1 3D zobrazovače. 1.1 Anaglyf: barevná separace obrazu

Transkript

1 1 3D zobrazovače Pro zobrazení 3D videa a obrazu existuje několik různých technologií, které můžeme dělit do dvou základních skupin. První skupinou jsou tzv. stereoskopické zobrazovače. Základním principem těchto technologii je oddělení obrazu pro levé a pravé oko. Druhou skupinu tvoří technologie volumetrické neboli objemové, jejichž cílem je vytvoření 3D obrazu v prostoru. V následujících kapitolách si představíme systémy patřící do obou skupin. Obrázky a obsah této kapitoly byl čerpán ze zdroje [2]. 1.1 Anaglyf: barevná separace obrazu Anaglyf patří mezi nejjednoduší metody zobrazení stereofotografií a patří mezi stereoskopické metody. Největší výhoda tohoto systému je, že je použitelný na všech existujících zobrazovacích zařízeních, tedy na všech typech monitorů, projektorů, a samozřejmě i při tisku. Jedinou pomůckou, která je potřeba k pozorování prostorového efekt jsou anaglyfické brýle (viz Obr. 3.1), jejich cena se pohybuje od několika desítek korun. Jeho jednoduchost je ale vykoupena několika problémy, kvůli kterým není příliš používaný. Jedním ze zásadních problémů je ztráta barevné informace či nereálnost barev. Základním principem této metody je barevné oddělení levého a pravého obrazu. Anaglyf je tvořen barvami, které jsou vzájemně doplňkové (jejich substraktivním smícháním vznikne černá, aditivním bílá). Takových kombinací barev existuje mnoho, ale ne všechny jsou vhodné. Dnes se nejčastěji používá kombinace červená - azurová (red - cyan), přičemž červený filtr bývá na levém oku, azurový na pravém. V minulosti se používaly také kombinace červená - zelená a červená - modrá, které ale nejsou přesně doplňkové. Vznik anaglyfického snímku je zobrazen na Obr. 2.2 Anaglyf vznikne tak, že se obrázek pro levé oko (červený filtr) převede do azurovobílé škály a obrázek pro pravé oko (azurový filtr) do červenobílé škály. Tyto dva obrázky se pak zobrazí přes sebe. V místech, kde se červená a azurová barva setká, vznikne černá barva, nebo odpovídající odstín šedé. Pozorovatel pak vidí každým okem černobílý obraz tvořený doplňkovou barvou k filtru brýlí a ze dvou dílčích obrazů si v mozku vytvoří prostorový vjem. Praktické vytvoření anaglyfu je velmi snadné. První možností je použití specializovaného programu, které jsou často volně šiřitelné (napříkad). Druhou možností je naprogramování vlastního algoritmu at již v jazyku C++,C# nebo v prostředí MATLAB. Algoritmus se v podstatě skládá z pouhého násobení jednotlivých pixelů levého a pravého obrazu vhodnými maticemi P1 a P2 o rozměru 3x3, dle rovnice. output = P1 Cl+ P2 Cr, kde Cl a Cr jsou vektory o rozměru 3x1, které obsahují barevné složky levého a pravého obrazu a output je opět vektor o rozměru 3x1 obsahující barevné složky výsledného anaglyfu. Matice P1 a P2, mohou v nejjednoduším případě vypadat následovně P 1= 1 P 2= 1 Což znamená,že dojde v první případě k zachování pouze červené složky a v druhém případě kombinace zelené a modré složky, tedy azurové barvy. Další varianty rovnic P1 a P2 je možné najít například v [],[]. M-file soubory vytvořené v prostředí MATLAB jsou ke stažení zde. Kromě na začátku zmíněného problému s barevným podáním je dalším výrazným významným anglyfu vznik duchů. Vznikají zejména na kontrastních hranách, kde se střídají 1

2 tmavé a světlé plochy. Mohou vznikat ze dvou důvodů. Prvním a nejčastějším důvodem je běžně používaný grafický formát JPEG, který i při malé kompresi ukládá obrazové informace po čtvercích. V jinak dobrém anaglyfu tím mohou vzniknout neodstranitelné duchy. Proto je vhodné pro anaglyfy používat nekomprimované formáty, jako PNG nebo TIFF. Druhým důvodem vzniku duchů mohou být nepřesné barvy vytvořeného anaglyfu. To může záviset na kvalitě i kalibraci monitoru i tiskárny. Lze se setkat i s brýlemi s nepřesnými barvami filtrů. Částečným řešením na odstranění duchů je tzv. plovoucí okno (floating window). Princip spočívá v tom, že se anaglyf sesadí tak, aby se hlavní motiv, nebo nejproblémovější část obrazu přesně překrývaly. Tím nevzniknou hrany, kde by se mohly duchové objevit. Většinou tím dojde k porušení stereoskopického okna. To pak lze napravit rámečkem plovoucím v prostoru před zobrazovací plochou. 1.2 Aktivní systém časovým multiplexem Aktivní technologie byla doposud hlavním směrem vývoje 3D televizorů a ve svém principu ji využívá i NVIDIA pro své aktivní brýle pro použití s PC. Aktivní se nazývá proto, že brýle jsou ve skutečnosti elektronickým zařízením, obsahují baterii a aktivně se podílejí na celkovém 3D zpracováním. V praxi vše funguje tak, že TV zpracovává dva obrazy. Rozdíl Existují dvě různé varianty: v jednom případě je každý z obrazů ve full HD rozlišení pro každé oko, v druhém případě se používá formát half side by side, často označovaný jako half SBS, ve kterém jsou vedle sebe dva obrazy v jediném HD filmovém políčku a tudíž je každý obraz zúžený na poloviční rozlišení tak, jak je vidět na následujícím obrázku Obr 1.1 Dalším v současnosti používaným formátem pro použitelné přehrávání z USB pomocí interního přehrávače v TV je formát Top - Bottom označovaný jako TAB. V principu se jedná o obdobu formátu SBS, jen oba obrázky jsou umístěny v jediném políčku nad sebou. To znamená, že tentokrát je zde pro každý obraz jen polovina řádků a opět se tedy nejedná o plnohodnotné HD. TV následně tyto dva rozdílné obrazy oddělí a střídavě je zobrazuje. Jelikož jsou tedy na obrazovce současně střídavě promítány dva rozdílné obrazy, musí TV splňovat rovněž možnost zobrazovat obraz dvounásobnou frekvencí než běžné TV. Současně s 3D přehráváním je vysílán synchronizační signál pro brýle, které aktivně střídavě zakrývají levé a pravé oko tak, aby každé vidělo jen svou polovinu obrázků:

3 Hlavní předností je, že aktivní technologie je schopna zajistit plnohodnotný HD obraz. Nevýhod je pak více. Především je to nepříjemné blikání brýlí, které je na denním světle dobře vnímatelné a proto je vhodné 3D obsah sledovat alespoň při částečném zatemnění, nebo zajistit, aby v zorném poli diváka nebylo okno s denním světlem. Rušivě mohou působit i některé druhy umělého osvětlení. Zároveň ze střídavého zakrývání očí může mít určité procento diváků nepříjemné pocity spojené s nevolností, bolestmi hlavy apod., nedoporučují se epileptikům. Samotné brýle pak musí obsahovat nutnou elektroniku a baterii, což se nepříjemně projeví na jejich hmotnosti. Opomenout nemůžeme i nutnost brýle nabíjet, nebo čas od času v nich vyměnit baterii. Poslední co hraje proti této technologii je samotná cena brýlí. Nicméně poslední dvě nevýhody jsou odstranitelné. Jednak současné brýle jsou dle mého názoru zbytečně robustní, jelikož ovládací elektronika a jedna knoflíková baterie, která vydrží napájet brýle při občasném sledování 3D obsahu dlouhé měsíce, v celkové váze činí jen zlomek hmotnosti. 1.3 Pasivní systém s polarizačním oddělením Jelikož pasivní technologie musí být zpětně kompatibilní s již zaběhlými formáty 3D videa je logické, že pro pasivní 3D TV je dodáván stejný obrazový materiál jako pro technologii aktivní. Rozdíl je tedy jen v jeho výsledném zobrazení. Pasivní technologie využívá jednoduchého efektu polarizačních filtrů. Pro pochopení si musíme o polarizaci světla říci něco více. Běžné světlo, které vidíme okolo sebe není polarizované. Velice zjednodušeně řečeno to znamená, že si každý světelný paprsek můžeme představit jako vlnu. Ovšem každý paprsek světla kmitá náhodným směrem. Některé kmitají nahoru a dolů (vetikálně), jiné doleva a doprava (horizontálně), jiné náhodně šikmo. Polarizační filtr je optický prvek, který dokáže odfiltrovat jen paprsky kmitající určitým směrem. Obr 1.2 Princip systému s oddělením pomocí polarizace Pokud tedy světlu do cesty umístíme dva filtry, záleží na jejich vzájemném pootočení, jestli světlo projde nebo neprojde. Pokud bude jeden filtr otočen vertikálně a druhý horizontálně, stane se to, že první filtr nám propustí jen vertikálně polarizované paprsky. Ty však nedokáží projít horizontálně otočeným filtrem. Pokud ovšem druhý filtr otočíme tak, aby jeho polarizace souhlasila s filtrem prvním, světlo propustí.

4 Tohoto jevu se již dnes využívá v některých 3D kinech, kdy jsou na stříbrné plátno promítány dva obrazy, ovšem každý s jinou polarizací. Divák si pak nasadí brýle, ve kterých jsou pro každé oko jinak pootočené polarizační filtry. Bez brýlí by tedy divák viděl dva prolínající se drobně odlišné obrazy, které celkově budou působit jako jeden rozmazaný - rozdvojený obraz, brýle však zajistí že, každé oko uvidí jen obraz polarizovaný stejně jako je filtr v brýlích před okem. Obr 1.3 Princip pasivní stereoskopické projkece V případě 3D TV ovšem nelze jednoduše zajistit, aby se vhodně překrývaly dva rozdílně polarizované obrazy. Odlišně polarizovány jsou tedy jen jednotlivé sloupce pixelů. Ve výrobě to znamená nejen použití laicky řečeno velice jemně pruhovaného polarizačního filtru, který bude přesně překrývat jednotlivé sloupce pixelů, ale v případě LCD panelu i odlišného nanesení jednotlivých sloupců tekutých krystalů. Pokud si divák nasadí pasivní 3D brýle obsahující vhodně orientované polarizační filtry, uvidí jedním okem jen sudé sloupce pixelů, druhým okem jen liché sloupce. Z tohoto je zřejmé, že pasivní technologie nedokáže na obrazovkách s HD rozlišením nikdy zobrazit skutečný plnohodnotný HD 3D obraz, jelikož každé oko uvidí vždy jen polovinu pixelů. Samozřejmě pro běžný 2D obsah je plnohodnotné HD možné, jelikož bez polarizačních brýlí obě oči uvidí plné rozlišení.

5 Zmiňované poloviční rozlišení, kterého lze dosáhnout pří sledování 3D obsahu tout metodou je nejzásadnější nevýhodou tohoto systému. Jedinou možností jak dosáhnout HD rozlišení pro 3D by bylo vyrábět TV s dvojnásobným rozlišením obrazovky, ovšem to by se velice nepříznivě projevilo na ceně televizoru. Druhou nevýhodou je, že polarizační filtry jsou v závislosti na kvalitě citlivé na vzájemné pootočení a tak se může lehce stát, že pokud divák nebude držet hlavu zpříma a nakloní ji nalevo nebo napravo, může účinnost filtrů klesat a s tím bude klesat 3D efekt a obraz bude vnímán zdvojeně. Na straně druhé jsou tu výhody spojené s levnými lehkými brýlemi, které nepotřebují žádné baterie. Zároveň odpadá nepříjemné blikání, které působí aktivní brýle a zároveň s tím odpadají možné zdravotní problémy. 1.4 Autostereoskopický display (3D bez brylí) V minulosti se i mnoho odborníků domnívalo, že auto-stereoskopickým systémům patří budoucnost. Ostatně, 3D bez brýlí zní skutečně lákavě! Bohužel se ukazuje, že tyto monitory nedokáží nikdy nabídnout kvalitní 3D obraz, který by mohl diváky uspokojit. Podle všeho se zdá, že pokud se objeví kvalitní 3D bez brýlí, bude to jiná technologie, než nabízejí stávající auto-stereoskopické monitory. O tom svědčí i ukončené financování vývoje autostereoskopických monitorů mnoha světovými firmami. Společným znakem všech auto-stereoskopických monitorů je speciální maska umístěná před LCD displejem. Je vybavena optickými hranoly, které vychylují různé sloupce pixelů do různých směrů. Na obrazovce monitoru jsou podle parametrů optické masky vtěsnány obrazy pro pravé i levé oko. Maska způsobí to, že jsou obrazy pro jednotlivé oči viditelné pouze z určitých směrů. Pokud se tedy divák postaví do vhodné pozice (pro každého člověka může být jiná to podle rozteče očí), uvidí levým okem pouze levý obraz a pravým pravý. Nevýhodou monitoru je to, že je kvalita každého obrazu pouze poloviční, než je nativní rozlišení monitoru.

6 Obr 1.4 Princip stereoskopického zobrazování Jak bylo řečeno, pozorování 3D obrazu na auto-stereoskopickém monitoru není příliš pohodlné, divák si musí najít pozici před monitorem, kde 3D funguje a on jej vidí dobře. Tento neduh se snaží odstranit systém pro sledování očí. Takovéto monitory jsou vybaveny kamerovým systémem, který sleduje oči diváka a fyzicky posouvá optickou masku před monitorem tak, aby se měnily pozorovací zóny v závislosti na pozici diváka před monitorem. Výsledky těchto systémů nejsou příliš přesvědčivé a problémy nastávají obzvlášť, pokud se vyskytne před monitorem více diváků a systém neví, čí oči sledovat, nebo v nepříznivých světelných podmínkách, kdy není kamerový systém schopen spolehlivě vyhodnotit obraz. Jiní výrobci se snažili problém úzkých pozorovacích zón řešit jinak, než kamerovým systémem. Vyrobili proto optickou masku, která nedisponuje dvojicí obrazů, ale více, např. pěti nebo i devíti. Maska distribuuje každý obraz do jiného pozorovacího úhlu, tím vzniká vyšší počet pozorovacích zón, a tedy je pokryt větší prostor před monitorem. Dokonce je možné částečně 3D monitor obcházet a pozorovat z různých míst 3D scénu z různých úhlů. To lze díky tomu, že je 3D scéna zachycena, ne ze dvou, ale z více různých míst. Nevýhodou je fakt, že na monitoru nelze zobrazit klasické 3D stereoskopické filmy a hry (připravené pro 3D brýlové systémy) a 3D obsah se musí připravit speciálně a ne zcela jednoduše, přímo pro konkrétní monitor. Další nevýhodou je skutečnost, že se do nativního obrazu musí vtěsnat pět nebo dokonce devět obrazů, což znamená 5x či 9x nižší kvalitu dílčích obrazů. V neposlední řadě je nutné připomenout, že ani více zón nenabízí kvalitní 3D, které by diváky dokázalo jednoznačně přesvědčit. Jednoznačnou výhodu představuje skutečnost, že se divák obejde bez 3D brýlí. To je však vyváženo mnoha nevýhodami, které mnohé zájemce spolehlivě odradí. Nevýhodou je bezpochyby ne zcela přesvědčivé podání 3D obrazu, nutnost hledat místo před monitorem, kde 3D funguje dobře a snížené rozlišení obrazu.