Наступление эры цифрового телевидения - уже свершившийся факт. Каким же станет дальнейшее развитие? Телевидение стандартной четкости (SD) сменяется телевидением высокой четкости (HD). Как известно, количественные изменения имеет тенденцию переходить в качественные.

Многие обозреватели предполагают, что следующим качественным скачком будет появление объемного телевидения. Предсказывают, что такое телевидение появится в течение 10 лет. В данной статье рассказывается, как уже сегодня на основе промышленно выпускаемых устройств создаются системы показа стереоскопического видео.

Краткая историческая ретроспектива

В истории развития телевидения и цифрового видео можно выделить следующие крупные этапы:

1 - черно-белое телевидение - передается яркость изображения.
2 - цветное телевидение - передается яркость и цветовые составляющие. С точки зрения объема данных, добавление цвета - это количественный переход. С точки зрения наблюдателя - качественный.
3 - появление цифрового видео (Video CD, DVD) - качественный переход с точки зрения формата данных.
4 - цифровое видео и телевидение высокого разрешения (Blu-Ray, HDTV) - количественный переход с точки зрения объема данных. Однако передаются все те же составляющие: яркость и цвет.

Среди специалистов и зрителей назрело ожидание очередного качественного перехода, давно предсказанного писателями-фантастами, - появление объемного телевидения. Долгое время "узким местом" в реализации стереоскопического видеопоказа был объем данных, который было невозможно передать существующими средствами. Цифровое телевидение позволило передавать достаточное количество информации и стало основой ряда устройств, позволяющих осуществить объемную визуализацию.

Каким должно быть стереоскопическое телевидение

Попробуем сформулировать основные требования к объемному телевидению для широкого применения в домашних условиях.

С точки зрения пользователя (зрителя):

1. Устройство воспроизведения должно создавать реалистичное ощущение объемности изображения.

2. Просмотр должен осуществляется естественно, без напряжения, для просмотра не должны требоваться дополнительные устройства (например, шлем или специальные очки). Он должен быть доступен как для одного наблюдателя, так и для нескольких зрителей одновременно.

3. Устройство визуализации должно «уметь» показывать как стереоскопические, так и обычные изображения.

4. Устройство визуализации должно быть достаточно компактным и удобным для размещения в жилых помещениях.

С точки зрения инженеров, обобщенные требования к средствам и техническим устройствам объемного телевидения:

1. Объем данных, необходимых для показа стереоскопического изображения, не должен существенно превосходить объем данных, передаваемых для обычного изображения.

2. Способ передачи данных должен быть совместим с существующими стандартами и технологиями.

Казалось бы, перечисленным требованиям трудно удовлетворить одновременно. Однако совокупность современных технических решений делают это возможным.

Физические основы стереоскопического восприятия

Получить представление об объемности окружающего мира человеку позволяет ряд явлений: геометрическая и воздушная перспектива, тени и блики на поверхностях объектов, относительные размеры объектов. Изобразительные приемы, моделирующие эти явления, используются художниками с давних пор для передачи объемности трехмерных предметов, нарисованных на плоскости.

Природа наделила человека бинокулярным зрением - парой глаз, расположенных на расстоянии 60-70 мм. За счет этого человек видит мир одновременно с двух точек наблюдения. В результате изображения, получаемые левым и правым глазом, слегка отличаются. Эти два изображения принято называть стереопарой. Анализируя различия между изображениями стереопары, мозг человека получает информацию об объеме и удаленности наблюдаемых объектов (рис. 1).

Рис. 1. Параллакс: каждый глаз видит предмет по-своему; мозг оценивает разницу и формирует объемный образ (изображения с сайта www.triaxes.ru).

Кажущееся смещение рассматриваемого объекта, вызванное изменением точки наблюдения, называется параллаксом и является главным фактором в восприятии трехмерности мира.

Все способы, которые широко используются для создания стереоэффекта в видео, используют принцип раздельного просмотра - левому глазу человека демонстрируется левое изображение стереопары, правому - правое. Различия заключаются в том, каким образом достигается сепарация (разделение) изображений стереопары. Большинство современных устройств стереовизуализации и в кино, и в телевидении основаны на методах, известных более 100 лет.

Анаглифному методу показа 150 лет. Метод предложен Дальмейда и Дюко дю Ороном в 1858 году. Реализован в кино Луи Люмьером в 1935-м. Анаглифный метод (от греч. anagliphos - рельефный) состоит в окрашивании изображений стереопары в дополнительные цвета. Оба кадра стереопары формируют одно изображение. Разделение левого и правого кадра происходит с помощью цветных очков, окрашенных в соответствующие цвета. Анаглифный метод используется и в кинопоказе, и в телевизионных трансляциях. Этот метод работает практически на любых цветных телевизорах и мониторах. Достоинство метода - простота и дешевизна реализации, недостаток -- потеря части цветов и необходимость использования очков.

Поляризационному методу стереопроекции около 120 лет. Предложен Ж. Андертоном в 1891 году. Получил широкое распространение после изобретения в 1935-м Е. Лэндом поляроидной пленки. Левый и правый кадр проецируются одновременно, но свет поляризуется (линейно или циркулярно) в разных направлениях. Просмотр осуществляется с помощью очков, имеющих соответствующие светофильтры. Поляризационный метод получил широкое распространение в кинопрокате благодаря четкому разделению стереопары, сохранению цветности; недостатки - необходимость использования дорогостоящего оборудования, специальных устройств визуализации и очки, которые зритель должен надевать. Используется в кинотеатрах IMAX и др.

Растровому стерео более 110 лет. Впервые метод безочкового стерео с применением параллельного светопоглощающего растра предложен одновременно Бертье и Лизегангом в 1896 году. Впервые в мире для демонстрации стереокино этот метод был предложен в СССР С. Ивановым и А. Андриевским и реализован под руководством Б. Иванова в 1942-м. Первый в мире кинотеатр с растрово-линзовым экраном "Стереокино" был открыт в Москве в 1947-м. Растр выглядел в виде ряда непрозрачных вертикальных полос. Свет проходил в прозрачные участки между полосами, каждому глазу зрителя показывался необходимый фрагмент изображения. Размеры экрана составляли 3х3 м.

Подобные устройства «безочковой» объемной визуализации называются автостереоскопическими. Этот метод имеет различные конструктивные реализации: барьерный, линзовый варианты. В настоящее время в основном используется линзово-растровый (lenticular) вариант конструкции экранов. 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. Такое "полосатое" изображение называют кодированным. Принцип действия линзово-растрового экрана показан на рис. 2. Поток света, исходящий от кодированного изображения, проходя через линзы, разделяется таким образом, что левый глаз наблюдателя видит левое изображение стереопары, правый глаз - правое.

Рис. 2. Схема разделения кодированного изображения стереопары с помощью линзового растра. Левое изображение условно обозначено красным цветом, правое – голубым (изображения с сайта www.triaxes.ru).

Наибольший эффект от линзово-растрового способа показа достигается, когда показываются не два кадра стереопары, а ряд кадров, сделанных с небольшим смещением по горизонтали (многоракурсная съемка). В этом случае при просмотре образуется широкая зона стереовидения, в которой наблюдатель может перемещаться, поочередно наблюдая сцену с разных ракурсов. Появляется возможность как бы заглянуть за объекты переднего плана. Это придает натуральность наблюдаемому стереоизображению. В фотографии для съемки серии кадров используют специальные стереофотокамеры с рядом объективов (рис. 3), или специальные штативы, позволяющие при съемке перемещать камеру в горизонтальном направлении (рис. 4).

Рис. 3. Многообъективный стереофотоаппарат (фотография с www.3-dimages.com).

Рис. 4. Штатив Triaxes StereoRail для стереопарной и многоракурсной фото-видеосъемки (изображения с сайта www.triaxes.ru).

Достоинство растрового метода в том, что устройство сепарации объединено с самим изображением и зрителю нет необходимости надевать какие-либо очки для просмотра. Кроме того, формирование объемного изображения из серии кадров, снятых с различных точек зрения, позволяет придать большую реалистичность сцене.

Недостаток в том, что для качественного воспроизведения объемного изображения требуется гораздо больше данных. Если для анаглифного и поляризационного методов достаточно двух кадров стереопары, то для растрового желательно иметь одновременно 9-12 кадров. Далее будет рассказано о способе решения данной проблемы.

Стереоскопические мониторы (телевизоры)

Существует большое количество реализаций стереоскопических мониторов. Практически у всех известных марок (LG, Philips, Sharp, Panasonic, Sony и др.) есть модели стереомониторов, основанные на принципе линзового растра. Это можно объяснить тем, что данные устройства достаточно хорошо отвечают требованиям 1-5 из обозначенных выше. Разработка линзово-растровых стереомониторов началась еще в прошлом веке (например, Philips), однако действительно хорошего эффекта и определенного коммерческого успеха удалось добиться лишь сравнительно недавно, с распространением стандарта высокого разрешения (HD). Это связано с тем, что для формирования кодированного многоракурсного изображения требуется разрешение более высокое, чем для каждого из исходных кадров по отдельности: под каждую линзу должны войти элементы всех исходных кадров. Только с появлением возможности передавать и декодировать видео высокого разрешения количества пикселов стало достаточно, чтобы увеличить качество воспроизводимого стерео (3D) эффекта.