Статия „Съвременни технологии за приложение на 3D графиката в киното и телевизията”



Дата13.05.2017
Размер321.05 Kb.
СТАТИЯ
Съвременни технологии за приложение на 3D графиката в киното и телевизията”

Автор: гл.ад.д-р Петьо Василев Будаков

Настоящата статия има за цел да разгледа основните приложими до момента техники и технологии за приложение 3D в киното и телевизията, неговото възприемане и психологическо въздействие. Ще бъдат разгледени и анализирани примери с различни продукции, които оставят ярка следа в киното, не само чрез блестящ сценарий, режисура и операторско майсторство, но и посредством визуалните ефекти и представянето на филма под формата на 3D.

И тъй като фокусът на изследването е предимно за кино, ще се концентирам върху фактите и технологиите, които го касаят, както пряко така и косвено.

Идеята на 3D киното и телевизията е зрителят да докосне реалността. Разбира се, за да се случи това, то трябва максимално точно да възпроизведе механизма на човешкото зрение или така нареченото бинокулярно зрение (binocular vision от лат. bini – double, oculus – eye). Този тип зрение, предоставя неизменното предимство на възприятие на дълбочината. Така човек може да определи къде стои даден обект.

За да бъде създадена каквата и да е технология за създаване на 3D изображение, от изключителна важност е да бъде разгледан човещкия зрителен орган, посредством който, изображението бива възприемано като обемно и реалистично.

Под понятието “зрителен апарат” (“зрителен анализатор”) се разбира системата око - зрителен нерв - съответен център в кората на главния мозък. В този център се извършва “обработката” на получената информация за възприетото изображение.


Спектрална чувствителност на зрението – това е зависимостта на визуалната яркост на светлинните излъчвания от дължината на вълната. Тя се характеризира с кривата на относителната спектрална чувствителност . Очите са най-чувствителни към жълто – зелената област и най-малко са чувствителни към синьо – виолетовото и червеното излъчване.


Фиг. 1
Разделителна способност (острота) на зрението представлява способността на очите да разделят изображението на разглеждания обект на определено количество (до няколко хиляди) дребни детайли (участъци, елементи) яркостта и цветността на които се различават. По цялата площ на всеки елемент яркостта и цветността се осреднява от очите. Най – голяма разделителна способност очите имат за черно – белите елементи на изображенията и елементите със зелен цвят. За елементите оцветени в други цветове, в това число червените и сините разделителната способност е значително по-лоша. Следователно, ако например цветът на зелените елементи, имащи някакви определени гранични размери, все още се различава от очите, то цветът на червените или сини елементи със същите размери очите ще възприемат като черно – бели (сиви). Разделителната способност на зрението се определя от най – малкият ъгъл на зрението при който два съседни елемента от наблюдавания обект се възприемат като отделни. Този ъгъл зависи от най – малкото разстояние между две точки върху ретината до които достигат различни нервни влакна. За нормалното зрение, ъгълът определящ разделителната способност на окото е от порядъка на eдна ъглова минута.

Наличието на две очи и на тази основа, бинокулярното зрение осигурява обемното възприятие на изображението (на пространството). При бинокулярното зрение видимото пространството веднага от очите обхваща ъгъл около 120 и се нарича бинокулярно полезрение. В границите на това поле на всяка точка от пространството на наблюдение на едното око съответства определена точка от пространството на наблюдение на другото. Тези точки се наричат съответстващи или кореспондиращи. Еднаквото полезрение, което предизвикват съответстващите точки създава впечатление за единен предмет. При най-малките измествания на проекциите на изображенията от съществуващите точки възниква пространствената представа за разглежданото изображение. При наблюдение на много отдалечени предмети зрителните оси на двете очи могат да се смятат за паралелни и изображенията получени в двете очи са напълно идентични.

Съществена роля при бинокулярното зрение играе акомодацията – предизвикана от изменението на кривината на очната леща, следствие на свиването на очните мускули. Мускулното усилие, необходимо за фокусирането на изображенията на обекти, намиращи се на различно разстояние от наблюдателя, дава информация за отдалечението на тези обекти, т.е получава се възприятието за дълбочина и относително разместване на обектите в дълбочина и в полезрението на наблюдателя. Двете изображения, формирани върху ретината на всяко от очите се възприемат като едно от наблюдателя. При фиксация на обектите очите се завъртат (конвергират) така, че да се фокусира изображението.

Конструктивния анализ на колориметрията и цветовото усещане е важен елемент при дефинирането на иновативни техники, които дават възможност за реалистично възприемане на триизмерното изображение у зрителя.

Цветът е усещане, предизвикано в нашите зрителни органи от видимите светлинни лъчи. В колориметрията (наука за цветовете) цветът се определя с три величини: яркост, цветови тон и наситеност. Яркостта на светещия източник зависи от големината на лъчистия поток попадащ от този източник в очите на наблюдателя. Очевидно, колкото е по-голяма яркостта, толкова по-силно светлинно дразнение се получава в очите. Цветовият тон на наблюдавания обект, е свързан със спектралния състав на излъчването. По цветовия тон на обекта може да се съди за оцветяването му – син, зелен, червен и т.н. Отделните участъци на видимия светлинен спектър се различават по оцветяването си, т.е предизвикват усещане за различен цвят. За това е удобно цветовият тон да се характеризира с цифра, определяща дължината на вълната на спектралното излъчване. Наситеността характеризира степента на “разреждането” на цветовия тон” с бял цвят. Например яркочервената (наситена) боя може да се разреди с бяла боя ( вар, цинкфайс ). При това разреждане цветовият тон не се изменя, а се изменя само наситеността. Розовата и червената бои не се различават по цветовия тон, а само по наситеността си. Най-голяма наситеност имат монохроматичните (едноцветните) източници излъчващи светлина само с една дължина на вълната.Изобщо за дадена цветност на видим от очите източник може да бъде създадена от безброй съчетания на светлинни излъчвания в съответните пропорции. Нормалното човешко око различава около 180-200 цветови тона. Означава ли това, че за предаване на всички цветови тонове цветната телевизия трябва да има в сравнение с черно-бялата канали за свръзка с 180 пъти по-голяма пропускателна способност .

Същото може да го стори и с едното око, но там точността намалява и самото възприятие става някак по-бавно. Точно за това бинокулярното зрение залага на факта, че нашите две очи са на разстояние от около 5 см и всяко вижда света под различен ъгъл. Останалото се върши от мозъка, който съпоставя изображенията от двете очи и така се създава ефектът на дълбочина.

Тъй като в киното е наличен един бял екран, възпроизвеждането на бинокулярното зрение става чрез подаване на две 2D изображения, които се различават съвсем минимално. Коректното възприемане на цвета е в основата на 3D изображението и възприемането му от зрителя. Цветовия синтез, неговото изграждане и възприемане е във фундамента на създаването на цялостна многокомпонентна технология за 2D заснемане, постпродукция и 3D прожекция на филм или телевизионно изображение. Съвременните 3D технологии стъпват на здравия фундамент от понятия, характеристики и дадености на цвета.

Цветността е качествена характеристика на цвета. Дава се с цветовия тон и наситеността (чистотата) на цвета. Комплементарни цветове са всеки два произволно избрани цвята, които при адитивно смесване в определени съотношения дават ахроматичен цвят.

Адитивното смесване на цветовете е смесване на цветовете, което е резултат на попадане (едновременно или в бърза последо-вателност) на цветни потоци върху един и същ участък от ретината, при което окото не може да различи получените отделни дразнения. За всеки стимул на цвета чрез адитивно смесване може да се намери едно обратимо, еднозначно числено измеримо съотношение на три подходящо подбрани компонента на смесване, наречени стандартни стимули на цвета. Те трябва да отговарят на условието да не може чрез адитивно смесване на два от тях да се получи третият. Спектрални цветове са всички цветове, които се възпроизвеждат с една определена дължина на вълната от видимия спектърна светлината или от една много тясна спектрална лента от този спектър. Те имат най-чистите цветни тонове. Могат да бъдат реализирани при използването на стабилизирани лазерни системи, които излъчват лъчи с една дължина на вълната.

Призмените и дифракционните монохроматори също излъчват спектрални цветове с чисти тонове, защото разлагат спектъра на светлината на светлинни снопове с отделни дължини на вълните. Чисти цветни тонове имат и цветните линии в емисионните спектри на атомите и молекулите. Използваните в практиката телевизори, монитори и принтери не могат добре да възпроизвеждат спектралните цветове. Единствено дифракционните дисплеи и лазерните проектори са в състояние да направят това. Възможностите на хората да възприемат спектралните цветове с чисти тонове са ограничени от гледна точка на малкия брой зрителни усещания, които покриват спектъра на светлината. На практика човек може да възприеме и различи максимум 180 цветни тона в този спектър, макар че той е непрекъснат и безкраен по отношение на линиите на възприемане. Спектралната ширина на видимия спектър е от порядъка на 360 nm, които се покриват от 180 цветни тона. Това означава, че средната спектрална ширина на един цветен тон е 2 nm.



Неспектрални цветове са всички цветове, които не могат да бъдат възпроизведени от източник на лъчение с една дължина на вълната или с набор от много близки дължини на вълните. Такива са ахроматичните неутрални цветове – черен, сив и бял. Сивият и белият цвят могат да бъдат разглеждани като комплексни спектрални цветове само в случаите, когато се възпроизвеждат при смесване на два или повече спектрални цвята. Цветът магента също е неспектрален цвят за човека, защото във видимия спектър няма дължина на вълната, която да предизвиква усещане за този цвят. При разлагане на светлината с призма този цвят не присъства в получения спектър. Зрително усещане за него може да се получи само при смесване на два други цвята като червен и син. Някои птици и насекоми, които виждат спектъра на светлината по различен начин от човека, вероятно възприемат цвета магента в близката ултравиолетова област на този спектър, която е невидима за нас. С други думи, цветът магента е спектрален за тях, макар че е неспектрален за хората. Абсолютен спектрален цвят е този, който може да бъде възпроизведен от източник на лъчение с една дължина на вълната, фиксирана с абсолютна точност във времето и пространството. Спектралните източници не могат да излъчат светлинни вълни с такава точност. Причината се крие във факторите на заобикалящата среда, като температура, влажност и налягане, които постоянно флуктуират във времето. Тези флуктуации пречат дори на стабилизираните лазери да поддържат една и съща честота на излъчване във времето. Обикновено стабилността при тях се движи в рамките на ± 0,001 nm. Ако се намали интервалът от време, в който лъчението да бъде възприето и анализирано, стабилността за този интервал може да се дефинира до ± 0,0001 nm при максимална разделителна способност: ± 0,000001 nm. Това е максималната резолюция, с която съвременните интерферометри, Фурие-спектрометри и Раманови спектроскопи могат да определят дължината на вълната на спектралните емисионни линии на атомите и молекулите. В същото време средната за видимия спектър на светлината рaзделителна способност на човешкото око е едва 2 nm. Следователно човек не би могъл без помощта на уредите да оцени колко близък до идеалния е един цвят и колко чист е неговият цветен тон. Понятието за абсолютен спектрален цвят е свързано със спек- тралната ширина (d) на атомните емисионни линии. Изследванията показват, че атомните емисионни линии на всеки един химичен еле- мент имат различна спектрална ширина и интензивност. Обикновено колкото по-интензивна е една емисионна линия, толкова е по-широка. Под ширина на една емисионна линия се разбира ширината на линията, измерена на половината от разстоянието до максималната стойност на нейната амплитуда. Спектралната ширина на емисионните линии обикновено се движи в диапазона от 0,01 до 0,1 nm, но може да е и много по-малка. Тази ширина зависи от вариацията на енергията на електроните на съответните енергетични нива около ядрото. Колкото по-слаба е флуктуацията на тази енергия на отделните енергетични нива, толкова по-малка е ширината на спектралната линия при преход между тях. Все пак намаляването на енергетичните флуктуации на електрона има определена граница. Дори при нулеви въздействия върху електроните на орбита те продължават да извършват странични колебания по време на движението си около ядрото. Така на практика всяка спектрална линия има гранична минимална ширина, наречена природна ширина на линията. Съгласно принципа на Хайзенберг неопределеността на енергията ΔЕ е обратно пропорционална на времето за измерване Δt:

ΔE Δt ≥ ћ / 2, където ћ e редуцираната константа на Планк. Ширината на спектралните линии се определя от големината на различните флуктуации на електроните на отделните енергетични нива по време на прехода, а дължината на вълната на излъчените фотони – от разликата в енергията на нивата, между които той се извършва. Монохроматични цветове са всички цветове, които представляват нюанси от определен спектрален цветови тон. Те се получават при смесване на определен спектрален тон с черен, сив или бял цвят. Първични цветове са набор от цветове, които чрез комбиниране могат да възпроизведат всички останали съществуващи цветове. В практиката обикновено за тази цел се използват три избрани цвята като първични, тъй като основната част от хората са с трихромно зрение. Най-често в цветните телевизори и дисплеи като първични се използват червен, зелен и син цвят при т.нар. система RGB (Red, Green, Blue). Този избор не е случаен. В спектъра на слънчевата светлина, получен при разлагане чрез призма, трите посочени цвята заемат основната част. Поради това съвсем логично е тяхното комбиниране да води до получаване на бял цвят. При възпроизвеждането на черен цвят обаче възникват определени затруднения. Недоброто възпроизвеждане на черния цвят води до намаляване на контраста на изображението. Затова екраните на модерните телевизори и компютърни дисплеи се правят максимално черни. Комбинирането и смесването на цветовете два по два води до появата на нови три цвята – циан, магента и жълт, – които в избраната система RGB се приемат за вторични. Вторичен цвят е всеки цвят, получен при смесване на два първични цвята от дадено цветно пространство. В системата CMY (Cyan, Magenta, Yellow) първични цветове са циан, магента и жълт. Комбинирането на цветовете два по два води до появата на нови три цвята – червен, зелен и син, – които в избраната система се приемат за вторични. Така се получава взаимно обратимо съответствие между цветовете от двете избрани системи. Системата CMY в подобрен вариант с допълване на черен цвят CMYK основно се използва в печатарската индустрия и при различните видове принтери. Цветовете от тази система не възпроизвеждат добре белия цвят и по тази причина колкото по-бяла е хартията, на която се печата, толкова по-голям е контрастът. В изкуството широко приложение намира системата от първични цветовe RYB (Red, Yellow, Blue). При нея като вторични се получават цветовете лилав, оранжев и зелен. В системата RGB първичните цветове не възпроизвеждат добре черния цвят, докато в системата CMYK – белия цвят. В резултат на тези особености цветовете на екрана на мониторите не са същите като тези, които се печатат. За доброто възпроизвеждане на черния и белия цвят би могло да се използва система, която включва шестте първични цвята от двете разгледани системи. Така се получава системата RMBCGY, която включва шест първични и шест вторични цвята.



Чрез смесването на шестте първични цвята на системата RMBCGY с шестте вторични може да се получат нови дванайсет тре- тични цвята. Те заедно с първичните и вторичните ще образуват третото ниво от 24 цвята. При продължаване на смесването на първични, вторични и третични цветове се получават нови 24 цвята или общо 48 цвята на четвърто ниво. Така следващите две нива на цветовете – пето и щесто, ще включват съответно 2 х 48 и 2 х 96 цвята. Характерно за всяко ниво е, че броят на цветовете в него е равен на броя на всички цветове от предходните нива. Така на практика броят на цветовете на шесто ниво е равен на сумата от цветовете от първо до пето. По-нататъшно разгъване на цветовата гама не е необходимо, когато става въпрос за възприемането ѝ от човека. Причината е, че човек не може да възприеме повече от 180 цветни тона. На шесто ниво системата RMBCGY притежава 192 цветни тона и почти напълно се доближава до спектъра на сивата светлина. От друга страна при спектрален анализ на определени лъчения броят на спектралните линии, респективно на цветовете, които те възпроизвеждат и които могат да бъдат регистрирани от спектралните прибори, нараства хилядократно. Специализираните уреди за спектрален анализ определено имат много по-големи възможности от човешкото око в това отношение.

Системата RMBCGY е в състояние да възпроизведе добре както черния, така и белия цвят. Тя най-пълно отговаря на матрицата на заложените усещания за цвят при хората. В същото време системата RGB най-добре съответства на зрителните рецепторни възможности при човека. При системата RMBCGY анализът на преобразуването на първичните цветове от спектъра в сивата скала показва, че от някои от тях се получават тъмни тонове и дори черен цвят, докато други изглеждат светли и дори бели. Така например на цвета магента съответства черен цвят, докато зеленият цвят се преобразува в бял. На червения и синия цвят съответстват светлосиви тонове, докато на жълтия и циан – тъмносиви тонове. В системата RGB (използвана широко в цветните дисплеи и телевизори) представянето на бял цвят за даден пиксел от екрана се задава с координати R = G = B = 255. Съответно: черният цвят се възпроизвежда при координати R = G = B = 0, наситеният сив цвят – R = G = B = 127, а всички ахроматични нюанси на сивото се задават при равни RGB координати. Например стойности R = G = B = 64 съответстват на тъмносив цвят, а коор- динати R = G = B = 192 – на светлосив цвят. Ако равенството на трите координатите се наруши, ще има хроматично замърсяване на сивия цвят, което автоматично ще го преобразува от ахроматичен в хроматичен. Следователно системата RGB може да възпроизведе 254 нюанса на сивия цвят, задаващи сивия ахроматичен спектър. Повечето хора могат да различат от 50 до 100 нюанса в сивия ахроматичен спектър (тук не се включват хроматично замърсе- ните сиви цветове).1
Механизма на създаването на 3D излюзия от две 2D изображения освен тясно свързана с коректната селекция и модификация на цветове и цветови режими е залегнало в стереоскопията. Изобретена още през 1840 г. от сър Чарлз Уитстоун.

Уитстоун е основен участник в създаването на ранните години на спектроскопията чрез откриването и използването на спектралните емисионни линии.

През 1835 година на Дъблинската среща на Английската асоциация Уитстоун показал, че когато метали бъдат изпарени с помоща на електрическа искра, тяхната светлина след преминаване през призма показва такива линии, които са характерни за тях. Така видът на метала, от който са получени парите може да бъде определен чрез анализ на светлината на искрата. Това предположение има голямо значение за създаването на спектралния анализ от Роберт Бунзен и Густав Кирхоф. То довежда до откриването на редица нови елементи като рубидий, талий и др.

Стереоскопията в момента е най-популярния метод за създаване на 3D излюзия, като се използва и в киното. Тя е в основата на повечето технологии за трансформиране на двуизмерното изображение в триизмерно. Какво представлява стереоскопията?

Стереоскопията създава илюзията за триизмерна дълбочина, получена чрез комбинирането на двуизмерни изображения. Човешкото зрение, включително и възприятието за дълбочина, е съвкупност от сложни процеси, чието протичане започва с придобиването на визуална информация през очите, в резултат на което мозъкът обработва получената информация, за да ѝ придаде смисъл. Едни от по-важните функции на мозъка в случая са преценката на разстоянието на даден обект от наблюдателя и дълбочинното измерение на същия този обект. Човешкият мозък използва редица сигнали и ориентири, за да определи дълбочината и разстоянията при възприетата гледка, сред които са:


  • Стереопсис

  • Акомодация на окото

  • Застъпване на два обекта

  • Образуван визуален ъгъл на обект с известен размер

  • Линейна перспектива

  • Вертикална позиция

  • Десатурация и замъгленост

  • Промяна в големината на отделни детайли

Стереоскопията намира приложение както в снимки, така и във филмови продукции, като за двете очи са осигурени различни изображения, обединени под влиянието на стереопсис. Важно е да се отбележи, че докато всички точки от изображението са съсредоточени в една и съща равнина, без оглед на дълбочината им, фокусът не е дублиран, следователно илюзията е незавършена.

Има два стереоскопични ефекта, които са необикновени за човешкото око: първо, несъответствието между конвергенция и акомодация, причинено от разликата между позицията на обект спрямо екрана и източника на светлина и второ, възможно разминаване (несъответствие) на образите, причинено от несъвършено отделяне на изображенията по някакъв начин.2

Въпреки че терминът „3D“ e повсеместно използван, важно е също така да се отбележи, че наблюдаването на двойки 2D изображения е видимо различно от показване на изображение в три пълни измерения. Най-забележимата разлика е, че при триизмерните екрани, движейки главата и очите си, човек няма да получи „повече информация“ за триизмерните обекти. Холограмни или волуметрични дисплеи нямат подобно ограничение. Подобно на технологията за звуковъзпроизвеждане, при която е невъзможно пресъздаването на триизмерен звук, така, че да звучи през двойка звукоговорители, не бихме могли да наречем двойни 2D изображения „триизмерни“. Терминът „стереоскопичен“ e точният, но „по-обременителен“ термин от общоприетото название „3D“, утвърдено след десетки години неправилна употреба. Макар че повечето стереоскопични дисплеи не могат да бъдат класифицирани като триизмерни, всички триизмерни са стереоскопични, защото срещат критериите за такива.

Повечето 3D дисплеи използват създадения през 1838 г. от Чарлз Уитстоун стереоскопичен метод за предаване на изображение в три измерения. Уитстоун използвал стереоскопа си с рисунки, защото по това време още не е била открита фотографията. Ето какво казва самият той:

С илюстративни цели съм използвал само контурни фигури. Ако бях използвал сенки или оцветяване, на някого би могло да му хрумне, че ефектът е частичен или цялостен поради една или друга причина, докато по този начин няма място за съмнение, че той се дължи на едновременното възприемане на две монокулярни проекции, по една на всяка ретина. Ако се изисква изобразяването на обекти, които имат значителни прилики с реалните, сенки или оцветяване могат да бъдат използвани за подсилване на ефекта. С малко старание един художник ще може да нарисува и оцвети две компонентни рисунки, които да представи на някого и в резултат да постигне перфектна идентичност с реалния обект. Цветя, кристали, бюстове, вази, инструменти и др. могат да бъдат представени по този начин, за да изглеждат като истински.”

Стереоскопията е използвана при фотограметията и също така за забавление. Тя е полезна при преглеждането на изображения, извадени от големи многоизмерни набори от данни. Ранен патент за 3D изобразяване в кината и по телевизията принадлежи на румънския физик Теодор Йонеско и е издаден през 1936 г. Модерната индустриална триизмерна фотография си служи с 3D скенери, които откриват и записват триизмерна информация. Триизмерната информация може да бъде реконструирана от две изображения (ляво и дясно) посредством компютър и чрез „кореспонденция“ на пикселите.



Визуални изисквания

Необходими са следните три нива на бинокулярното зрение, за да можете да разглеждате стереоизображения:



  • Зрителен синтез

  • Едновременно възприятие

  • Стереопсис

Тези функции се развиват още в ранното детство. При страдащи от кривогледство е нарушено развитието на стереопсис, но бинокулярното зрение може да бъде подобрено чрез медикаменти. Стереоскопичната проницателност на един човек определя минималното несъответствие, което може да бъде възприето от него. Счита се, че приблизително 12% от хората не могат да виждат правилно 3D изображения, най-вече заради заболявания. Според друг експеримент, близо 30% от хората имат много слабо стереоскопично зрение. Това обезсилва или значително намалява дълбочинния ефект при тях.

Традиционната стереоскопична фотография използва метод за създаване на илюзия чрез двойка 2D изображения – стереограма. Най-лесният начин за постигане на такава илюзия е едновременното наблюдаване на две различни изображения, представящи две перспективи на един и същ обект с леко отклонение помежду си.

За да се избегне напрежение в очите и други проблеми, трябва всяко око на наблюдателя да гледа само и единствено едно от двете изображения, така, че ако има обект, отдалечен в безкрайността (например хоризонт), да бъде възприет безпроблемно от него. Очите трябва да гледат право напред и не бива да бъдат нито кръстосани, нито гледащи в различна посока. Ако не се съдържат обекти в безкрайността, изображенията трябва да бъдат разположени по-близо едно към друго, като това се вземе предвид при изработката на една стереограма.

Предимствата на технологията „страна до страна“ (side-by-side) са, че няма разминаване в яркостта и изображения могат да бъдат гледани при много висока резолюция и в пълен цветови спектър. Този метод е сравнително лесен за прилагане, тъй като предварителна обработка на изображенията не е нужна. Алтернативен начин за наблюдение, при който няма нужда от oптично оборудване, е чрез кръстосване на очите, но понякога може да бъде трудно или неудобно.



Наблюдение с невъоръжено око

Съществуват два метода за наблюдение с невъоръжено око:



  1. Методът за паралелно наблюдение използва две изображения, а разстоянието между т. нар. „кореспондиращи“ пиксели е не повече от 65 милиметра; това е средното разстояние между две човешки очи. Наблюдателят гледа право в двете изображения, без да движи очите си. Това може да се окаже пречка за нормалното зрение, защото фокусът на окото и зрителната конвергенция действат едновременно.

  2. Методът за наблюдение с кръстосани очи отново използва две изображения, но лявото око гледа дясното изображение и обратно. Съществуват очила, които намаляват ъгъла на конвергенция и позволяват наблюдението на по-големи изображения.



Автостереограма

Автостереограма представлява стереограма, която създава илюзия за триизмерно пространство и е съставена от едно двуизмерно изображение. За да възприеме 3D формите в автостереограмите, наблюдаващият трябва да гледа под определен ъгъл и да превъзмогне обичайната автоматична координация между приспособяването на очите и вергентното им движение.



Стереоскоп и стереографични карти

Стереоскопът е инструмент, при който две снимки на един и същ обект, направени под различен ъгъл, се представят едновременно, по една на всяко око. Просто устроеният стереоскоп има ограничение за големината на използваните изображения, но при по-сложно устроените има подобни на перископи чифт устройства, позволяващи използването на обемни изображения.



Апарат за транспарентно наблюдение

View-Master, модел от 1950-те

Диаметрално срещуположно разположени изображения се отпечатват на полупрозрачен филм, след което той се прикрепя към картонен диск. Преимуществото на транспарентното разглеждане е в по-големия обсег на зрение. Този метод на разглеждане датира поне от 1931, когато американската компания „Tru-Vue“ започва производството на 35-милиметрови филмови ленти, предназначени за преносимо устройство за гледане на транспарентни изображения, направено от бакелит. През 1940-те е представен модифициран вариант на това устройство, но с по-малки размери, наречен „View-Master“.

Виртуален шлем

Виртуален шлем с отделен видеоизточник

Шлемът за виртуална реалност представлява каска или очила с два малки LCD или OLED дисплея и увеличителни лещи, по една за всяко око. Той може да бъде използван за гледане на филми, изображения или играене на игри или просто като виртуален дисплей. Един шлем може да бъде свързан с проследяващи главата устройства, които позволяват на потребителя да гледа наоколо във виртуалния свят, движейки своята глава, без да има нужда от контролери. Понякога се изисква значителна компютърна обработка на изображението, за да се избегне гадене у наблюдателя. Ако се използва шест-осово позиционно сензориране, наблюдаващото лице може да гледа само в пределите на използвания уред. Благодарение на напредъка в компютърната графика и миниатюризацията на техниката, тези устройства са все по-достъпни и на по-приемливи цени.

Виртуални шлемове или очила могат да бъдат използвани за наблюдение на прозрачни изображения, наложени върху картина от истинския свят, формирайки добавена реалност. Това става чрез отразяване на изображения през частично отразяващи огледала. Гледка от реалния свят се вижда през отразяващата повърхност на огледалата. Експериментални системи са използвани в гейминга срещу виртуални опоненти. Този тип системи имат широко приложение в поддръжката на сложни системи, предоставяйки на един техник „рентгеново зрение“ чрез комбиниране на компютърни графики на скрити елементи и неговото собствено зрение. В допълнение, шлемове могат да служат и за разглеждане на технически данни и схематични диаграми, премахвайки необходимостта от неудобни хартиени документи.

Аугментираното стереоскопично наблюдение намира приложение и в хирургията, като по-често хирургът наблюдава предоставени от томографичен скенер радиографични данни.

Ретинален дисплей

Виртуалният ретинален дисплей, познат също като сканиращ ретината дислей, е дисплейна технология, която съставя растерен дисплей директно върху ретината на окото. Потребителят съблюдава нещо като конвенционален дисплей, „плаващ“ в пространството пред него.

След като бе пояснено, че за да пресъздаде 3D илюзията, киното ползва стереоскопията, е редно да разгледаме и кой неин метод е най-често използваният. По своята същност те са доста, но най-популярният, който се е родил в началото на 50-те години на 20-век е чрез поляризация на светлината.

Светлината е електромагнитно излъчване с дължина на вълната във видимия за човешкото око диапазон на електромагнитния спектър, приблизително от 400 до 750 nm. Понякога към понятието светлина се включват и инфрачервените и ултравиолетовите лъчи.

Всяка електромагнитна вълна, в т. ч. и светлинна, има електрично трептене - вектор на интензитета на електричното поле E и магнитно трептене - вектор на магнитната индукция B, взаимноперпендикулярни един на друг и перпендикулярни на посоката на разпространение на вълната. С други думи, тези вектори лежат в две взаимноперпендикулярни равнини, пресичащи се по протежение на посоката на разпространение (накратко казано - по протежение на лъча).

Отражението или пречупването на вълната през диелектричен материал е свързано с влиянието само на електричният вектор върху атомите и молекулите на веществото. Влиянието на магнитната съставна е твърде слабо и може да се пренебрегне, затова по-нататък ще разглеждаме явления само с участието на електричните вектори на вълните което пряко касае създаването на 3D изображението.

Обикновено от площта на работещ светоизточник се отделят оггромен брой кванти (фотони) за единица време, излъчени от голямо множество атоми, разпръснати безразборно един спрямо друг, като всеки акт на излъчване от атом трае от 10-7 до 10-8 s и това продължава докато светоизточникът е активен. Така непрекъснато излъчваните кванти образуват светлинен поток. Ако разгледаме трептенето на електричните вектори E на електромагнитните вълни по дадено направление в потока (по един избран лъч от него), то електричните вектори ще трептят хаотично, сключващи произволни ъгли един спрямо друг, т.е. ще лежат в безброй много равнини, пресичащи се по протежение на лъча. Ако мислено си представим как би изглеждала ориентацията на електричните вектори, гледано срещу лъча, те биха сочили всички възможни посоки на 90º спрямо посоката на разпространение. Такава светлина наричаме неполяризирана или естествена (следващата фигура):

Ако светлината се отрази в повърхност на диелектрик (стъкло, водна повърхност, лакирани и полирани мебели, лъскави пластмасови предмети) или премине през някои диелектрици (ако са прозрачни), се получава така, че електричните вектори на светлинните вълни трептят или само в една равнина - т. нар. пълна, линейна или плоска поляризация, или вследствие по-сложно взаимодействие с веществото те трептят в последователност, която може да се онагледи с един вектор, въртящ се по спирала със "стъпка" равна на дължината на вълната λ (анимацията по-долу). Ако при това въртене амплитудата на електричното поле се запазва постоянна във всички направления, перпендикулярни на посоката на разпространение, имаме кръгова поляризация, но ако амплитудата се променя и е различна в две взаимноперпендикулярни направления, върхът на вектора ще описва елипса и ще имаме елиптична поляризация.



Равнината, в която трепти електричният вектор на поляризираната светлина се нарича равнина на трептене, а перпендикулярната на нея равнина, в която електричният векторът е частично или напълно погасен - равнина на поляризацията.



От тук следва, че след като светлината (в случая рефлектирана от киноекрана) премине през диелектричен материал (стъкло, пластмаса или друг материал, от който са направени очилата за 3D), то се получава така, че електричният й вектор трепти и оказва влияние на атомите и молекулите на въпросния материал (влиянието върху магнитния вектор е слабо и се пренебрегва).

Ако трептенето е в една равнина, то явлението се нарича пълна, плоска или най-известното линейна поляризация. Ако освен трептене в една равнина, има и такова в други посоки, но с малка амплитуда, то се нарича непълна, частична или елиптична поляризация. Ако има трептене във всички посоки с еднакво намалена амплитуда, имаме кръгова поляризация. В стереоскопията в киното се ползват само два метода – линейна и кръгова. Стъклата на 3D очилата, които носите са поляризирани по един от двата начина.

Линейно поляризирани очила се ползват когато в киното, на екрана се прожектират две изображения, които са насложени едно върху друго. Самото прожектиране става през ортогонални (в математиката два вектора са ортогонални, ако те са перпендикулярни) поляризиращи филтри. Самият екран също е специален – той е не-деполяризиращ, като целта му е да запази светлината и тя да рефлектира към очилата на зрителите. За тази цел в самия екран има сребърни нишки, които го правят толкова рефлективен. Зрителите от своя страна носят очила, които също имат ортогонални поляризиращи филтри. Светлината, която се е отразила от екрана преминава през тези очила, като всеки филтър на очилата пропуска само еквивалентно поляризираната светлина и блокира другата. Така всяко око вижда различно изображение и постигнатият стереоскопичен ефект е налице. Недостатъкът тук е, че зрителят не трябва да мести много-много главата си, тъй като изображенията се „сливат“ попадат в противоположно поляризираните филтри и ефектът на 3D се губи.

Кръговата поляризация почти не се различава от линейната като краен резултат, но тук голямото предимство е, че зрителите могат да местят главата си както пожелаят. Отново на екрана чрез кръгово поляризирани филтри се прожектират две изображения, които са насложени едно върху друго. Очилата, които носят зрителите, съдържат чифт кръгово поляризирани филтри, като единият е в посока на часковниковата стрелка, а другия обратно, но с разменени позиции (т.е. различни от тези на прожектора). Така ляво-кръговата поляризирана светлина се изключва от десния филтър на очилата и обратното. Ефектът е същия – получаваме две отделни изображения на двете очи, но с бонуса, който споменах по-горе.3

Сред нещата, които правят холографията възможна, е явление, известно като интерференция. Интерференцията е структура на пресичане, която се получава, когато две или повече вълни, примерно водни, се пресрещат. Например, ако хвърлите камъче в езеро, то ще породи серия от концентрични вълни, които се разширяват. Ако хвърлите две камъчета в езерото, ще имате две серии вълни, които се разширяват и преминават една през друга. Сложното подреждане на гребени и падини на вълните, които се получават при такива сблъсъци, е известно като интерференчна картина. Всеки вълноподобен феномен може да създаде интерференчна картина, включително светлина и радиовълни. Тъй като лазерната светлина е извънредно чиста, кохерентна форма на светлина, тя е особено добра за сътворяване на интерференчни картини. По същество тя предоставя съвършеното камъче и съвършеното езеро. Затова и холограмите, каквито ги знаем днес, станаха възможни след изобретяването на лазера. Холограма се създава, когато излъчваната от единичен лазер светлина се раздели на два отделни лъча. Първият лъч се отразява от обекта, който трябва да бъде фотографиран. Тогава на втория лъч се позволява да се сблъска с отразената светлина от първия. Когато това стане, те създават интерференчна картина, която тогава се записва на фотоплака.



За невъоръженото око образът върху филма като че ли няма нищо общо с фотографирания обект, фактически той дори малко прилича на концентричните кръгове, които се образуват, когато хвърлите шепа камъчета в езеро.



Но щом друг лазерен лъч (или в някои случаи просто ярък светлинен източник) мине през филма, триизмерният образ на оригинала отново се появява. Три-измерността на подобни образи често пъти е страхотно убедителна. Вие действително можете да обикаляте една холографска прожекция и да я разглеждате от различни ъгли, както бихте направили с реален обект. Ако се опитате да я докоснете обаче, ръката ви ще мине през нея и ще откриете, че там реално няма нищо.



Парче холографски филм съдържа някакъв закодиран образ. За невъоръженото око образът върху филма не изглежда като фотографиран обект и е съставен от неравномерни вълнички, известни като интерференчни картини. Ако обаче филмът се освети от друг лазер, отново се появява триизмерен образ на оригинала. Триизмерността не е единственият забележителен аспект на холограмите. Ако холографска фотоплака, която съдържа образа на ябълка, бъде разрязана наполовина и след това осветена с лазер, всяка половинка ще съдържа цялостния образ на ябълката! Дори ако половинките отново и отново се разделят, от всяко малко парченце от филма може да се възстанови образът на цяла ябълка (макар че образът ще става все по-неясен с намаляването на частите). За разлика от нормалните снимки, всеки малък фрагмент от холографския филм съдържа пълната информация, записана върху целия филм. Докато теориите, които дават възможност за разработването на холограмата, са формулирани за пръв път през 1947 г. от Денис Габор (който по-късно спечелва Нобелова награда за своите постижения), в края на 60-те и началото на 70-те години на XX в. теорията на Прибрам получава още по-убедителна експериментална подкрепа. Когато Габор формулира за пръв път идеята за холографията, той не е мислил за лазери. Целта му е да подобри електронния микроскоп, тогава примитивен и несъвършен уред. Неговият подход е математически, по-конкретно той използва дял от висшата математика, изнамерен от един французин на име Жан Б.Ж. Фурие през XVIII в.

Опростено казано, това, което разработва Фурие, е математически начин за превръщане на всеки модел, без значение колко сложен, в език на прости вълни. Той показва също как тези вълнови форми могат да бъдат обратно превърнати в първоначалния модел. С други думи, също както телевизионната камера превръща един образ в електромагнитни честоти, а телевизионен приемник превръща тези честоти обратно в първоначалния образ, Фурие показва как подобен процес може да бъде постигнат математически. Уравненията, които той разработва, за да превърне образи във вълнови форми и обратно, са известни като преобразувания на Фурие.

Преобразуванията на Фурие позволяват на Габор да обърне образ на даден обект в мъглявината на ин-терференчни структури върху холографска плака. Те му дават също възможност да изнамери начин за превръщане на тези интерференчни структури обратно в образ на първоначалния обект, фактически необикновеното цяло-във-всяка-част на холограмата е един от страничните продукти, които се получават, когато образ или модел се преведе на Фурие-езика на вълновите форми.

В края на 60-те и началото на 70-те години на XX в. различни учени установяват контакт с Прибрам и му разказват за открити от тях доказателства, че зрителната система работи като вид анализатор на честоти. Тъй като честотата е мярка за броя трептения, които претърпява една вълна за секунда, това убедително показва, че мозъкът може да функционира като холограма. Но не е така до 1979 г., когато неврофизиолозите Ръсел и Карън Девалоа от Бъркли правят откритието, което решава въпроса. Изследване от 60-те години показва, че всяка мозъчна клетка в зрителната кора е приспособена да реагира на различен модел - едни мозъчни клетки се включват, когато окото вижда хоризонтална линия, други, когато окото вижда вертикална линия, и т. н. В резултат много изследователи стигат до заключението, че мозъкът приема входяща информация от тези високо специализирани клетки, наречени детектори на признаци, и по някакъв начин я съгласува (сглобява), за да ни снабди с нашите визуални възприятия на света. Въпреки популярността на този възглед, Девалоа смятат, че това е вярно само отчасти. За да проверят своето предположение, те използват уравненията на Фурие за превръщане на десени с шотландско каре в прости вълнови форми. След това проверяват как мозъчните клетки в зрителната кора реагират на тези нови образи във вълнова форма. Това, което откриват, е, че мозъчните клетки не реагират на първоначалните модели, а на фурие-преобразуванията на моделите. Заключението може да бъде само едно. Мозъкът използва математиката на фурие - същата математика, която прилага и холографията, - за да преобразува зрителни образи във Фурие-езика на вълновите форми.

Откритието на Девалоа впоследствие е потвърдено от редица други лаборатории в цял свят и макар да не дава абсолютно доказателство, че мозъкът е хо-лограма, то предоставя достатъчно доказателства, за да убеди Прибрам, че неговата теория е правилна. Подтикнат от идеята, че зрителната кора реагира не на модели, а на честоти на различни вълнови форми, той започва да преоценява ролята, която играят честотите при другите сетива. Не му отнема много време да разбере, че важността на тази роля може би е недогледана от учените през XX в. Повече от век преди откритието на Девалоа немският физиолог и физик Херман фон Хелм-холц показва, че ухото е честотен анализатор. По-съвременни изследвания разкриват, че нашето обоняние се основа на т. нар. осмотични честоти. Работата на Бекеши ясно показва, че нашата кожа е чувствителна към честотите на вибриране, а той дори привежда някои данни, че вкусът може да включва честотен анализ. Любопитно е и друго - Бекеши разкрива, че математическите уравнения, които му дават възможност да предвиди как неговите подопитни ще реагират на различни честоти на вибриране, са също от фурие-вида.



Танцьорът като вълнова форма

Но може би най-изумителната находка на Прибрам е откритието на руския учен Николай Бернщайн, че дори нашите физически движения може би са закодирани в мозъците ни на един език от фурие-вълнови форми. През 30-те години на XX в. Бернщайн облича хора в черни трика и изрисува бели петна върху техните лакти, колене и други стави. След това ги разполага срещу черен фон и заснема с камера извършваните от тях различни физически дейности като танцуване, ходене, подскачане, коване и печатане на пишеща машина. Когато проявява филма, върху него се появяват само белите петна, движещи се нагоре-

надолу и от единия до другия край на екрана в различни сложни и плавни движения.

За да изрази количествено своите открития, той анализира чрез математиката на Фурие различните линии, които чертаят белите петна и ги обръща в един език на вълнови форми. С изненада открива, че вълновите форми съдържат скрити модели, които му позволяват да предвиди следващото движение на участниците в експеримента с точност до 2,5 см. Руският изследовател Николай Бернщайн изрисува бели точки върху танцьори и ги заснема на черен фон как танцуват. Когато преобразува техните движения на езика на вълновите форми, той открива, че те могат да бъдат анализирани посредством математиката на Фурие, същата, която Габор използва, за да изнамери холограмата. Когато Прибрам се натъква на работата на Берн-щайн, той незабавно оценява нейните последствия. Може би причината, поради която скрити модели излизат наяве след анализа, който извършва Бернщайн на движенията на участниците в експеримента чрез преобразуванията на фурие, е че именно по този начин движенията се съхраняват в мозъка. Това е една вълнуваща възможност, защото ако мозъкът анализира движенията, като ги разлага на техните честотни компоненти,, това обяснява бързината, с която ние се справяме с много сложни физически задачи. Например ние не се научаваме да караме велосипед чрез усърдно запаметяване на всеки малък детайл от процеса. Учим се, като схващаме цялото плавно движение. Трудно може да се обясни плавната цялост, характерна за начина, по който се учим на толкова много физически дейности, ако нашите мозъци съхраняват информацията бит по бит. Но тя става много по-лесна за разбиране, ако мозъкът ни анализира чрез преобразуванията на фурие подобни задачи и ги усвоява като едно цяло.


Реакцията на научната област

Въпреки наличието на подобни доказателства, холографският модел на Прибрам остава крайно дискусионен. Част от проблема е, че има множество популярни теории за това, как работи мозъкът, и доказателства в подкрепа на всички тях. Някои изследователи смятат, че разпръснатата природа на паметта може да бъде обяснена чрез отлива и прилива на различни мозъчни химически вещества. Други твърдят, че електрически колебания между големи групи неврони могат да обяснят паметта и ученето. Всяка школа има своите ревностни поддръжници и вероятно бихме могли да кажем със сигурност, че повечето учени все още не са убедени от аргументите на Прибрам. Например невропсихологът франк Ууд от медицинския институт „Боуман Грей" в Уинстън-Салем, щата Южна Каролина, смята, че „има ужасно малко експериментални открития, за които холографията е необходимото, или даже предпочитаното обяснение". Прибрам е озадачен от подобни изявления и възразява, като отбелязва, че в момента има книга под печат с над 500 отпратки за такива данни.

Други изследователи са съгласни с Прибрам. Д-р Лари Доси, бивш административен ръководител на болницата „Медикъл Сити" в Далас, признава, че теорията на Прибрам е предизвикателство за много отдавна установени схващания за мозъка, но отбелязва, че „мнозина специалисти по функциониране на мозъка са привлечени от идеята, ако не за друго, то заради крещящите несъответствия в сегашните ортодоксални възгледи".

Неврологът Ричард Рестак, автор на сериала “Мозъкът” по кабелната телевизия Пи Би Ес, споделя мнението на Доси. Според него въпреки поразителните доказателства, че човешки способности са холистич-но разпръснати в целия мозък, повечето изследователи продължават упорито да поддържат представата, че може да бъде установено мястото на дадена функция в мозъка по същия начин, по който градове могат да бъдат намерени върху карта. Рестак смята, че теориите, основани върху тази предпоставка, не само са „свръхопростяващи", но реално функционират като „концептуални усмирителни ризи", които не позволяват да се оцени истинската сложност на мозъка. Той смята, че „холограмата е не само възможният, но в момента представлява може би най-добрият „модел" за функционирането на мозъка.4

Холографските телевизори може да заменят в следващите 10 години днешните модели на пазара поради високото качество на разработваната технология от Massachusetts Institute на Media Lab Technology, заяви Майкъл Бове, ръководител на обектно базиран Група на лабораторията Media.

Лабораторията, известна с изобретяването на технологията за производство на електронно мастило, създаде холографски чип, който може да поддържа показването на повече от 50 гигапиксела в секунда и симулиране на реални обекти чрез огъване, прогнозираното светлина в непрекъснат спектър от направления, което премахва необходимостта от триизмерни очила. Развитието технологията на чипа, както и на пространствен модулатор светлина, предстои да бъдат докладвани в списание “Нейчър” .

"Самата технология е тази, която е с ниска себестойност и иновационен характер, технология която никога преди не е била прилагана за разработка на 3D дисплеи", споделя проф. Бове, добавяйки, че устройството има цена "едва няколко стотин долара" за изграждане и поддържане . Високотехноличното естество на производство на чипа дава възможност да се използва в приложения, вариращи от видео игри за роботизирана хирургия, каза той.

Реклама и популяризиране на продукта

Група от учени в момента е в преговори с корпоративни членове на лабораторията за придобиване на технологията на чипа. Докато Боув отказва да назове конкретни дружества, участващи в дискусиите на лабораторията, корпоративни членове включват LG Electronics и Samsung.

Статистиката на сп. “Нейчър” показва, че за 2012 г. Samsung е най-големият продавач в света на 3D телевизори с 27 на сто от пазара, следвани от LG с 17,6 на сто, според NPD DisplaySearch изследовател. Продажбите на тези телевизори се очаква да достигнат $ US47.3 млрд. тази година и се очаква да се увеличи 26 на сто до $ US59.7 млрд. през 2016 г., каза NPD.

"Дългосрочен проект"

Развитието на чипа е повече от 20 години в процес на изграждане в Масачузетския технологичен институт. Изследователи от института са работили с холограми от 1989 г. с края на професор Стивън Бентън, който е построил първата видео холографски дисплей.

"Това е един много дългосрочен проект, но е ускори много в тази последните няколко години", каза Бове, който добавя: "Това не е просто идея, дошла внезапно след сутрешна закуска”

IT студент Daniel Smalley е провел повечето от настоящите чип-проектантска работа, като част от докторската си изследователски проект, Боув каза. За да се намалят разходите, групата е използвал радио и телевизионни шелф хардуер като Kinect, камера предназначена за игри Xbox конзола на Microsoft, за изграждане на система за холографски около чипа.


Продуцентът на 3D снимките Ервин М. Шмид разказва за новите възможности с дигиталната 3D технология

„Форматът 3D ни дава възможност да поставим зрителите върху сцената, в центъра на събитията”, споделя Вендерс за силата на новаторския си проект „Пина”. Със своя филм известният немски режисьор разбива представите за комерсиалността на 3D формата и предлага на зрителите изключителен триизмерен арт шедьовър.



Дигиталните технологии позволяват абсолютен контрол върху образа по време на целия период на продукцията – от снимките до постпродукцията и прожекциите в киното. Затова дигиталните технологии  са в основата за скорошния 3D бум, защото благодарение на тях бяха преодолени трудностите на аналоговия 3D формат, който създваше трудности при възприемането му от човешките очи по време на опитите за триизмерно кино през 50-те и 80-те години. Дигиталните камери снимат синхронизирано, те са като дигитални проектори и предлагат напълно стабилен образ, а и двете са изключително важни за възприемането на 3D формата. В началото на подготовката ни за „Пина” все още нямаше толкова сложно оборудване или обучени да го използват специалисти. За наше щастие се запознахме с опитния стереограф Ален Деробе (стереографът е специалист, който композира филмовите сцени, така че да изглеждат наистина ефектно, прожектирани в 3D формат), който не само ни запозна със създадения от него стереоскопичен отразител (mirror-rig), но и ни зарази със своя ентусиазъм и знания.  


1 Александров, 2012, Фундаментална теория на цветовете, стр. 24-28

2 Калайджиев, 3D технологиите в киното, публикуван 11.01.2010)

3 Калайджиев, 3D технологиите в киното, публикуван 11.01.2010)

4 Толбот 2012, Холографската вселена, стр. 20-22


База данных защищена авторским правом ©obuch.info 2016
отнасят до администрацията

    Начална страница