3D-телевидение

Тема реферата «3D — телевидение» по дисциплине «Телевидение».

Наступление эры цифрового телевидения — уже свершившийся факт. Теперь телевидение стандартной четкости (SD) начинает сменяться телевидением высокой четкости (HD) и объемным (3D). В общем, в истории развития телевидения и видео можно выделить следующие крупные этапы:

1 — черно-белое телевидение — передается яркость изображения.

2 — цветное телевидение — передается яркость и цветовые составляющие.

3 — цифровое видео (Video CD, DVD).

4 — цифровое видео и телевидение высокого разрешения (Blu-Ray, HDTV).

5 — объемное цифровое видео и телевидение (3D).

1. 3D — телевидение

1.1 История и принципы

С начала 2003 г. для разработки 3D-видео пять крупных японских компаний: Itochu, NTT DATA, Sanyo, Sharp и Sony объединились в организацию под названием «3D-Consortium». Задача нового объединения — формирование рынка объемных изображений (начиная от контента и заканчивая аппаратной реализацией). Как заявляют представители консорциума, плоское изображение морально устарело и не может передать всего великолепия объемной картинки. Поэтому настало время переходить на трехмерное изображение. В состав консорциума входят не только разработчики и производители оборудования. Свой интерес в этой нише имеют кинокомпании, поставщики и продавцы контента, учебные организации, разработчики ПО и многие другие Если говорить строго, то современное «3D-видео», т. е. объемное видео, таковым не является. При его воспроизведении на экране отображается последовательность плоских кадров специального вида. Здесь правильнее говорить о «стереовидео», ибо в данном случае напрямую эксплуатируется такая особенность нашего зрительного восприятия, как разноракурсность вида для каждого из глаз. Построение трехмерного образа происходит уже в человеческом мозгу.

Природа наделила человека бинокулярным зрением: парой глаз, расположенных на расстоянии 60…70 мм. За счет этого человек видит мир одновременно как бы с двух точек наблюдения. В результате, изображения, получаемые левым и правым глазом, слегка отличаются. Анализируя различия между изображениями, мозг воссоздает объем и удаленность наблюдаемых объектов (рис.1). Кажущееся смещение рассматриваемого объекта, вызванное изменением точки наблюдения, называется параллаксом и является главным фактором в нашем восприятии трехмерности мира.

Рис. 1

С теоретической точки зрения, добиться эффекта объемного изображения довольно просто: достаточно взять две телекамеры, расположить их объективы в точках, соответствующих расстоянию между глазами человека, а далее обеспечить раздельное видение снятых изображений правым и левым глазом.

Все способы, которые применяются для создания стереоэффекта в видео, используют именно принцип раздельного просмотра: левому глазу человека демонстрируется левое изображение, правомуправое. Различия заключаются в том, каким образом достигается сепарация (разделение)изображений. Большинство методов стереовизуализации в кино и телевидении известны уже более 100 лет.

Анаглифному методу показа — 150 лет. Метод предложен Д. Альмейда и Д. Ороном в 1858 году, реализован в кино Л. Люмьером в 1935 г. Анаглифный метод (от греческого anagliphos — рельефный) состоит в окрашивании изображений стереопары в дополнительные цвета, чаще всего в красный и сине-зеленый. Для разделения изображений при просмотре используются специальные очки с такими же фильтрами (рис. 2).

Рис.2

Этот метод работает практически на любых цветных телевизорах и мониторах. Разделение кадра на «левый» и «правый» компоненты происходит по спектральному принципу: перед левым глазом устанавливается красный фильтр (он видит только красный компонент картинки), перед правым — сине-зеленый (он, соответственно, воспринимает только сине-зеленый) Картинка, собранная из двух цветных полукадров, характерно «двоится» без очков, в очках же все «собирается' воедино, и человек видит объемный черно-белый образ.

Существует несколько разновидностей анаглифа с разными парами цветов, но сути дела это не меняет. Главное достоинство этого метода — простота и дешевизна реализации. Основной недостаток — плохая цветопередача, — к сожалению, принципиально не устраним. Кроме того, глаза видят изображение в разных цветовых оттенках, что неестественно для зрения, а потому быстро утомляются.

Хотя ряд компаний продолжает разработки в области усовершенствования анаглифов и уже демонстрирует некоторые достижения Принцип остался неизменным: полукадры отображаются одновременно, а их разделение происходит по спектральному принципу.

Суть метода спектрального разделения легко понять, если взять полный спектр и «скрутить его в бублик» так, что получится «цветовое колесо» (рис. 3).

Рис. 3

На нем хорошо видно, что красный и синий цвета диаметрально противоположны, т. е. являются взаимно-дополнительными. Если же взять не одну пару дополнительных цветов, а три, тогда удается добиться воспроизведения цветного трехмерного изображения.

Увы, обходится это весьма дорого: изготовление очков с тремя спектральными окнами прозрачности — дело не простое и не дешевое. Соответственно, удел этих суперанаглифов — профессиональное 3D.

Поляризационному методу стереопроекции около 120 лет. Предложен Ж. Андертоном в 1891 году, получил широкое распространение после изобретения в 1935 г. Е. Лэндом поляроидной пленки. Левый и правый кадр проецируются одновременно, но свет поляризуется в разных направлениях. Просмотр осуществляется с помощью очков, имеющих соответствующие светофильтры. Достоинства — четкое разделение стереопары, сохранение цветности, недостатки — дорогостоящее оборудование и необходимость просмотра в специальных очках. Чаще всего используется круговая поляризация, поскольку у нее есть определенные преимущества перед линейной: при использовании линейной поляризации, если зритель в линейно-поляризованных очках наклоняет голову, эффект стерео пропадает. При циркулярной поляризации такого не происходит.

В этих телевизорах используется «хитрый» экран: на него напыляются поляризаторы, причем не сплошь, а построчно. На четные строки наносится, допустим, «правый» поляризатор (создающий круговую поляризацию в одном направлении), а на нечетные — «левый» (закручивает поляризацию в противоположном направлении). Полученное видео просматривают через очки с соответствующими поляризационными стеклами.

Теоретически принцип весьма прост и сулит всю совокупность плюсов с одним очевидным минусом — вертикальное разрешение падает вдвое. Вдобавок, сложность изготовления и, соответственно, высокая цена экрана. Именно поэтому удел этой технологии (пока) — профессионалы, работающие с 3D.

Эклипсный (светоклапанный) метод сепарации занял доминирующее положение в 3D-видео. Суть его заключается в следующем. На экран видеомонитора последовательно выводятся изображения левого и правого кадров стереопары. Синхронно с выводом изображений переключаются специальные очки с жидкокристаллическими (ЖК) затворами, через которые наблюдатель смотрит на экран (рис. 4).

Рис. 4

Таким образом, при формировании на экране монитора изображения правого кадра левый ЖК-затвор затемняется, и наоборот.

Данный способ позволяет получить высокое качество сепарации и хорошее разрешение изображении. Однако для его реализации требуются отображающие устройства, способные работать при очень высоких частотах обновления (кадровой развертки). Дело в том, что каждый из глаз видит изображение с пониженной вдвое частотой кадров, поэтому возможно появление эффекта мерцания.

Частота кадров, при которой мерцания незаметны, зависит от соотношения длительности интервала отображения и интервала гашения. Например, в телевидении изображение появляется на экране на 18,4 мс с перерывом всего в 1,6 мс, и мерцания практически незаметны. В случае с ЖК-очками интервал гашения гораздо больше и практически равен интервалу отображения. Если частота обновления монитора — 100 Гц, то каждый глаз видит изображение в течение 19 мс и черный экран в течение 21 мс. В таком случае появление мерцании неизбежно.

Тем не менее, в массовом телевидении на сегодняшний день наибольшее распространение получили именно очки с активными ЖК-затворами. Работают они просто: телевизор попеременно показывает кадры для правого и левого глаза, одновременно посылая по инфракрасному каналу импульсы синхронизации. Очки с инфракрасным приемником оснащены ЖК-транспарантами в стеклах, которые поочередно открываются и закрываются. Когда на экране «левый кадр», открыта шторка для левого глаза и закрыта для правого, и наоборот (рис. 5). На этом принципе основаны все без исключения бытовые 3Dтелевизоры, предлагаемые разными производителями.

Рис. 5

Очевидный недостаток данного метода — чтобы передать один полный стереокадр, приходится посылать два полукадра. Это приводит либо к тому, что частота кадров снижается вдвое, либо для поддержания частоты кадров приходится вдвое увеличивать видеопоток. Кроме того, поскольку в очках одновременно открыт только один затвор, эффективная яркость светового потока сквозь них снижается вдвое, а это, естественно, сказывается на восприятии телевизионной картинки.

Растровому стерео — более 110 лет. Такие системы называются ае-пюстереоскопическими, поскольку создают стереоэффект как бы сами собой, без помощи очков. Метод безочкового стерео с применением параллельного светопоглощающего растра предложен одновременно Бертье и Лизегангом в 1896 г. Впервые для демонстрации стереокино этот метод предложен в СССР С. Ивановым и А. Андриевским и реализован под руководством Б. Иванова в 1942 г. Первый в мире кинотеатр с растрово-линзовым экраном «Стереокино» был открыт в Москве в 1947 г. Растр выглядел в виде ряда непрозрачных вертикальных полос. Свет проходил в прозрачные участки между полосами, и каждому глазу зрителя показывался необходимый фрагмент изображения. Размеры экрана составляли 3×3 м.

Для показа через растр исходная стереопара кадров «нарезается» на вертикальные полоски, которые затем чередуются так, чтобы под каждой линзой оказалась пара полос: одна-от левого кадра, другая-от правого (рис.6). Поток света от изображения, проходя через линзы, разделяется таким образом, что левый глаз наблюдателя видит левое изображение, правый глаз — правое.

Рис. 6

Достоинство растрового метода в том, что устройство сепарации объединено с самим изображением, и зрителю не нужно надевать очки для просмотра. Недостаток — большой объем данных, требующихся для качественного воспроизведения изображения.

Кроме перечисленных, существуют и другие технологии создания объемного видеоизображения, которые пока не получили широкого распространения. В качестве примера можно привести голографию — получение пространственного изображения объекта (голограммы) путем регистрации амплитуды и фазы световых волн, отраженных от его поверхности. Существуют разные способы получения голограмм, однако все они основываются на явлениях дифракции и интерференции световых волн.

Излучаемый лазером когерентный монохроматический свет разделяется на две составляющие, из которых формируются опорный и предметный пучки света. Предметный пучок отражается от регистрируемого объекта, складывается с опорным пучком, и в пространстве формируются неподвижные области максимумов и минимумов, т. е интерференционная картина, которая фиксируется, например, специальной фотопластинкой (рис.7). При освещении этой пластинки лазерным лучом в пространстве появляется объемная копия регистрируемого объекта, которая может быть почти неотличимой от оригинала. В отличие от стереопары, содержащей только два ракурса объекта, голограмма содержит информацию о бесконечно большом количестве видов, поэтому при рассматривании голографического изображения с разных сторон возникает ощущение плавного оглядывания объекта.

Рис. 7

Главная проблема голографии состоит в том, что голограмма чрезвычайно избыточна, т. е. содержит очень много «лишней» информации, а это в свою очередь, вызывает большие сложности в ее применении. Когда работает обычный плоский экран, светятся (фактически как точечные источники) пиксели на его поверхности, и мы четко видим проекцию пространственной картины на плоский экран: классическую 20-картинку. Если вместо плоского экрана взять реальные объекты (или их топографические изображения) и расположить их позади простого стеклянного экрана, световое поле, проходящее сквозь стекло, примет иной вид: световые пучки разных цветов будут иметь не только различную яркость, но и пространственную ориентацию (рис. 8).

2. 3D — телевизоры и их характеристики

Существует несколько видов 3D-телевизоров. Основные виды, завоевавшие рынок — жидкокристаллические (LCD, со светодиодной подсветкой — LED) и плазменные (Р). Когда возникает вопрос, какие из них лучше, необходимо сравнить телевизоры по основным характеристикам.

2.1 Диагональ экрана

Этот параметр является главным визуальным параметром телевизора. Расстояние от телевизора при просмотре должно примерно равняться 3…4 диагоналям экрана (рис. 9). При этом нужно учитывать, что чем ближе к экрану находятся зрители, тем заметнее для них искажения на картинке. При выборе телевизора предварительно измерьте расстояние от места, где он будет находиться дома, до точки просмотра. В магазине отойдите от витрины с телевизорами на такое же число метров и внимательно посмотрите на изображения, Только так можно понять, какого размера телевизор подойдет для вас.

Рис. 9

Плазменную панель маленькой диагонали приобретать нецелесообразно (их просто и не существует). Эта особенность связана с размерами пикселей у плазменных телевизоров (около 0,5×0,5 мм), поэтому, чтобы их не видеть, следует находиться на значительном удалении от экрана. Вдобавок, с близкого расстояния можно различить субпиксели, т. е. пиксели других цветов, входящих в ячейку, которые в данный момент не светятся. Из этого следует, что устанавливать плазменную панель в небольшой комнате и сидеть в метре от экрана никак нельзя. Плазменные телевизоры подойдут только для просторного помещения, которое позволит обеспечить достаточное расстояние до экрана, и оно, несомненно, должно быть больше, чем у ЖК-телевизоров. Размером пикселя еще обусловлен тот факт, что четкость у плазменных панелей несколько ниже, чем у жидкокристаллических собратьев.

2.2 Время отклика

Время отклика (response time) является наиболее обсуждаемой характеристикой при сравнении плазменных и ЖК-технологий. Эта характеристика ЖК-матрицы показывает, за какое время изменяет свое положение кристалл в одном пикселе. Различают время включения и выключения пикселя (рис. 10). Время включения пикселя — это промежуток времени, необходимый для открывания ЖК-ячейки, а время выключения — время ее закрывания. Когда же говорят о времени реакции пикселя, то понимают суммарное время включения и выключения.

Производители по-разному определяют его, поэтому может случиться так, что телевизоры будут одинаково показывать, имея различные времена отклика. Например, чтобы добиться минимального значения этого времени, его измеряют при переходе пикселя из полностью открытого состояния (на экране белый цвет} в полностью закрытое (черный экран). Но тогда к пикселю прикладывается наибольшее напряжение, и, соответственно, скорость изменения положения кристаллов наибольшая. А если измерять время перехода между градациями серого, что и бывает при реальном изображении, время отклика получается не такое уж маленькое. Время отклика можно проверить на очень быстро меняющемся изображении. При нормальном времени отклика за изображением не должно быть никаких «шлейфов» .

Рис. 10

Время отклика пикселя у плазменных телевизоров, хотя и существует, но сведено к долям миллисекунды и не является критичным параметром, так что многие производители про него даже не упоминают.

2.3 Частота обновления изображения

При показе видео с быстро движущимися картинками у LCD-телевизоров возникают проблемы. Основная причина — конечная частота обновления экрана. Во время показа быстро меняющегося изображения обновление пикселей не поспевает за сменой самого изображения, что приводит к их рассинхронизации. В результате, получается размытая картинка и блики на изображении. Особенно заметен этот эффект при просмотре спортивных передач.

2.4 Послесвечение экрана

У плазменных телевизоров наблюдается эффект послесвечения. Он заключается в том, что при показе статического изображения пиксели «запоминают» свой цвет и показывают его некоторое время после смены картинки. Примером такой «западающей» картинки служит логотип телеканала. На «современной плазме» послесвечение пропадает быстрее, но все равно не мгновенно.

2.5 Разрешение экрана

Этот параметр говорит, сколько точек используется для создания картинки на экране. Обозначается разрешение как соотношение количества светящихся точек (пикселей) по горизонтали к количеству точек по вертикали. Например, обозначение 1920×1080 показывает, что у данного телевизора экран состоит из 1920 точек по горизонтали и 1080 точек по вертикали. Чем больше пикселей на экране, тем качественней телевизор может отобразить сигнал, но тем он и дороже.

С другой стороны, сигнал, поступающий на вход телевизора, тоже имеет свое разрешение. Например, телевизионный сигнал с эфира имеет разрешение 720×576. Поэтому полностью использовать преимущества высокого разрешения можно только в том случае, если просматривать сигнал с таким же разрешением, на которое рассчитан экран телевизора.

Если на экран с разрешением 1920×1080 пикселей подать телевизионный сигнал 720×576, результат может получиться еще хуже, чем у кинескопного телевизора. Но если подать на этот же телевизор сигнал с разрешением 1920×1080, то результат будет великолепным. Сигнал с разрешением 1920×1080 называется HDTV, или по-другому, Full HD. Для его воспроизведения нужны Blue-ray-проигрыватели и соответствующие диски. Есть еще разрешение экрана 1366×768 пикселей, которое используется в телевизорах с диагональю 32 дюйма и меньше (на экране с диагональю 32 дюйма уже тяжело увидеть отличия в качестве картинки при разрешениях 1920×1080 и 1366×768).

2.6 Угол обзора

Если речь заходит об углах обзора, плазменные 3D-телевизоры имеют явные преимущества по сравнению с ЖК. Это обусловлено характером формирования подсветки в каждом из типов панелей. В случае плазменных телевизоров за счет изотропного излучения (т.е. одинакового по всем направлениям) используемых в них люминофоров понятие угла обзора отсутствует. Изображение одинаково хорошо смотрится практически из любого положения и ограничивается только естественными удобствами.

В ЖК-телевизорах подсветка направлена по нормали к экрану дисплея. В результате, при просмотре телевизора под углом получается неравномерное распределение света. Если смотреть на экран сбоку, можно наблюдать эффект поляризации: резкое снижение контрастности и изменения цветов. И чем дальше находится человек от центра экрана, тем сильнее искажения. На сегодняшний день минимально достаточное значение составляет 160° (рис.11). Это значит, что, глядя на экран под углом +80°, человек видит изображение с контрастностью в 10 раз меньшей, чем тот, кто сидит прямо по центру экрана. Эксперты рекомендуют выбирать модели с большими углами (хотя бы 170°). У представленных сегодня на рынке ЖК-телевизоров углы обзора составляют 176…178°.

Рис. 11

2.7 Яркость экрана

Чем ярче экран, тем меньше приходится напрягать глаза, чтобы комфортно видеть изображение. Особенно это актуально, если приходится смотреть телевизор при ярком дневном свете. При просмотре 3D-изображений яркость экрана имеет еще более важную роль в связи с необходимостью использования очков. Любые 3D-очки (пассивные поляризованные или с активными затворами) затемняют изображения, которые воспринимаются глазами.

Минимально достаточной для комфортного просмотра телевизора в большинстве случаев является яркость 450 кд/м2. С ростом диагонали экрана повышается и показатель яркости в паспорте телевизора. Если для 19-дюймовых ЖК-телевизоров яркость может быть и 250 кд/м2, то для 36-дюймовых — уже не менее 500 кд/м2. Для помещений с переменной освещенностью в телевизорах часто используется встроенный датчик внешнего освещения, который сам регулирует яркость подсветки экрана.

Яркость у плазменных телевизоров может колебаться от 1000 до 2000 кд/м, что значительно выше, чем у других видов телевизоров. Некоторые производители плазменных телевизоров даже не считают нужным указывать эту характеристику. Нужно только отметить, что чрезмерное увеличение яркости еще больше повышает и без того немаленькое энергопотребление плазменных телевизоров.

Для проверки яркости нужно во время трансляции сюжета с нормальной освещенностью (например, новостей), вывести значение яркости в телевизоре сначала на минимум, а затем на максимум. На минимуме картинка должна заметно для глаз потемнеть, а при максимуме должно произойти тоже заметное осветление изображения. При этом хорошо видно, какой запас яркости у данного телевизора.

2.8 Контрастность изображения

Значение контрастности показывает, во сколько раз один участок изображения по яркости превосходит другой. В паспорте телевизора контрастность обычно прописана в виде, например, 800:1, что показывает отношение уровня белого на экране к уровню черного. До сих пор ЖК-телевизоры отстают по контрастности от плазменных панелей. Среди телевизоров с небольшими размерами экрана минимально достаточное значение контрастности составляет 600:1. У LED-телевизоров контрастность экрана выше (доходит до 1200:1).

Но, придя в магазин и просматривая технические характеристики, можно увидеть заявленную контрастность 6000:1, 7000:1 и даже 10 000:1. Не стоит удивляться столь высоким цифрам. Это приведена так называемая «динамическая контрастность», которая обеспечивается специальной технологией. При показе более яркого изображения увеличивается и яркость подсветки матрицы, а при темных сценах яркость подсветки уменьшается. Ведь при сценах с большой яркостью темные участки изображения не так важны, поскольку наш глаз воспринимает их и так очень темными, поэтому увеличение яркости подсветки не искажает общей картины. Так же и при темных сценах — наш глаз по-другому воспринимает светлые участки, что дает возможность снизить яркость подсветки.

Для измерения динамической контрастности берут уровень белого при самой яркой подсветке, а уровень черного при самой минимальной подсветке. Так и получаются такие большие значения. Но в каждый момент времени контрастность экрана не превышает значения статической контрастности. Динамическая контрастность действует только при изменяющейся картинке. Для больших ЖК-телевизоров, на которых все недостатки малой контрастности особенно сильно видны, значения контрастности находятся в пределах от 1000:1 до 1600:1.

Значение статической контрастности у плазменных телевизоров может достигать 30 000:1 и даже более, а динамическая контрастность уже перешагнула значение 1 000 000:1. Это связано со способностью плазмы полностью погасить свой пиксель до идеально черного цвета.

2.9 Ресурс лампы или светодиодов

Этот параметр показывает, сколько может проработать, сохраняя свои рабочие характеристики, лампа подсветки в LCD-телевизоре или светодиоды в LED. На сегодня ресурс работы лампы составляет примерно 60 000 часов, а светодиодов — доходит до 100 000 часов. В переводе это получится около 7 лет беспрерывной работы, поэтому при выборе телевизора можно не обращать внимания на этот показатель.

3. Параметры 3D — телевизоров

3.1 Коммутационные возможности

Параметр, вроде бы, для телевизора — второстепенный, но посмотреть, хватит ли у него нужных разъемов и где они расположены, при покупке телевизора стоит. Возможно, к телевизору потребуется подключить: проигрыватели дисков (DVD и Blu-гау), видеокамеру, цифровой фотоаппарат, игровую приставку, компьютер, внешний USB-накопитель (флэшку), домашний кинотеатр, наушники, антенну, спутниковый ресивер и др. Значит, телевизор должен иметь нужные разъемы («тюльпаны», SCART, S-Video, HDMI, DVI, USB и др.).

3.2 Отсутствие дефектных пикселей

Весьма неприятным недостатком у жидкокристаллических телевизоров является наличие «битых» пикселей (непереключающихся во время работы), а у плазменных панелей — выгорание пикселей (потеря работоспособности после определенного срока эксплуатации). Наработка на отказ у современных плазменных панелей велика и измеряется десятками тысяч часов, но при этом в качестве критерия берется падение параметров на определенный процент, и в некоторых случаях он достигает 50%, т. е. телевизор практически будет показывать вдвое хуже, чем при покупке.

3.3 Потребляемая мощность

Еще один минус плазменных телевизоров — достаточно большое энергопотребление, что, в свою очередь, приводит к нагреванию элементов телевизора и необходимости дополнительного охлаждения. Для охлаждения могут служить либо вентиляторы (приводят к излишнему шуму), либо достаточно большие радиаторы (увеличивают массу плазменной панели). У ЖК-телевизоров потребляемая мощность заметно ниже, и особых сложностей с отводом тепла не возникает.

Таким образом, однозначно определить, какой телевизор (жидкокристаллический или плазменный) лучше, сегодня практически невозможно.

Одни параметры лучше у одного, другие — у другого. Выбор остается за зрителем с учетом его личных вкусов, конкретных условий эксплуатации телевизора и «толщины кошелька». В табл.1 приведены параметры распространенных ЖК-телевизоров ведущих мировых производителей, а в табл.2 — параметры плазменных телевизоров и панелей.

Для примера и сравнения можно рассмотреть технические характеристики 3D ЖК-телевизора «Samsung UE-40C8000» и плазменного телевизора «Panasonic TX-PR42GT20» :

Рис. 12

Рис. 13

Табл. 1 — ЖК-телевизоры

Табл. 2 — Плазменные телевизоры и панели

экран плазменный цифровой телевизор Характеристики «Samsung UE-40C8000» :

Тип — жидкокристаллический со светодиодной подсветкой (LED)

Диагональ, дюйм (см) 40(102)

Разрешение экрана, пикселей 1920×1080

Формат экрана 16:9

Контрастность (динамическая) 4 000 000:1

Яркость, кд/м2 500

Угол обзора, 0 178

Время отклика, мс 5

Частота обновления, Гц 200

Мощность звукового канала, Вт 2×10

Поддерживаемые стандарты PAL, SECAM, NTSC

Потребляемая мощность, Вт 200

Габаритные размеры (без подставки), мм 956×588×24

Масса, кг 12,8

Характеристики «Panasonic TX-PR42GT20»

Тип — плазменная панель Диагональ, дюйм (см) 42 (106)

Разрешение экрана, пикселей 1920×1080

Формат экрана 16:9

Контрастность (динамическая) 5 000 000:1

Мощность звукового канала, Вт 2×10

Поддерживаемые телевизионные стандарты PAL, SECAM, NTSC

Потребляемая мощность, Вт 335

Габаритные размеры (без подставки), мм 1029×654×82

Масса (без подставки), кг 20,5

3. 3D-очки

3D-очки — устройства, благодаря которым создается иллюзия объемности стереоизображения, воспроизводимого на экране телевизора или монитора. Если говорить конкретнее, то стереоочки, как правило, разбивают стереопару на два изображения, каждое из которых видимо только для одного глаза. Благодаря бинокулярности человеческого зрения, а в случае с активными очками и эффекту инерции зрения, возникает весьма достоверное ощущение объемности изображения.

На рынке представлено немало разновидностей 3D-очков, но, в сущности, они делятся на два класса: пассивные и активные.

Пассивные очки с цветными светофильтрами (рис.14) используются в анаглифном методе, а с поляризационными стеклами (рис.15) — в поляризационном. Как уже говорилось, оба этих метода имеют ограниченное применение.

Рис. 14

Рис. 15

Под активными подразумеваются «затворные очки» (shutter glasses — рис.16), в которых жидкокристаллические заслонки поочередно (с частотой порядка 60 Гц) закрывают правый и левый глаз (рис.17), в то время как телевизор или монитор, с которым они синхронизированы, поочередно демонстрирует кадры для правого и левого глаза (совокупная частота развертки составляет 120 Гц). В каждый момент времени человек видит одним глазом одну половину стереоизображения, однако, поскольку кадры сменяются очень быстро, в силу инерционности зрения возникает ощущение цельности картинки. Главная проблема — потеря воспринимаемой зрителем яркости, и производителям современных 3D-телевизоров и мониторов приходится учитывать это обстоятельство. Естественный недостаток затворного метода — повышенная усталость глаз вследствие низкой частоты.

Рис. 16

Рис. 17

Затворным очкам нужно автономное питание и беспроводной приемник синхронизирующего сигнала (сигнал обычно передается по инфракрасному лучу, хотя есть модели и с радиосинхронизацией). Именно на такие 3D-очки делают ставки практически все производители 3D-электроники для дома.

Для управления любыми затворными очками необходим контроллер. За время существования очков было выпущено множество контроллеров разнообразного исполнения (встроенных в видеокарту, в виде переходников между видеокартой и монитором, с внешним управлением и пр.).

Когда затворный метод впервые появился на рынке, он был предназначен для мониторов и телевизоров на электронно-лучевых трубках (ЭЛТ). Эти «динозавры» как нельзя лучше подходили для затворной технологии. В ЭЛТ-мониторе изображение рисуется каждый раз заново, а предыдущее «исчезает» с очень малой задержкой, т. е. между кадрами возникает небольшое время черного экрана, и основной целью повышения частоты обновления ЭЛТ-мониторов была комфортность просмотра (превышение порога инерционности глаза, чтобы изображение не мерцало вследствие его постоянного затухания).

На смену ЭЛТ-мониторам пришли жидкокристаллические (ЖК). Эти тоненькие и легкие мониторы быстро завоевали рынок, как только их цена стала меньше ЭЛТ-аналогов. В ЖК-мониторе изображение постоянно отображается, поэтому для них стандартом частоты обновления была выбрана частота 60 Гц. Нет мерцания — нет проблем и нет необходимости более высокой частоты, решили производители тогда. Но если смотреть затворное стерео с частотой 60 Гц, то на каждый глаз мы получим всего 30 Гц, что чрезвычайно мало!

Однако низкая частота обновления кадров вовсе не единственная проблема ЖК-мониторов. Хотя этот монитор не мерцает в принципе, а обновление кадров происходит попик-сельно (при поступлении сигнала цвет пикселя меняется на новый), оказывается, что время смены одного цвета на другой, во-первых, достаточно велико, а, во-вторых, зависит от цветового перехода (от текущего цвета к новому). Таким образом, если обычный контроллер затворных очков подключить к обычному ЖК-монитору, то вместо полного ракурса для каждого глаза мы увидим полную «кашу» от разных ракурсов!

С развитием технологий скорость переключения пикселей была значительно повышена, но время реакции, аналогичное ЭЛТ-мониторам, до сих пор недостижимо. Решение проблемы «медленных пикселей» было найдено весьма простое: «умный» контроллер теперь закрывает шторки очков не синхронно (левая/правая), а с задержками открывания. По сути, шторки очков теперь большую часть времени закрыты. Такой прием дает некоторую «передышку» медленным пикселям, давая им возможность переключиться на новый цвет.

Поскольку 60 Гц пополам (30 Гц) мало даже для полноценного затворного стерео с ЭЛТ-монитором, необходимы новые мониторы с большей частотой. И такие мониторы выпущены: так называемые «стерео-совместимые» 120-герцовые ЖК-мониторы.

Конечно, уменьшенное время открывания шторок не прошло бесследно: утомляемость глаз по-прежнему высока и, в общем-то, больше, чем на хорошем ЭЛТ-мониторе со старым контроллером. Кроме того, используемые приемы позволяют лишь частично решить проблемы медленных пикселей. При недостаточной калибровке задержек или отклонений в конкретном экземпляре монитора часть пикселей не будет успевать переключить цвет, и возникнет «гхостинг» (взаимопроникновение ракурсов).

4. Средства «виртуальной реальности»

На протяжении человеческой истории постоянно существовала мечта об альтернативной реальности, в которую можно как-то попасть. С развитием вычислительной техники появились так называемые «виртуальные реальности». В качестве виртуальной реальности выступает максимально приближенная к реальности графика в совокупности со всевозможными средствами ее визуализации: костюмами, шлемами и прочими аксессуарами. Все они так или иначе воздействуют на органы чувств человека с целью максимального приближения его ощущений к реальным. Человек должен ощущать себя как бы внутри компьютерного мира.

По мере развития и совершенствования компьютерных систем становится' все труднее отделять друг от друга «синтетическое» и «натуральное», например, трехмерные компьютерные персонажи «играют» в кино наравне с реальными. Виртуальная реальность получила широкое распространение в компьютерных играх, распределенных конференциях, телемедицине и т. п. Для взаимодействия с системами виртуальной реальности необходимы средства ввода и вывода информации.

В настоящее время средства вывода воздействуют в основном на глаза и уши человека. Человеческому мозгу для создания объемного представления об окружающей его пространственной среде требуются два ракурса для двух глаз (левый и правый). Информация, получаемая обоими глазами, обрабатывается мозгом и сливается в одно трехмерное изображение. Существует несколько способов подать информацию нашему мозгу так, чтобы он воспринимал обычную плоскую картинку (на экране монитора) как трехмерную. Например, пространственное изображение можно создать игрой света и теней или особым расположением элементов сцены. Но в телевидении и в компьютерных устройствах обычно используется иной принцип. Достаточно просто показать каждому глазу специальным образом подготовленное именно для него изображение. Мозг анализирует полученную информацию и «обманывается», создавая у человека впечатление объемности увиденного.

Одним из таких средств визуализации является виртуальный шлем (рис.18).

Этот тип устройств уже довольно распространен. VR-шлемы относят к классу HDM (Head Mounted Display), т. е. устройства, одеваемые на голову.

Рис. 18

В них применяется двухэкранный способ формирования изображения, т. е. для каждого глаза в шлем встроен отдельный дисплей (рис.19). При этом каждый глаз видит только свой кадр стереопары. Различного рода ошибки практически исключены, что усиливает эффект погружения в виртуальный мир. Первые виртуальные шлемы появились в 1996 г. Конечно, они были несовершенны с точки зрения гигиены и качества. Позднее появились улучшенные модификации. Они были снабжены жидкокристаллическими дисплеями.

Рис. 19

В шлемах виртуальной реальности применяется технология Virtual Orientation System — система виртуальной ориентации. Эта система отслеживает движения головы человека при помощи специальных датчиков, которые либо встроены в шлем, либо прикрепляются к голове отдельно и, в соответствии с их данными, корректирует изображение на ЖК-дисплеях. Именно благодаря наличию этой технологии шлем является не просто устройством отображения трехмерных изображений, а создает эффект полного присутствия в виртуальном мире. Кроме того, в любой шлем встраиваются наушники, которые воспроизводят объемный звук.

Одним из пионеров данной области стала компания IIS (Interactive Imaging Systems). Ее первый продукт (шлем виртуальной реальности VFX1) вышел на рынок более 5 лет назад и, хотя не получил большого распространения, но, тем не менее, стал значимой вехой развития бытовых устройств виртуальной реальности. До этого область виртуальных технологий являлась в основном прерогативой военных. Там уже давно существуют и успешно используются варианты шлемов виртуальной реальности для пилотов вертолетов и некоторых военных тренажеров.

Результатом эволюции шлема VFX1 является VFX3D (рис.20).

Основные характеристики VFX3D

Два ЖКД с диагональю, «0,7 (17,78 мм) Разрешение каждого, пикселей 360 000

Цвет, бит 16

Угол обзора, град. 35

Фиксированный фокус, м 3,63

Система ориентации (VOS) 3 сенсора:

— поворот головы вправо/влево (Yaw), град. 360

чувствительность, град. ±0,1 (12 бит)

— наклон головы вверх/вниз (Pitch), град. ±70

чувствительность, град. ±0,1 (12 бит)

— наклон головы вправо/влево (Roll), град. ±70

чувствительность, град. ±0,1 (12 бит)

Диапазон воспроизводимых звуковых частот 20. .20 000 Гц Рис. 20

Работает шлем достаточно просто. Вы подключаете его к компьютеру и получаете изображение, которое в данный момент существует на дисплее. Для более «продвинутых» режимов, скажем, просмотра стерео или трекинга в виртуальном мире, необходимо иметь соответствующее программное обеспечение, которое позволит вам использовать эти возможности шлема. В комплект поставки входят шлем, коробочка «LinkBox», к которой непосредственно подключаются все источники сигналов, и огромное количество шнуров для подключения «чего-то» «куда-то» (рис.21).

Рис. 21

Другой шлем — «eMagin Z800 3D Visor» (рис.22) состоит из корпуса с электронной начинкой и парой дисплеев, который держится на голове пользователя при помощи дужек, соединяющихся на затылке резинкой с регулируемой длиной. Для большей надежности, чтобы шлем не сползал, предусмотрен также регулируемый ремешок, проходящий через макушку. Дужки используются и в качестве крепления для наушников-вкладышей. В шлеме спрятан и встроенный микрофон, так что «Z800 3D Visor» заменит не только монитор, но и гарнитуру.

Технические характеристики «eMagin Z800 3D Visor»

Экран (эквивалент), «105 (266,7 см) Тип дисплея OLED

Разрешение изображения, пикселей 800×600

Контрастность ' 200:1

Яркость, кд/м2 50

Глубина цвета, оттенков 16 700 000

Масса шлема, г 230

Питание от USB (5 В) Встроенный трекер с акселерометром по осям X, Y, Z

Отслеживаемый угол поворота, град. 360

Разрешение трекера, град. 1

Рис. 22

Дальнейшее развитие шлемов виртуальной реальности привело к появлению видеоочков (рис.23). Прелесть очков в том, что, надев их, погружаешься, а свою виртуальную реальность, и любопытные взгляды окружающих перестают смущать. Пользователь «кинотеатра на носу» не ограничен в выборе репертуара. Люди, работающие с конфиденциальной информацией, могут в таких очках не бояться ее утечки. Видеоочки позволяют охранникам постоянно наблюдать за подведомственной территорией без принудительного сидения возле мониторов.

Правда, не все очки одинаковы. Одни из них оптимально подойдут для стационарной работы за компьютером или ноутбуком, но для путешествий они неудобны — слишком громоздки и тяжелы. Однако специально для путешественников создаются другие очки — легкие и компактные.

Рис. 23

Например, видеоочки «Saibex» (рис.24) предназначены для индивидуального просмотра видео. Они оснащены стереонаушниками, так что просмотр фильма с помощью этого устройства не побеспокоит никого из находящихся рядом. Разрешение ЖК-дисплеев — 320×240 точек, диагональ- 6 мм. Виртуальный размер экрана, т. е. каким он кажется при просмотре, — 35 дюймов (89 см) при расстоянии до него около 2 м.

Рис. 24

Компания Vuzix с 2005 г. начала производить серию видеоочков для широкого круга потребителей. Видеоочки «Vizux Wrap 920» (рис.25) похожи на солнцезащитные очки, как и прочие модели очков этой серии. При просмотре видео в них создается впечатление, что находишься в небольшом кинотеатре и сидишь в центре зала, но для лучшего эффекта желательно находиться в тускло освещенном помещении. Чтобы прочувствовать всю красоту 3D-картинки, необходимо сфокусировать взгляд вдаль, иначе впечатление от объемного изображения пропадает, В остальном картинка напоминает ту, которую можно получить в кинотеатрах при использовании картонных очков с двумя светофильтрами.

Рис. 25

Рядом с мини-экранами находятся гнезда для подключения наушников внутриканальной конструкции. Для каждого наушника — свой разъем, таким образом, их можно отсоединить, если просматривать видео без звука или фотографии. Качество воспроизводимого звука удовлетворит запросы большинства покупателей.

Проблемой в проектировании систем виртуальной реальности является взаимодействие человека с трехмерными объектами виртуального мира, т. е. разработка удобных и эффективных устройств ввода информации. Стандартные устройства персонального компьютера (мышка, клавиатура) не предназначены для манипуляций в трехмерном пространстве. Необходимо устройство, которое бы позволило выполнять сложные действия интуитивно просто и с высокой точностью в привычном для человека трехмерном пространстве.

В виртуальной реальности мышки должны быть трехмерными. В частности, компания ABC Software Developers (USA) выпускает трехмерную мышку (3D-манипулятор, рис.26) для управления объектами в стереопространстве. Позиционирование по координатам X и Y осуществляется перемещением мышки, а по Z-координате — с помощью специального колесика. Мышка имеет 10 клавиш, которым пользователь может назначать функции, наиболее часто используемые в процессе работы (Zoom in/Zoom out, Enter, Insert, Spacebar и т. д.).

Рис. 26

Технические характеристики «Vizux Wrap 920»

Экран (эквивалент), «67 (170 см) Разрешение, пикселей 640×480

Количество цветов 16 000 000

Настройка фокуса для людей с нарушенным зрением, диоптрий -5 …+2 Масса, г 85.

Спейсболы — это новое слово в развитии современных манипуляторов. Модель «SpaceBall 5000» (рис.27) очень популярна в среде дизайнеров. Преимущество спейсболов втом, что они используют «двуручный» метод работы: одной рукой мы пользуемся обыкновенной мышкой, а другой — спейсболом. Последний может выполнять большое количество необходимых функций (масштабирование, вращение 3D-моделей и пр.).

Рис. 27

Манипулятор «CadMan» (рис.28) — это вообще новое поколение манипуляторов, применяемых в 3D-моделировании. Ключевой момент данной технологии — чувствительный элемент на крышке, который реагирует на силу нажатия, угол наклона и т. д. Помимо этого, в устройстве предусмотрены 4 программируемые кнопки.

Рис. 28

Как уже говорилось, для работы в трехмерном мире стандартные устройства ввода приспособлены слабо, поскольку третью координату просто не используют. С другой стороны, практически в любом фантастическом фильме, изображающем технологии будущего или виртуальную реальность, герои манипулируют компьютерами непосредственно своими руками (перемещают объекты, печатают на виртуальной клавиатуре и пр.). И делается все это при помощи перчаток виртуальной реальности (рис. 29).

Рис. 29

Раньше виртуальные перчатки использовались в основном для научных исследований в области альтернативных интерфейсов или для ввода данных в неблагоприятных условиях, где клавиатурой пользоваться нельзя, и имели большую стоимость. В качестве примера можно назвать перчатку «DataGlove», созданную еще в 1987 г. фирмой VPL Research (рис.30). Эта перчатка умела измерять только положение пальцев относительно ладони. Для этого в ней использовались оптические волокна, потери света в которых зависели от степени изгиба. Несколько позже в VPL Research на основе этой же технологии было разработано более глобальное устройство под названием «DataSuit» (рис.31). Оно представляло собой «полный костюм», пронизанный волоконной оптикой и способный измерять степень сгибания всех основных суставов тела. Положение тела в пространстве можно было измерять при помощи четырех дополнительных позиционных датчиков.

Рис. 30

Рис. 31

Компания Immersion Corporation достаточно давно занимается выпуском различных VR-устройств, в том числе, и перчаток. Она запатентовала несколько интересных технологий для своих перчаток «CyberGlove». Сама перчатка доступна в двух вариантах: с 18 и 22 сенсорными датчиками. Первая модель (рис.32) имеет по два датчика для регистрации изгибов и движений для каждого пальца руки, по четыре датчика для снятия показаний с отводящих мышц пальцев и по два датчика, регистрирующих движения отводящей мышцы запястья, изгиб ладони, изгиб запястья, а также следящих за движениями большого пальца руки. 22-сенсорная модель (рис.33) отличается тем, что за регистрацию движений и изгиба пальцев отвечают по три сенсорных датчика для каждого пальца.

Рис. 32

У этих перчаток существует множество специфических областей применения. К примеру, они могут быть использованы для распознавания жестов глухонемых людей. Для этого существует специальная разработка — электронный блок «GesturePlus», в памяти которого хранятся данные о положениях руки, соответствующих наиболее распространенным жестам, а также дополнительное программное обеспечение. Благодаря этому система сравнивает текущее положение руки сданными из памяти и с вероятностью 99% распознает жесты.

Устройство «CyberGrasp» (рис.34) создано для обеспечения силовой обратной связи (force feedback). Оно надевается поверх перчатки «CyberGlove» и позволяет виртуальному миру воздействовать на вас физически. Принцип действия CyberGrasp довольно прост: тяговые механизмы препятствуют сжатию пальцев руки. За каждый палец руки отвечает свой тяговый механизм. Чем тверже предмет в виртуальном мире, тем сильнее «CyberGrasp» противодействует сжатию пальцев. Благодаря этому пользователь может чувствовать размер, плотность и форму VR-предметов. Максимальная сила воздействия на пальцы составляет 12 Н. Масса устройства (без перчатки) составляет 350 г.

Рис. 33

Рис. 34

Существует и не менее актуальная задача-создание виртуальной клавиатуры. И она вполне успешно решается. Разработка фирмы Sense-board так и называется — «Virtual Keyboard» (рис.35). Представляет она собой два «браслета», которые надеваются на ладони. Датчики в браслетах фиксируют движения мышц кисти и интерпретируют их в напечатанные буквы. Правда, для работы с такой «клавиатурой» надо владеть методом 10-пальцевой слепой печати. Зато это устройство можно подключать к любому компьютеру и «печатать» на любой твердой поверхности.

Рис. 35

Изделие ф. Samsung называется «Scurry» (рис.36). Принцип работы основан на эффекте гироскопа и позволяет точно измерять перемещения пальцев относительно ладони. Перемещения преобразуются в нажатия кнопок на виртуальной клавиатуре.

Виртуальная клавиатура ф. Canesta (рис.37) состоит из инфракрасного излучателя, приемника и системы подсветки. Излучатель испускает инфракрасный свет, который отражается от предметов перед ним. Приемник улавливает отраженный свет и таким образом определяет положение пальцев руки перед устройством. Все это действует по принципу радара (расстояние определяется по временной разнице между испусканием и приемом отраженного света). Подсветка проецирует на поверхность перед устройством изображение клавиатуры. Все очень просто, компактно и не имеет движущихся частей.

Рис. 36

Рис. 37

5. 3D-фотокамеры

Рассмотрев объемные «движущиеся» картинки, коснемся и «неподвижных». Стереофотография появилась в начале XX века. Для съемки использовался простой способ: фотографирование через два объектива, находящихся примерно на расстоянии наших глаз. Массовый выпуск с 1947 г. камеры «Stereo Realist» (рис. 38) превратил 3D-фотографию в дело понятное и популярное. Этот аппарат выпускался компанией David White Company в течение 24 лет практически без доработок и почти все это время находился на пике популярности.

Рис. 38

В общем, «Stereo Realist» представлял собой обычный для того времени фотоаппарат, только оснащенный двумя объективами, Правда, он «переворачивал» картинку, то есть изображение, в оригинале видимое правым глазом, подавалось в левый. Заправлялась в него 35-мм пленка Kodak, но изображения получались своеобразные: 5 изображений на 3 кадра. Такой формат получил название «5Р» и требовал особой печати. Сначала печатались отдельно обе части снимка, а затем на них наносился тонкий слой лентикулярного пластика. Малюсенькие линзы этого пластика направляли отраженный от бумаги свет так, чтобы он правильно воспринимался левым и правым глазом.

После печати получался слайд, половинки которого находились на расстоянии 64 мм. На пустом пространстве между ними можно было писать ручкой комментарии. Просматривались фото с помощью стереоскопов производства той же компании. Впоследствии David White Company выпустила еще ряд стереокамер: «Realist Custom», «Realist 45», «Macro Realist» .

Другими знаменитыми 3D-камерами стали «View-Master Personal Stereo Camera» (рис. 39, 1952 г.) и Kodak Stereo Camera (рис. 40,1954 г.). Последняя по своему принципу работы была идентична «Stereo Realist», но серьезно проигрывала ему по популярности, поэтому ее производство было прекращено в 1959 г.

Рис. 39

А вот разработка View-Master была довольно оригинальна: на 36-кадро-вую пленку вмещалось 69 пар фотографий (примерно 4 маленьких изображения на один кадр). Для того, чтобы снимать на «верхнюю» половину пленки или на «нижнюю», использовался специальный переключатель. Помимо стандартного стереоскопа, компания предлагала покупателям проектор «View-Master Stereomatic 500 projector». Правда, и эта камера конкуренции не выдержала, и в 1955 г. ее производство свернули.

Рис. 40

В 1980 г. на рынке появилась «мегаконструкция» «Nimslo 3D» (рис.41), оборудованная четырьмя объективами. На 36-кадровую 35 мм пленку она могла поместить 18 снимков, каждый из которых складывался из четырех изображений. Устройство оказалось удачным и породило множество клонов и последователей — «Nishika N8000», «Image Tech 3D 10ОО», «D wizard» и др. А в 2005 г. компания Snap 3D выпустила 5-объек-тивный стереофотоаппарат.