ТЕХНОЛОГИИ: 3D-невидаль

Автор: Александр Бумагин

Мы привыкли к тому, что трехмерные телевизоры - постоянные экспонаты компьютерных и технологических выставок, призванные украсить стенд производителя и напомнить зевакам, что вот, мол, и "такое тоже могём". Однако мало-помалу 3D-телевидение превращается в самый настоящий бизнес. Делать трехмерные аппараты толком пока не научились, но продавать уже умеют.

Проблемой демонстрации трехмерного изображения занимаются довольно давно. После того как телевидению покорился цвет, следующим рубежом в деле передачи изображения стал объем. Крупномасштабная разработка этого направления велась еще в СССР. Были построены кинотеатры [Кажется, "Аврора" в Питере до сих пор показывает стереокино.] для стереофильмов, где демонстрировалось то немногое, что снималось на две синхронизированные кинокамеры. Два кинопроектора подавали картинку на один экран, а зрителям выдавали специальные очки. Что до телевидения, то у нас в стране воплощалась идея поочередного воспроизведения на кинескопе картинок для правого и левого глаз (очки обязательны). Еще в восьмидесятые годы в Московском научно-исследовательском телевизионном институте (МНИТИ) были созданы опытные образцы стереовизоров, плохо поддающиеся настройке и так и не доведенные до ума и серийного производства.

Очки, как обязательный атрибут, до сих пор используются во многих решениях (например, iMAX). Но можно обойтись и без них.

Всего-то нужно так демонстрировать стереопару изображений, чтобы каждый глаз видел только ту картинку, которая ему предназначается. Распространенные решения, не требующие наличия очков, как правило, рассчитаны на работу только с одним пользователем. При этом в худшем случае человеку нужно сидеть в строго определенной точке относительно экрана, что, согласитесь, не слишком удобно. Чтобы как-то улучшить ситуацию, дисплей можно оборудовать системой, следящей за глазами человека, и автоматически подстраивать картинку под меняющееся положение зрителя. То есть, к примеру, геймер найдет такой вариант вполне удобным, а вот всей семьей кино уже не посмотришь. Хотя эта статья большей частью посвящена другой технологии, идея "безочковых" систем для индивидуалистов нашла несколько воплощений [Например, в разработке компании A.C.T. Kern за глазами следят либо инфракрасные датчики, либо оптические видеокамеры, при этом особенность технологии подразумевает портретную ориентацию экрана. У вот у компании Toshiba есть решение, подразумевающее статичность зрителя и использование планшетных дисплеев. В России в Институте автоматики и электрометрии СО РАН тоже есть "свои герои".].

Идеальным же представляется устройство, способное демонстрировать трехмерное изображение одновременно группе зрителей, произвольно расположившихся перед экраном, при этом не должны использоваться никакие специальные очки. Наверное, на этом месте хорошо смотрелась бы реплика о некой чудесной разработке Х компании Y, снимающей все проблемы со стереовидением. Увы, идеального многопользовательского 3D-дисплея пока не существует. Так или иначе, суть всех разработок для плоских экранов сводится к тому, что дисплей отображает сразу две картинки, для чего используются чередующиеся столбцы пикселов ЖК-матрицы.

Очевидно, что обеспечить правильный просмотр стереопары на любых расстояниях и под любыми углами не позволят законы оптики. Отсюда и возникает необходимость как-то определяться с положением наблюдателя, и проще всего решается задача с одним зрителем, о чем было сказано выше. Однако есть по крайней мере две технологии, которые неплохо "справляются" с несколькими зрителями. В обоих случаях трехмерный дисплей создает многоракурсное изображение, позволяя зрителям, находящимся под разными углами к экрану, получать свою стереопару.

Интересно, что обе технологии известны в России, если вообще можно говорить об известности подобных решений - покамест далеко не каждый видел хоть какой-то трехмерный дисплей. Российские компании 3dtv-vision и Beyond Media не так давно продавали многопользовательские 3D-дисплеи одной фирмы, от которых отказались в пользу дисплеев Philips. Посетив офисы этих компаний, мы смогли не только посмотреть на трехмерные дисплеи обоих типов, но и разобраться в тонкостях их работы.

Некоторые любят погорячее

Для корректного воспроизведения роликов на дисплеях x3d нужно, чтобы компьютер соответствовал следующим требованиям: процессор Intel Pentium 4 3,0 ГГц и выше (специализированный плеер оптимизирован под Intel и подтормаживает при использовании AMD); оперативная память 1 Гбайт в режиме Dual Channel (2х512 Мбайт); видеокарта nVidia GeForce 6600GT 128 Mбайт или ATI Radeon 9800 Pro 128 Mбайт и выше.

Для дисплеев от Philips требования ниже (при большем разрешении): процессор Intel Pentium 4 2,4 ГГц или AMD Athlon XP2400+; оперативная память 512 Mбайт; видеокарта nVidia GeForce FX5200 128 Mбайт или ATI Radeon 9550 128 Mбайт.

Информация предоставлена Серболюбом Хетлеровичем

Дисплеи барьерного типа появились еще в 90-х годах. На линзах, которые клеятся к стандартным ЖК-матрицам, размещены так называемые барьерные сетки (система непрозрачных полос, расположенных под разным углом к экрану). Линзы преломляют свет под разными углами, благодаря чему стереокартинку видят несколько зрителей, включая и тех, что сидят в стороне от центральной оси дисплея. Непрозрачные же полосы нужны, чтобы скрывать от правого глаза те пикселы, которые строят изображение для левого глаза, и наоборот. Линзы сделаны из специальной стеклянной смеси, сводящей искажения практически к нулю. Поскольку расположение и форма пикселов для разных моделей дисплеев неодинаковы, то для каждой модели приходится разрабатывать свой слой барьерных линз.

Такие многопользовательские экраны создала фирма x3d[Не раз и не два дисплеи на барьерной технологии демонстрировали также Sanyo и Sharp, но если верить отзывам очевидцев, многопользовательскими их не назовешь.], ныне носящая имя New Site. Восемь ракурсов трехмерной сцены, которые позволяют видеть эти дисплеи, обуславливают определенные трудности или, скажем так, особенности в их эксплуатации. Из-за того, что все восемь ракурсов воспроизводятся одновременно, в компьютере, к которому подключен дисплей, должна быть весьма мощная видеокарта. Кроме того, демонстрируемая 3D-сцена должна быть переведена в специальный формат. Если у вас есть готовый 3D-ролик в одном из распространенных форматов, воспроизвести на трехмерном x3d-дисплее без перекодировки не удастся. Вам потребуется, скажем, плагин от New Site для 3ds Max, который позволит создать нужный файл в этом приложении. Однако время рендеринга, по понятной причине, увеличивается восьмикратно.

Есть и другие тонкости. Например, барьерные линзы загораживают от каждого глаза половину площади дисплея, что вдвое снижает яркость получаемого изображения[Изображение темнеет и при взгляде под углом - но это уже общее место для ЖК-матриц.]. В зонах перехода от одного ракурса к другому зритель видит двоящуюся картинку (впрочем, достаточно чуть сместиться, чтобы поймать глазами нужный ракурс). Наконец, в зависимости от размеров дисплея существует определенное расстояние, на котором трехмерность чувствуется лучше всего - так называемая зона комфортного просмотра. Для пятидесятидюймового дисплея это 4–4,5 метра. Если подходить ближе, картинка начинает двоиться, а удаление от экрана постепенно делает изображение плоским. Для тех же пятидесяти дюймов объем чувствуется до расстояния 10–12 метров.

- Нужно учитывать, - говорит Серболюб Хетлерович, заместитель директора Beyond Media, - что разрешение трехмерных дисплеев вчетверо меньше номинального разрешения матриц, на которых они сделаны. Это происходит из-за того, что одновременно показывается две картинки, а не одна.

Beyond Media еще недавно продавала x3d-дисплеи, однако последнее время все больше полагается на новые 3D-экраны от Philips.

- В них цветопередача и яркость не страдают, - поясняет Хетлерович. - Технология создает эффект антиблика, чего нельзя получить на дисплеях x3d. Эффект вылета объектов здесь меньше, зато больше эффект глубины сцены.

Честно сравнить два разных дисплея у нас не получилось - HD-матрица сорокадюймового Philips содержит вчетверо больше пикселов, чем матрица x3d, так что изображение на Philips, конечно, четче[По словам Хетлеровича, Philips готовится к выпуску многопользовательских дисплеев full HD 3d, на которых в HD-разрешении можно будет видеть объемное изображение.]. К тому же в Beyond Media и 3dtv-vision не нашлось ролика, который можно было прокрутить на обоих аппаратах. Но совершенно точно, что "Филипсы" ярче.

Вместо барьерных линз голландцы используют микролинзы Френеля, преломляющие свет в разных направлениях, и создают девять ракурсов для просмотра. Линзы вытянуты вдоль столбцов пикселов матрицы и имеют, упрощенно говоря, форму половинки цилиндра, рассеченного параллельно диаметру (на самом деле, форма сложнее). Совершенно так же, как и в случае x3d, перемещаясь, можно попасть в зоны, где начинает двоиться изображение. Зона комфортного просмотра - три метра от экрана, эффект объемности должен пропадать в десяти метрах. Впрочем, с точки зрения зрителя большое преимущество одной платформы в сравнении с другой неочевидно (в буквальном смысле). Зато, если разбираться в тонкостях, зрителю незаметных, появляются существенные отличия.

По мнению Евгения Гусева, генерального директора компании 3dtv-vision, конкурирующей в России с Beyond Media на рынке трехмерных дисплеев, главный недостаток x3d - сложность в подготовке контента. А поскольку продажа 3D-телевизоров во многом завязана на продажу контента, x3d оказывается в невыгодном положении.

Специальная микросхема Philips WOWvx Hydra board[Модно словечко "wow" даже в компьютерной индустрии употребляется не впервые. World of WarCraft, Vista WOW, WOWvx… Кто следующий скажет "вау"?], интегрированная в дисплей, обрабатывает видеопоток в специальном формате 2D+глубина, то есть содержащем двухмерное изображение и карту глубины (специалисты чаще употребляют термин z-buffer). Это упрощает разработку контента, так как любой (!) видеоряд можно конвертировать с помощью специального ПО в формат 2D+глубина. Конвертация трехмерной сцены происходит автоматически (при этом время рендеринга в пять-шесть раз меньше, чем в случае с x3d), а вот двухмерная картинка требует вмешательства человека.[ Есть возможность сделать все на автомате, но качество, говорят, оставляет желать лучшего.]Для ручной работы Philips предлагает в аренду специальный сервер, называемый Bluebox, с которым одновременно могут работать до восьми человек. Первый такой сервер в России нам показали в офисе 3dtv-vision.

Обработка двухмерного видео начинается с того, что программа автоматически разбивает ролик на сцены. В каждой сцене выбирается ключевой кадр, для которого вручную, с помощью растрового графического редактора, строится карта глубины. Грубо говоря, оператор указывает, какие объекты находятся ближе, а какие дальше. Сцена с готовой картой глубины обрабатывается автоматически, при этом кодирование, как правило, идет в несколько проходов. Один человек может обработать в день 6–10 минут видео, в зависимости от сложности и количества сцен. Если усреднять (возможно - идеализировать), то десять клиентов Bluebox за два дня одолеют полнометражный фильм длительностью два часа сорок минут.

В 3dtv-vision нам показали фрагменты известных кинофильмов, а также специальные демонстрационные ролики. В Beyond Media мы также оценили эффект от трехмерного дисплея при игре в Quake - для этого Bluebox не требуется, только специальный драйвер для видеокарты. Нужно сказать, что какой-то особый выигрыш в восприятии ощущался лишь изредка. Иногда казалось, что за исключением объекта в фокусе картинка слишком замыленная.

- Конечно, делать ролик с нуля - самый верный с точки зрения итогового качества путь, - считает Евгений Гусев. - Все-таки видео для обычного ТВ делается без учета возможности трехмерного дисплея, и даже самая великолепная телевизионная реклама может не стать эффектнее, если ее перевести в формат 2D+глубина.

Помимо возможности превратить двухмерное видео в трехмерное, технология Philips имеет и другой козырь: тот же Bluebox способен автоматически конвертировать видео, снятое стереокамерой, а специальное решение, названное Redbox, позволит это сделать на лету, то есть теоретически возможны прямые 3D-трансляции, за которыми, как надеются в Philips, будущее. Кроме того, уже не один и не два фильма сняты на стереокамеры. В случае с дисплеями Philips - это практически готовый контент, и вполне вероятно, что не простаивающий без дела домашний трехмерный телевизор перестанет быть утопией. Пока же идеи, оформленные в виде "ящиков", не слишком дешевы. Тот же Bluebox мало взять у Philips в аренду (купить нельзя!): нужно еще покадрово платить за конвертацию.

Гораздо меньше слышно о голографическом и трехкоординатном дисплеях. В первом случае предполагается создавать подвижное голографическое изображение. Для воплощения этого замысла нужен заметный технологический прорыв, так как еще никто не умеет создавать голограммы в естественном свете, а иначе съемку придется проводить, освещая сцену интенсивным лазерным излучением, которое небезопасно для людей [Здесь излагается позиция кандидата технических наук, члена Международного общества по дисплейной технике В. А. Ежова.]. Есть и другие, не менее серьезные препятствия. Уже несколько десятилетий не удается создать динамическую голографическую среду, в которой можно было бы снимать подвижные объекты и создавать при этом многоракурсное изображение.

Да, теоретические разработки имеются. Например, есть российская система В. Г. Комара в Научно-исследовательском кинофотоинституте (НИКФИ), однако, появившись еще в восьмидесятые годы, она так и не была реализована из-за технических и финансовых трудностей. В те годы на студии им. Горького даже начались съемки первого голографического фильма (правда, это был лишь кукольный мультфильм). Но даже в случае монохромной подвижной голографической картинки подразумевается крайне сложное техническое решение [Подробнее об этом можно почитать здесь]. Один или несколько зрителей должны сидеть в строго определенных местах, при этом количество зрителей должно быть известно еще на этапе съемки!

Можно вспомнить и трехкоординатные дисплеи [Английский термин: volumetric display]. Например, есть работающая однопользовательская система, основанная на вращающейся отражающей плоскости. То же ограничение свойственно другому концептуальному подходу, согласно которому изображение строится во множестве тесно расположенных параллельных плоскостей, способных быстро менять прозрачность. В каждый момент времени прозрачны все плоскости, кроме одной, отражающей картинку, создаваемую специальным проектором. В следующее мгновенье то же происходит с другой плоскостью. Рабочие плоскости быстро сменяют друг друга, так что для зрителя картинки всех плоскостей сливаются в один объемный образ [Вот примеры: www.freepatentsonline.com/6806849.html  и www.freepatentsonline.com/6806849-0-display.jpg]. Кроме того что такой дисплей может показывать картинку лишь для одного зрителя, налицо и проблема с разрешением. Чтобы обеспечить нужную четкость вдоль координаты, перпендикулярной плоскостям, плоскостей должно быть очень много. Скажем, если мы хотим добиться разрешения в 1000 точек, то с учетом классических 24 кадров в секунду нам нужна тысяча плоскостей, а переключение между ними должно происходить с частотой 24 тысячи раз в секунду.

Пока контента мало, а цена высока, трехмерный дисплей будет скорее являться устройством для эффектного маркетинга.

- Рекламу под 3D-дисплеи мы делаем по демпинговым ценам, - рассказывает Гарри ЧагласЯн, один из учредителей 3dtv-vision, - и порой можно заказать 3D-ролик по той же цене, что и обычный клип в 2D.

Однако и в Beyond Media, и в 3dtv-vision[Обе компании - официальные партнеры Philips в России.] полагают, что зацикливаться на рекламе неверно. Дисплеи Philips уже поддерживают многие 3D-игры, ведутся непростые переговоры с правообладателями о конвертации фильмов[Как отметил Хетлерович, самый занятный нюанс заключается в том, что речь идет не о банальном праве на показ, а практически на право изменения контента.].

- Наша работа может быть полезна профессионалам, работающим в 3D-графике, - говорит Гусев. - Интересуются технологией и творческие люди, которые видят в новом экране возможность иначе выражать собственные идеи. Скажем, в проекте "Музей нового поколения", в котором мы планируем участвовать, будет реализовываться концепция выставочного пространства, основанная на использовании новейших визуальных решений, позволяющих создавать мобильные музеи и выставки.

Гарри Чагласян признает, что отрасль как таковая еще не сложилась. Но, по его словам, домашние трехмерные телевизоры компания Philips презентует уже через пару лет, и там преобразование 2D в 2D+глубина будет происходит на лету[Отметим, что New Sight уже представила аналогичные разработки, но их качество, по дошедшим до нас отзывам, оставляет желать лучшего. Справедливости ради напомним, что в автоматическом режиме и Bluebox от Philips далеко не идеален.].

Не исключено, что 3D-консорциум, созданный в начале 2003 года, дабы выработать единый стандарт для трехмерного видео, в недалеком будущем выберет одну из существующих ныне технологий, и, кажется, у Philips есть хорошие шансы. Не исключено, правда, что на рынке вдруг появится какое-то неизвестное доселе устройство, и все дружно скажут "Wow!".

3D-консорциум был образован в 2003 году по инициативе восьми японских компаний, среди которых есть такие звучные имена, как Sanyo, Sharp и Sony. Эта "большая восьмерка" составляет управляющую группу. Управление сводится, конечно, не к тому, чтобы указывать остальным путь в светлое 3D-будущее, - группа лишь поддерживает функционирование самого консорциума. Все прочие вошедшие в него компании именуются стандартными членами. Таковых насчитывается 47 из Японии и 11 из других стран. New Site среди них нет.

Организация была создана с целью формирования единых стандартов для трехмерных дисплеев и контента для них, при этом любые приспособления в виде очков или иных носимых устройств не приемлются: постулируется, что потребителю такие решения будут неудобны. Также предполагается, что покупателю будет гораздо проще, если устройства всех производителей будут совместимы и не придется для каждого дисплея искать свой фильм.

Это не значит, что все члены консорциума ведут разработки в одной лаборатории, хотя некоторые компании и впрямь могут объединять усилия. Консорциум - трибуна, с которой каждый может рассказать о своих успехах и показать прототипы устройств. Обмен опытом должен способствовать скорейшему отсечению тупиковых ветвей развития идей трехмерного отображения, но главная задача организации - не упустить ту единственную технологию, которая по праву станет общим стандартом. Philips со своими решениями не скрывает того, что претендует на это теплое местечко в новой индустрии.