Особенности и перспективы технологии 3D

Текущий год в области технологий визуализации без преувеличения можно назвать ключевым. Добавление третьего измерения в привычную для обитателей XX и даже начала XXI века двухмерную картинку на экранах кинотеатров, телевизоров и компьютерных мониторов можно сравнить разве что с люмьеровским «Прибытием поезда на вокзал Ла-Сиоты». Благодаря фильму Джеймса Кэмерона «Аватар» практически все человечество познало радости погружения в обладающий глубиной мир 3D.

На потребительский рынок c 2010 года начали поступать первые 3D-решения для домашних кинотеатров. Лидеры потребительского 3D-движения — компании Panasonic и Samsung. Первая плотно обосновалась на североамериканском рынке с моделями Viera TX-P50VT20 и TX-P65VT20 (50 и 65 дюймов), а Samsung активно продвигает свои решения на европейском и российском рынках (Samsung PS42B450B1, PS50B450B1, PS42B451B2, PS50B451B2).

Компания Panasonic в своей линейке 3D-телевизоров Viera сделала ставку на технологию активной стереоскопии

В линейке 3D-решений компании Samsung присутствует монитор 2233RZ

Логотип 3D Ready на продукции Samsung указывает на поддержку воспроизведения объемного контента

Другие производители тоже не дремлют. Для трансляции телепрограмм в этом формате, распространения 3D-контента на дисках и других носителях еще в 2003 году был образован промышленный консорциум 3DTV, объединяющий более 50 компаний. Именно его решения и ложатся в основу тех 3D-технологий, которые шагнули в наши дома.

Такое разное 3D

В индустрии видеоразвлечений технология 3D существует еще с 80-х годов двадцатого века. В большинстве советских городов был кинотеатр «Стерео» или хотя бы зал стереокино. Так чем же то 3D отличается от 3D нынешнего?

Обмануть наши глаза, а точнее, мозг, заставить его верить, что плоское изображение обладает объемом, можно разными способами. Самый простой и известный — стереоэффект. Показывая правому и левому глазу отдельно одно и то же изображение, но снятое с учетом особенностей каждого глаза, можно добиться иллюзии глубины на картинке. Подобные трюки демонстрировались на ярмарках еще в позапрошлом веке.

Другой, более совершенной 3D-технологией является голография. Плоское изображение в ней является на самом деле многослойным. Свет, отражаясь от этих многочисленных слоев, создает эффект глубины и объемности безо всяких вспомогательных средств.

Безусловно, голография по всем параметрам обгоняет стереографию в битве за качество 3D-эффекта. Но проигрывает в простоте реализации. На данный момент попытки создать голографическое видео (вспомним «Звездные войны») носят академический характер. Закоперщиками в этом деле являются японские ученые и специалисты Массачусетского технологического института.

Именно поэтому за основу потребительских 3D-решений взята стереография.

В настоящее время стереографическое 3D можно разделить на следующие классы:
— анаглифическая технология (те самые красно-синие очки из 80-х);
— пассивная стереография на основе эффекта поляризации;
— активная стереография на основе так называемого активного затвора (Active Shuttler);
— автостереография.

Анаглифическое стереоизображение можно рассмотреть с помощью красно-синих очков

Первые три технологии требуют наличия у зрителя специальных очков, помогающих ощутить стереоэффект. Автостереография, базирующаяся на таких законах оптики, как дифракция и рефракция, способна создать его безо всяких вспомогательных средств.

Производители автостереографией нас не балуют — везде требуются очки. Однако пока это самый экономически выгодный способ показать объемную картинку в масштабе мирового кинопроката. Только вот способ ее получения в 3D-кинотеатре и на экране 3D-телевизора разный.

Принципиально процесс создания объемной иллюзии в киноиндустрии и телевидении похож. В каждый момент времени экран проецирует изображение, видимое только одним глазом. Быстрое чередование таких проекций и создает эффект объема. Только в кинотеатре изображения для разных глаз разделяются по поляризации, а в телевидении или на экране 3D-монитора — по времени (например, с помощью чересстрочной развертки).

Применение поляризационной технологии в кино обусловлено количеством зрителей и необходимостью сокращать расходы на 3D-оборудование. Используемые в киноиндустрии очки используют пассивный поляризационный эффект. За дешевизну приходится платить: пассивная стереоскопия требует существенного повышения яркости картинки, поскольку практически 70% света поглощается в ходе его прохождения через поляризационные фильтры.

Поляризационная стереография является пассивной. Благодаря поляризационным фильтрам картинки для правого и левого глаза разделяются

Использовать эффект поляризации в телевидении невыгодно. Повышение яркости экрана приводит к высокому энергопотреблению и снижению срока службы. Кроме того, совмещение стереографии с набравшим уже популярность форматом картинки HD не должно допускать каких-либо ее потерь или искажений.

Именно поэтому решения для 3D-телевидения основаны на технологии активного затвора (Active Shuttler). Идея проста: активные очки поочередно закрывают изображение для правого или левого глаза, а иллюзия объема достигается за счет того, что человеческий глаз не способен регистрировать события, сменяющие друг друга с частотой выше 50 миллисекунд. В то время как очки поочередно затемняют глаза, 3D-телевизор поочередно показывает чересстрочную картинку для открытого в данный момент глаза.

Понятное дело, что такая технология требует наличия обратной связи между очками и телевизором — в настоящее время почти все производители для этого используют инфракрасное излучение. То есть очки в 3D-телевидении должны иметь источник питания инфракрасного приемо-передатчика и самого активного затвора.

Технология активного затвора — удовольствие недешевое. Модель 3D-очков с активным затвором Samsung SSG2000X стоит около 7000 рублей

В теории, проблему дешевого оборудования должна решить автостереография. Экран на ее основе способен создавать объемное изображение без каких-либо подручных средств. Эффект достигается путем размещения перед экранной матрицей специальной дифракционной решетки, отклоняющей свет от находящихся рядом пикселей специально для правого и левого глаза. С дифракционной решеткой большинство из нас сталкивались, покупая так называемые стереооткрытки. Их ребристая поверхность — это и есть та самая решетка.

Наверняка каждый покупал стереооткрытки. Как раз в них и используется автостереография

С использованием технологии дифракционной автостереографии, например, сделан экран коммуникатора Samsung SCH-W960, который продается на южнокорейском рынке.

В более сложных, так называемых линзово-растровых экранах применяют эффект рефракции. Для вертикальной чересстрочной развертки устанавливается система механически поворачивающихся линз, снабженных механизмом контроля положения головы зрителя. Они и отражают отдельные изображения для правого и левого глаза, подстраиваясь под их положение в пространстве.

Дифракционные автостереоскопические дисплеи в настоящее время просты в производстве, но обладают довольно низкой яркостью и контрастностью. Кроме того, глубина стереоэффекта в них оставляет желать лучшего.

Для создания объема в автостереоскопические экраны устанавливают систему микролинз, находящуюся перед LCD-матрицей

Экраны на основе рефракции сложны благодаря наличию оптико-механических компонентов. Даже по самым оптимистичным прогнозам мы еще не скоро сможем себе позволить 3D-экран хорошего качества без специальных очков для просмотра 3D-видео.

3D и компьютеры

Кстати говоря, компьютерная индустрия освоила 3D-технологии значительно раньше телевидения. При этом разработчики компьютерных систем замахнулись не просто на стереографию. Они пытаются (и вполне успешно) добиться эффекта полного присутствия. Компания ISS (Interactive Imaging Systems) была в этом деле одним из первопроходцев и разработала шлемы виртуальной реальности VFX1 и VFX 3D.

Шлем виртуальной реальности VFX 3D создает объемное изображение с помощью двух независимых экранов

В основе стереографии в этих шлемах лежит принцип пространственного разделения стереопары. Проще говоря, для левого и правого глаза используется отдельный экран, воспроизводящий предназначенную ему картинку. Чтобы сформировать одномоментно две картинки, видеоадаптер компьютера должен, во-первых, обладать недюжинной мощью. А во-вторых, иметь два независимых фрейм-буфера видеопамяти, куда эти картинки и помещаются.

Такое решение действительно обеспечивает эффект полного присутствия, но обладает следующими недостатками (кроме высокой стоимости, конечно): не каждый пользователь согласится просиживать часами с довольно внушительным по размеру и тяжелым шлемом на голове, а разрешение, создаваемое миниатюрными экранами шлема, оставляет желать лучшего. Например, в VFX 3D оно составляет 360 000 пикселей на каждый экран при 16-битном цвете.

Не отвергая технологии шлемов и очков виртуальной реальности, игровая индустрия тем не менее требует более дешевых решений. Желательно совместимых с решениями консорциума 3DTV и телевизионными технологиями.

16 марта нынешнего года одно из них было анонсировано компанией NVIDIA. Это программное обеспечение 3DTV Play, функционирующее совместно со специальными двухбуферными картами GeForce, имеющими логотип 3D Vision Ready, и 3D-мониторами на основе технологии активного затвора.

Комплект NVIDIA 3D Vision Kit, состоящий из очков с активным затвором и инфракрасного сенсора, обойдется покупателю всего в $199

Программа 3DTV Play позволяет сформировать стереокартинку из любого изображения на лету, что не требует какого-либо предварительного конвертирования контента. При этом компьютер можно подключать не только к 3D-монитору, но и к любому 3D-телевизору, соответствующему стандарту 3DTV и имеющему порты DVI или HDMI 1.4. Среди ноутбуков первой ласточкой, поддерживающей 3DTV Play, является модель ASUS G51J 3D.

Ноутбук ASUS G51J 3D полностью совместим с технологией 3DTV Play

Комплект NVIDIA 3D Vision Kit, состоящий из очков с активным затвором и инфракрасного приемо-передатчика, можно приобрести за смешные $199.

В настоящее время NVIDIA заявляет о поддержке 3D-конвертации с помощью 3DTV Play более 400 компьютерных игр. Представленный на сайте список разделяет игры на категории от «отличная поддержка 3D» до «отсутствие поддержки 3D». Так, знаменитый World of Warcraft: Wrath of the Lich King порадует поклонников объемным изображением, а вот Sims 3, нет.

Благодаря программной технологии NVIDIA 3DTV Play большинство компьютерных игр обретают объем

От экзотики к обыденности

Мир постепенно привыкает к 3D в кинотеатрах, уже не смотрит на 3D-телевидение и компьютерные игры как на что-то бессмысленное и беспощадное.

Сегодня, после волны анонсов и обсуждений 3D, которая понеслась с CES 2010, становится понятно: 3D-бума в этом году нам не избежать. Но есть и одна загвоздка — пока еще очень маленькое количество контента. И это, пожалуй, пока главная проблема в популяризации 3D.