Существует несколько методов получения стереоэффекта, на которых основаны стереоскопические 3D-мониторы и стереопроекционные системы. Как правило, суть сводится к тому, чтобы закодировать два исходных изображения (для правого и левого глаза) в одной области и при помощи специальных очков выделить правое и левое изображение. То есть фактически нужно спроецировать два разных изображения в одну общую плоскость. Существует способ просмотра без какого-либо сведения исходных картинок, когда соответствующие изображения показывается непосредственно каждому глазу. Прежде чем рассматривать существующие стереовизуальные системы, остановимся на подробном описании методов сведения двух или нескольких ракурсов и последующего извлечения ракурсов для глаз. Это технологии, на которых основаны стереоустройства.
Анаглифический метод (спектральное разделение ракурсов)
Анаглифный метод представления и просмотра стереоскопических изображений был изобретён очень давно. Принцип метода очень прост - разделение спектра цвета на две части, одна часть отдаётся для левого ракурса, а другая для правого. Каждый ракурс пропускается через свой фильтр, который отрезает свою часть спектра, а итоговое изображение получается суммированием обработанных ракурсов. Последующее воспроизведение происходит с помощью очков с двумя разными фильтрами для каждого глаза.
Как можно догадаться, при обратном разделении ракурсов с помощью очков каждый глаз видит ракурс с урезанным спектром.
Формирование анаглифного изображения
Каждый ракурс стерео-изображения пропускается через специальный фильтр. Выбор фильтров напрямую связан с очками для просмотра готового изображения.
Самые популярные очки - красно/голубые, где левое стекло красное, а правое - голубое. Для таких очков правый ракурс исходной стерео-пары нужно пропустить через 'голубой' фильтр (то есть удалить красный цвет), а левый ракурс - через 'красный' фильтр (удалить голубой цвет). Простота идеи сочетается с простотой реализации - такую фильтрацию можно легко провести аналоговыми методами (без участия компьютера - простыми стеклянными фильтрами). На изображении справа наглядно изображён процесс формирования анаглифного изображения.
Наиболее распространённым форматом хранения изображения на компьютере является RGB (Red - красный, Green - зелёный, Blue - синий). При таком представлении каждый пиксель (точка, минимальная единица деления, совокупность которых формирует полное изображение) закодирован сочетанием красного, зелёного и синего (вспомните уроки рисования в школе - смешиванием этих 3х цветов можно получить любой другой цвет). В простейшем случае каждый пиксель анаглифного изображения будет равен = R-компонента от левого ракурса и GB-компоненты от правого ракурса.
Однако получаемое простейшим способом изображение для красно-голубых очков довольно часто страдает рядом недостатков. Существуют также и другие варианты смешивания цветов.
Популярность анаглифа вызывает скорее негативную реакцию у сторонников полноценного стерео (то есть полноцветных стерео-устройств). Из формул, по которым вычисляется анаглифное изображение, легко понять, что итоговое изображение всегда теряет большую часть информации оригинальных ракурсов. Таким образом, первое что нужно понять - полноценное восстановление невозможно никакими алгоритмами.
Данный метод обладает значительными недостатками – чрезмерно искаженная цветапередача и потеря цвета, а также очень не естественные для глаз светофильтры. После долгого пребывания в анаглифических очках у наблюдателя на некоторое время снижается цветовая чувствительность и возникает ощущение дискомфорта от восприятия обычного (не красно-голубого) мира.
Поляризационный метод (поляризационное разделение ракурсов)
Прежде чем говорить о разновидностях стереосистем (3d-мониторов и стереопроекторов), основанных на эффекте поляризации, стоит сначала разъяснить что же такое поляризация и поляризованный свет. Для людей далеких от физики постараюсь рассказать простым языком и не нагружать ненужными для нас терминами.
Две совершенно одинаковые пластинки из слегка затемнённого стекла или гибкого пластика, сложенные вместе, практически прозрачны. Но стоит повернуть какую-нибудь одну на 90°, как перед глазом окажется сплошная чернота. Это может показаться чудом: ведь каждая пластинка прозрачна при любом повороте. Это же можно наблюдать, рассматривая экран компьютерного ЖК-монитора через пластинку: при её повороте яркость экрана меняется и при определённых положениях гаснет совсем. «Виновник» всех этих (и многих других) любопытных явлений — поляризованный свет.
Поляризация — это свойство, которым могут обладать электромагнитные волны, в том числе видимый свет. Поляризация света имеет множество интересных применений и заслуживает того, чтобы о ней поговорить подробнее. Электромагнитное излучение, в том числе и свет, может иметь:
- Линейную поляризацию — в направлении, перпендикулярном направлению распространения волны;
- Круговую поляризацию — правую либо левую, в зависимости от направления вращения вектора индукции;
- Эллиптическую поляризацию — случай, промежуточный между круговой и линейными поляризациями.
В излучении обычного источника света ориентация световой волны непрерывно и беспорядочно меняется. Подобное излучение называется неполяризованным или естественным светом. Как, например, солнечный свет.
Поляризация света позволяет выделить из огромного множества волн, только те волны, которые движутся в заданной плоскости. Каким же образом мы можем выделить нужную нам световую волну? Ответ - при помощи специальных поляризационных фильтров. Очки с такими фильтрами называются поляризационными. Они имеют слегка затемненные стекла(либо пленку) и не затрудняют восприятие цвета.
Для получения стереоскопического эффекта нужно иметь два изображения с противоположными фазами поляризации и соответствующие очки.
Непосредственный показ изображения каждому глазу
Существует также несколько приспособлений для представления соответсвующего изображения каждому глазу и заключается в непосредственном показе изображений без какого либо кодирования их в одно целое.
В 1833 году Уитстон создал зеркальный стереоскоп — прибор, позволяющий видеть объемную картинку, используя пару исходных картин со смещением. В качестве объектов ученый поначалу использовал свои рисунки. В соответствии с опытами была создана научная база. В 1838 году Уитстон делает исторический доклад о вопросах получения объемных изображений перед Королевским обществом в Лондоне. Доклад носил название «О некоторых поразительных и до сих пор не изученных явлениях бинокулярного видения» (On Some Remarkable and Hitherto Unobserved Phenomena of Binocular Vision).
Почему Уитстон использовал в своем стереоскопе рисунки, а не фотографические изображения? Ответ прост: фотография была изобретена французом Дагером только спустя шесть лет после открытия Уитстона — в 1839-м. Первые снимки, сделанные стереоскопическим методом, Уитстон представил общественности только в 1851 году на Всемирной выставке в Лондоне. Чуть позже шотландским ученым Давидом Брюстером (David Brewster) был создан простой стереоскоп без зеркал. Стоит отметить, что он также создал (в 1849 году) первый фотоаппарат с двумя объективами, предназначенный для создания стереопар.
В век развития цифровых технологий стереоскоп переживает второе рождение. Удешевление производства и упрощение конструкции привели к тому, что даже фотограф-любитель может самостоятельно делать стереофотографии и просматривать их с помощью недорогого стереоскопа.
Современным аналогом стереоскопа можно считать шлем виртуальной реальности. Изображения для правого и левого глаза выводятся на миниатюрные жидкокристалические дисплеи. Название «шлем» достаточно условное: современные модели гораздо больше похожи на очки, чем на шлем. На сегодняшний день шлемы виртуальной реальности по-прежнему остаются дорогим удовольствием и обладают очень невысоким разрешением.
(При покупке подобного устройства следует быть осторожным, т.к. некоторые видеоочки имеют только один видеоэкран и не способны создавать трехмерное изображение. Для шлемов виртуальной реальности может потребоваться видеокарта из ограниченного списка и стереодрайвер для генерации стереоизображений в играх.)
Известны случаи прямого просмотра стереоизображений на экране монитора без всякий приспособлений, уставившись в упор в стереокартинку... По этому поводу могу сказать только одно - не портите себе зрение. Чего только не делают люди чтобы увидеть настоящее объемное изображение. :) Для этого есть другие вполне доступные решения.
Затворный метод (временное разделение ракурсов)
Разделение изображения достигается путём маленьких прозрачных ЖК панелей - затворов в очках, которые закрываются (затемняются) попеременно синхронно с чередованием кадров (ракурсов) на мониторе).
Основной недостаток этого способа - мерцание, на каждый глаз 1/2 частоты развертки. В связи с этим могут уставать глаза. Поэтому важно чтобы частота монитора была не менее 120Гц.
Метод просмотра основанный на эффекте Пульфриха
Нельзя назвать это методом просмотра стереоизображения, т.к. эффект Пульфриха всего-навсего оптическая иллюзия. К настоящему стереоизображению этот метод не относится.
Базируется этот эффект на том, что мозг чуть дольше распознаёт тёмные оптические раздражители, чем светлые. Суть при записи с использованием метода Пульфриха состоит в том, что либо снимаемый объект (человек, животное, машина и т.д.), либо видеокамера непрерывно движутся в определённом направлении. Хотя оба глаза видят одну и ту же картинку, "затемнённый" глаз передаёт картинку в мозг чуть позже. Мозг "придумывает" соответствующую информацию о глубине, которой на самом деле нет. Поэтому метод не приемлем для просмотра статичных изображений.
Просмотр стереоизображений с помощью линзового растра
Линзовый растр - оптическая система, состоящая из множества параллельных линз.
В 1896 году впервые способ сепарации стереоизображений без очков открыл Бертье. При помощи оптической растровой решётки, выполненной на плоско-параллельном стекле, получена возможность рассматривать без очков одну стереопару в одной плоскости под определённым углом.
Более совершенная оптическая система линзовый растр, прототип оптического растра нашёл широкое применение в растровой стереофотографии. Создатель линзового растра — профессор Парижского университета Габриель Ионас Липпман (1845-1921).
Линзовый растр даёт возможность создавать и рассматривать стерефотоизображения, стереофотографии. Стереофотографии из разных материалов (стекло, пластмаса, металл на поверхности которого нанесен фотоэмульсирнный слой или флюорэсцентое покрытие оптических стекол мониторов телевидения) рассматриваются без очков под разными углами и несколькими наблюдателями одновременно.
К сожалению, этот метод не лишен недостатков - подобные изображения имеют невысокое разрешение.
Вот мы с вами и разобрались с основными методами просмотра, на которых базируются различные современные устройства для просмотра 3D-стерео изображения. Теперь можем переходить к рассмотрению конкретных типов систем.