Prostorové zobrazování technologie Anotace Pokud hovoříme o prostorovém zobrazování, pak tento pojem často splývá s pojmem trojrozměrný či 3D. Tento příspěvek se snaží poukázat na fakt, že ne vše, co je označováno jako 3D, musí být nutně prostorovým zobrazením, přičemž se zabývá i vymezením pojmu prostorového zobrazování jako takového. Úvodem Zásadní otázka, kterou si tento článek pokládá, se týká vymezení pojmu prostorového zobrazování na základě analýzy exitujících technologií. Co tedy je prostorové zobrazování? Prostorové zobrazování jako odborný termín nemá v české ani anglicky psané literatuře jednoznačnou pozici. V různých materiálech můžeme totiž pro technologie, které pro účely tohoto článku budeme chápat jako technologie prostorového zobrazování, nalézt nejrůznější výrazy, přičemž žádný z nich nemá jednoznačnou převahu. Některé prameny hovoří o technologii direct volume display [1], případně o volume visualization [2]. Tyto a jim podobné termíny jsou asi nejblíže českému termínu prostorové zobrazování. Bohužel je zde ale celá řada dalších termínů, které jsou užívány ve stejném významu, ale neodpovídají tak přímočaře českému překladu. Problematické je především použití zkratky 3D (three dimensional) a termínu holografie a holografická projekce. Například na stránkách Interactivearchitecture.org [3] je používán výraz real 3D display pro vyjádření rozdílu mezi rovinným zobrazením trojrozměrných modelů na dvojrozměrném stínítku monitoru, případně LCD displeje a řešením, které dosahuje zobrazení modelu pomocí vytváření svítících bodů v prostoru, o kterém článek pojednává. Obrázek 1 Zobrazení tvořené plasmovými výboji Podobně ve zprávách o produktu Cheoptics 360 [4] se objevuje označení 3D, ale zdá se, že zde jde pouze o zobrazení dvojrozměrné, které je promítáno na průhledné materiály. Tím je dosaženo u diváka pocitu, že zobrazované předměty se nachází uvnitř zařízení. Buhužel výrobce neposkytuje dostatek věrohodných informací k ověření této domněnky. Na podobném principu je založena technologie, která byla nedávno použita pro přenos vystoupení prince Charlese v Abu Dhabi, o čemž informovala světová 1 i česká média 2. Tato technologie (Eyeliner) rovněž využívá projekce na průhlednou fólii, čímž dosahuje efektu zjevení řečníka na pódiu. Nejedná se však o hologram v pravém (fyzikálním) smyslu slova. K vytvoření obrazu totiž nedochází pomocí holografické projekce, ale pomocí odrazu světla ze zdroje, kterým je klasický datový projektor. Důkazem mohou být i stránky firmy, která řešení dodává [5]: Eyeliner requires only a single camera shoot, single projector playback and does not require any special audience props, such as the use of 3D glasses. Yet, the audience viewing Eyeliner are always 1 http://news.sky.com/skynews/home/sky News Archive/Article/20080641301500 2 http://www.blesk.cz/clanek/zpravy zajimavosti/82942/princ charles se dostavil jako hologram.html
left awestruck by the startling realism of our 3D virtual shows. When using Musion Eyeliner, your imagination is the only limit. Jak je uvedeno výše, je obraz pořizován pomocí jediné kamery (až v HD kvalitě, tedy digitálně), což nutně vede k závěru, že se nejedná o záznam, který by obsahoval informace o prostorovém uspořádání snímané reality. Termíny jako 3D a holografický jsou zde tedy použity pouze jako marketingové nástroje, aniž by se skutečně jednalo o holografickou projekci, či záznam. Princip vytvoření a reprodukce holografického obrazu lze nalézt například v [6]. Obdobná technologie jako Eyeliner je dostupná i v České Republice, kde ji dodává například firma Scarabeo, s.r.o., pod obchodním názvem HoloImage 3. Jedná se podobně jako v případě produktu Eyeliner o speciální polopropustné fólie, které jsou osvětlovány projektorem. Díky vhodnému umístění v prostoru (fólie není při běžném osvětlení ze strany pozorovatele vidět) a optickým vlastnostem materiálu fólie (fólie rozptyluje světlo dopadající na ní z projektoru) budí v pozorovateli dojem, že obraz vzniká ve vzduchu. Bohužel ani v tomto případě nelze hovořit o skutečném prostorovém zobrazení, přestože efekt obrazu z ničeho může být velice zajímavý. Prostorové zobrazení Jak tedy rozpoznat technologie, které můžeme nazývat technologiemi prostorového zobrazování? V tomto případě můžeme začít s tvrzením, že to jsou takové technologie, které zachovávají informaci o hloubce obrazu, tedy skutečně podávají obraz trojrozměrně. Touto definicí bychom si ale příliš nepomohli. Jako příklad můžeme použít době známou techniku zobrazení pomocí anaglyfu. Podává tato technologie obraz skutečně ve třech rozměrech (ať už je anaglyfický obraz prezentován jakkoliv)? Odpověď zní, že ne. Anaglyfické obrázky či videa jsou vlastně jen 2 obrazy smíchané do jednoho a o dojem prostorovosti se postará náš mozek na základě rozdílů obrazů vnímaných levým a pravým okem 4. Naproti tomu technologie prostorových displejů popsaná v [3] by naší definici vyhovovala. Zkusme se tedy na prostorové zobrazování podívat z jiného úhlu. Základním předpokladem vnímání prostoru je u člověka přijímání různých obrazů do levého a pravého oka. Tuto skutečnost (jak již bylo zmíněno dříve), používá řada technik, které by mohli být adeptem na zařazení do technologií prostorového zobrazování. Všechny tyto technologie zajišťují (více či méně kvalitně) oddělení obrazové informace pro levé a pravé oko. Často je k tomu potřeba použití speciálních brýlí, které rozdělují obraz generovaný původně jedním zdrojem (např. zatmívací LCD brýle + CRT monitor). Tyto technologie bychom mohli nazvat paralaktickými technologiemi. Vzhledem ke své jednoduché implementaci jsou tyto technologie zřejmě nejvíce rozšířené coby technologie snažící se zprostředkovat dojem prostoru, což je hlavním cílem prostorového zobrazování obecně. Základem pro definici prostorového zobrazování by tedy mohlo být oddělení obrazové informace pro levé a pravé oko. Bohužel tato definice vylučuje především holografické technologie, které do prostorového zobrazování jistě patří. Zároveň však nejsou na holografii založené technologie jediným pravým prostorovým zobrazením. 3 http://www.scarabeo.cz/sluzby/holoimage holograficka projekce 4 Podrobněji například zde: <http://en.wikipedia.org/wiki/anaglyph_image>
Není tedy prostorové zobrazení naopak pojem velice široký? Není prostorovým zobrazením i prosté zobrazení na 2D plochu monitoru, kterou známe z počítačových her? V 3D grafice (a zde je označení 3D plně namístě) jsou modely vytvářeny skutečně v prostoru o třech souřadnicích. Až v okamžiku zobrazení jsou 3D modely projektovány na 2D plochu monitoru. Bohužel právě tento krok degraduje informaci obsaženou v modelu a bez naší zkušenosti z reálného světa bychom nebyli schopni vnímat toto zobrazení jako prostorové. Pokud navíc obraz neobsahuje dostatek informací (např. stíny, vzájemné zakrytí objektů atd.), může být zobrazení nejednoznačné. Stejného efektu bychom dosáhli při degradaci 2D (dvojrozměrného) prostoru na prostor jednorozměrný. Lze změřit původní délku úsečky, když promítnete 2D prostor na 1D prostor? Odpověď tedy zní, že ani takto široká definice není uspokojující. Zkusíme tedy náš dosavadní přístup k nahlížení na prostorové zobrazování zásadně změnit. Nebudeme zkoumat techniku, jakou je docilováno vytvoření prostorového zobrazení, ale pokusíme se zaměřit na výsledek. Hlavním měřítkem pro nás opět bude zachování informace o prostorovém uspořádání modelu. A jelikož nás nezajímá, jak byl obraz vytvořen, zavedeme pro naše potřeby test, který rozhodne o tom, zda dané zobrazení je či není prostorovým zobrazením. Základem testu bude požadavek, aby byl pozorovatel schopen přečíst informaci o uspořádání zobrazovaných objektů ve třech rozměrech (prostoru) a náš test by tedy mohl mít tuto podobu: Mějme model sestávající ze třech koulí různých velikostí. Středy těchto koulí spolu neleží na jedné přímce. Pokud je pozorovatel schopen při jakémkoliv otočení modelu určit, která z těchto koulí je k němu relativně nejblíže, pak se jedná o prostorové zobrazení. Tento test jednoznačně vyřazuje z technik prostorového zobrazování prosté zobrazení na 2D plochu monitoru. V případě, kdy je model otočen tak, že se koule vzájemně nepřekrývají, pak díky jejich rozdílné velikosti neobsahuje model dostatek informací ke správné odpovědi. Pokud by měli koule stejnou velikost, bylo by možné v testu odpovědět správně díky porovnání velikosti jednotlivých koulí (v případě obvyklého perspektivního zobrazení). V případě, že by se koule vzájemně překrývali, je možné v testu rovně odpovědět správně. Obrázek 2 Různé polohy testovacího modelu a jeho reprezentace perspektivním zobrazením na 2D plochu Naproti tomu zobrazovací techniky, které jsme označili jako paralaktické, naším testem projdou, jelikož díky posunutí obrazu je náš mozek schopen určit vzdálenosti jednotlivých zobrazovaných předmětů. Rovněž holografické techniky budou v testu úspěšné. V obou případech skutečně nezáleží na otočení objektu, jelikož zobrazení obsahuje informaci o hloubce zobrazova ného modelu. U paralaktických technik je toho dosaženo posunutím obrazu pro levé a pravé oko (čím blíže je zobrazovaný předmět, tím je rozdíl větší) a u holografického obrazu je informace uložena jako fázový posun světla odraženého od modelu vůči referenčnímu paprsku [6].
Položme si nyní otázku, co je to vlastně trojrozměrné zobrazení, případně trojrozměrný model. Je to geometrický model, kde jednotlivé vrcholy mají souřadnice tvořeny vektorem o třech složkách? Pokud ano, pak jednotlivé složky mohou mít nejrůznější význam. Například se nemusí jednat o souřadnice v euklidovském prostoru, mohou to být souřadnice kulové, válcové, mohou být určeny pro logaritmické osy atd. Podobně při zobrazení nemusí být souřadnice nutně prezentovány jako poloha v prostoru, jak ho běžně chápeme. Jako příklad stačí porovnat perspektivní a rovnoběžné promítání. Pokud přijmeme fakt, že náš model je tvořen vrcholy s euklidovskými souřadnicemi, pak při zobrazení můžeme z ovou souřadnici (dle obvyklého značení os v počítačové grafice, viz například Z Buffer) zobrazit jako barvu v jinak dvojrozměrném obrazu. Toho je využíváno například v technice zobrazení chromadepth, která dále využívá rozdílného ohybu světla různých světelných délek pro vytvoření posunutí nutného pro všechny paralaktické techniky 5. Nicméně tento příklad jasně demonstruje, že trojrozměrný nemusí nutně znamenat prostorový. I bez speciálních brýlí či filtrů nutných pro prostorový dojem u chromadepth techniky může pozorovatel splnit výše uvedený test na základě barvy jednotlivých objektů. Další důležitou otázkou je možnost interakce se zobrazovaným modelem. Otáčení modelu totiž může přinést potřebné informace, které jinak v zobrazení obsaženy nejsou. Jako příklad si můžeme uvést jednoduchou situaci, kdy namísto statického zobrazení v našem testu umožníme pozorovateli zobrazovaným modelem otáčet a získat tak postupně informace o jeho prostorovém uspořádání. Jiný příklad by mohl mít základ v technice střídavého zobrazení, kdy je model prezentován v podobě animace o dvou snímcích (vždy jeden pro každé oko). Ačkoliv taková animace nepůsobí příliš hezky, jedná se vlastně o nejjednodušší paralaktickou techniku a zachovává tak informaci o prostorovém uspořádání modelu. Závěrem Tento článek se snažil přispět k vymezení pojmu prostorového zobrazování na základě analýzy existujících technologií. Jak je zřejmé, v současné literatuře neexistuje pojem, který by označoval technologie, které se snaží simulovat reálný zážitek z prostoru. Navíc jsou díky intenzivnímu marketingu firem velice často zneužívány jinak jednoznačné pojmy jako 3D, holografie, hologram a jiné a tím je do názvosloví vnášen ještě větší chaos. Cílem článku není a nebylo podat vyčerpávající přehled existujících technologií, ale pokusit se o jejich částečnou kategorizaci a odhalení technologií, které jsou označovány za technologie prostorového zobrazování milně. Literatura [1] CLIFTON, T., E., WEFER, F., L.: Direct Volume Display Devices, IEEE Computer Graphics and Applications, Volume 13, Issue 4, Pages: 57 65, IEEE Computer Society Press, Los Alamitos, CA, USA, 1993, ISSN:0272 1716 [2] Elvins, T., T.: Introduction to Volume Visualization: Imaging Multi dimensional Scientific Data, SIGGRAPH 94 Course #10 Notes, 25 JULY 1994 5 Podrobněji například zde: <http://www.chromatek.com>
[3] Interactivearchitecture.org [online]. 2000, February 14th, 2006 [cit. 2009 11 03]. EN. Dostupný z WWW: <http://www.interactivearchitecture.org/3d display technology.html>. [4] ViZoo [online]. 2004 [cit. 2009 09 01]. Dostupný z WWW: <http://www.vizoo.com/>. [5] Musion [online]. 2008 [cit. 2009 03 21]. Dostupný z WWW: <http://www.musion.co.uk/about_musion_eyeliner.html>. [6] Georgia State University [online]. 1999 [cit. 2009 08 13]. Dostupný z WWW: <http://hyperphysics.phy astr.gsu.edu/hbase/optmod/holog.html>.