150881 (Світ 3D ефектів)

Вступ

Ми перебуваємо у світі 3D тобто тривимірного простору. Кожен об’єкт має довжину ширину і висоту. Це слугувало як кращий спосіб передачі інформації, та імітувати реальність вдалось не одразу.

Людина ще з початку свого існування зрозуміла важливість передачі інформації.

Спочатку це були нашкрябані малюнки на камені чи в печері, згодом алфавіт. Трохи далі картини і скульптури, але вони мали свої вади: картини були плоскі і описували картинку не точно, так як зображував її художник і в певний момент, скульптури хоч і мали об’єм та були позбавлені кольору і руху.

Згодом прийшла ера фотографії та кіно. Спочатку все було чорно-біле та згодом кольорове.

Це вже дійсно кращі речі. Фото описувало зображення рівноцінне тому що було зняте.

Фільм описує зображення не тільки в кольорі але й в об’ємі. Та все одно має свої мінуси.

По-перше фільм показує на лише те зображення яке було знято оператором і не більше.

Фото крім цього недоліку не мало руху.

Та за останні 20 років з нанотехнологіями та комп’ютером людина змогла створити неймовірний прорив. Об’ємне зображення кардинально змінило світ. Його впроваджують в медицину, мистецтво, інформаційні технології, це розваги та багато – багато роботи учених над створенням 3D.

Стереозображення: розділяй та володій

Бездоганне стереоскопічне зображення полягає в тому, що ліве та праве око спостерігача бачать картинки що, відрізняються одна від одної, точнісінько так, як це проходить під час реального розгляду тривимірного об’єкта. Через це мозок отримує достатню кількість інформації для формування тривимірного образу об’єкту, і спостерігач бачить зображення, частини якого розподіляються не в площині, а в просторі.

Стереоскопічна картинка формується з двох зображень: лівого й правого кадрів стереопари, які представляють собою вид об’єкта з двох рознесених в просторі позицій(відстань між точками фотографування стереопари дорівнює відстані між очами людини). Для сприйняття об'єму при перегляді стереокартинки необхідно забезпечити розділ спостерігання (сепарацію): праве око має бачити зображення тільки правого кадра, а ліве - тільки лівого кадру.

Існує декілька способів сепарації. Найбільш розповсюдженими на сьогоднішній день є:

• анаглифічний;

• екліпсний;

• поляризаційний;

• растровий.

Анаглифічний способ сепарації відомий с середини XIX століття и використовується й в наш час. При створенні анаглифічної стереокартинки "червона" складова, наприклад, правого кадру стереопари накладається на "синьо-зелену" складову лівого кадру.

Для розділения зображеннь при спостеріганні використовуються спеціальні окуляри з червоним і синьо-зеленим фільтром. Анаглифічне зображення можна спосерігати майже на кожному відображаючому пристрої, включаючи телевізійний приймач с ЕЛТ. В 1975-1978 рр. співробітники Ленінградського телецентру з кафедрою телебачення ЛЭИС проводили експерементальні трансляції кольорового стереозображения по анаглифічному способу.

Основний мінус даного способу (погана кольоропередача), нажаль, неминуча. Крім того, очі бачать зображення в різних кольорових відтінках, що нереально для зорового аппарату людини, а тому стомлює.

Екліпсний (світлоклапанний) метод сепарації широко використовується в сфері інтерактивних комп’ютерних ігр. Вона полягає у наступному. На екран відеомонітора послідовно виводяться зображения лівого і правого кадрів стереопари. Синхроно з виводом зображеннь переключаються спеціальні окуляри з жидкокристалічними (ЖК) затворами, через які спостерігач дивиться на екран.

Таким чином, при формуванні на экрані монітора зображенния правого кадра лівий ЖК-затвор стає непрозорим, и навпаки.

Даний спосіб дозволяє отримати високу якість сепарації і гарне розширення зображень. Однак для їхньої реалізації вимагають відображення пристрою, спроможні робити при дуже високих частотах обновлюваності (кадрового розгортання). Річ у тім, що кожне з очей бачить зображення з пониженною вдвічі частотою кадрів, тому можлва поява ефекту блимання.

Частота відображення кадрів, при якій блимання непомітне, залежить від ряду факторів - в тому числі, від співвідношення довжини інтервалу активної частини і интервала згасання. Наприклад, в телебаченні зображення з’являється на экрані на 18,4 мс з перервами всього в 1,6 мс, и блимання практично непомітні. В випадку з ЖК-очками интервал гасіння набагато більше і рівний інтервалу активних части. Якщо частота обновлення монітора 100 Гц, то кожне з наших очей бачіть таку картину: зображення - 19 мс и чорний экран - 21 мс. В такому випадку поява блимання неминуча.

Щоб не допустити такого випадку потрібно, щоб частота оновлення монітора була не менше 150 Гц. При цьому власник 17-дюймового монітора має обмежитись разширенням экрану 800x600 пікселей. Жидкокристалічні монітори, нажаль, не підходят для данного способу сепарації одразу по двох причинах. По-перше, ЖК-монітори не роблять на частотах вище 85 Гц, а тому при перегляді через світлокапаючі окуляри обовязково зявится блимання. По-друг, зображення на екрані ЖК-монітора змінюється досить довго.

Поляризаційний спосіб сепарації широко використовується в стереокінотеатрах.

Принцип дії цього способу досить простий. Зображення, наприклад, правого кадра проекціюється на спеціальний неполяризаційний екран через полярізатор з вертикальним напрямом поляризації світла, а зображення лівого кадра - через поляризатор з горизонтальною поляризацією.

Глядачі дивляться на экран через поляризаційні окуляри, причому напрям поляризації стекол для правого і лівого ока зпівпадає з напраямом поляризаційних фільтрів відповідних проекторів. В результаті правий глаз бачить зображення, зформоване "правим" проектором, а лівий глаз - зформоване "лівим" проектором.

Поляризаційний спосіб дозволяє отримати якісне кольорове стереоскопічне зображення. Але цей спосіб є складним:і дорогим, так як треба одразу два проектора, специальний екран, поляризатори і окуляри. Крім того, при повороті голови вліво чи вправо сепарація зображеннь зменшуєься (при 45° - до нуля) і відчуття обємності зникає.

І без окуляр

Відсутність окуляр – є головною цінністю растрових систем. Найбільш розповсюджені сьогодня лінзові (лентикулярні растри), що складаються з циліндричних плоскостей лінз, розташованих вертикально. Розглянемо роботу такого растра на прикладі просвітлюваного растрового стереоекрана.

Стереоекран працює "на просвіт": з однієї йог сторони знаходятся проектори, а с другої - глядачі. Кодуючий лінзовий растр створює чергуюгуючі полоси зображення від правого і лівого проектора на дифузно розсіюючий екран. Декодуючий растр направляє випромінювання від непарних смуг вправо, а парних - вліво, в результаті глядач спостерігає обємне зображення. Дана технологія використовується для створення стереоскопічгих екранів великих розмірів.

Дуже схожий принцип дії у автостереоскопічних дісплеїв, де замість кодуючого растра и розсіюючого екрана приймається матричний монітор на основі плазменної (PDP) чи жидкокристалічної (LCD) панелі.

Лінзовий растр в таких пристроях може бути нахиленим - для боротьби з ефектом окраски стереозображення в один із основних кольорів (червоний, зелений чи синій) або для створення багатоколярових зображень.

Головний недолік растрових систем – зміна якості стереоскопічного зображення при зміщенні очей користувачем від деякого оптимального положення. Для боротьби з цим ефектом розроблені пристрої, які відшукують положення голови глядача і здвигають в потрібному напрямі або лінзовий растр, або весь стереодисплей.

Тривимірні зображення об’єктів допомогли б хімікам – контролювати процеси утворення нових молекул речовини, геологам – знайти напрям буріння, хірургам збільшити точність при проведенні різноманітних маніпуляцій. Та всі раніше розроблені пристрої не були без вад,,як, наприклад блимання зображення, не достатньо великий кут спостереження, необхідність одягання спеціальних окулярів під час перегляду оберту.

Одним з таких пристроїв є PERESPECTA.

Це такий собі пристрій, що в більшості складається з полі карбонатного куполу в середині якого знаходиться напівпрозорий екран у формі диска діаметром 254 мм який рухається навколо вертикальної осі зі швидкістю 900 об/хв. Система отримує данні зі сканеру комп’ютера, магнітно-резонансного або ж позитронно-емісійного томографа, математичними методами сегментує інформацію на 198 радіальних елементів у формі дольки яблука. Ці дольки що зберігаються в буфері кадрів на три пристрої відображення Digital Light Processor(DLP), що представляють собою матриці з сотень тисяч мікроскопічних дзеркал, кути нахилу яких змінюються внутрішньою електронікою.

DLP – серце системи проекційного телебачення мультиплікаційних проектів, що займають рулоні кіноплівки в кінотеатрах. В пристрої PERESPECTA кожній DLP присвоєно свій колір, вона проеціює світло через призму на швидко рухаючійсь екран.

На написання математичного алгоритму пішло 4 роки.

PRESPECTA створює напівпрозоре сяюче зображення. Кожний об’ємний піксель (воксель), що знаходитися в деякій точці простору стає видним лише у момент проходження екрану. Екран створений з пластика и відображає лише 50% падаючих променів світла, що дозволяє спостерігачу бачити зображення об’єкта, в шарі, з всі сторін.

PRESPECTA вже використовується в онкології. До цього часу лікарі маючи лише двовимірні зрізи сканування, годинами розраховували найбільш оптимальний шлях променя. Але завдяки PRESPECTA це не проблема. Сучасна онкологія вимагає видаляти пухлину мозку з найменшою шкодою для здорових тканей.

Іншим пристроєм 3D зображення є Depth Cube який був створений компанією Light Space Technology.Пристрій Depth Cub приставляє великий телевізор екран якого має розміри 406 305 мм и проекцією зображення ззаду. Екран товщиною 105 мм складається з 20 вертикальних пластин. Кожний глядач бачить об’ємну картинку. При зміні кута бачення одні структури зникають інші з’являються. Ця інновація буде корисна конструкторам які зможуть бачити як прилягають деталі між собою.

Перший прототип тривимірного екрану було створено 9 років тому президентом компанії Light Space Technology Аланом Саліваном. У своїй конструкції він використав три DLP кожна з яких складалась з 786 432 мікро дзеркал, порозміщувались на території в розмір нігтя.

Та Саліван не міг зробити зображення з глибиною. Щоб вирішити цю проблему він використав серійні плати тривимірної графіки з буфером кольорів (причому кожному пікселю задавалась своя глибина кольору). 20 розсіюючих пластин здатні переходити з стану прозорості до стану розсіювання, що дозволяє при потребі відображати пік селі.

50 разів в секунду на пластини проекціюються зрізи об’єкту. Таким чином зображення має ширину глибину і висоту.

Екран відображав тривимірне зображення, але зрізи на екрані виглядали,як театральні декорації, що стояли один за одним. Саліван, що працював в Ліверморській Національній Лабораторії, і вивчав там потужні лазери зрозумів, що алгоритми згладжування контурів двохвимірних зображень можна примінити для згладжування зображення 20 екранів.

Це дозволило добитися того що 15,5 млн. об’ємних векселів почали бути схожими на 456 млн. віртуальних. При цьому людський мозок бачить глибину 305 мм. На даний час таких пристроїв продано небагато, але компанія збирається знизивши ціни на пристрої збільшити сферу використання Depth Cube.

Цікавий пристрій тривимірної графіки, Cheoptics360, представила компанія viZoo

Показана ними технологія схожа скоріше на кадри з фільму чи відеогри, але не на пристрій реальності.. Та все ж таки вона існує. Розмова ведеться про візуальну середовище Cheoptics360,яка дає змогу дивитись відеофільми и презентації в 3D. Тривимірне зображення виникає просто в повітрі и з якого кута не дивилися б глядачі – воно бачиме з довільної точки.

С технічної точки зору Cheoptics360 представляє собою чотирьох сторонню піраміду, зроблену з прозорого матеріалу. Зображення, збережене в спеціальному форматі FreeFormat, розроблено viZoo спеціально для цієї візуальної середи, проекціює на піраміду. Завдяки такій формі, пристрій поглинає все світло,зображення відбиваються від поверхні, и створюється ефект 3D-бачення.

Але на даний час схожі пристрої, ще не зявились на ринку. За словами президента компанії ViZoo, плоскі HD-телевізори – це прямі конкуренти їхній технології. Незважаючи на те що вже були деякі пропозиції від великих компаній бажаючих втілити Cheoptics360 в масове виробництво немає.

Але не тільки показують тривимірну реальність, а й намагаються зняти реальність і відправити в світ віртуального. Наприклад, тривимірна веб-камера Minoru 3D