windows-1251
Стереопары, стереофотография и стереотелевидение 
Can not find 'template1' template with page ''
Стереопары, стереофотография и стереотелевидение
23.06.2004
Александр Булычев
Вступление в "трехмерность"
Мы живем в мире трех измерений, или, говоря современным языком, в 3D-пространстве. Благодаря бинокулярному зрению мы можем видеть предметы, ощущая их "трехмерность". Когда мы смотрим на окружающий мир, два независимых изображения, воспринимаемые нашими глазами под различными углами, анализируются мозгом, и таким образом происходит восприятие дистанции и глубины. Именно эту иллюзию объемного восприятия и пытается воссоздать стереофотография, создавая стереопары (два изображения одного и того же объекта съемки, зафиксированные двумя идентичными объективами с двух точек, по своему положению имитирующих положение глаз человека [1]).
Формирование реалистичного объемного отображения окружающего мира издавна привлекало внимание как специалистов в различных областях науки и техники, так и пользователей. Интерес к такому изображению периодически активизировался, что обычно инициировалось появлением новых технических средств, научных направлений и методов.
Подобная активность принесла немало плодов в виде целого ряда способов, методов и технологий, позволяющих заглянуть в глубину плоских отражений окружающего мира.
Перечисляя существующие на сегодняшний день технологии, следует заметить, что особняком в этом списке стоит лишь голография, а такие методы представления изображений, как анаглифная, растровая или поляризационная стереофотография (и их аналоги в стереотелевидении) основаны в основном на использовании слабостей человеческого зрения и "обмане" мозга.
Стереопары
Если левый глаз видит левое изображение, а правый - правое, то такой способ просмотра называется методом прямого просмотра. Его недостаток заключается в том, что таким способом можно смотреть стереопары только в том случае, если расстояние между ними не превышает расстояния между глазами - около 6 см.
Можно переставить половинки стереоизображения местами и заставить правый глаз рассматривать левое изображение, а левый - правое. Такой метод получил название "инверсный".
Эти два метода удобны тем, что не требуют специальных приспособлений. Но имеют они и недостатки. Дело в том, что природа позаботилась о том, чтобы угол сведения глаз (конвергенция) соответствовал расстоянию, на которое глаза фокусируются (аккомодация). В случае рассматривания стереоизображений без специальных приспособлений такого соответствия нет, и изображение получается расплывчатым. Можно усилием воли сфокусироваться на него и сделать его чётким, но подобное действие связано с напряжением глаз и быстрой утомляемостью.
Анаглифные изображения
В 1853 году английский учёный В. Ролман описал способ разделения стереокартинок с помощью цветных фильтров: красных и синих. Он показал рисунок, состоящий из красных и синих полос на черном фоне. Красные полосы исчезают, если смотреть на них сквозь синий светофильтр, а синие - если смотреть сквозь красный. В 1858 году Шарль Д'Альмейда представил парижской Академии наук свой способ разделения стереоизображений при помощи цветных очков. Он начал показ анаглифных стереослайдов широкой аудитории. Один из слайдов проецировался сквозь красный светофильтр, другой - сквозь синий. Посетителям выдавались стереоочки, сделанные из светофильтров тех же цветов. Способ разделения стереоизображений с помощью светофильтров был окончательно доработан Луи Дюко дю Ороном в 1891 году. Дюко дю Орон дал этому способу имя - анаглиф , что по-гречески означает "рельефный". Дю Орону мы обязаны появлением субтрактивного способа печати цветных изображений (модификации этого способа активно применяются сейчас в струйных принтерах). В 1869 году он опубликовал труд "Цветная фотография", где писал о том, что сочетанием трех цветов - красного, желтого и синего - можно получить любой оттенок. И продемонстрировал это в 1870 году: он делал три одинаковых фотографии на черно-белую пленку сквозь три цветных фильтра. После этого трехцветной лито-графией получал цветную фотографию. Еще до появления цветной пленки и цветной фотобумаги! А с 1891 года начал печатать анаглифные изображения, используя два цвета - красный и зеленый. С этого времени анаглифная стереофотография получила широкое распространиение.
В 1936 году Луи Люмьер улучшил характеристики светофильтров и применил их для показа первого анаглифного стереофильма. В 1937 году эта технолония была приобретена американскими кинофирмами M.G.M. и Paramount... В 1977 году был снят последний стереофильм, основанный на этом принципе. Однако анаглифные стереофотографии печатаются и по сей день.
Следует заметить, что за последнее время и в этой области кое-что изменилось. Ранее не было общего стандарта анаглифных очков. Можно было встретить и красно-синие, и красно-зеленые, и оранжево-синие стереоочки. Стереоизображение было лишено цвета. Сейчас существует определенный стандарт: красно-сине-зеленые очки (red-cyan, эти цвета являются дополнительными). Такие очки позволяют увидеть цветное изображение. Все цветовые оттенки с помощью красно-сине-зеленых очков не передаются: нельзя получить ярко-красные и ярко-синие цвета. Можно передать зелень листвы, золото и серебро ювелирных изделий, оттенки человеческой кожи, но ярко-красные розы получить невозможно. Несмотря на ограниченность в передаче цветов, анаглифные стереофотографии получили широкое признание и в последнее время даже преобразовались в новый вид фотоискусства. Их можно встретить в журналах, рекламных буклетах и в огромном количестве в Интернете. Пытаясь побороть "некрасивость" изображений, авторы (используя методы камуфляжа, затемнения, объединения и атмосферной дымки ) прячут на своих фотографиях то самое, что делает их анаглифами: цветную красно-синюю кайму вдоль контуров, вызванную параллаксом или глубиной изображения. Конечный результат - отпечаток, который можно рассматривать с двух точек зрения, - как плоское и как трехмерное изображение.
Растровые автостереоскопические методы
В 1896 француз Бертье обнаружил, что может достичь пространственного эффекта, располагая между изображением и зрителем решетку. Бертье наносил два различных изображения на плоскую поверхность, над которой прикреплял решетку из пластин. Пластины располагались перпендикулярно к поверхности и закреплялись под прямым углом. Глядя с левой стороны, мы видим одно изображение, с правой - другое, глядя прямо, мы видим оба изображения.
При автостереоскопическом воспроизведении пространственных изображений зритель наблюдает раздельно каждым глазом два сопряженных изображения без применения дополнительных внешних устройств (очки, линзы и др.) и соединяет их в единый пространственный образ. В растровых системах для сепарации изображений используют растры, находящиеся около стереограммы. Растр представляет собой решетку со щелевыми отверстиями или же состоит из большого числа малых сферических или цилиндрических линз. Благодаря ему изображение для левого глаза загораживается от правого глаза, а изображение для правого глаза - от левого, тогда как каждый глаз может беспрепятственно наблюдать "свое" изображение. Каждое изображение стереограммы представляет собой ряд узких полосок (параллакс-стереограмма), причем полоски правого и левого изображений последовательно чередуются.
В 1940 году в Москве был сконструирован первый в мире стереоэкран со светопоглощающим растром из проволоки. А через сорок лет, благодаря работам в данной области француза Мориса Бонне и других, учёных мир смог увидеть первые стереооткрытки, произведённые массовым тиражом.
Методы фазово-временного предъявления. Поляризационный и "затворный" методы
В физиологии зрения распространена гипотеза, согласно которой зрительная информация передается фазово (порциями), и не исключено, что попеременно - то в правом, то в левом зрительных каналах. Частота этих информационных импульсов такова, что дискретность их передачи не ощущается человеком. Поэтому можно предположить, что поочередное во времени (фазо-временное) предъявление изображений является наиболее физиологичным способом бинокулярной передачи зрительной информации, то есть органичным для зрительного восприятия.
Для такого фазо-временного предъявления изображений левому и правому глазу используются устройства сепарации в виде различных очков.
Сразу после изобретения анаглифных очков, в 1891 году, Андертон (I. Anderton) предложил использовать поляризационные очки для просмотра стереопар. Схема была следующая: левое и правое изображения проецируются на недеполяризующий экран сквозь два поляризатора, ориентированных относительно друг друга во взаимно-перпендикулярном направлении. Зрителям выдаются стереоочки с поляризаторами, ориентироваными точно так же, как поляризаторы, сквозь которые идет проекция изображений. Таким образом, в левый глаз попадает только левое изображение, в правый - правое [2].
Сейчас никого не удивляют кинотеатры, в которых можно смотреть стереофильмы. Посетителям кинозала выдаются очки с двумя поляризаторами, ориентированными друг к другу под углом 90 градусов. На экран проецируется два перпендикулярно поляризованных изображения для левого и правого глаза. Кинопроектор проецирует изображение на белый рассеивающий экран (если бы это был обычный экран из материи, он бы деполяризовал отраженный свет и стереоочки не смогли бы разделить изображения для левого и правого глаз). В стереокинотеатрах в качестве экрана используются недеполяризующие материалы - серебряная ткань или матированная алюминиевая поверхность.
Современные очки могут быть активными - с жидкокристаллическими затворами, или пассивными - с поляризаторами. Оптический ЖК-затвор включает в себя нематический жидкий кристалл, расположенный между двумя параллельными стеклянными пластинками. На входе и выходе этой составной ячейки установлены линейные поляризаторы. Пластинки обработаны таким образом, что длинные оси жидкокристаллических молекул располагаются параллельно друг другу и стеклянным поверхностям, благодаря чему интенсивность прошедшего через ячейку плоскополяризованного света максимальна. При подаче напряжения через тонкое прозрачное электропроводное напыление к внутренней поверхности стеклянных пластин возникает электрическое поле, под действием которого молекулы выстраиваются вдоль его направления, то есть перпендикулярно поверхности пластин, и интенсивность прошедшего через ячейку плоскополяризованного света становится минимальной. Таким образом, максимальная непрозрачность ячейки достигается путем подачи напряжения, а его выключение, напротив, приводит к максимально возможной прозрачности ячейки - ЖК-затвор закрывается и открывается.
В системах с активными поляризационными очками (жидкокристаллическими или 3D-очками) на экране монитора наблюдателю попеременно предъявляются левое и правое изображения стереопары. Синхронно открывается соответствующий оптический затвор ЖК-очков, и каждый глаз видит только "свою" картинку из стереопары.
Достоинство метода заключается в возможности использовать относительно дешевые пассивные очки, что облегчает коллективный просмотр стереоизображений [3].
Голография
Голограмма - это объемное изображение предмета, созданное с помощью когерентного (лазерного) излучения. В фотоэмульсионном слое записывается картина интерференции двух лазерных пучков: первый пучок, опорный, - как правило, коллимированный (параллельный), второй пучок, предметный, - отраженный от объекта. Голограмма наиболее полно передает объемность предмета в сравнении с описанными ниже методами.
Следует отдельно упомянуть о таком близком голографии, малораспространённом и находящемся в стадии разработки методе, как интегральная фотография
Интегральная фотография подобна растровой. Интегральный фоторастр представляет собой набор микролинз или микрообъективов. Каждая микролинза формирует на светочувствительной пластинке изображение объекта под своим углом зрения. Проявив светочувствительную пластинку, мы получим объемное изображение объекта, которое можно рассматривать, поворачивая пластинку под разными углами в различных направлениях. Но пока интегральная фотография, по всей видимости, существует только в теории. Поэтому интегральные фотографии мы увидим еще очень не скоро.
Стереотелевидение
Закончив рассказ о пассивных методах представления объёмной информации, мы перейдём к рассмотрению активных, таких как стереотелевидение. Говоря о стереотелевидении, мы в первую очередь подразумеваем получение объемного изображения на электронно-лучевой трубке, либо на жидких кристаллах, то есть телевизор или монитор компьютера. Рассмотрим, насколько методы стереофотографии подходят для использования в стереотелевидении.
Стереопары в области телевидения вполне применимы. При этом аппаратура видеомонтажа должна будет формировать в одном кадре изображения, поступающие с правой и левой видеокамер (обычных!). Картинка на экране телевизора будет состоять из двух половинок. Никаких изменений ни в аппаратуре вещания, ни в телевизионных приемниках в данном случае не потребуется. Рассматривать же стереопары зрители могли бы через недорогие стереоприставки (состоящие всего-навсего из пары компенсационных линз и нескольких металлических либо пластиковых деталей) . Единственный недостаток (зато приносящий изрядные неудобства) - уменьшение полезной площади видеоизображения вдвое, поскольку суммарная стереокартина по размерам будет соответствовать вертикальной половинке экрана. Так что, от использования стереопар в телевидении нам пока придется отказаться.
Анаглифное изображение на экране своего телевизора зритель сможет рассматривать через специальные очки с зеленым и красным светофильтрами. Пусть, например, зеленым цветом окрашен левый рисунок, а красным - правый; соответственно, левый глаз должен быть "вооружен" красным светофильтром, а правый - зеленым. В результате, зеленые линии левого рисунка будут незаметны сквозь зеленый фильтр для правого глаза и четко видны левым глазом сквозь красный фильтр, и наоборот. Так происходит раздельное видение правой и левой частей стереопары без их пространственного разделения. Такой способ позволил бы нам использовать всю площадь телеэкрана, причем в качестве технических изменений потребовались бы красные и зеленые светофильтры для видеокамер и соответствующие очки с цветными пленками для телезрителей, но, увы, превратил бы цветные телевизоры в черно-белые, а на черно-белых моделях анаглифный способ вовсе не реализуем.
Поляризационный способ получения объемного изображения, хорошо зарекомендовавший себя в кино, для телевидения, очевидно, непригоден. Для его реализации потребовались бы сверхсложные кинескопы с двумя электронными "пушками" для каждого цвета, лучи которых должны направляться на расположенные рядом пары отдельных пятен люминофора, да еще, вдобавок, надо обеспечить и соответствующую поляризацию световых лучей от каждой точки экрана. Но для моделей телеприемников с жидкокристаллическими экранами эта идея, в общем-то, применима при не слишком заметном увеличении стоимости телевизора, особенно для "крупномасштабных" моделей ("домашних кинотеатров"), предназначенных для совместного просмотра телепередач многими людьми.
Растровый способ отображения, когда "суммарное" изображение состоит из чередующихся полосок правой и левой частей стереопары, рассматриваемых сквозь слой призм, либо цилиндрических линз, обеспечивающих раздельное видение правым и левым глазами соответствующих полос. Необходимость нанесения на поверхность кинескопа специальных "призменных" пленок, причем на заводе (а не самостоятельно, поскольку в домашних условиях не удастся обеспечить требуемую точность), здесь очевидна, как и то, что рассматривать стереоизображение можно будет только с определенных точек.
Многоракурсное телевидение. Принцип действия многоракурсной системы телевидения заключается в съёмке объекта передачи с многих позиций несколькими десятками, а может быть и сотнями передающих трубок, расположенных определённым образом, в передаче этих изображений и воспроизведении всех переданных изображений на общем специальном экране.
Особенностью системы является возможность зрителя перемещаться в горизонтальном направлении, оглядывать передаваемое изображение и видеть те параметры, которые заслонялись другими объектами при определённой позиции рассмотрения. Селекция ракурсов для передачи может строиться на основе известных методов разделения левого и правого кадров стереопары в бинокулярных стереотелевизионных системах [4].
Голография. Это наиболее совершенный способ получения объемных изображений, но и наиболее дорогой: требуется лазерная техника и специальные микрозернистые фотоматериалы, для которых отдельной проблемой является обеспечение достаточно высокой чувствительности при съемке движущихся объектов, а также возможная опасность лазерного излучения для глаз телезрителя, не говоря уже о том, что придется полностью менять парк телевизионных приемников. Разве что для учреждений массовой культуры можно представить себе систему пространственного кино, когда в огромном пустом зале три лазерных луча с изменяемой яркостью сканируют пространство и возбуждают свечение газа, заполняющего зал только в тех точках, где все три луча пересекутся [5].
Стереоочки и шлемы виртуальной реальности
Относительно недавно в мире компьютерной техники произошли два события, которые дают нам некоторую надежду на будущее развитие области стереовидения. Это создание шлемов виртуальной реальности и разработка простых и дешёвых стереоочков с изменяемой прозрачностью.
Шлем виртуальной реальности представляет собой два отдельных жидкокристаллических мини-дисплея, стереонаушники и систему инерционных датчиков, фиксирующих наклоны и повороты головы. Компьютер формирует сразу два изображения, подаваемые соответственно на левый и правый жидкокристаллические дисплеи, а далее процесс восприятия объемного изображения идентичен просмотру стереопар. Использование шлема виртуальной реальности для стереотелевидения имеет как существенные достоинства, так и не менее заметные недостатки. Главным преимуществом этой технологии является получение максимальной полноты эффекта присутствия зрителя в "телемире", уступающее разве что голографии. Ни один из других рассмотренных выше методов не обеспечивает его. Шлем позволяет "засвечивать" почти такую же площадь сетчатки, как при видении реального мира. В результате для просмотра стереотелепередач каждому зрителю потребуется собственный шлем, пусть даже подключаемый к общему приемному блоку, что является существенным недостатком. В случае практического применения данного метода, передающую аппаратуру телецентра придется заменять. Одну из частей телестереопары можно транслировать стандартно, так что владельцы обычных телевизоров смогут просматривать стереотелепередачи в "моноварианте". А для второй картинки потребуется выделить дополнительный диапазон частот.
Стереоочки с изменяемой прозрачностью представляют собой в некотором роде компромиссное решение. Изменение прозрачности левого и правого стекол очков производится попеременно по особому сигналу, соответствующему смене на экране правого кадра на левый и наоборот, так что в любой момент времени правую картинку видит только правый глаз, а левую - только левый. В результате формируется объемное изображение достаточно высокого качества, хотя и с меньшим эффектом присутствия, чем при использовании шлема виртуальной реальности. Технология формирования видеосигнала может быть выбрана по одному из двух вариантов. Наиболее простой способ - транслировать и демонстрировать на экране попеременно левый и правый кадры, переключая триггер, управляющий прозрачностью левого и правого стекол, по сигналу смены телекадров. Но, как легко понять, "видимая" частота кадров при этом уменьшится вдвое (до 12-13 кадров в секунду), что вызовет неприятное мерцание. Поэтому реально выгоднее использовать второй вариант (как это и сделано в компьютерной технологии), с учетом попеременного вывода всех четных и всех нечетных строк ("полукадров"). Договорившись, что, например, все четные строки будут относиться к левому изображению, а нечетные - к правому, можно обеспечить попеременный вывод правой и левой картинок при сохранении прежней частоты кадров, хотя и с потерей четкости изображения. Впрочем, четкость TV-изображения, которая должна получиться в результате, окажется среднего класса (порядка 400 строк), а при использовании стандарта ТВЧ результат должен оказаться еще лучше. Что же касается технического обеспечения, здесь потребуется использование двух стандартных видеокамер вместо одной (а еще удобнее, но не обязательно, - специальных "сдвоенных" камер) и цифровая приставка к видеомонтажному оборудованию, производящая запись четных строк, скажем, с левой видеокамеры, а нечетных - с правой. Хранение, тиражирование и трансляция в эфир полученного сигнала может производиться на имеющейся стандартной аппаратуре. Прием сигнала можно также производить на обычные телевизоры, которые понадобится лишь дооснастить несложными приставками (подключаемыми к НЧ-видеовыходу или непосредственно в схему и "отлавливающими" сигнал смены полукадров) и комплектом очков для каждого зрителя, подключаемых к общей для всех приставке.
Учитывая темпы технического прогресса, новые разработки в области ТВЧ, появление цифрового, а также интернет-телевидения, мы можем надеяться на появление в ближайшем будущем массового стереотелевидения, основанного на одном из рассмотренных, или одном из новых принципов представления изображений.
Новые разработки
Работы в области трёхмерного представления информации ведутся по всему миру, не прекращаясь последние несколько десятков лет. Информация о них очень скудна, и встретить её можно лишь в научных журналах. Одними из последних на данный момент являются разработки Microvision (Seattle, WA), где в шлеме виртуальной реальности вместо жидкокристаллических мини-дисплеев используют 3 лазерных нановаттных светодиода малой мощности, проецирующие изображение прямо на сечатку глаза [6]. Или разработка Jung-Young Son (KIST; Сеул, Корея) голографического дисплея, отображение которого основано на выводе импульсного лазера, на фиксированное многоугольное зеркало. Эта методика формирует объемную голограмму. Лазер модулируется акустооптическим модулятором (плоскости) в последовательность импульсов с 50 кГц и затем подается к акустооптическому дефлектору (строки), сделанному из кристаллов окиси теллура. Изображение, производимое системой пока, ещё мало по размерам, но это вопрос времени. Несколько компаний активно пробуют использовать лазерные индикаторы-экраны с прямой записью. Лазерные индикаторы чрезвычайно ярки, с высокой насыщенностью цветов, которая придает им великолепный вид. Кроме того, сведенные в луч лазерные лучи, по существу имеют бесконечный фокус. В этих дисплеях, лазерный луч занимает место электронного луча в кинескопе и записывает изображение строкой по целому рабочему участку экрана. Система от Laser Display Technologies (Gera, Германия) добивается горизонтального сканирования, вращая многоугольное зеркало с 32 фасками со скоростью 1000 оборотов в секунду. Вторая плоскость, сканирующая зеркало, формирует изображение с 500 линиями на кадр. Красные, синие, и зеленые лазеры сканируют ту же самую зеркальную систему параллельно. Получается яркое трёхмерное изображение.
Можно заметить, что современные исследователи, используя новые технологии, пытаются создать "реальные" голографические или визуальнооптические трёхмерные изображения, всё реже прибегая к "обману" мозга, который широко применялся раньше.
Заключение
Разные приспособления используются в различных ситуациях (поляризационные очки в кинотеатрах; анаглифные - для печатной продукции, экранов мониторов, Интернета; затворные очки, виртуальные шлемы - для компьютеров и Интернета). Но все они служат одной цели - сделать для нас объемным не только окружающий, но и мир искусства; вырвать изображение из плена двумерного пространства и придать ему объем и глубину.
Ссылки
1. Краткий толковый словарь терминов стереоскопии, сайт www.stereomir.ru
2. Е. А. Вазенмиллер, сайт www.stereoart.ru
3. В.А. Елхов и др. Стереокомпьютерные методы формирования изображения и их применение, № 8 журнала "ТКТ" за 2001 г.
4. В.Е. Джакония, "Телевидение", М.,Телеком, 2002, с. 624.
5. Д. Усенков. "Стереотелевидение: возможные пути решения проблемы", "625", №3,1998.
6. Eric J. Lerner "Vivid laser displays face high costs", Laser Focus World . July 2000, page129.
Все права защищены: © ООО "ЭнтерПрайс" 1998-2015