3D дисплеи. Часть 1 / Мониторы, ТВ и проекторы

Автор: Сергей Книгин

В последнее время о 3D дисплеях много пишут, но, как правило, речь идет о какой-либо конкретной модели или модельном ряде конкретного производителя. Немногочисленные же обзорные статьи содержат описания случайного набора из очков, шлемов и, собственно, 3D дисплеев.

Практически отсутствует классификация существующих 3D дисплеев, что приводит к запутанной терминологии. Даже солидные фирмы-производители зачастую называют свои изделия не тем, что они есть на самом деле.

В этой статье предпринята попытка систематизировать накопленный автором обширный материал по технологиям воспроизведения 3D, одно только перечисление которых заняло бы несколько страниц. Правда, большая их часть существует в виде патентов и описаний, гораздо меньше "живых" прототипов, и уж совсем малая часть реализована...

Начнем с терминов:

Во-первых, 3D дисплеем мы будем называть любое устройство, способное вывести изображение, воспринимаемое человеком как объемное, без очков или других дополнительных устройств.

Во-вторых, назовем пространство, в котором можно наблюдать изображение, формируемое 3D дисплеем, объемом воспроизведения, а пространство, в котором находится зритель - объемом наблюдения. Только находясь внутри объема наблюдения человек вправе рассчитывать на восприятие неискаженного объемного изображения, заключенного в объем воспроизведения.

И в-третьих, поделим все 3D дисплеи на группы, по способности отображения 3D информации:

Стереоскопические. Воспроизводят два ракурса объемной сцены, один из которых предназначен для левого, а другой - для правого глаза.
Мультивидовые. Воспроизводят несколько последовательных ракурсов объемной сцены, любые два из которых составляют стереопару.
Голографические. Воспроизводят непрерывное световое поле, соответствующее световому полю реальной 3D сцены.
Волюметрические. Воспроизводят изображение в виде набора точек (вокселей) или векторов, физически разнесенных в ограниченном рабочем пространстве дисплея (объеме воспроизведения).

Каким образом человек воспринимает мир в объеме? На самом деле, это очень непростой вопрос. Два глаза? Тогда закройте один глаз и посмотрите вокруг. Можно заметить, что картина не поменялась радикально, изображение не стало плоским! Все дело в том, что объемный образ мира виртуален, он вычисляется мозгом с помощью алгоритмов, учитывающих множество факторов, среди которых различие между изображениями, воспринимаемыми левым и правым глазом (параллакс) является важным, но отнюдь не единственным.

При наблюдении реальных трехмерных сцен эти факторы связаны между собой вполне определенным образом, что зафиксировано в нашем опыте. Соответственно, 3D дисплей должен формировать изображение с учетом различных факторов и их взаимосвязей. Исходя из этого, можно проанализировать перечисленные выше типы 3D дисплеев и выделить их достоинства и недостатки. При этом, мы не станем вдаваться в технические тонкости конкретных технологий (кстати, иногда тщательно скрываемые производителями), достаточно будет установить, к какому из перечисленных типов относится конкретное устройство.

Для каждого типа будет выделен ПРИНЦИП работы, ПЛЮСЫ и МИНУСЫ.

СТЕРЕОСКОПИЧЕСКИЕ 3D ДИСПЛЕИ

Сразу отметим, что на сегодняшний день к этому типу относятся практически все серийно выпускаемые устройства, какими бы эпитетами вроде "реальное 3D", "суперобъемный", "ошеломляюще реалистичный", "голографический" и пр. не украшались их рекламные буклеты и пресс-релизы.

ПРИНЦИП. Разделение объема воспроизведения на две части условной вертикальной плоскостью, перпендикулярной плоскости экрана и проходящей через его центр .Слева от плоскости наблюдается изображение для левого глаза, справа - для правого.

Очевидно, что для наблюдения стереоизображения человек должен располагать голову так, чтобы каждый глаз находился в "своем" пространстве, а это несколько утомительно.

"Однопользовательскую" конфигурацию легко дополнить автоматикой, которая поворачивает разделительную плоскость вслед за движением головы пользователя (tracking).

Технически для производства стереоскопических 3D дисплеев лучше всего подходят LCD или плазменные панели, поскольку пикселы в них жестко привязаны к месту, в отличии от CRT мониторов, где изображение может слегка сдвигаться и изменять свой масштаб.

Параллакс-барьер, самый простой способ разделения стереоракурсов (осуществимый даже в "домашних" условиях, если у вас есть LCD монитор). Нужно напечатать на прозрачной пленке рисунок, состоящий из вертикальных черных полосок с шагом в два пиксела вашего монитора, такой ширины, чтобы между ними остались узкие прозрачные полоски. Если наложить полученный растр на экран, с определенной позиции будут видны только четные пикселы, а с другой - только нечетные.

Обратите внимание на зазор между растром и панелью, обеспечивающий необходимый угол обзора. Осталось вывести на экран специально подготовленное изображение, в котором чередуются пикселы левого (L) и правого (R) ракурсов. Подробнее о щелевых растрах можно прочесть в статье Е. Вазенмиллер "Щелевые растры". Недостатком щелевого растра является существенное снижение яркости монитора, поскольку часть световой энергии поглощается черными полосками. Естественным развитием щелевых растров являются линзовые растры, так же, как объектив фотоаппарата является развитием маленького отверстия камеры-обскуры.

Существенным недостатком метода параллакс-барьера, независимо от его технической реализации, является то, что он формирует не одну условную плоскость, а несколько.

В разделяемых ими областях наблюдения чередуются L и R ракурсы, так, что при смещении наблюдателя на некоторый угол от главной плоскости возникает неприятный эффект, называемый "псевдоскопическим", когда правый глаз видит левую картинку и наоборот.

Следующий недостаток - снижение горизонтального разрешения 3D дисплея вдвое по сравнению с моно, ведь пикселы нужно делить между двумя ракурсами стереоизображения. Определенные усилия разработчиков направлены на возможность полного использования разрешения 3D дисплея в моно-режиме.

Щелевые растры делают электрически отключаемыми, например, на основе жидких кристаллов. Естественно, что линзовый растр отключить невозможно. Другой вариацией на тему параллакс-барьера является метод параллаксного освещения. LCD панель освещается набором тонких вертикальных источников света.

Включением второго набора источников (на рисунке обозначены голубым цветом) дисплей переводится в режим моно.

И, наконец, самый главный недостаток. Стереоизображение недаром называют самой большой иллюзией в истории человечества. Когда вы видите стереокартинку, ваш мозг легко впадает в заблуждение, что перед вами истинно объемное изображение. Но лишь до тех пор, пока вы неподвижны. Стоит чуть наклонить голову или переместиться, как изображение претерпевает искажения, совершенно не свойственные реальным предметам, поскольку каждый глаз по-прежнему видит изображение, полученное соответствующей ему камерой из фиксированной точки пространства.

Строго говоря, изображение, сформированное стереодисплеем, воспринимается без искажений лишь в одной точке наблюдения, когда положение каждого глаза наблюдателя точно соотносится с положением камер при съемке. По той же причине невозможны такие эффекты, как "оглядывание" и динамический параллакс. Как ни перемещайся перед стереодисплеем, если мы даже не выходим из зоны стереоэффекта, то картинку все равно видим ту же самую, а если закрыть один глаз, все ухищрения разработчиков и вовсе пропадут даром - ничего, кроме моноизображения, мы не увидим.

Так почему же при таком количестве серьезных недостатков идея стереоскопического 3D дисплея столь популярна? Все определяется доступностью той или иной технологии при данном уровне развития техники. Для стереодисплея сегодня существует вся технологическая цепочка УСТРОЙСТВО-ДРАЙВЕР-ПРОГРАММА-КОНТЕНТ. Проще говоря, стереодисплей есть куда включить, есть чем согласовать, есть что и с помощью чего увидеть. Это видеоадаптеры с двумя и более видеовыходами, стереодрайверы, множество игр и немного (пока) стереофильмов.

Маховик индустрии уже раскручивается, наличие контента создает спрос на устройства, наличие устройств создает спрос на контент.

Цены на стереоскопические 3D дисплеи достаточно высоки (примерно от $1500 и выше), хотя себестоимость собственно "железа" не очень существенно отличается от обычных LCD мониторов. Все дело лишь в незначительном пока объеме выпуска, так что не за горами тот день, когда и мы с вами сможем себе позволить покупку стереомонитора.

Подведем итог первой части.

ПЛЮСЫ:

относительная простота изготовления, есть серийно выпускаемые модели;
невысокая себестоимость, возможно снижение цены в обозримом будущем;
реально достижимая скорость потока данных (двукратное увеличение от моно);
наличие контента, драйверов, программ

МИНУСЫ:

невозможность "оглядывания" и динамического параллакса;
очень ограниченная зона стереоэффекта;
наличие зон "неправильного" псевдоскопического эффекта;
вдвое меньшее горизонтальное разрешение в стереорежиме

Естественно, не все из сказанного выше верно для любого конкретного дисплея, существует множество способов преодоления того или иного недостатка, но главный недостаток можно устранить только в 3D дисплеях, относящихся к другим группам. О них пойдет речь в следующих статьях цикла.