперь, когда во введении показан реально простой и распространенно-освоенный безочковый и
многозрительский способ проявления стереоскопических эффектов (без фиксации наблюдателей) с помощью лентикуляра и кодограммы Липпмана-Бонне, - возникает вопрос: отчего же именно он
не стал мейнстримом новейших 3D-аппаратов? Не отвлекаясь на известную череду претендентов
на первенство в этом – из разработчиков и вендоров (среди которых Фраунхофероский институт,
SeeReal Technologies, Philips, Sharp и др.), - отметим, что буквальное использование этой схемы
(из экранной кодограммы и наложенного на нее лентикуляра) уже имело место еще с 2002 г. и
повторяется в некоторых самых последних конструкциях. Речь идет об изделиях, где кодограмма
Липпмана-Бонне программно синтезируется из набора исходных ракурсов встроенным в аппарат
микропроцессором, а лентикуляр совмещается с экраном прецизионным образом – предельно
точно накрывая своими линзами сформированные на экране полосовые наборы. Ясно, что в таком
«бутерброде» должны быть исключены любые взаимные смещения экрана и лентикуляра,
вызванные термическими, электродинамическими, механическими и иными причинами, и,
безусловно, должна быть достигнута достаточная линейность в пиксельных строках/столбцах
экранной матрицы и в цилиндрических образующих лентикуляра. Однако, реальное достижение
необходимой идеальности в указанных технологических параметрах экранов и лентикуляров
крайне сложно и чрезвычайно дорого. Если за скорость синтеза кодограммы из набора
графически-емких (формат HD) ракурсов еще можно побороться, применяя мощную аппаратную
акселерацию, допустимое сжатие ракурсов и ограничивая их количество, то неустранимый
технологический дрейф пиксельной ровности строк/столбцов (в их матричном размещении) на
экране и локальные дефекты на лентикуляре, не говоря уже о совмещении экрана с лентикуляром,
- все равно исключить не удается, т.е. для сколько-нибудь габаритных экранов все упирается в
сложности (технологии) и, в итоге, - в текущую цену вопроса. Сейчас и именно в этой постановке
технической задачи, - она велика, т.к. фактически является заложницей увязки принципов
дискретного (на экране) представления графики и ее аналогового воспроизведения (лентикуляром)
со стороны их слабых и, в общем-то, неулучшаемых качеств. Решение этой задачи есть, но оно
требует изменения ее постановки так, чтобы необходимое сочетание дискретности и аналоговости
происходило бы со стороны их сильных качеств, элиминируя недостатки компонентов и
заведомую неидеальность их совместного использования.
Рассмотрим оптическую схему, состоящую из плоского изображения (на любом носителе,
включая экран самый произвольной конструкции, - даже ЭЛТ), параллельного ему лентикуляра,
обращенного линзовым рельефом к этому носителю, из щелевого растра, расположенного в
«фокальной» плоскости лентикуляра так, что щели параллельны цилиндрическим линзам, а
снаружи - поверх растра разместим рассеивающую (матовую) пленку. Поперечный размер щелей
выбран в виде небольшой заданной части диаметра линзы, а сами щели расположены по одной
под каждой линзой на фиксированных местах в линзовых фокальных областях. Никаких особых
прецизионных требований к этому «бутерброду» предъявлять не будем: все на уровне школьной
лабораторной работы, - покупной лентикуляр, растр, напечатанный обычным принтером на
желатинированной пленке, которая одновременно будет и нашим рассеивающим материалом
(желатин). Скрепим вместе лентикуляр с растром
(скотчем) и разместим перед изображением на
некотором расчетном расстоянии, которое прямо
определяется из пропорции геометрического подобия
треугольников ABO и OCD, как на иллюстрации (вид
сверху на всю конструкцию), так, чтобы проекции
соседних щелей на изображении смыкались
границами, как, к примеру, отрезки ЕА и АВ - при
наблюдении сверху. Это означает, что все
изображение на носителе будет по частям отдельными смежными полосами, - без малейшего
взаимного влияния матричной структуры носителя и
дефектов лентикуляра, аналоговым образом
(оптически) перенесено в его фокальную плоскость полосами и сжато размещено в щелях: каждая
полоса – в своей щели. Из построения очевидно, что, в силу центральной симметрии относительно
центра линзы, фрагмент СD является горизонтальной инверсией отрезка АВ (т.е. образ любой
горизонтальной «стрелки» в полосе АВ имеет на щели СD противоположное направление). Итак,
простое устройство из лентикуляра, щелевого растра и рассеивателя позволяет «влет» аналоговым образом (т.е. без каких-либо вычислительных: «помощи», задержек и, главное, без
«усреднений» за счет межпиксельных потерь) построить набор инвертированных полос, в
совокупности точно соответствующих исходному изображению. Из той же планиметрии следует,
что при смещении щели CD вправо точно на собственный размер (т.е. точка С займет место D, а
последняя сдвинется еще правее) – соответствующий отрезок АВ сместится влево и займет
положение отрезка ЕА. При этом, в фокальной плоскости лентикуляра – за щелевым растром, на
рассеивателе будет так же аналогово синтезирован новый набор сжатых полос, соответствующих
обновленным позициям этих щелей. Если это обновление щелевого растра будет производиться
неразличимо быстро для зрения, то наблюдатель (со стороны рассеивателя) увидит сразу два
смежных набора из сжатых образов обеих картинок – как бы «одновременно». Ускоряя
проецирование картинок на экране и синхронно сдвигая щели растра на очередную позицию, можно неразличимо «одновременно» увидеть с рассеивателя три, четыре и т.д. смыкаемых
наборов сжатых полосовых образов от последовательности полноэкранных картинок. Если эти
картинки будут ракурсами сцены, то описанная процедура фактически аналоговым образом – с
разверткой во времени, - порождает правильную кодограмму Липпмана-Бонне (причем, более
точную, чем в дискретной кодограмме, - в виде Фурье-образов).
Представим теперь, что обновление изображений на экране происходит с уже достижимой на
бытовых ЖК-экранах частотой, к примеру, в 240 Гц. Если на таком экране демонстрировать 10
синхронных (различных) ракурсов одной и той же сцены, воспроизводя такую ее съемку 24 раза в
секунду, а циклическое смещение щелей в растре производить с той же частотой 240 Гц, то, в
полном соответствии с действующими стандартами кино/ТВ, - не различающий запредельного
мелькания кадров наблюдатель «увидит» на «рассеивателе» полностью сформированную и
безукоризненную кодограмму Липпмана-Бонне. Если теперь на эту кодограмму наложить
симметричный (рельефом к зрителю) лентикуляр, то перед зрителем будет все тот же стерео«календарик» – только не мелкий, а с произвольно-большим габаритом, причем, сцена будет
«оглядываться» сразу из 10 ракурсов. Если в качестве стандарта показа использовать, к примеру,
частоту 16 Гц, то число ракурсов сцены можно без напряжения довести до 15-ти. Напомним
читателям, что 16 Гц – все еще вполне действующий киностандарт, а слитное (без заметного
мелькания) видео на многих современных мини- и микро-экранах демонстрируется с частотами и
ниже 16 Гц. Масштабируя таким образом количество ракурсов - частотами обновления экрана и
съемки/показа сцены, - можно сделать стерео-показ предельно реалистичным.
4. Элементы реальной стерео-съемки и трансляции.
Итак, выше показано, что в полном соответствии с психофизиологическими возможностями
человека – его бинокулярностью, способностью конвергировать два видимых ракурса в ощущение
объемной сцены, медленностью зрительного восприятия (и адаптации) и др. свойствам, - можно
воспользоваться для создания безочкового стерео-эффекта с произвольно-габаритного носителя
изображений для любой группы свободно расположенных перед ним зрителей. Для этого должна
быть обеспечена высокая частота обновления экранного носителя и необходимо некое
композитное устройство из пары симметричных лентикуляров, между которыми следует
разместить дискретно сканирующий щелевой растр, синхронизированный с экраном-носителем, и
«рассеиватель». Никаких особых требований (кроме частоты смены кадров) к экрану-носителю не
предъявлялось, т.е. это может быть любой «обиходный» 2D-экран – домашнего телевизора,
компьютерного дисплея, диспетчерского или тренажерного монитора, рекламная панель и т.п.
Экран, при этом, должен раздельно и поочередно показывать ракурсы, т.е. самые обычные 2Dизображения. Откуда же в нем возьмутся стерео-кадры?
Для ответа на этот вопрос, вместо фотографической съемки неподвижной сцены в Приложении
1, рассмотрим видеосъемку некой меняющейся сцены синхронно-работающими камерами. Каждая
из них создает видеоряд из
кадра 1, кадра 2 и т.д. Все
первые кадры любого ряда
относятся к начальному
виду сцены, все вторые
кадры – к очередному
моменту изменения сцены и
т.п.
Другими
словами,
«равно-номерные»
кадры
образуют в наборе весь
комплект ракурсов - точно
для соответствующего (по
времени) 3D-представления
состояния сцены. Назовем
такой набор синхронных
ракурсов «мультикадром» и
присвоим каждому такому
мультикадру номер, входящих в него обычных кадров. Тогда последовательность мультикадров:
1, 2 и т.д., - будет точно и в стерео-формате отражать отснятую динамику меняющейся сцены.
Мультикадры (просто как набор обычных картинок) можно организовать в стандартный
видеоряд, записывать и воспроизводить в любой последовательности и на любом носителе: CD,
DVD, Blu-ray, HDD, Flash и т.д. Это означает, что никаких технических ограничений на создание
необходимого стерео-контета в уже действующих технологиях нет. Если такой контент
перегонять обычным порядком по доступным трактам – в обычном ТВ-эфире, в кабельных сетях,
в ареале ШПД или др., - то такая трансляция будет выглядеть как мультикадр 1, мультикадр 2 и
т.д., - т.е. неотличимо от теперешних видов и типов 2D-трансляции. Таким образом, со стороны
синтеза, хранения и трансляции необходимого видео-контента для рассматриваемой технологии, уже все есть, освоено и (в элементах) успешно функционирует в обычном формате 2D. Остается
ввести это в 3D-практику и обеспечить на зрительской стороне проявление описанных стереоэффектов.
5. Элементы реальной стерео-оснастки.
Как это сделать? Прислонить вышеописанный «бутерброд» из лентикуляров и удерживать его
параллельно экрану на расчетном расстоянии? Как? Да очень просто: то самое «расстояние» – это
всего лишь прозрачная пластинка нужной толщины, которая крепится к лентикулярному рельефу
со стороны экрана – дистанция и параллельность гарантированы. Теперь «бутерброд» стал толще,
но зато его можно без особых затей просто втиснуть в рамочную нишу экрана – до тесного с ним
соприкосновения, - и все: дело сделано (более прочные защелки/фиксаторы положения на экране
могут быть самыми разными и они определятся потом - общим дизайном экрана и «приставки»).
Разобравшись со стыковкой, обратим внимание на то, что «привод» сканирующего щелевого
растра в нашей конструкции не прояснен, как и устройство самого растра. Учитывая, задачу
щелевого сканирования и то, что самым ходовым (технологически подходящим для большинства
приложений) в техническом обиходе конструктора являются ЖК-матрицы, - предположим, что
именно этот материал будет вставлен между лентикулярами. Ясно, что такая ЖК-матрица должна
быть существенно облегчена по сравнению с применением в качестве универсального носителя
изображений: для щелевого растра, к примеру, не нужен дорогой и технологически-сложный
цветопиксельный слой. В сущности, от типовой ЖК-матрицы остаются стекло (или пластик) с
ЖК-канавками, контактные слои и (по части периметра) блоки управления пиксельной
активностью. Если к этой облегченной матрице добавить энергопитание (автономную
батарейку/аккумулятор, либо внешнее запитывание, к примеру, через USB-порт от
«материнского» экрана) и блок синхронизации со сменой кадров на «главном» экране (вместе с
микропрограммой управления сигналами для смещения ЖК-щелей), - то техническая задача
решена. Универсальные миниатюрные синхро-блоки сейчас не дефицит – они производятся
большинством ведущих вендоров (для «затворных» очков): в них используется ИК, bluetooth или
Wi-Fi каналы. Дело облегчается еще и тем, что в действующих стандартах ТВ-вещания, к
примеру, сигнал смены кадров сам присутствует во входном контенте (присутствует в записи,
транслируется в эфир и «содержится» в приемной антенне или на выходе интернет-тюнера),
реально разделяя кадры. Другими словами, действующая 2D-техника вполне позволяет
«вытащить» этот сигнал и обеспечить принудительное управление смещением щелей на ЖКрастре. Кстати, помимо отмеченных ИК, bluetooth или Wi-Fi каналов, для косвенного управления
синхронизацией от близкорасположенного экрана могут быть использованы т.н. контактные
сенсоры, срабатывающие от оперативного изменения его физического состояния (например –
светимости, цвета, потенциалов на его контактах и т.д.), которые могут быть даже выгодней по
цене и технологически, - чем иные задатчики.
Все бы хорошо, но ЖК-матрица в качестве щелевого растра будет работать только в случае,
когда главный экран излучает поляризованный свет. Таких экранов - от средних и выше габаритов
(все ЖК и некоторые типы плазменных), - не меньше
78-83% всего экранного оборудования, находящегося в
эксплуатации. Это означает, что ориентация на ЖКреализацию щелевого растра, в общем-то, вполне
разумна, т.к. сопрягается с превалирующим типом
экранов. Итак, для определенности будем считать, что
выбор ЖК-матрицы в качестве щелевого растра
буквально обусловлен ориентацией на самые
распространенные виды экранов среднего и выше
габаритов. Ну, а для оставшихся 17-26% можно
предложить использование пассивного поляроида
между экраном и приставкой, это несколько ослабит
светимость экрана, не на много утолщит саму
приставку и прибавит ей стоимости, но в любом
случае такое решение будет намного дешевле покупки
всего лишь 2-ракурсного 3D-экрана и вынужденного
приобретения к нему «семейного» комплекта активных («затворных») очков для не очень
комфортного просмотра такого стерео на данном 3D-устройстве.
В связи с фактором поляризации необходимо отметить также, что «дистантная» пластина и
материал лентикуляра, обращенного к экрану, должны быть пассивны (лояльны) к поляризации –
не поворачивать и не рассеивать ее, т.к. в противном случае это исключит, или, по крайней мере,
ослабит светимость из щелей растра. Такие материалы в промышленной оптике известны,
доступны, недороги и вполне технологичны.
6. SSE-пластина.
А теперь переходим к самой «приставке». Уже понятно, что она представляет собой «бутерброд»
из двух симметричных лентикуляров, между которыми – в общей фокальной плоскости размещена
специальная начинка: «облегченная»/нецветная ЖК-матрица (с питанием и управлением) и,
поверх нее, пленка рассеивающего материала. На рельефе лентикуляра, обращенного к экрану
должна быть расположена пластина, обеспечивающая заданный промежуток (зазор) между
экраном и линзовым рельефом. Назначение встроенной между лентикулярами ЖК-матрицы:
создание щелевого растра и дискретное смещение щелей по позициям - синхронно смене кадров
на экране-носителе изображения. Размер отдельной щели определяется геометрией лентикуляров
и числом демонстрируемых ракурсов. Для близкого просмотра 3D-эффекта (например, на
компьютерных экранах, игровых консолях, портативной технике, включая мобильные аппараты)
лентикуляры, по необходимости, будут мелколинзовыми. Для дистанций телевизионного
просмотра, для панелей интерьерной рекламы, - линзы будут крупнее, а для 3D-панелей наружной
рекламы, для презентационно-выставочного оборудования, клубных и т.п. применений, - линзы
заведомо будут самыми крупными. На средних (обиходных) дистанциях просмотра размер линз
определяется в их количествах на дюйм – примерно от 40 до 20-ти. В этом случае, для 10ракурсного щелевого растра разрешение ЖК-матрицы соответственно должно составить не менее
200-400 черно-белых пикселей на дюйм, - хотя бы по одному пикселю на ракурс. С учетом
исключения цветности, все субпиксели обычной цветной ЖК-матрицы начинают работать в
нужном черно-белом режиме, т.е. при вполне распространенном размере цветного пикселя в 0,25
мм, достижимое количество черно-белых пикселей составит свыше 300 точек на дюйм. Другими
словами, в бытовом диапазоне 20-40 линз на дюйм для 10 ракурсов хотя бы с однопиксельным
представлением следует выбрать такой лентикуляр, на котором не более 30 линз на дюйм, - это
вполне практичный и достижимый результат. Однако, сложности есть и они возникают не от
грубых компонентов – лентикуляров, уплотнителя и матовой пленки, а от ЖК-матрицы. В рамках
проекта StereoStep эти сложности решены. Не стало препятствием то, что пиксели на ЖК-матрице
вовсе не прозрачные «форточки» с правильными краями, из которых тесно, как из квадратных
паззлов, - без промежутков «складывались» бы идеальные щели, ведь каждый пиксель в
реальности это – ячейка в неровной канавке с жидкими кристаллами, а между этими канавками, к
тому же, имеются технологические промежутки и т.д., – все это далеко от ровной и плотной
«паркетной» укладки сплошных щелей. Но решения есть и они позволяют и применение ЖКматриц, и использование заведомо грубых компонентов, и даже зрительную незаметность еще
бóльших линз (для более свободного размещения ракурсов), и исключение других технических
невязок. Эти решения основаны на проектных know how и на свойствах планарной бирастровой
оптики (так называется пара симметричных лентикуляров). Этот инженерный оптимизм позволяет
самым прямым образом – от обоснованных и известных практических решений, - вернуться к
вышеописанной упрощенной/идеальной приставке, конвертирующей обычный 2D-экран в
средство безочкового многоракурсного стерео-просмотра любым числом свободно размещенных
(нефиксированных) зрителей.
В проекте StereoStep эта конструкция получила аббревиатуру SSE (от StereoStep и eclipse); она
запатентована, и о ней достаточно извещены профильные разработчики. Заметим еще раз: в
«черно-белом» варианте щелевого ЖК-растра и во всей концепции рассмотренного стерео
фактически использованы лишь два параметра современных экранов – их реальное пиксельное
разрешение (для растра) и скорость обновления кадров. И это именно те направления ЖКтехнологий, на которых сейчас сосредоточены самые продвинутые исследовательские силы 3D«профилированных» лабораторий и департаментов R&D большинства ведущих производителей.
Это неспроста – инженеры поняли перспективу. А конструкция SSE может работать уже сегодня,
а, с будущими достижениями в росте быстродействия экрана и его пиксельного разрешения, она
вовсе становится идеальной инженерной альтернативой многим «активно»-очковым 3Dтехнологиям. Причем, не только в качестве приставки к 2D-аппаратам, но и как встроенная оптика
специализированных 3D-устройств. В этой связи, отметим еще один - коммерческий факт
чрезвычайной важности: эта альтернатива – единственное «лекарство» от производственномаркетингового «раздвоения» многих вендоров, которые продолжают сейчас и стабильный
выпуск 2D-техники, и, одновременно, как бы освоение 3D-конструкций (хотя бы в «очковом
формате»). Для них производство SSE-пластин (встроенных и/или в формате приставок) вместо
«затворных» очков - стало бы логичным фактором продолжения присутствия на 2D-рынке, с ясно
наследуемой перспективой перехода к новому поколению аппаратов.
7. SSE-технология.
Самое время теперь от рассмотрения техники перейти к технологии 3D-показов. Поясним это на
примере наибольшого пользовательского ареала – в телевидении. Ранее уже было прояснено – как,
в принципе, снимается (и записывается для хранения и/или редактирования) многоракурсный
контент, состоящий из мультикадрового видеоряда. Отмечалось также, что, в отсутствие какихлибо отличий компонентов мультикадра от обычных плоских изображений, - трансляции такого
видеоряда ничем не отличается от 2D-типовой в подходящем тракте передачи. Было показано, что
последовательная демонстрация ракурсов мультикадра на быстродействующем 2D-экране – при
помощи SSE-приставки, - создает у произвольной группы свободно размещенных зрителей вполне
качественную иллюзию наблюдения многоракурсной стерео-сцены в формате Липпмана-Бонне, причем – в динамике:
Из иллюстрации следует: схема вполне рабочая. Технологии для мультиракурсного синтеза 3Dконтента уже есть и в короткие (действительно короткие!) сроки могут быть доведены до простых
студийных стандартов и инструкций. Хранение и редактирование уже готового многоракурсного
3D-контента практически не отличаются от уже действующих технологий и пользуются той же
оснасткой, – все уже есть. Трансляция такого формата 3D ничем (ничем!) не отличается от уже
действующих способов и технологий доведения визуальных сигналов до принимающих
аппаратов, - в подходящих трактах. Арифметикой – на простейшем калькуляторе, - можно
показать, что современное поколение быстродействующих 2D-телеприемников уже сегодня
способно демонстрировать, по крайней мере, 10-ракурсное безочковое стерео. Это вполне
приличный и, главное, вовсе не предельный результат: на старте событий производителями уже
заявлены экраны на 500 и даже 600 Гц, это реально означает 20 и 25 ракурсов, - прекрасное
многоракурсное стерео, не всегда достижимое даже в лучшей полиграфии. Вместо «специальных»
двухракурсных 3D-телевизоров, вместо активных очков (и др. «очковых» технологий), - на
уценение, обновление дизайна и расширенное производство которых мобилизуются (отвлекаются)
сейчас значительные ресурсы, - нужна SSE-пластина/приставка. Простая в производстве,
примитивная в эксплуатации, доступная по цене в любой географии и для любых новых 2Dтелевизоров (т.к. их модернизация и производство, представьте себе, не останавливается!). Все
«кубики» для этого готовы – дело за производством.
8. Ближний прогноз 3D-событий.
По итогам начала 2011 г. можно уверенно утверждать, что тренд 3D-визуальности во всех
медиа-приложениях не только сохранится, но и расширится. Некоторый натужный бум – на волне
эксплуатации моды от «Аватара», - в срочном торговом проталкивании 3D-техники с активными
(«затворными») очками уже сдувается: вопиющее несоответствие цены этих устройств и реальной
скудности 3D-контента вынудили производителей пересмотреть торговые ориентиры (радикально
снизить цены), вложиться в создание 3D-контента и поддержать в этом профильные компании
(кино/ТВ-студии, рекламистов и т.д.), срочно унифицировать и технологически уценить т.н.
«затворные» очки, а также обеспечить паллиативный переход на пассивные технологии – даже с
половинной потерей экранного разрешения, но с безусловным выигрышем для покупателей в
стоимости аксессуаров просмотра – пассивных поляроидных очков. Фактически, речь идет о
возврате к известным старым схемам чересстрочного представления двух ракурсов на экране;
просто в новых матричных параметрах это могут быть не только строки, но и любые смежные
кластеры – пиксельные столбцы, «шахматное» представление ракурсов и т.п., - в любом случае,
пассивно-сепарирующая маска на ЖК-экране дешевле пары активных очков. Последовательный
переход к пассивной очковой технологии с существенным замещением «затворных» очков займет
не более 2-3 лет, и это непременно случится. Отметим, что проектом StereoStep предусмотрены и
такие (пассивные) решения, причем они вновь проще, дешевле и технологичнее уже заявленных
концептов от ведуших вендоров и 3D-профилированных исследовательских организаций. Более
того, они могут быть промышленно освоены в течение трех-четырех месяцев, с тотальным
охватом значительной доли всего 2D-ареала: ТВ, компьютерных дисплеев, игровых консолей,
рекламы и т.д. В связи с реальной популярностью 3D-спортивных трансляций, это приобретает
особое значение для крупных и близких по времени мероприятий EURO-2012 и СОЧИ-2014 (с
прямым участием Украины и России). Речь о вполне реальной возможности приобщения
миллионов самых простых людей с весьма скромными послекризисными доходами, - как бы, к
новым эффектам НiТech на уже имеющейся в обиходе 2D-технике, причем не только в интересах
культуры/пропаганды, но и с огромным коммерческим (в первую очередь – рекламным)
потенциалом таких показов. Но об этом - в другой раз и в отдельной статье.
А сейчас – об SSE: промышленное освоение этой технологии в форм-факторе приставок к 2Dаппаратам может быть реально завершено в 6-9 месяцев после «обкатки» опытных моделей. Это –
отнюдь не новое производство, и для массовости вполне можно приспособить уже действующие
мощности по выпуску ЖК-матриц. Это означает, что параллельно набирающему ход замещению
«затворных» технологий - пассивными очками, - плавно грядет совершенно безочковая стереотехнология. Причем, не только со съемными приставками, но и со встроенными SSE-модулями, - в
форм-факторе специализированных 3D-аппаратов. Ясно, что эти решения будут конкурировать с
уже заявленными автостереоскопическими концептами других разработчиков, но на стороне SSE
– качественность изображения, лучшее наследование достижений 2D-технологий, оптимальный
цифро-аналоговый баланс оптики и заведомая экономия для покупателя. Как бы то не было, этап
вхождения автостерескопии в широкий пользовательский обиход займет следующие 5-8 лет и, в
модернизированном виде, - продлится дольше – до новых поколений 3D.
Иногда приходится слышать: а стоит ли заниматься автостереоскопией вообще? – если она все
равно будет замещена, к примеру, голографической технологией. На самом деле, обстоятельства в
прикладной голографии далеко не все так блестящи, как декларируется. Мало того, отвлекаясь от
физики процессов и рассматривая только утилитарную, прикладную возможность стереоскопии и
голографии применительно к 3D-технологиям, - следует признать, что здесь у них есть лишь два
принципиальных отличия. Во-первых то, что для наблюдения голограммы зрителю вовсе
необязательно видеть носитель с ее записью и источники когерентной и/или рассеянной подсветки
(в зависимости от голографической технологии), необходимые для восстановления
интерференционной развертки. Они могут быть намеренно скрыты от зрителя, или находиться на
предельном (для данной технологии) оптическом удалении, - саму голограмму, как
интерференционную картину, - он все равно увидит. В случае же стереоскопических конструкций,
зритель должен держать носитель изображения в поле своего зрения обоими глазами – иначе
стерео-эффект пропадет. Это отнюдь не означает, что необходимо бдительно и непрерывно
сканировать все изображение на носителе – достаточно первого момента ощущения объемности,
после чего зритель может (рефлекторно «удерживая» носитель в качестве наблюдаемого фона)
рассматривать любые подробности демонстрируемой сцены. Во-вторых, наблюдение голограммы
может производиться зрителем из произвольной позиции, с непрерываемым (недискретным)
ощущением объемности в произвольном направлении оглядывания. В случае же стереотехнологий, зритель может использовать лишь те возможности оглядывания сцены, которые
присутствуют в последовательности ракурсов, т.е. предусмотрены оператором съемки.
Разумеется, это относится только к дискретной операторской съемке сцены, т.к. в случае
использования интегральной оптики в съемочном процессе, – второе отличие автоматически
отпадает. Это очень важно, т.к. и сама интегральная оптика может в самое ближайшее время
получить мощный толчок к развитию со стороны бурно развивающегося направления оптических
метаматериалов. Это, кстати, коснется и экранных технологий, и возможностей автостереоскопии,
и, даже, – будущих голографических приложений.
Заключение.
В заключение мы хотим отметить не очень акцентированный в тексте факт: конструкция SSE
кардинально отличается от конкурентных безочковых, - как прежних (Philips и др.), так и
сегодняшних (Toshiba и пр.). Это отличие – не в пользу альтернатив SSE, какими бы прекрасными
конструкциями они не являлись. Дело в том, что формирование кодограммы Липпмана-Бонне в
них производится программным способом, в полном соответствии с алгоритмом, изложенным в
Приложении 1, и в увязке с реальными матричными возможностями экрана. Это означает, что
финальное сжатие каждого полосового фрагмента любого ракурса претерпевает необратимые
потери, связанные с «переводом» дискретного пиксельного образа – в другой дискретный образ с
кратно меньшим числом пикселей, т.е. с потерей разрешения в ракурсах. Для их элиминирования,
как уже было отмечено, применяются приемы «сглаживания»/усреднения состояний исходносмежных пикселей с целью их «коллективного» представления в сжатом виде. Это - неустранимое
следствие дискретности. В случае SSE, такого нет в принципе: аналоговое (недискретное) сжатие
осуществляется оптикой - лентикуляром и щелевым растром, - которые образуют в фокальной
области линз Фурье-образы отдельных фрагментов экрана без каких-либо графических потерь, т.е. с сохранением исходного пиксельного набора. Просто, в SSE-оптике кажущееся разрешение
экрана в любом направлении «плоского» ракурса в точности наследует исходное разрешение
экрана: т.е. кажущаяся плотность пикселей как бы возрастает в направлении «сжатия» - кратно
числу ракурсов, если их раздельно «пересчитать» в фокальных Фурье-образах. Повторим для
ясности: в чисто дискретных схемах сжатия, альтернативных патентованному решению SSE, достичь этого в принципе невозможно.
И, наконец, последнее замечание: оно касается беспрецедентной по активности, но совершенно
надуманной темы о «медицинской вредности» 3D. Не вдаваясь в медицинские подробности (а они
есть – причем классические, ставшие неукоснительной основой всех сегодняшних систем НОТ и
действующих стандартов кино/ТВ), в которые по тем или иным обстоятельствам втягиваются
медики и технари, - хотим отметить: стерео-форматы совершенно естественны. Они являются
следующим технологическим приближением трехмерной реальности – после 2D-графики и кино.
Это всего лишь технология, и не надо путать ее со стрессом и иным эстетическим воздействием
контента. Напомним, что с первых киносеансов братьев Люмьер в Париже (1896 г.) паникующий
народ сбегал толпами, некоторые люди впадали в обморок, видя «надвигавшийся» на них из
экрана поезд. А сейчас кино и мультики – наша обыденность, то же будет и с 3D-технологиями. В
этой связи, акции предпринятые некоторыми вендорами (сообщение в паспортах продаваемых 3Dизделий о «предосторожностях» для детей и беременных, о срочном исследовании «последствий»
стерео-просмотров и т.п.), - для сведущих людей, - всего лишь просчитанный маркетинговый ход.
Производители, реально озабоченные здоровьем покупателей не стали бы одновременно со своей
«тревогой» расширять производство «рискованных» товаров: их выпуск был бы немедленно
остановлен – до выяснения, а купленные и запасенные товары были бы срочно возвращены для
компенсации или устранения «дефекта». Именно такие примеры практически демонстрируют
производители холодильников, микроволновок, автомобилей и т.п. Можно по-разному отнестись к
такой «антирекламе», но нет никаких сомнений в том, уже скоро вендоры-инициаторы подобных
«специальных исследований» выступят с вполне предсказуемыми заявлениями, что, по крайней
мере, в их 3D-продукции медицинские риски полностью исключены, - со всеми вытекающими из
«объективных исследований» рекламными преимуществами.
Степанян Б.Г., Однороженко В.Б.
Проект StereoStep
antennet@antennet.org