Стереовидение и стереопроекторы

Все мы знаем, что предметы вокруг себя человек видит объемными, но многие ли из вас задумывались как это происходит? Да и так ли это вообще? Оказывается это не так! Точнее, не совсем так. На самом деле человек видит двумя глазами две плоских картинки. И убедиться в этом совсем несложно – попробуйте, закрыв один глаз поставить палец сверху на монитор – и вы с удивленим обнаружите, что чувство расстояния вам немного изменяет! А посмотрев на угол монитора, поочередно закрывая левый и правый глаз, вы можете убедиться, что картинки, которые видит каждый глаз по отдельности, немного различаются.

Оказывается, именно в этой разнице и заключается наша способность видеть объемную картинку – наш мозг совмещает картинки, полученные от обоих глаз, и анализирует углы под которыми сходятся линии наблюдения, идущие от каждого глаза к объекту. Эта информация и позволяет мозгу делать выводы о пространственном расположении окружающих нас предметов и воспринимается нами как объём.

Можно возразить, что даже когда человек смотрит одним глазом, ощущение объема, как правило, остается. Ответ прост — человеческий мозг в течение всей жизни сохраняет информацию о форме и взаимном расположении объектов, и «додумывает» объем, когда визуальной информации не хватает.

Можно ли заставить наш мозг воспринимать плоское изображение как объёмное? Оказывается, можно! Для этого надо сделать так, чтобы, глядя на плоский рисунок, каждый глаз, тем не менее, видел своё изображение. Два таких изображения, каждое из которых предназначено для своего глаза, называются стереопарой. Примерно так можно представить общий смысл почти всех известных сегодня технологий стереовидения - просмотра стереоизображений. А вот способы заставить каждый глаз видеть то, что причитается только ему, бывают разные.

Без специальных приспособлений

Увидеть стереоизображение можно и невооруженным взглядом, но это требует некоторой тренировки, что является достаточно большим минусом данного способа. Не вдаваясь в детали, можно выделить два главных способа просмотра: параллельный и перекрестный. При параллельном способе, необходимо расфокусировать взгляд, заставив глаза смотреть на разные картинки стереопары. Если проследить направление взгляда каждого глаза, то выяснится, что они не сходятся в одной точке, а идут почти параллельно друг другу.

При перекрестном способе необходимо сделать так, чтобы левый глаз видел правую картинку стереопары, а правый – левую. Проще всего это сделать с помощью рамки из рук: закройте правый глаз и поставьте перед собой левую руку так, чтобы видна была только правая картинка, потом сделайте то же самое с другим глазом. В итоге мы добьемся того, что каждый глаз будет видеть только свое изображение, что собственно нам и было нужно!

Стереоскопы

Стереоскоп, как устройство для просмотра стереопар был изобретен еще в начале 19 века. За долгие годы его конструкция изменялась и совершенствовалась. Многие еще помнят стереоскоп советских времен - небольшую пластиковую коробочку, куда вставлялись узкие слайды стереопар. Внутри стереоскопа размещаются специальные линзы или зеркала, позволяющие разглядывать стереопару без напряжения для глаз.

Описанные выше способы просмотра подходят только для индивидуального использования. Зрительный зал не заставишь правильным образом скашивать глаза, а стереоскоп имеет только два окуляра, позволяя одновременно смотреть работу только одному человеку. Как же быть, если необходимо показать стереоизображение большому числу людей? Для этого были разработаны другие приспособления.

Анаглифы

Это технология основана на использовании специальных очков, одно стекло у которых окрашено в красный цвет, а другое – в синий. Картинка представляет собой два изображения стереопары, наложенные друг на друга, одно из которых окрашено в красный цвет, а другое – в сине-зеленый. В очках каждый глаз увидит только свою картинку, т.к. синий светофильтр не пропустит любые оттенки красного изображения, а красный – оттенки сине-зелёного. Мозг складывает два этих изображения, получая одну объёмную картинку. Несомненным плюсом данного способа является его простота, а недостатками –  частичная потеря цветовой информации и быстрая утомляемость глаз.

Чередование кадров

При данном способе изображения для правого и левого глаза подаются на экран попеременно, а специальные затворные очки также попеременно закрывают то левый, то правый глаз. Смена кадров осуществляется достаточно быстро, и, благодаря инерционности зрения, практически незаметна для человеческого глаза. Синхронизация очков с экраном при этом осуществляется через кабель или ИК-порт. Данный способ применим только на устройствах с достаточно большой частотой смены кадров, ведь чтобы обеспечить комфортные для человека 60 Гц, необходимо чтобы устройство могло работать как минимум с удвоенной частотой, т.е. не менее 120 Гц.

Таким образом для LCD-мониторов данная технология пока неприменима, однако для них может использоваться другая технология, основанная на чересстрочной развертке. При этом один кадр показывается четными строками, а другой - нечетными, причем четный и нечетный полукадр рисуются поочередно, как на телевизоре, и очки синхронизируются с ними. Из недостатков данной технологии стоит отметить световые потери, а также уменьшение частоты (в первом случае) или разрешения по вертикали (во втором).

Линзовый растр

В основе этого способа лежит идея совмещения устройства для просмотра изображений стереопары с носителем стереоизображения. Это позволяет зрителю наблюдать стереоэффект без дополнительных приспособлений. Эффект достигается с помощью специальной пластины с линзами. Линзы преломляют свет таким образом, чтобы каждый глаз зрителя получал только одну колонку пикселей. К примеру, левый глаз будет видеть все чётные колонки, а правый - все нечётные. Изображение для такого просмотра строится таким образом, чтобы под каждой линзой оказалась пара полос: одна от левого, другая от правого изображений.

К сожалению, эта технология тоже имеет свои недостатки. Во-первых, вдвое уменьшается горизонтальное разрешение. Во-вторых, подобное устройство неспособно выводить обычную картинку, так как линзы всегда будут разлагать изображение на стереоскопическое. Третий недостаток связан с размерами стереозоны. Стереоизображение будет видно только в том случае, когда голова смотрящего будет находиться в пределах этой зоны.

Последний недостаток можно компенсировать с помощью специальных систем отслеживания зрачков, которые могут менять расположение линз в реальном времени, значительно расширяя таким образом границы стереозоны, но у них тоже есть недостаток – достаточно высокая цена.

Поляризация

Этот способ основан на свойствах поляризованного света. Левое и правое изображения проецируют на экран через поляризаторы, плоскость поляризации которых повёрнута друг относительно друга на угол в 90 градусов. Зритель же надевает очки, каждое из стекол которых пропускает изображение с определенным углом поляризации, а другое блокирует. Таким образом каждый глаз видит свою картинку, а в итоге мы видим объем.

Относительный недостаток поляризационного метода заключается в том, что его практически невозможно использовать для LCD-мониторов. Для этого пришлось бы наносить микроскопические поляризационные фильтры, чередуя при этом направления поляризации, на каждый пиксель, что технологически крайне сложно. В настоящее время поляризационные методы применяются только в проекционных системах.

Стереопроекторы

В стереопроекторах применяются почти все перечисленные методы получения движущихся стереоизображений, причем методы эти достаточно сильно отличаются друг от друга, что позволяет сделать вывод об отсутствии безусловного лидера среди различных технологий. В каждом конкретном случае необходимо сделать выбор в пользу той или иной технологии в зависимости от поставленной задачи и материальных возможностей. Также немаловажно обратить внимание на недостатки каждого из методов.

Наиболее простой и малозатратной является технология анаглифов, она даже не требует специального стереопроектора. А наиболее комфортной для просмотра – технология поляризации. Причем, раньше она предполагала использование двух проекторов, для левой и правой картинки отдельно, и зачастую достаточно сложно было точно наложить их друг на друга. Но теперь и эта проблема решена. Стереопроекторы компании Christie серии Mirage одини справляются с задачей вывода стереоизображения. Кроме того он обладает повышенной мощностью проекционной системы, а также способен совместить систему для вывода 3D и обычного видеоизображения. Компания Christie также имеет в своем модельном ряду стереопроекторы, использующие технологию затворов, и в некоторых случаях именно они являются наилучшим решением.

Как мы видим технологии развиваются и совершенствуются, возможно уже в недалеком будущем у каждого из нас вместо обычных телевизоров будут стоять стереоустройства, позволяющие в полной мере насладиться преимуществами объемного изображения. Ну а пока уже сегодня можно оказаться на шаг впереди, воспользовавшись одной из уже существующих стереотехнологий.

Сфера применения

К сожалению, пока невозможно заменить все плоские картинки на стереоскопические, но тем не менее существуют отрасли, где применение стереоизображений уже сегодня может сыграть большую роль.

•  Медицина. Стереотехнологии позволят детально увидеть внутренние органы и точнее отследить процессы организма, оценить последствия хирургического и лапароскопического вмешательства, а также окажут неоценимую помощь в пластической хирургии.
• Строительство. Увидеть дом до его постройки, оценить насколько он впишется в окружающую среду, заглянуть внутрь строений и даже виртуально «полазать» по вентиляционной системе – все это становится реальностью при использовании стереотехнологий.
• Геология и нефтедобывающая отрасль. Стереовидение даст возможность заглянуть в недра Земли, оценить расположение ценных пород, исследовать шахты и подземные водохранилища.
• Презентации и реклама. Объемные изображения придадут неповторимый эффект привычным вещам, позволят сделать детальный экскурс в историю производства и специфику применения.
• Развлечения. 3D игры, тематические парки и аттракционы, кинотеатры и музеи – вот неполный список того, где могут быть с успехом применены стереоизображения.

Конечно, этот список не претендует на завершённость. Но он позволяет дать общее представление о том, насколько существенно стереотехнологии могут облегчить работу там, где требуется пространственное представление.