Электронное Стереокино. Состояние и перспективы.

Электронные средства отображения трехмерной информации становятся все более распространенными. Рассмотрим основные направления такого развития. Одним из них - электронная 3D проекция связана с появлением и широким распространением мощных видеопроекторов. Современные проекторы имеют световой поток в несколько тысяч люменов и разрешающую способность 1600х1200 точек. Этих характеристик достаточно для использования видеопроекторов в небольших кинозалах с размером экрана до 4 метров высоты. Поэтому вполне закономерно использование новой техники для показа стереокино. Наиболее распространена следующая схема (рис.1).

В качестве носителя информации используется компьютер, на который записывается предварительно оцифрованный стереофильм, причем отдельно левый, отдельно правый ракурсы. Специальная программа одновременно запускает оба видеопотока через видеокарту, имеющую два выхода, к которым подключаются видеопроекторы.

На видеопроекторы устанавливаются поляроиды с взаимно перпендикулярными плоскостями поляризации. Далее, как в обычном стереокинотеатре – применяется металлизированный экран и поляризационные очки для зрителей. Количество таких стерео видео залов в России пока невелико, но постоянно растет.

По этому же принципу устроены аттракционы виртуальной реальности, так называемые симулятивные кинотеатры 4D. Кроме трехмерного изображения в них применяются различные спецэффекты: изменение положения кресел, дуновение ветра, тактильное раздражение рук и ног, звуковые эффекты и тому подобное. Основной проблемой при создании таких аттракционов является конструкция динамических кресел. В небольших залах для изменения их положения используется индивидуальные вибраторы, в залах побольше – гидравлические платформы. Наиболее известными производителя аттракционов виртуальной реальности являются: IWERKS, YAOX, Hytechnology Inc. (China). Стоимость зала на 15 мест с индивидуальным приводом кресел составляет 250 000$, стоимость гидроплатформы на 24 места – 1.300 000$. Недостатками видеопроекции в описанном виде является необходимость использования двух проекторов, отдельных записей для каждого ракурса и ограничение разрешающей способности фильмов, которая составляет 720х480 точек – стандарт американского DVD.

Параллельно двух поточной записи стереофильмов, где левый ракурс и правый записаны на отдельные носители, существует однопоточная электронная чересстрочная запись стереофильмов, когда левый и правый ракурсы записаны соответственны на нечетные и четные строки. Рассмотрим более подробно схему видеопроекции с таких носителей.

Итак, в качестве носителя информации используются двух ракурсные чересстрочные электронные записи любых форматов S-VHS, Betacam, DVD или mini DV. Возможно использовать электронную запись без предварительного разделения ракурсов на отдельные записи. Предлагается следующая схема (рис.2).

Для воспроизведения стереофильма используется плеер, соответствующий формату записи, выход которого подключается к двум компьютерам, соединенными с видеопроекторами. Каждый компьютер снабжен видеовходом и программой выделения четных и нечетных строк. Видеокарты компьютеров выполняют аппаратную интерполяцию при дезанаморфировании, растяжении изображения по вертикали в два раза, необходимом в данном случае. В качестве видеоносителя могут выступать все известные источники: DVD, VHS, S-VHS, DV-CAM, Betacam. В описанной схеме не требуется предварительное разделение фильмов на отдельные ракурсы, но сохраняется и даже усугубляется проблема недостаточной разрешающей способности, поскольку никакая интерполяция не в состоянии возместить отсутствие информации. К тому же если применяется DVD, качество наблюдения снижают артефакты компрессии, а VHS явно недостает четкости. Вывод таков: схемы применимы, но в небольших залах, и желательно с внешнего источника - S-VHS или DV-CAM.
Проблема ограниченности разрешающей способности остро стоит не только для стереокино, но и для обычного тоже. Выходом из положения может стать применение технологий телевидения высокой четкости (HDTV). Разрешающая способность HDTV составляет 1440х960 точек, видеопоток – 24 мбит/сек. Это много для современных компьютеров, но основная трудность – нераспротраненость HDTV. Стереофильмов в таком формате нет совсем. Следовательно, их нужно создавать. Это возможно либо использованием сканеров для перевода с кинопленки на цифровые носители, либо применением с этой целью видеокамер HDTV.
Сдерживающим фактором распространения видеопроекции для показа стереокино является необходимость применения двух проекторов. Это существенно удорожает стоимость залов, и останавливает владельцев одного проектора в электронных кинотеатрах, а их достаточно много, в их возможном желании показывать стереокино. Для просмотра стерео с одного проектора существует два пути. Первый – это применение не поляризационной, а временной сепарации стереопар. Временная сепарация широко применяется в компьютерных 3D системах в виде жидкокристаллических (LCD) светоклапанных очков. Очки поочередно закрывают видимость для левого и правого глаза синхронно со сменой ракурсов
на экране компьютера.

На рис.3 представлена схема LCD очков, которые работают следующим образом. Световой поток поляризуется первым поляроидом. При подачи сигнала управления LCD экран поворачивает плоскость поляризации на угол от 45-70 градусов и тогда свет не проходит через второй поляроид, имеющий плоскость поляризации как у первого. Очки закрыты. При отсутствии сигнала управления очки открыты.

Если заменить монитор компьютера видеопроектором, можно будет через LCD очки наблюдать объемное изображение на обычном экране.

На рис.4 представлена схема проекта. Проблема заключается в том, что распространенные модели видеопроекторов не позволяют синхронизировать частоту смены левого и правого ракурсов изображений с работой очков. Как правило, они предназначены для показа с двух источников – видео и компьютеров. Для совместимости с разными источниками проекторы снабжаются собственной видеопамятью, в которую записываются кадры фильмов. Отображение идет с собственной частотой (обычно 100 гц), никак не синхронизированной с источником. Таким образом, LCD очки не работают с обычными видеопроекторами. Фирма Кристи, объявила о выпуске специализированных моделей для 3D проекции по описанной схеме.

Необходимо обратить внимание, что по вышеописанной технологии, зрители используют довольно-таки дорогие электронно-затворные очки. Если же перед объективом видеопроектора разместить фильтр, подобный такому, который применяется в электронно-затворных очках, который будет синхронно смене ракурсов менять поляризационную ориентацию светового потока, то для зрителей достаточно будет использовать сравнительно дешевые поляризационные очки, которые применяются в традиционных стереокинотеатрах. В этом случае необходимо будет использовать не деполяризирующий экран, который обычно бывает металлизированным.

Схема такого проекта изображена на рис.5. Стоимость зала в этом случае будет несколько ниже, поскольку цена LCD очков около 35$, цена поляризационных – 5$.

Другим методом показа стереофильмов с одного проектора является применение оптического сепаратора (рис.6).

Проектор выдает изображение, содержащее два ракурса рядом друг с другом, как это принято в российском киностандарте. Оптический блок разделяет световой поток на два, поляризует отдельные ракурсы в различных плоскостях, совмещает их на металлизированном экране. При необходимости может применяться еще и оптическое дезаноморфирование, если исходное изображение сжато по горизонтали. Наблюдение ведется в поляризационных очках. Это способ наиболее дешев из всех возможных схем видеопроекции, поскольку применяется только один обычный проектор, хотя по мощности он должен вдвое превышать своих собратьев в обычных электронных кинотеатрах. Но главным достоинством такого метода - возможность показывать стереокино в обычных видеозалах, а также в домашних условиях, на конференциях, везде, где сейчас применяются видеопроекторы. Затраты владельцев заключаются в приобретении металлизированного экрана (100$ за 1 кв.м), очков (5$) и оптического сепаратора (500$). Недостатком этого способа является снижение интенсивности светового потока, однако как показывает опыт работы, всегда есть значительный запас по мощности видеопроекторов. Ну и постоянно растет световой поток выпускаемых моделей.

В табл.1 представлены сравнительные характеристики различных схем видеопроекции.

Таблица 1

  Стандарт С внешнего источника Светоклапанная Со сменой плоскостей поляризации С оптической сепарацией
Число проекторов 2 2 1 1 1
Число компьютеров 1 2 1 1 1
Носитель информации DVD S-VHS, Betacam, Mini DV, DVD DVD DVD HDTV
Тип очков Поляризационные Поляризационные LCD Поляризационные Поляризационные
Разрешение 2х720х576

1х720х576

2х720х288 2х720х288 2х720х288 1440х576

Основные выводы. Использование видеопроекторов для показа стереокино абсолютно оправдано и может сделать этот вид искусства повседневной реальностью, как обычное кино. Для обеспечение качества видеопоказа необходимо применение технологий HDTV, современных компьютеров с высоким быстродействием и видеопроекторов с разрешающей способностью более 1024х768 точек и световым потоком более 2000 лм.

Практически одновременно с появлением стереокино начались попытки просмотра стерео в домашних условиях. Естественным для этого представлялось использование телевизоров. Ныне используются три способа формирования стереоизображения в телевидении: анаглифический, с временной сепарацией ракурсов и принцип кругового движения. Последний основан на свойстве человеческого глаза – задержке в передаче информации мозгу, если используется нейтральный светофильтр. Для реализации способа съемки ведутся так, что объекты вращаются перед объективом видеокамеры, а для наблюдения используются очки, в которых правая часть снабжена светофильтром, а левая нет. В результате один глаз видит изображение с запаздыванием относительно другого, что аналогично наблюдению с разных ракурсов. Создается впечатление объема. В России распространением таких фильмов занимается фирма “Союз-видео” по лицензии “Shoval film productions”. Наиболее известны фильмы “Кама Сутра”, “Динозавры”, “Пауки и змеи”

Наибольшее распространение получил способ временной сепарации ракурсов. В простейшем варианте изображение разных ракурсов отображаются в соседних полях телевизионного кадра. Следует пояснить, что в телевидение используется чересстрочная развертка, когда изображение разбивается на поля, сдвинутые друг относительно друга на ? телевизионной строки. В системах PAL и SECAM число строк в каждом поле равно 288, в системе NTSC – 240. Частота кадров соответственно составляет 50 и 60 гц.

Во всех телевизионных системах четные и нечетные поля имеют однозначно различимые признаки, что важно для правильной сепарации ракурсов. Для создания 3D эффекта наблюдатель снабжается светоклапанными LCD очками. Левый оптический канал перекрывается, когда на экране телевизора отображается правый ракурс в четных полях, правый перекрывается, когда на экране телевизора отображается левый ракурс в нечетных полях. Такая система получила название 3D Home Video и используется многими фирмами. На рис.7 представлена схема телевизионного стереопоказа, на рис.8 – один из вариантов телевизионного стереооборудования. В его состав входят LCD очки, стереоадаптер с видеовходом, блок питания. LCD очки выпускаются в проводном и беспроводном вариантах, с инфракрасным управлением. Количество очков в комплекте не ограничено. Фильмы в основном распространяются на видеокассетах VHS, наибольший объем продаж у фирмы “3D TV Corporation”.

Основным недостатком способа является недостаточная частота кадров, что приводит к высокой утомляемости. Одним из путей преодоления является снабжение LCD очков нейтральным светофильтром, однако это не решает проблему. Кардинальным решением представляется переход на высокую частоту кадровой развертки – 100 и 120 гц. Этот путь предполагает изменение конструкции телевизоров. В настоящее время все большее распространение получают телевизионные 100-герцовые приемники. Однако использовать их возможности для показа стерео с высокой частотой напрямую не удается. Дело в том, что у таких телевизоров применяется принцип дублирования полей, когда каждое поле отображается два раза с удвоенной частотой, и снижения мерцания при смене ракурсов не достигается. Но все же при заинтересованности производителей телевизоров 100 гц, создание немерцающего стереопоказа возможно.

Другим путем является модернизация обычных 50 гц телевизоров. Автором создан опытный образец немерцающего телевизора, в котором смена полей осуществляется с частотой 100 гц, правда за счет снижения числа телевизионных строк в каждом поле в два раза. В результате наблюдается стереоизображение с соотношением сторон 2:1, как в американском стереокино, рассмотренном выше. Это является как недостатком – снижение поля зрения, так и достоинством, поскольку такие кинофильмы можно просматривать при переводе на видеокассеты без дополнительной обработки.

В последнее время появилась возможность просмотра стереофильмов через плазменные панели. Частота кадров панелей превышает 85 гц, что вполне удовлетворительно с точки зрения комфортности. Сдерживающим фактором является высокая стоимость плазменных панелей, достигающая 10 000$.

Еще одним стереовидеосредством являются шлемы виртуальной реальности или очки с мини мониторами (Рис.9). Принцип их работы заключается в следующем. Изображение с видеоисточника – VHS или DVD – поступает на вход в устройство с временной сепарацией по полям. Устройство содержит два раздела видеопамяти, в один из которых записывается левый ракурс, в другой – правый. Отображение ведется одновременно из каждого раздела. Информация из раздела содержащего левый ракурс поступает на левый мини монитор, из раздела с правым ракурсом – на правый. Мини мониторы представляют собой LCD панели размером примерно 40х30 мм. Кроме мониторов устройства снабжается звуковыми наушниками. Шлемы могут иметь и 4 монитора. Стоимость очков колеблется в диапазоне 500$.


Рис. 9

Основной проблемой производителей мини мониторов является необходимость на малой площади обеспечить высокую разрешающую способность. Так мониторы фирмы I-Glasses имеют всего 320х240 точек, мониторы фирмы Sony - 640х480, чего в принципе достаточно для комфортного наблюдения. В табл. 2 приведены сравнительные характеристики телевизионных стереосистем.

  Стандарт 100 гц Модернизированный стандарт Плазменная панель Мини-мониторы
Частота кадров 50-60 100 100 85 100
Число строк 600 600 300 600 240-480
Соотношение сторон 4:3 4:3 2:1 16:9 4:3
Стоимость, $ 300 1100 300 5000-10000 400-1200

С появлением и быстрым распространением компьютеров, стало возможным просмотр стереокино в домашних условиях с максимальной комфортностью. Производители компьютерной техники используют объемные изображения в многочисленных играх. Для этого видеокарты компьютеров снабжаются специальными средствами отображения 3D сцен с двух ракурсов и при использование LCD очков игроки наблюдают объем без мерцаний при высоких частотах мониторов. Минимально приемлемая частота составляет 85 гц, оптимальная – 120.

Одновременно со встроенными, создаются контролеры, подключаемые извне практически к любой видеокарте и работающие практически с любым монитором. Используются два принципа: чересстрочный и Over/Under. В первом - левый ракурс представляется в нечетных строках, правый в четных. Нас рис.10 представлено стерео фото в чересстрочном формате.

Рис.10

Стереоадаптер синхронно со сменой кадров гасит либо четные, либо нечетные строки. В LCD очках соответственно перекрываются правый и левый оптические каналы. По такому принципу работают стереоадаптеры фирмы ELSA. Питание адаптеров осуществляется либо с внешнего источника, либо с клавиатуры компьютера. Включение стерео отображения и смена ракурсов осуществляется с выносного пульта. Стоимость комплекта из двух LCD очков, блока питания и стереоадаптера составляет 90$. Одним из важных достоинств стерео адаптеров является возможность работы с LCD мониторами, что невозможно при иных принципах.

Кроме описанного метода используется и так называемый режим Interlace, аналогичный телевизионному чересстрочному. Четные и нечетные строки отображаются с временным разделением на поля. По этому принципу работают компьютерные стерео платы фирмы Kazan. Недостатком чересстрочного способа является снижение разрешающей способности по вертикали в два раза. В реальности наблюдается эффект, когда между информационными строками, заметны черные, что снижает комфортность просмотра. Для преодоления этого недостатка необходимо первоначальное увеличение размера кадра до 1200х960 точек. Тогда реальная разрешающая способность по вертикали составит 480 точек – на уровне худшего видеорежима. Однако поскольку существующие компьютерные фильмы имеют максимальный размер 720х576 точек, представляется проблематичным обеспечение изложенного требования.

Принцип Over/Under заключается в следующем. Левый ракурс стереопары располагается в аноморфированном (сжатом по вертикали) виде в верхней части компьютерного кадра, правый ракурс – в нижней. Кадр фильма, записанного в таком формате представлен на рис.23. Стереоадаптер осуществляет временное разделение частей кадра и синхронное переключение LCD очков. По такому принципу работают адаптеры фирмы “Стелс”. Питание осуществляется от внешнего источника, включение стерео режима и смена ракурсов осуществляется вручную с помощью тумблеров адаптера. На рис.11 представлен одна из модификаций такого стереокомплекта. Стоимость комплекта составляет 60$.

Рис.11.

Рис 12.

Создан стереоадаптер без внешнего источника питания с программным управлением Рис 12.

Достоинствами принципа Over/Under является высокая частота кадровой развертки (более 100 гц), возможность растяжения изображения на любую разрешающую способность монитора вплоть до 1600х1200 точек. Недостаток – невозможность применения LCD мониторов. В табл. 3 приведены сравнительные характеристики компьютерных стереоадаптеров.

 

Таблица 3.

  Kazan Elsa Стелс НТЦ ВТ
Принцип Interlace Гашение строк Over|/Under Over|/Under
Питание Компьютер Внешнее Внешнее Компьютер
Конструкция Плата компьютера Внешняя Внешняя Внешняя
Управление Программное Ручное Ручное Программное
Разрешение 800х600

1024х768

800х600- 800х800-

1600х1200

800х800-

1600х1200

Тип монитора CRT, LCD CRT, LCD CRT CRT
Стоимость, $ 150 90 70 75

Недостатком всех перечисленных выше средств заключается в необходимости применения очков – анаглифических, поляризационных или LCD. В попытке избавиться от этого атрибута стерео просмотров вспомнили о старом растровом принципе, но на современной базе. Фирма DTI в 2001 г. выпустила трехмерный дисплей, принцип действия которого заключается в следующем (рис.13). Растрированное изображение, в котором два ракурса располагаются в соседних столбцах, формируется на LCD панели. Обычные мониторы снабжаются источником света, располагающимся за панелью, т.е. панель располагается между источником света и зрителем – просмотр идет в проходящем свете. Для создания 3D эффекта между источником света и LCD панелью помещается маска, представляющая собой набор вертикально расположенных щелей, их число равно половине разрешающей способности LCD панели. Тогда зритель левым глазом видит левый ракурс, правым – правый (рис.14). Управление дисплея предусматривает возможность отключения щелевой маски, когда она становится полностью прозрачной. Стоимость монитора с диагональю 15’ составляет 1500$.

В России созданием 3D дисплея с 1995 г. Занимается фирма Neuroc в сотрудничестве с учеными ФИАН. В 2002 г. Фирма объявила о начале продаж дисплеев по цене 2000$. Дисплей Neuroc отличается тем, что содержит две LCD панели, расположенные между источником света и наблюдателем. Трехмерный эффект создается специфической комбинацией изображений на обеих панелях. Принцип формирования изображений является ноу-хау фирмы.

Недостатком таких дисплеев является ограниченность зоны трехмерного видения, как у растрового кино или фотографии. Однако развитие технологии LCD панелей позволяет создавать дисплеи с числом ракурсов больше двух. Это может увеличить площадь зоны видения.

Распространению стереофотографии и кино способствовало изобретение фото и кинокамер с двумя объективами. На рис.15 представлена современная стереокинокамера.

Рис 15.


Рис 16.

Для фотосъемок неподвижных объектов достаточно и обычного фотоаппарата. Следует снять объект с двух ракурсов, а их объединение осуществляется компьютером. Фирма “3-D Video, Inc” выпустила оптикоэлектронную насадку “Nu View, SX2000” (рис.16), позволяющую снимать стереокино практически с любой видеокамеры. Схема насадки представлена на рис.17. Принцип действия заключается в следующем. Перед объективом видеокамеры располагается полупрозрачное зеркало под углом 45 градусов, а сбоку на расстоянии примерно 100 мм обычное под углом также около 45 градусов. Угол зеркала в небольших пределах меняется вручную. Таким образом можно наблюдать сцену с двух ракурсов одновременно. Для сепарации ракурсов используются два LCD экрана, поочередно с частотой кадров видеокамеры перекрывающие оптические каналы. Таким образом видеокамера поочередно записывает левый и правый ракурсы в соответствии со стандартом 3D TV.


Рис 17.

Одним из основных средств создания 3D эффектов стала компьютерная анимация, пришедшая из технологии создания игр. С одной сторон анимационные персонажи становятся все более реалистичными, с другой – создание любого числа ракурсов элементарно просто в пакетах 3D MAX и т.д. Ведущим производителем анимационных стереофильмов является фирма IMAX и YAOX. На рис.18 представлен кадр из фильма “Alien Adventure”.

Рис.18. Кадр из фильма “Alien Adventure”

Развитие компьютерных технологий сделало возможным синтезировать стереоизображение по плоскому оригиналу. Такой подход даже становится превалирующим при создании растровых многоракурсных фотографий, поскольку это проще применения 4-х и более фотокамер. На рис.22 представлено растрированная 4-хракурсная фотография, полученная методом компьютерного синтеза.

Рис.22. Синтезированная растровая фотография

Существует метод конвертации плоского фильма, записанного в формате MPEG, в трехмерную информацию. При такой конвертации используется информация о векторах движения объектов. Разделяя автоматически движущиеся объекты по планам и затем, сепарируя их по принципу Under/Over, удается формировать стереоизображение. На рис.23 представлен кадр одного из фильмов.

Рис.23. Кадр фильма формата MPEG

Одна из австралийских фирм объявила о создании компьютерной технологии перевода плоских кинофильмов в стерео. Стоимость перевода часового фильма составила 3 000 000$. Для сравнения стоимость съемок 10 минут стереокинофильма с подводными съемками в Австралии составляет 5 000 000$. Авторы также разработали технологию 3D синтеза, заключающуюся в ручном контурном описании всех объектов опорных кадров и восстановлении промежуточных методом интерполяции. На рис.24 представлен кадр синтезированного таким образом фрагмента стереофильма. Стоимость перевода часового фильма составляет 30 000$.

n?nLo?.21 n?n?n?o? o?nLn?o'nTn?nLo?n?n?n?n?n?n?n?n? o?o'nTo?nTn?o"nLn>o?n?n?

Необходимо остановиться еще на одной проблеме. Недостаток растровых кино и фото, 3D дисплеев – ограниченность зоны трехмерного видения. Увеличение числа ракурсов может увеличить площадь зон. С помощью компьютерных технологий абсолютно реально по двум ракурсам стереоизображения восстановить любое количество промежуточных. Это может способствовать более широкому распространения таких стерео средств.

В заключение можно сделать некоторые прогнозы. Ожидается широкое распространение стереовидеозалов, в основном с небольшим числом мест. 3D технологии станут неотъемлемой частью домашних компьютеров. Телевизионная техника будет оснащаться стерео средствами. Распространение получат многоракурсные 3D дисплеи. Существующие плоские фильмы будут переводиться в трехмерные.

А. Афанасьев

г. Ижевск. НТЦ "Вычислительная техника". тел: (3412)-59-24-21

тел/факс: (3412)-59-81-63

email: afa@vao.udmnet.ru