Что такое 3D?
3D (читается как три дэ) – это собирательный образ, который включает в себя множество понятий. Чаще всего под ним подразумевают технологию по созданию и отображению объемного изображения.
Обычно на мониторе или телевизоре человек видит плоскую картинку, т.к. сам экран плоский и имеет всего два измерения – ширину и высоту. В окружающем нас мире присутствует еще и третье измерение – глубина. Человек легко отличает плоскую картинку от действительности.
Поэтому инженеры ищут различные способы создания искусственного изображения, которое имело бы 3 измерения, и было бы максимально приближено к реальности.
Такое изображение стали называть 3D-изображением . Название произошло, если не ошибаюсь, от словосочетания на английском языке «third dimension» - третье измерение – 3D.
В упрощенном виде зрение человека можно представить следующим образом.
Каждый глаз получает свое изображение, причем эти изображения разные, а мозг уже «собирает» из этих двух изображений объемную картинку. Благодаря этому мы можем воспринимать все три измерения. Картинку с экрана оба глаза видят одинаково, поэтому мы понимаем, что это плоское изображение.
В связи с таким устройством нашего зрения основным подходом для создания трехмерных изображений, приближенных к реальным, стал метод создания разных изображений для каждого глаза.
Одним из примеров могут служить стереокартинки или стереограммы .
При обычном взгляде на них видно всего лишь размытое неопределенное цветное пятно. Однако, при расфокусировании зрения, когда глаза будут получать разное изображение, мозг «сложит» эти изображения и вы «увидите» 3D картинку.
Вот пример таких картинок и несколько способов, как научится расфокусировать глаза http://illuziya.com/index.php/site/comments/n_539/ .
Я сам мог смотреть такие картинки, когда учился в школе, теперь уже не могу, не получается правильно расфокусировать глаза.
Как вы видите, такой способ имеет существенные недостатки: не все люди могут научиться видеть такие картинки, для меняющейся картинки (игры или фильма) такой способ не подойдет.
Следующий способ – это создание картинок отдельно для левого и правого глаза и затем показ их соответственно для левого и правого глаза. Этот способ используют в основном в кинотеатрах.
Создание отдельных картинок делается относительно просто – с развитием цифровых технологий фильм сразу снимают на две рядом стоящие камеры или специальным способом разделяют обычный кадр на 2 – для каждого глаза. В самом кинотеатре зритель должен одеть специальные очки, которые позволяют каждому глазу видеть только «свое» изображение. В результате зритель видит объемное изображение.
Такие специальные очки бывают нескольких типов. Один из них – это поляризационные очки .
Поляризация света – это специальное преобразование обычного света. Поляризация используется в науке и технике, но иногда находит применение и в обычной жизни.
При использовании поляризации свет от кинопроектора изменятся таким образом, чтобы лучи, направленные на экран, например, через левый объектив, воспринимались только левым глазом и полностью гасились для правого глаза, а для правого объектива - наоборот. Для таких очков надо создавать два отдельных изображения.
Такие очки используют, например, в кинотеатрах IMAX 3D . Для этого способа нужно дорогостоящее оборудование, но для зрителя такая картинка лучше всех других способов и дополнительная нагрузка на глаза (по сравнению с обычным кинотеатром) минимальна.
Другой тип очков – это анаглиф .
Это такие очки, у которых стекла разного цвета, обычно левое красного, а правое синего цвета. Могут быть и другие цвета.
Вот пример таких очков:
Для таких очков используют одно модифицированное изображение.
Общий смысл модификации такой – к основному изображению создаются 2 дополнительных, которые окрашиваются в красный и синий оттенки, и которые смещаются влево и вправо от основного на некоторое расстояние. Потом основное и дополнительные изображения совмещают особым образом.
Также можно создавать картинку–анаглиф из двух картинок. Например, для фото, снятых из двух рядом стоящих точек. В интернете по запросу «как сделать анаглиф» выдается много ссылок на описание метода и на программы по работе с фото.
Вот пример картинки-анаглифа:
Такой способ можно использовать в обычных кинотеатрах. Этот вариант гораздо дешевле по сравнению с поляризационными очками.
Существенный недостаток анаглифных очков – это уменьшение яркости изображения, что создает дополнительную нагрузку на глаза, чтобы рассмотреть изображение. Поэтому этот способ для темных изображений малопригоден.
3D мониторы и телевизоры.
3D мониторы работают с очками. Используются очки со стереоскопическим затвором. А монитор должен иметь частоту обновления (вертикальной развертки или вертикальной синхронизации) не менее 120Гц.
Принцип работы 3D режима такой: разное изображение для левого и правого глаза показывается по очереди. Каждое изображение монитор показывает 60 раз в секунду, чтобы не ухудшилось качество.
Таким образом, нужна минимальная частота 120Гц. А очки связаны с монитором и тоже по очереди пропускают изображение для левого и правого глаза. 3D телевизоры в комплекте с очками работают аналогично.
3D телевизоры без очков содержат дополнительной слой в экране, который при активации и создает 3D картинку. Недостаток в том, что эта картинка видна из одной небольшой области пространства перед телевизором. Большой компанией 3D уже не посмотришь.
Фирма Nvidia даже выпустила специальный набор, который подключается к ПК. Этот набор включает в себя очки с активным затвором и специальный хаб. Все это подключается к ПК с мощной видеокартой Nvidia и монитором 120Гц.
В результате нам обещают 3D, такое как в кинотеатре. Вот описание этого продукта: http://www.nvidia.ru/object/3d-vision-main-ru.htm
В настоящее время ученые работают над созданием системы, которая позволит создать полностью трехмерное изображение в пространстве, и уже есть первые результаты: http://www.3dnews.ru/news/619900
3D на ПК.
В настоящее время существует множество игр, в которых создана трехмерная реальность. В основном это «стрелялки», т.е. игры, где надо много бегать и стрелять с видом «как бы из глаз» героя. Но все равно такая картинка не воспринимается, как настоящая трехмерная.
Постепенно программисты придумали, как «добавить» 3D в игры. Первый раз я увидел такую возможность в игре «King"s Bounty: Принцесса в доспехах» (сайт игры http://princess.kingsbounty.ru/).
Там реализован наверное самый простой вариант – с использованием анаглифных очков. Игру я приобрел сразу в комплекте с очками. В самой игре есть опция включения 3D режима. После включения этой опции можно одеть очки и увидеть объемное изображение.
На сайте ag.ru есть раздел со стереоскриншотами из этой игры. Просматривать их надо в анаглифных стереочках, красно-синих. Вот ссылка.
За счет того, что сама игра яркая и светлая (там даже в подземельях не страшно), переключение в 3D режим не ухудшает изображение.
Через некоторое время я узнал про программу «iz3D driver» . Сайт разработчика: http://www.iz3d.com/ .
Эта программа устанавливается дополнительно в операционную систему и позволяет настроить работу видеодрайвера в один из режимов 3D, в зависимости от вашего монитора или телевизора.
В настройках есть и самый простой режим – анаглиф. Для переключения в этот режим и его настройки есть несколько комбинаций клавиш. При использовании этого режима частота кадров (FPS – frame per second) падает примерно вдвое.
Пример настройки ПК для получения 3D изображения.
Относительно недавно фирма Nvidia реализовала функцию поддержки 3D в своих драйверах, аналогичную работе ПО от iz3d.
Сейчас я расскажу, как это можно использовать. Этот способ подходит только для ПК с видеокартой фирмы Nvidia. Для его использования нужны анаглифные красно-синие очки.
Шаг 1. Скачиваем (по ссылке: http://www.nvidia.ru/Download/index.aspx?lang=ru) и устанавливаем последние версии драйверов и дополнительного ПО для вашей модели видеокарты.
Шаг 2. Вызываем панель управления Nvidia через контекстное меню или панель управления.
Шаг 3. В левой части выбираем раздел «Стереоскопический режим 3D» , а в нем пункт .
Справа должно появиться такое содержимое:
В этом разделе настроек можно нажать кнопку «Запуск мастера установки» или установить галочку .
Шаг 4. После этого появится новое окно, к котором надо настроить режим 3D.
Окно 1 – «Установка Nvidia 3D Vision».
Здесь выбирается тип реализации 3D. Наш вариант самый нижний, там как раз нарисованы красно-синие очки – «Очки 3D vision discover» .
Окно 2 – «Протестируйте настройки оборудования».
Здесь надо одеть очки и правильно указать видимые объекты.
Не знаю почему, но даже в очках, закрывая глаза по очереди, в нижнем ряду я вижу все объекты.
Методом проб и ошибок я определил, что правильный вариант такой – для левого глаза надо выбирать шестиугольник, а для правого – треугольник.
Окно 3 – «Проверка настроек».
В очках надо смотреть на большой квадрат в пункте 1 . Внутри него должен быть виден «выпуклый» квадрат поменьше.
Соответственно, после проверки в пункте 2 надо указать левый квадрат.
Окно 4 – «Поздравление с завершением настроек».
Можно поставить или снять галочки для создания ярлыка для просмотра фото, и для просмотра слайд-шоу. Жмем «Готово».
Вот пример изображения из этого слайд-шоу:
Выйти из слайд-шоу можно по «Esc» .
После этого в панели управления появится такое содержимое:
Ползунок – настраивает глубину 3D.
Кнопка «Изменить 3D лазерный прицел» - вызывает окно настроек прицела. Этот прицел нужен для игр-стрелялок.
В результате преобразования изображения «родной» прицел в игре скорее всего не будет виден. И чтобы вернуть прицел обратно используется вот этот лазерный прицел. Эффект от использования лучше всего проверять в конкретной игре.
Кнопка «назначить сочетание клавиш» вызывает окно с настройками сочетаний клавиш для дополнительных настроек 3D прямо в игре. Эффект от изменения будет виден сразу в игре.
По нижней кнопке можно еще раз запустить мастера установки 3D или проверить существующие настройки 3D.
В панели управления на закладке можно проверить, насколько игра поддерживает режим 3D.
Например, известная игра «World of Tanks» имеет хорошую совместимость. В списке проблем указано, правда на английском, что некоторые объекты будут отрисованы неправильно.
Я запустил игру и увидел, что маркеры танков отображаются не над танками, а в произвольных местах игровой сцены. Больше проблем с изображением не обнаружил.
Также при запуске игры сразу включается режим 3D и в правом нижнем углу появляется информация об игре:
Вот изображение танка в самой игре при включенном режиме 3D:
Для выключения режима 3D целиком надо в панели управления Nvidia снять галочку с пункта «Включить стереоскопический режим 3D» и нажать кнопку «применить» .
Заключение.
Вот таким образом можно получить 3D изображение дома уже сейчас. Если у вас установлена в ПК видеокарта Nvidia , то режим 3D можно включить прямо в настройках драйвера.
Список игр, которые поддерживаются самим драйвером, постоянно пополняется, все самые популярные игры в него включены.
Если видеокарта другого производителя – тогда надо изучать настройки драйвера или использовать дополнительное ПО, например iz3d.
Обычно при включении такого режима количество кадров в секунду падает примерно вдвое, поэтому нужна хорошая видеокарта для комфортной игры в таком режиме.
Мне этот вариант понравился своей относительной простотой реализации. Но на самом деле после 2-3 дней игры по 15-20 минут интерес пропал, и я перестал пользоваться этим режимом. Да и глаза уставали сильно.
Ниже приведено еще несколько ссылок на интересные материалы про 3D.
Максим Тельпари - Специалист службы поддержки видеокурса "Уверенный пользователь ПК 2.0" , изучив который, вы сможете самостоятельно настраивать BIOS, устанавливать и настраивать Windows 7, восстанавливать систему, решать проблемы при работе с ПК и многое другое.
Заработайте на этой статье!
Зарегистрируйтесь в партнерской программе. Замените в статье ссылку на курс на свою партнерскую ссылку. Добавьте статью на свой сайт.
Получить версию для перепечатки можно .
Статьи «Цифровое телевидение: что это такое?» и «Мобильное телевидение: что это такое?», опубликованные нами в прошлом году, познакомили читателей с основами современных телевизионных технологий. Продолжая раскрывать тему, переходим к наиболее актуальной инновации наших дней: 3D-телевидению.
В последние годы на рынке видеоаппаратуры громко заявила о себе тенденция перехода от плоской картинки к объемной. Эффекты 3D востребованы как в развлекательном кино (как заметил по этому поводу знаменитый кинорежиссер Вуди Аллен, «я люблю стереофильмы, потому что трехмерные женщины выглядят лучше двухмерных»), так и в научных телепрограммах, особенно образовательных. Создание нового контента было начато с фильма «Аватар», и сегодня процесс развивается лавинообразно.
В ассортименте всех крупнейших производителей цифровой электроники, таких, как Sony, Samsung, Panasonic, Toshiba и др., уже присутствуют 3D-модели (англ. 3Dimensional — трехмерный). Ожидается, что такие телевизоры будут всего на 20% дороже моделей Full HD с сопоставимыми диагоналями экранов.
Владельцы техники для просмотра объемного видео должны позаботиться еще и об аппаратуре для воспроизведения 3D-контента. Чаще всего для этой цели сейчас используют совместимые с телевизорами проигрыватели Blu-ray с опцией воспроизведения сигналов 3D.
В чем суть
Большинство существующих сегодня методов формирования объемного изображения используют физиологические особенности зрения. Природа наделила человека бинокулярным зрением — парой глаз, расположенных на расстоянии 60-70 мм друг от друга. Мы видим мир одновременно с двух точек наблюдения, причем изображения, формирующиеся в левом и правом глазах, слегка отличаются. Каждый глаз получает вид одной и той же области окружающего пространства с немного разных углов и передает в мозг уникальную визуальную информацию. При одновременном поступлении двух изображений они соединяются в единое, существенно отличающееся от исходных.
Эти два изображения принято называть стереопарой. Анализируя различия между изображениями стереопары, мозг человека получает информацию об объеме и удаленности наблюдаемых объектов. Полученная картинка — это не просто сумма двух составляющих, а стереоизображение, в котором объекты воспроизводятся в трех пространственных измерениях — по ширине, высоте и глубине. Именно восприятие глубины позволяет оценивать расстояние до окружающих нас объектов.
Для создания стереоэффекта используется принцип раздельного просмотра — левому глазу демонстрируется «левое» изображение стереопары, а правому — «правое». Различия заключаются в том, каким образом достигается разделение изображений стереопары.
Надеваем 3D очки
Рассмотрим сначала те из них, которые требуют для просмотра наличия специальных очков, поскольку пока именно они преобладают в представленных на рынке моделях телевизоров.
Первый способ — анаглифический (по-гречески «рельефный») известен уже более ста лет. Он используется в кинотеатрах, где перед объективом проектора устанавливаются световые фильтры, каждый из которых пропускает красный или сине-зеленый свет (для каждого глаза свой). Для разделения изображений при просмотре используются специальные картонные очки с установленными вместо стекол красным (для одного глаза) и сине-зеленым (для другого) световыми фильтрами. Однако сейчас такой способ практически не применяется из-за весьма скромных результатов цветопередачи объемности.
Другой способ — поляризационный, когда в специальном проекционном устройстве или на ЖК-экране формируется изображение с различной поляризацией света: например, «левый» кадр имеет горизонтальную поляризацию, а «правый» — вертикальную. Стекла используемых при этом способе специальных пассивных очков являются поляризационными фильтрами, причем плоскость поляризации каждого из стекол такая же, как и у соответствующих кадров стереопары. В результате при просмотре последовательности кадров левый глаз видит только «левые» кадры, а правый — только «правые».
Поляризационный способ позволяет получить цветное объемное изображение хорошего качества, однако он сложен в реализации, так как требует наличия дорогого экрана со специальным покрытием и существенного повышения яркости изображения, поскольку до 70% света поглощается поляризационными фильтрами. В связи с этим в телевидении такой способ практически не применяется.
Именно поэтому сегодняшние решения для 3D-телевидения основаны на третьем способе, называемом затворным. Он предусматривает попеременную демонстрацию изображений, предназначенных для левого и правого глаза. Благодаря тому, что чередование кадров осуществляется с высокой частотой, мозг выстраивает целостную пространственную картину и зритель видит на экране цельное трехмерное изображение.
Для просмотра по этому методу используются активные очки, в которых вместо стекол и фильтров (в пассивных очках) встроены два активных жидкокристаллических затвора (Active Shutter). Эти светопропускающие ЖКматрицы способны по команде процессора изменять свою прозрачность, то, затемняясь, то, просветляясь, в зависимости от того, на какой глаз в данный момент необходимо направить свет.
Ранние модели затворных очков, предназначенных в основном для компьютеров, подключались к ним с помощью кабеля. Сейчас почти все производители стереотелевизоров используют для их связи с очками инфракрасное излучение (как в пультах дистанционного управления). Поэтому все современные модели телевизоров имеют беспроводной ИК-интерфейс, через который происходит управление коммутацией и синхронизация затворных очков.
Этот способ позволяет получить высокое качество разделения кадров и хорошее разрешение. Однако для его полной реализации требуются устройства, способные работать на высоких частотах обновления (смены кадров). Ведь каждый глаз в этом случае видит изображение с пониженной вдвое частотой, поэтому возможно появление мерцания.
Частота отображения кадров, при которой мерцания незаметны, зависит от ряда факторов, в частности от соотношения длительностей интервалов активной части кадра и гашения. В телевидении изображение появляется на экране на 18,4 мс с перерывом всего в 1,6 мс, и мерцания при этом незаметны.
В случае с ЖК-очками интервал гашения практически равен активному интервалу. Если частота обновления составляет 100 Гц, то каждый глаз видит такую картинку: изображение — 19 мс, черный экран — 21 мс, и в этом случае появление мерцания неизбежно. Для устранения этого нежелательного эффекта требуется частота обновления не менее 120 Гц. В последних моделях телевизоров ведущих производителей частота смены кадров достигает 200, 400, 600 и даже 800 Гц.
Еще один современный «очковый» метод получения объемного изображения связан с появлением DLP-устройств (англ. Digital Light Processing — цифровая обработка света). В этих цифровых решениях используются встроенные быстродействующие DMP-устройства (англ. Digital Micromirror Device — цифровое микрозеркальное устройство), создающее «левые» и «правые» изображения, на основании которых и формируется стереоизображение высочайшего класса.
Формат DLP-3D основан на алгоритме Smooth Picture фирмы Texas Instruments. Технология DLP использует часть кадра Smooth Picture для генерации независимых визуальных представлений для левого и правого глаза. Сигнал формируется для каждого полукадра и по оптическому кабелю передается на затворные очки, которые преобразуют сигнал и попеременно управляют положением затвора таким образом, чтобы «левое» и «правое» изображения попадали в «нужные» глаза зрителя.
Преобразованные в цифровую форму эти изображения (исходная стереопара) затем фильтруются и прореживаются по диагонали, что приводит к образованию шахматного рисунка, состоящего из клеток левого и правого представлений в стандартном ортогональном дискретизированном формате, которые затем накладываются друг на друга и получается комбинированное чередование пикселов «левых» и «правых» изображений.
Описанный формат, в отличие от других затворных технологий, сохраняет и горизонтальное, и вертикальное разрешения изображения, обеспечивая тем самым высокое качество изображения.
Для полноты картины расскажем еще об одном «очковом» способе получения объемных изображений, применяемом пока только в компьютерных мониторах для компьютерных игр. Корпус такого монитора заметно толще корпуса обычного ЖК-монитора, так как в нем установлены сразу две ЖК-матрицы с разрешением 1680x1050 пикселов — так называемые передний и задний экраны. Задний экран по конструкции аналогичен дисплею обычного ЖК-монитора: он представляет собой ЖК-матрицу, помещенную между двумя поляризационными фильтрами. Передний же экран этих фильтров лишен, поскольку он не предназначен для изменения интенсивности светового потока, а служит для поворота на заданный угол плоскости поляризации света, исходящего от заднего экрана, причем позволяет изменять ее для каждого пиксела в отдельности.
Человеческий глаз, в отличие от органов зрения некоторых насекомых, не различает поляризацию света, поэтому влияние на изображение переднего экрана практически невозможно заметить. Однако стоит надеть специальные поляризационные очки, фильтры которых расположены под углом 90° друг к другу, как картина полностью меняется. Количество попадающего в глаза света от каждого пиксела, сформированного задним экраном, зависит не только от его яркости, но и от угла плоскости поляризации, заданного передним экраном.
Таким образом, каждый пиксел заднего экрана одновременно отображает оба кадра стереопары, а передний экран разделяет получаемый свет так, что через специальные поляризационные очки каждый глаз видит только предназначенные ему кадры стереопары. Иными словами, каждый пиксел заднего экрана принадлежит обоим кадрам, а передний экран определяет, какая часть его яркости должна быть воспринята одним глазом, а какая — другим.
К достоинствам такого метода можно отнести сохранение полного разрешения, а к недостаткам — двухкратное падение яркости в стереоскопическом режиме.
Текст: Александр Пескин, доцент МГТУ
им. Н.Э.Баумана
Вы, наверное, читаете эту статью на экране монитора компьютера или мобильного устройства - дисплей, который имеет реальные размеры, высоту и ширину. Но когда вы смотрите, например, мультфильм История Игрушек или играете в игру Tomb Raider, вы лицезреете трёхмерный мир. Одной из самых удивительных вещей трехмерного мира является то, что мир, который вы видите, может быть миром, в котором мы живем, миром, в котором мы будем жить завтра, или миром, который живет только в умах создателей фильма или игры. И все эти миры могут появиться только на одном экране - это как минимум интересно.
Как компьютер делает так, что обманывает наши глаза и мы думаем, что смотря на плоский экран видим глубину представленной картины? Как разработчики игр делают так, что мы видим реальных персонажей, передвигающихся в реальном ландшафте? Сегодня я расскажу вам о визуальных трюках, используемых графическими дизайнерами, и о том, как всё это разрабатывается и кажется нам настолько простым. На самом деле всё не просто, и чтобы узнать, что из себя представляет 3D-графика, ступайте под кат - там вас ждёт увлекательная история, в которую, я уверен, вы погрузитесь с небывалым удовольствием.
Что делает изображение трехмерным?
Изображение, которое имеет или кажется, что имеет высоту, ширину и глубину является трехмерным (3D). Картинка, которая имеет высоту и ширину, но не глубину является двумерной (2D). Напомните-ка мне, где вы встречаете двумерные изображения? - Практически везде. Вспомните даже обычный символ на двери туалета, обозначающий кабинку для того или иного пола. Символы спроектированы таким образом, что вы можете распознать их и узнать с первого взгляда. Вот почему они используют только самые основные формы. Более детальная информация о каком-либо символе может рассказать вам, какую одежду носит этот маленький человечек, весящий на двери, или цвет волос, например, символики двери женского туалета. Это одно из основных отличий между тем, как используется трехмерная и двумерная графики: 2D-графика проста и запоминаема, а 3D-графика использует больше деталей и вмещает в казалось бы обычный объект значительно больше информации.
Например, треугольники имеют три линии и три угла - всё, что нужно, чтобы рассказать из чего состоит треугольник и вообще что представляет собой. Однако посмотрите на треугольник с другой стороны - пирамида - является трехмерной структурой с четырьмя треугольными сторонами. Обратите внимание, что в этом случае имеется уже шесть линий и четыре угла - из этого и состоит пирамида. Видите, как обычный объект может превратится в трехмерный и вместить в себя гораздо больше информации, необходимой, чтобы рассказать историю треугольника или пирамиды.
На протяжении сотен лет художники использовали некоторые визуальные трюки, которые могут сделать плоское 2D-изображение настоящим окном в реальный трехмерный мир. Вы можете увидеть подобный эффект на обычной фотографии, которые вы можете сканировать и просмотреть на мониторе компьютера: объекты на фотографии кажутся меньше, когда они дальше; объекты же, близкие к объективу камеры, находятся в фокусе, значит, соответственно, всё, что за объектами в фокусе - размыто. Цвета, как правило, менее яркие, если объект не так близок. Когда мы говорим о 3D-графике на компьютерах сегодня - мы говорим об изображениях, которые движутся.
Что такое 3D-графика?
Для многих из нас игры на персональном компьютере, мобильном устройстве или вообще продвинутая игровая система - самый яркий пример и распространенный способ, благодаря которому мы можем созерцать трехмерную графику. Все эти игры, крутые фильмы, созданные при помощи компьютера, должны пройти три основных шага по созданию и представлению реалистичных трехмерных сцен:
- Создание виртуального 3D-мира
- Определение того, какая часть мира будет показана на экране
- Определение того, как пиксель на экране будет выглядеть, чтобы полное изображение казалось максимально реалистичным
Виртуальный 3D-мир - это, понятное дело, не то же самое, что и реальный мир. Создание виртуального 3D-мира - комплексная работа по компьютерной визуализации мира, схожего с реальным, для создания которого используется большое количество инструментов и который подразумевает крайне высокую детализацию. Возьмите, к примеру, очень маленькую часть реального мира - свою руку и рабочий стол под ней. Ваша рука обладает особенными качествами, которые определяют, как она может двигаться и выглядеть внешне. Суставы пальцев сгибаются только в сторону ладони, а не противоположно от неё. Если вы ударите по столу, то с ним никаких действий не произойдёт - стол тверд. Соответственно, ваша рука не может пройти через ваш рабочий стол. Вы можете доказать, что это утверждение истинно, смотря на что-то естественное, а в виртуальном трехмерном мире дела обстоят совсем по-другому - в виртуальном мире нет природы, нет таких естественных вещей, как ваша рука, например. Предметы в виртуальном мире полностью синтетические - это единственные свойства, данные им с помощью программного обеспечения. Программисты используют специальные инструменты и разрабатывают виртуальные 3D-миры с особой тщательностью, чтобы всё в них всегда вело себя определённым образом.
Какая часть виртуального мира показывается на экране?
В любой момент экран показывает только крошечную часть виртуального трехмерного мира, созданного для компьютерной игры. То, что показывается на экране - определенные комбинации способов, которыми определяется мир, где вы принимаете решение куда пойти и что посмотреть. Независимо от того, куда вы идёте - вперёд или назад, вверх или вниз, влево или вправо - виртуальный трехмерный мир вокруг вас определяет то, что вы видите, находясь на определенной позиции. То, что вы видите, имеет смысл от одной сцены к другой. Если вы смотрите на объект с того же расстояния, вне зависимости от направления, он должен выглядеть высоко. Каждый объект должен выглядеть и двигаться таким образом, чтобы вы верили в то, что он имеет ту же массу, что и реальный объект, что он такой же твёрдый или мягкий, как и реальный объект, и так далее.
Программисты, которые пишут компьютерные игры, прикладывают огромные усилия к разработке виртуальных 3D-миров и делают их так, чтобы вы могли блуждать в них, не сталкиваясь ни с чем, что заставляло бы вас думать «Это не могло произойти в этом мире!». Последней вещью, которую вы хотите видеть - два твёрдых объекта, которые могут пройти прямо друг через друга. Это - резкое напоминание о том, что всё, что вы видите, является притворством. Третий шаг включает в себя ещё как минимум столько же вычислений, сколько и другие два шага и должны происходить так же в реальном времени.
Слева компьютерная графика, справа - актер мокапа
Освещение и перспектива
Когда вы входите в комнату, вы включаете свет. Вы, наверное, не тратите много времени на раздумья, как же это на самом деле работает и как свет исходит от лампы, распространяясь по комнате. Но люди, работающие с трехмерной графикой, должны думать об этом, потому что все поверхности, окружающие каркасы и прочие подобные вещи должны быть освещены. Один из методов - трассировка лучей - предполагает участки пути, которые берут лучи света, покидая лампочку, отскакивая от зеркал, стен и других отражающих поверхностей и, наконец, приземляются на предметы с различной интенсивностью от различных углов. Это сложно, ведь от одной лампочки может быть один луч, но в большинстве помещений используется несколько источников света - несколько светильников, потолочные светильники (люстры), торшеры, окна, свечи и так далее.
Освещение играет ключевую роль в двух эффектах, которые придают внешний вид, вес и внешнюю прочность объектов: затемнение и тени. Первый эффект, затемнение, представляет собой место, где с одной стороны на объект падает больше света, чем с другой. Затемнение придает объекту множество натурализма. Эта штриховка - то, что делает сгибы в одеяле глубокими и мягкими, а высокие скулы кажутся поразительными. Эти различия в интенсивности света укрепляют общую иллюзию, что у объекта есть глубина, а также высота и ширина. Иллюзия массы происходит от второго эффекта - тени.
Твердые тела отбрасывают тени, когда свет падает на них. Вы можете увидеть это, когда вы наблюдаете тень, которую солнечные часы или дерево бросают на тротуар. Поэтому мы привыкли видеть реальные предметы и людей отбрасывающих тени. В трехмерном изображении тень, опять же, укрепляет иллюзию, создавая эффект присутствия в реальном мире, а не в экране математически произведенных форм.
Перспектива
Перспектива - одно слово, способное значить многое, но фактически описывающее простой эффект, который видели все. Если вы стоите на стороне длинной, прямой дороги и смотрите вдаль, кажется, как будто обе стороны дороги сходятся в одной точке на горизонте. Кроме того, если деревья стоят рядом с дорогой, деревья дальше будут выглядеть меньше, чем деревья близкие к вам. На самом деле будет похоже, что деревья сходятся в определённой точке горизонта, сформированной около дороги, но это не так. Когда все объекты на сцене будут выглядеть в конечном итоге сходящимися в одной точке на расстоянии - это перспектива. Есть множество вариаций этого эффекта, но большинство трехмерной графики использует единую точку зрения, которая только что была описана мною.
Глубина резкости
Другим оптическим эффектом, успешно использующимся для создания графических трехмерных объектов, является глубина резкости. Используя мой пример с деревьями, помимо вышеописанного происходит ещё одна интересная вещь. Если вы посмотрите на деревья, находящиеся близко по отношению к вам, деревья, расположенные дальше, как представляется, будут не в фокусе. Кинорежиссеры и компьютерные аниматоры используют данный эффект, глубину резкости, для двух целей. Первая заключается в укреплении иллюзии глубины в рассматриваемой пользователем сцене. Вторая цель - использование режиссерами глубины резкости сосредотачивает свое внимание на предметах или актерах, которые считаются наиболее важными. Чтобы обратить ваше внимание не героиню фильма, например, может использоваться «малая глубина резкости», где только актер находится в фокусе. Сцена, которая разработана таким образом, чтобы произвести на вас полное впечатление, наоборот будет использовать «глубокую глубину резкости», чтобы как можно больше объектов было в фокусе и таким образом заметно зрителю.
Сглаживание
Ещё один эффект, который также полагается на обман глаз - сглаживание. Цифровые графические системы очень хорошо подходят для создания четких линий. Но бывает и такое, что оказывают верх диагональные линии (они же довольно часто появляются в реальном мире, и тогда компьютер воспроизводит линии, которые больше напоминают лесенки (я думаю, что вы знаете, что такое лесенка при детальном рассмотрении объекта изображения)). Таким образом, чтобы обмануть свой глаз при виде гладкой кривой или линии, компьютер может добавить определённые оттенки цвета в строки пикселей, окружающих линию. Этим «серым цветом» пикселей компьютер как раз-таки и обманывает ваши глаза, а вы, тем временем, думаете, что зубчатых ступенек больше нет. Этот процесс добавления дополнительных цветных пикселей для обмана глаз называется сглаживанием, и он является одним из методов, которые создаются вручную компьютерной трехмерной графикой. Другой сложной задачей для компьютера является создание трехмерной анимации, пример которой будет представлен вам в следующем разделе.
Реальные примеры
Когда все трюки, описанные мною выше, используются вместе для создания потрясающе реальной сцены - итог соответствует трудам. Последние игры, фильмы, машинно-генерируемые объекты сочетаются с фотографическими фонами - это усиливает иллюзию. Вы можете увидеть удивительные результаты, когда вы сравните фотографии и компьютерную сцену.
На фотографии выше представлен обычный офис, для входа в который используется тротуар. В одной из следующих фотографий на тротуар был положен простой однотонный мяч, после чего эту сцену сфотографировали. Третья фотография представляет из себя уже использование компьютерной графической программы, которая и создала на самом деле несуществующий на этой фотографии мяч. Можете ли вы сказать, что есть какие-то существенные различия между двумя этими фотографиями? Думаю, что нет.
Создание анимации и видимости «живого действия»
До сих пор мы рассматривали инструменты, которые заставляют любое цифровое изображение казаться более реалистичным - является ли изображение стиллом или частью анимационной последовательности. Если это анимационная последовательность, то программисты и дизайнеры будут использовать ещё больше различных визуальных уловок, чтобы создать видимость «живого действия», а не изображений, созданных компьютером.Сколько кадров в секунду?
Когда вы идете на шикарный блокбастер в местное кино, последовательность изображений, называемых кадрами работает в количестве 24 кадра в секунду. Так как наша сетчатка сохраняет изображение немного дольше, чем 1/24 секунды, глаза большинства людей будут смешивать кадры в один непрерывный образ движения и действия.
Если вы не понимаете, о чём я только что написал, то посмотрим на это с другой стороны: это означает, что каждый кадр кинофильма - фотография, сделанная на выдержке (экспозиции) 1/24 секунды. Таким образом, если вы посмотрите на один из многочисленных кадров фильма о гонках, вы увидите, что некоторые гоночные автомобили «размываются», потому что они проехали с большой скоростью в то время, пока у камеры открыт затвор. Данная размытость вещей, создающаяся за счёт быстрого движения - то, что мы привыкли видеть, и это часть того, что делает изображение реальным для нас, когда мы смотрим на него на экране.
Однако, цифровые трехмерные изображения - это ведь не фотографии как ни крути, поэтому никакого эффекта размывания не происходит, когда объект перемещается в кадре во время съёмки. Чтобы сделать изображения более реалистичными, размывание должно быть явно добавлено программистами. Некоторые дизайнеры считают, что для «преодоления» этого отсутствия естественного размытия требуется более 30 кадров в секунду, посему и подтолкнули игры выйти на новый уровень - 60 кадров в секунду. Хотя это и позволяет каждому отдельному изображению выглядеть в мельчайших подробностях и отображать движущиеся объекты в меньших приращениях, оно существенно увеличивает количество кадров для данной анимационной последовательности действий. Есть и другие определенные куски изображений, где точный рендеринг на компьютере должен быть принесен в жертву ради реализма. Это относится как к подвижным, так и неподвижным объектам, но это уже совсем другая история.
Подойдем к концу
Компьютерная графика продолжает удивлять весь мир, создавая и генерируя самые разнообразные действительно реалистично движущиеся и недвижущиеся объекты и сцены. С 80 колонок и 25 линий монохромного текста графика значительно продвинулась, и результат очевиден - миллионы людей играют в игры и проводят самые различные симуляции с сегодняшней технологией. Новые 3D-процессоры также дадут о себе знать - благодаря им мы сможем в буквальном смысле исследовать другие миры и испытывать то, чего мы никогда не осмеливались попробовать в реальной жизни. Напоследок вернемся к примеру с мячом: как создавалась эта сцена? Ответ прост: изображение имеет сгенерированный компьютером мяч. Нелегко сказать, который из двух является подлинным, не так ли? Наш мир удивителен и мы должны соответствовать ему. Надеюсь, вам было интересно и вы узнали для себя очередную порцию интересной информации.
В 2010 году технология 3D считалась, пожалуй, наиболее популярной, востребованной и инновационной. Сейчас интерес к 3D подостыл, и с каждым днем находится все больше и больше людей ею недовольных. Впрочем, критика — лишь очередной шаг на пути к прогрессу. В этой статье я расскажу о том, как получается объемное 3D -изображение, и какие технологии для этого используются.
Немного теории:
В основу 3D-технологий положена идея создания двух изображений для каждого глаза пользователя. По идее, создать 3D-контент (фото или видео) легко — достаточно просто объединить 2 камеры в одном устройстве, а затем уже свести воедино полученную с них информацию. Гораздо сложнее «показать 3D», то есть показать каждому глазу «свою» картинку.
Поляризация:
Базовые познания из курса оптики напоминают о том, что создавать «объем» можно с помощью поляризации светового потока. Достаточно пропустить свет через специальные преломляющие свет кристаллы, чтобы создать иллюзию трехмерного изображения. Для просмотра такого изображения потребуется использование специальных поляризационных очков. На принципе поляризации основана технология iМах 3D , используемая в кинотеатрах и неприменимая в домашней электронике.
Анаглиф:
Первые шаги в области 3D-технологий основаны на разделении картинки для каждого глаза по цвету. Такое видео (или изображение) называется анаглифным, а для просмотра анаглифного контента нужны специальные красно-синие очки (для одного глаза — красный фильтр, для другого — синий). Впрочем, при таком подходе хромают цветопередача и качество изображения. Анаглифное видео было популярно в 70-80-х годах прошлого века, но с тех пор уже немало воды утекло, и на дворе XXI век, век инновационных технологий.
Разделение строк:
Идея формировать разные картинки для каждого глаза путем построчного вывода их на экран — гораздо более современная и продвинутая. На ней основана, пожалуй, наиболее широко распространенная 3D-технология XpanD , которая используется как в кинотеатрах, так и 3D-телевизорах и мониторах. Для просмотра 3D-контента необходимы специальные очки, более того, они должны синхронизироваться непосредственно с устройством просмотра.
Синхронизация, как правило, осуществляется через ИК-датчик, расположенный между стеклами очков, ведь, как известно, если закрыть его пальцем (многие проделывали этот трюк в 3D -кинотеатрах ), объемное изображение теряется. Специальные очки (точнее, стекла в них) закрывают для каждого глаза то изображение, которое он не должен видеть — вот так просто и элегантно решена проблема создания объемного изображения.
Параллакс:
Впрочем, для просмотра 3D-контента можно обойтись и без очков. В таком случае экран должен «подготовить» две разных картинки для каждого глаза. Поверх экрана располагается так называемый параллаксный барьер, слой из тонких и точных щелей, отвечающих за то, какую картинку видит тот или иной глаз. Естественно, определенная часть экрана при этом скрыта от каждого из глаз (за этим самым барьером), но, тем не менее, наш мозг и при обработке такого «разорванного» изображения формирует цельную картинку.
К недостаткам этой технологии следует отнести то, что при малейшем сдвиге от оптимальной точки просмотра глаза уже не будут воспринимать изображение как объемное, оно будет просто двоиться или размываться. Экраны с параллаксным барьером используют в портативных устройствах — телефонах, фотоаппаратах и ноутбуках.
Но как же бе недостатков? Ничто в мире не совершенно, не являются исключением и 3D-технологии . Вот перечень основных недостаткой:
- Очки довольно сильно затемняют изображение;
- При просмотре 3D — контента болят глаза;
- Объемный эффект хорошо ощутим только в специально подготовленных видеороликах, чаще всего увиденное 3D-изображение не впечатляет;
- Для просмотра 3D-контента необходим специальный экран (а порой еще и очки);
- Да и распечатать 3D-фотографию, увы, не удастся. Пока..
В мире все большую популярность набирают технологии объемного изображения. Это и выпуск новых фильмов в 3D формате, и оборудование кинотеатров новыми техническими средствами для просмотра объемных фильмов, и развитие 3D телевидения. И если создание и передача контента в 3D формате не от нас зависит, то приобретение телевизора с такой функцией это уже зависит от покупателя.
Все разработки основываются на особенностях человеческого зрения. У нас есть два глаза расположенные на некотором расстоянии друг от друга, обычно 5-7 см. Каждый глаз видит свое изображение, это можно увидеть, если поочередно закрывать глаза, глядя на одну картинку. Вы увидите, как картинка немного смещается и видно все под несколько другим углом. Вот эта особенность и позволяет нам видеть все в объеме. Наш мозг, получая две картинки немного смещенные, научился совмещать их в одно изображение, но уже объемное. И нам кажется, что мы сразу же видим все в объеме. На самом деле мозг сам обрабатывает увиденное глазами и формирует объемное изображение, то есть он воспринимает расстояние до объекта и понимает глубину пространства.
По такому пути и пошли разработчики 3D телевидения. В основу был положен принцип, по которому для каждого глаза формировалось свое изображение, что бы мозг уже сам сложил их, и мы увидели объемную картинку.
Почти все лидеры в производстве телевизионной техники начали осваивать выпуск 3D телевизоров и другой техники этого формата, как например проигрыватели для дисков с 3D фильмами и другое. Основное развитие в 3D формате получили плазменные и жк LED телевизоры. В силу технологических особенностей плазменные 3D телевизоры показывают лучшее качество, чем LCD 3D телевизоры из-за строгого требования ко времени отклика матрицы (должно быть меньше 3 миллисекунд).
Все современные 3D телевизоры воспроизводят изображение в качестве Full HD . При этом видео выводится поочередно для каждого глаза и, что бы сохранить плавность картинки, нужна кадровая частота минимум в 60 Гц для каждого глаза. То есть общая кадровая частота должна быть не меньше 120 Гц да еще и в каждом кадре должно быть качество Full HD. Отсюда и такое строгое требование ко времени отклика матрицы, как писалось выше, оно должно быть не больше 3 мс.
Внешний вид телеприемника и очков для показа 3D
Для передачи сигнала Full HD сигнала с частотой не меньше 120 Гц может потребоваться применение HDMI 1.4. В телевизорах может еще быть HDMI 1.3.
При таком требовании к видео, выводимом на экран, реализация 3D эффектов возможна только с применением специальных очков. Сейчас все фирмы применяют так называемые активные очки. Эти 3D очки имеют встроенную микросхему и управляются сигналами с телевизора с помощью инфракрасного излучения. В зависимости от изображения на экране очки пропускают сигнал только для одного глаза, а в следующий кадр для другого глаза. Очки одной фирмы не будут работать на телевизоре другой фирмы.
Анаглифические очки
Впервые объемное изображение попытались получить еще в 1853 году в Германии. На экран выводилось изображение в разных цветовых оттенках. Зрителям раздавались очки, линзы которых были окрашены в разные цвета – красный, синий или зеленый. Каждый глаз получал только то изображение, которое было окрашено в цвет линзы на очках. Так каждый глаз видел только свое изображение, и картинка получала объем.
Анаглифические очки
Но недостатки были такими большими, что о применении данной технологии в домашних условиях нельзя было говорить. Изображение было с очень плохой цветопередачей. Из-за тонирования линз в очках картинка получалась с оттенками красного и синего (зеленого). И качество 3D картинки получалось не очень качественным.
Поляризационные очки
Другой технологией, где очки отфильтровывали изображение для каждого глаза, была поляризационная. Здесь уже линзы очков покрывались поляризационными светофильтрами в виде поляризационных пленок. Разделение изображения для левого и правого глаза получалось благодаря поляризации изображения. Поляризация – это когда световые волны имеют разные направления колебаний, по-другому колебания электрического поля световой волны происходит в разных плоскостях. В кинотеатре для этого используют два кинопроектора. Поляризационные очки используют в IMAX 3D и в RealD кинотеатрах.
Поляризационные очки
В очках фильтр на одной линзе пропускает только волны света горизонтально ориентированные, а фильтр на другой линзе пропускает только волны с вертикальной поляризацией. В итоге каждый глаз получает только свою картинку, и мы воспринимаем изображение как объемное. Для того чтобы не терялись контрастность и яркость изображения при наклоне головы, стали применять круговую поляризацию. Здесь уже одно изображение имеет левую поляризацию, а другое – правую.
Использовать эту технологию получения объемного изображения на телевизоре в домашних условиях очень сложно. Из-за этого производители телетехники стали использовать её только в 2011 году. Первой на рынок телевизоров 3D с поляризационной технологией свои модели представила фирма LG со своей разработкой LG Cinema 3D. Увидев определенный интерес к данной технологии у покупателей, свои модели представили и компании Toshiba, Philips, Samsung.
К достоинствам поляризационной технологии можно отнести качественное изображение 3D с хорошей цветопередачей и детальностью. Поляризационные очки получились легкими и удобными без электронной схемы. Отсутствуют перекрестные искажения и мерцания в отличие от активной технологии, поэтому и уменьшена утомляемость глаз.
Недостатком считают уменьшение разрешения по вертикали, потому что в кадре идет чередование строк для левого и правого глаз.
Затворные очки для телевидения 3D
Самая совершенная на сегодня технология получения на телевизоре 3D изображения - это технология с активными очками. В таких очках линзы закрываются специальной электронной схемой управления, находящейся в очках. Линзы состоят из жидких кристаллов, как и матрица телевизора, и схема управления в нужные моменты времени дает сигнал кристаллам пропускать световой поток к глазам поочередно для получения объемной картинки. Управляются очки от телевизора по инфракрасному каналу связи или по Bluetooth. Наиболее сильно данную технологию продвигают Samsung, Sony, Panasonic.
Затворные очки
Потому как для каждого глаза нужно подавать отдельное изображение то в таких телевизорах кадровая частота понижается вдвое. Поэтому телевизоры 3D с активной технологией имеют кадровую частоту 100/120 Гц. Для борьбы с мерцанием изображения кадровую частоту повышают до 200/240 Гц. При этом движения в кадре становятся более равномерными и плавными.
К достоинствам активной технологии можно отнести её надежность и совершенство. Ведущие производители уже успели её отработать и устранить большинство недостатков. Применяется ведущими производителями плазменных и жк телевизоров.
Недостатком являются очки, которые стоят дорого и требуют постоянной замены батареек. Линзы очков задерживают часть светового потока, поэтому может быть тусклым изображение при низкой яркости экрана. Частота кадров в 100/120 Гц при динамических сценах может быть недостаточной.
Безочковые 3D телевизоры
В продаже стали появляться автостереоскопические 3D телевизоры, которым не нужны очки для просмотра объемного телевидения. Но им тяжело конкурировать с другими технологиями, потому что их цена ещё высока и качество изображения не очень высокое. В автостереоскопических телевизорах наносятся на экран прозрачные оптические элементы. Вот они и разделяют изображение для каждого глаза отдельно.
Безочковый 3D телевизор Toshiba 55ZL2
Первый метод получения стереоизображения в таких телевизорах получается путем нанесения множества продольных линз. Называется он – метод лентикулярных линз.
При втором методе перед матрицей жк располагают множество щелевых отверстий. Называется такой метод – параллаксный барьер. В качестве визуальных барьеров используются жидкие кристаллы. Под действием сигнала эти кристаллы поворачиваются и направляют световой поток в нужном направлении. При необходимости этот барьер отключается и можно смотреть обычное 2D телевидение.
3D эффект может быть достигнут, если зритель находится в определенных точках при просмотре. Хорошо, что таких точек много и телевизор можно смотреть и нескольким людям.
Развитие автостереоскопических телевизоров продолжается, и в ближайшие пять лет их доля на рынке будет только расти.
Достоинством такого метода получения объемного изображения можно считать отсутствие очков. А к недостаткам можно отнести выбор определенного места при просмотре.
Дополнительная информация
Источником сигнала для 3D телевизоров может служить проигрыватель, специально предназначенный для воспроизведения 3D дисков. Так же в некоторых странах уже началось вещание отдельных каналов в 3D формате.
На сегодня уже фирмы разрабатывают системы, позволяющие 3D телевизорам преобразовывать в режиме реального времени видео из 2D в 3D. Например, для таких целей Samsung выпустила новый процессор 3D Hyper Real Engine.
Некоторые фирмы говорят о вредном влиянии на здоровье человека при долгом просмотре 3D. Особенно нужно быть аккуратными детям, пожилым людям и беременным женщинам.
Цены на 3D телевизоры будут, конечно, выше чем на обычные LCD LED телевизоры. Например, 3D телевизор с диагональю 40 дюймов примерно будет стоить 2000 долларов. Телевизоры Samsung 9000 серии (9000 серия в линейке Samsung лучше других серий) с диагональю 55 дюймов будет стоить 7000 долларов. Телевизор Sony с диагональю 40 дюймов будет стоить примерно 2400 долларов. К таким телевизорам может понадобиться купить отдельно для каждого члена семьи очки по цене примерно 100-150 долларов и инфракрасный передатчик за 50 долларов. Еще нужно купить специальный проигрыватель и диски с 3D фильмами.
Развитие 3D к 2014 году
Развитие 3D телевидения к 2014 году не сделало каких-то революционных открытий. Идет усовершенствование уже работающих технологий. Многие покупатели не являются большими поклонниками объемного видео. Поэтому производители телевизоров пошли по пути развития разрешения экрана и введения новой технологии OLED.
А что касается 3D, то на сегодня используются технологии требующие очков. Безочковое 3D не получило развитие. Что касается использования очков, то развитие получили и активная технология формирования объемного эффекта и пассивная. Например, Samsung производит телевизоры 3D только по активной технологии. А вот LG продолжает развивать пассивную технологию на своих моделях 2014 года. Фирма Philips применяет как активную, так и пассивную технологию. У многих телевизоров с функцией 3D есть возможность конвертации обычного 2D изображения в 3D.
Что касается цены, то все больше моделей телевизоров среднего класса и даже бюджетного сегмента оснащаются функцией 3D. Поэтому и цены на телевизоры 3D снижаются.
