Стереоскопия без очков: проблемы и решения

Обмануть человеческий мозг искусственной стереоскопической картинкой, представив зрению оптическую иллюзию объёма, в теории не так уж сложно, для этого за более чем полуторавековую историю стереографии придумано немало превосходных способов. Оставив за скобками голографию и другие экзотические, плохо реализуемые на современном этапе развития технологий проекты, выделим три основных класса устройств с использованием различных разновидностей дисплея (экрана):

• Активно-затворная технология — временное разделение каналов для правого и левого глаза с применением поочерёдно открывающих каждый глаз 3D-очков;
• Пассивная технология – спектральный (анаглиф, VisuZ и прочие), оптический (LG, IMAX, RealD и прочие), а также другие способы разделения каналов для правого и левого глаз, где используются пассивные (не переключаемые) 3D-очки с соответствующими фильтрами;
• Автостереоскопическая технология — отображение объёма без применения очков. "Авто" в данном случае означает, что наше зрение формирует для мозга стереоскопическую иллюзию без дополнительных фильтров – только глаза и экран.

Подробнее все три способа рассмотрены в нашей публикации «3D кино, ТВ и игры: как это работает», так что особого смысла возвращаться к их сравнению сегодня нет. Другое дело, что по качеству объемной картинки третий способ пока далек даже от того уровня, который демонстрируют кинотеатральные технологии с пассивными поляризационными очками и домашние компьютерные или телевизионные дисплеи с активными очками.

Даже самые "продвинутые" из ныне представленных в рознице "безочковых" 3D-дисплеев для планшетов и гаджетов обеспечивают весьма условную имитацию объёма, что уж говорить о 3D-телевизорах с большими диагоналями, где воссоздание глубины сопровождается нереально космическими ценами.

Между тем технологии производства экранов для качественного отображения объёма уже существуют. Несмотря на мой персональный скептицизм в отношении совсем уж близкого будущего 3D без очков, базирующийся на опыте знакомства с десятками инженерных и розничных образцов 3D-дисплеев с достаточно посредственным качеством передачи объёма, всё же свидетельствую: как минимум три прототипа с весьма убедительной передачей стерео 3D-картинки видел своими глазами.

Сегодня мы поговорим исключительно об автостереоскопических дисплеях, существующих недостатках технологий и способах их преодоления. Но, увы, вынужден подкинуть здоровенную ложку дёгтя в бочку мёда ожидающих стереоскопии без очков. Если вы не смотрите современный стереоскопический контент в активных или пассивных 3D-очках по каким-то личным соображениям эстетического или технического характера (не нравится, как выглядите в очках, очки непривычны или действительно неудобны, выпендрёж подростка-нигилиста: "Тридэ отстой!" и тому подобным) – что ж, есть смысл подождать.

Если же при использовании современных 3D-очков для телевизоров и кинотеатров вы испытываете физические проблемы вроде быстрого утомления глаз, сильного напряжения, головной боли, тошноты или даже рвоты – увы, стерео без очков, скорее всего, вам тоже не поможет. В своё время мы всесторонне рассмотрели эти проблемы в нашей публикации «Здоровье и стерео 3D. Часть первая, физиологическая», так что вопрос "с очками или без очков" вовсе не стоит: вероятно, придётся проконсультироваться с врачом-специалистом на предмет исследования отклонений в вашем зрении.

0. Определимся с терминологией

Для того чтобы убедиться, что мы с вами говорим на одном языке и пользуемся одними и теми же определениями, проведём для начала простой эксперимент: попробуем вытянуть руку перед своим лицом и скрестить указательный и средний палец вытянутой руки на уровне глаз (если не получается просто скрестить, фигушка тоже подойдёт). Теперь внимательно посмотрим на эти пальцы сначала одним глазом, потом другим.

Теперь, продолжая поочерёдно закрывать правый или левый глаз, плавно приблизим комбинацию из пальцев как можно ближе, до кончика носа, а затем, также не спеша, отодвинем её на максимально дальнее расстояние от лица.

Таким нехитрым способом вы с вами на практике выяснили несколько ключевых особенностей нашего зрения. Во-первых, каждый глаз видит изображение под собственным углом, и оно отличается от видимого вторым глазом тем сильнее, чем ближе находится наблюдаемый объект. Во-вторых, чем ближе объект наблюдения расположен к глазам, тем больше угол между осями зрения каждого глаза (палец у самого носа и вовсе заставляет глаза, что называется, "косить").

Всё вместе это называется параллаксом, основой стереоскопического зрения человека, и позволяет нам с помощью природной угломерной системы "глаза – мозг" определять размеры объектов и расстояние до них. Это же помогает киношникам устраивать классический обман зрения, показывая двух людей, стоящих на разном расстоянии, как лилипута и гиганта, на этом же эффекте базируется любой способ эмуляции перспективы в устройствах с экранами для воспроизведения объёма без очков.

Поскольку оптические оси наших глаз находятся на фиксированном расстоянии друг от друга (как правило, что-то вроде 60-65 мм), определять объём предметов и расстояние до них с более-менее определённой точностью мы можем лишь на небольшом удалении: чем больше расстояние до предмета, тем меньше угол параллакса и, соответственно, тем меньше точность "измерения".

Вспомните об этом ещё раз, когда будете требовать от разработчиков "безочковых" экранов больших диагоналей с хорошей передачей глубины: возможно, проблема всё же не в плохих технологиях, а в ограниченных возможностях нашего зрения.

Впрочем, в жизни мы повышаем точность своего глазомера ещё и за счёт движения относительно наблюдаемого объекта или, наоборот, движения объекта относительно наблюдателя и статичных объектов в поле зрения. То же самое с успехом используют киношники – динамичные сцены в фильмах и удачные фотографии выглядят порой достаточно объёмно и пластично даже без третьего измерения.

Дополнительное ощущение объёма также может обеспечить умелое размытие переднего или заднего фона изображения.

Впрочем, все эти ухищрения одинаково хороши и в обычных, и в объёмных 3D-фильмах, к качеству автостереоскопических экранов они имеют лишь косвенное отношение.

1. Стерео без очков: лентикулярная технология

Самый простой, старый и уже многократно "обкатанный" на практике способ формирования объёмной картинки без очков известен нам ещё по бабушкиным стереооткрыткам. Способ основан на том, что поверх открытки или, в нашем случае, экрана, располагается специальная накладка с вертикальными лентикулярными линзами специфического сечения. Преломляя свет под определённым углом, такие линзы обеспечивают "полоску изображения", различную для каждого глаза, и всё вместе это складывается в наглядный пример автостереоскопии.

Лентикулярные дисплеи можно назвать самым распространённым явлением на сегодняшний день. Они используются во множестве 3D-фоторамок, в качестве "безочковых" дисплеев во множестве 3D-мониторов и 3D-ноутбуков, в большинстве популярных фотоаппаратов и видеокамер с поддержкой 3D-съёмки.

Более того, сегодня на рынке присутствует множество различных компаний, предлагающих специальные накладные лентикулярные плёнки для превращения вашего ноутбука, смартфона, планшета или монитора в устройство с поддержкой стерео 3D. Встречаются даже решения, позволяющие создавать 3D-панно и покрытия с диагональю до нескольких метров.

Огромным плюсом лентикулярной технологии является ее низкая цена, ведь под пластиковой накладкой по-прежнему лежит дисплей, выполненный по привычной ЖК-технологии. Минусов у этой простой технологии, напротив, очень много. Прежде всего, это эффект "муара" и особенно эффект "фантомных" отражений (некоторые называют это явление "гхостинг", механически и безграмотно калькируя в русский язык английский термин ghosting) — когда получаемый стереоэффект при некоторых углах обзора неожиданно распадается на раздваивающуюся картинку.

Вторая беда лентикулярных дисплеев – жёсткая ориентация картинки в силу ленточной структуры линз, этакая своеобразная "поляризация". Попробуйте сменить портретную ориентацию экрана на альбомную, и видимый объём картинки моментально пропадёт.

При этом мы ещё даже не коснулись проблемы снижения "честного" разрешения 3D-экрана при использовании пикселей для формирования картинок для двух глаз одновременно.

Если со второй проблемой в рамках классической лентикулярной технологии бороться невозможно (ниже мы рассмотрим варианты с нелентикулярными линзами), то фантомные искажения частично убираются с помощью более высокого разрешения экрана и более мелкой структуры линз. К сожалению, такой способ срабатывает только в отношении небольших экранов гаджетов диагональю 3-4 дюйма. Если речь заходит о 7-9 дюймах и более, где взгляд пользователя, даже когда он смотрит по центру, перпендикулярен не всей плоскости экрана — периферия экрана оказывается в любом случае под заметным углом, приходится идти на дополнительные хитрости.

Вроде тех, что компания Sony представила осенью 2011 года, анонсировав лентикулярную плёнку для ноутбуков серии VAIO S. Толщина плёнки, накладываемой на 15-дюймовый экран, составляет всего 3 мм, и поэтому специальным секретным оружием выступает прилагаемая программа, вычисляющая с помощью встроенной в ноутбук веб-камеры положение глаз зрителя и его головы и подстраивающая под эти параметры 3D-изображение. Оптимальным для такого решения названо расстояние 0,3–1,0 м до глаз зрителя, при этом горизонтальный угол обзора был заявлен в пределах 60-120°.

Примерно по тому же принципу работают накладные рамки 3DeeScreen со специальным экраном 3DeeLens от компании Spatial View, поставляемые с соответствующей программой и позволяющие просматривать стереоконтент на экранах ноутбуков без применения очков. Коррекция положения глаз пользователя системой 3DeeScreen происходит 30 раз в секунду. Кроме того, с учётом значительного разброса параметров ноутбуков разных производителей, в комплект поставки также входит специальная утилита для калибровки. Кстати, в процессе разработки специалисты Spatial View активно сотрудничали с Cyberlink и Arcsoft, оптимизируя свою технологию для более качественной совместимости с программными 3D-плеерами.

Подобных решений с различным качеством исполнения накладок и софта сейчас на рынке уже десятки. 

2. Стерео без очков: барьерный параллакс

Для понимания сути технологии барьерного параллакса проведём ещё один практический эксперимент. Вновь вытянем руку перед глазами, только теперь вместо фиги попрошу вас сконфигурировать из большого и указательного пальцев этакий "бублик" – этот жест ещё называют "ОК". Посмотрите сквозь этот "бублик" на что-нибудь, да хотя бы на текст, который вы сейчас читаете, и поочерёдно закрывайте правый и левый глаз. Ваши глаза вновь видят несколько различающиеся картинки, и вновь это заслуга эффекта параллакса, а роль барьера в данном случае выполнил ваш "бублик".

Вот так в общих чертах устроены автостереоскопические дисплеи с барьерным параллаксом: берём обычный ЖК-дисплей, ставим перед ним "барьерную решётку" с этакими узкими "бойницами", и в результате каждый глаз увидит только тот пиксель, который ему будет виден через эту решётку.

Даже не ломайте голову над тем, как бы выглядел розничный образец такого "щелевого" дисплея – слишком много негативных нюансов у технологии барьерного параллакса в "голом" виде. Однако мы уже в полушаге от идеи, которая превращает тыкву в карету: если бы "барьерная решётка" сама открывала и закрывала обзор пикселей…

Вот это уже теплее. Осталось развить идею до коммерчески приемлемого состояния. Можно, например, положить барьерную переключаемую решётку из привычных жидких кристаллов поверх экрана. А если подумать ещё немного, можно расположить барьер между источником подсветки и пикселями экрана, как это сделано, например, в автостереоскопическом экране производства Sharp, применяемом в игровой консоли Nintendo 3DS или в смартфоне LG Optimus 3D. В этом случае формирование двух различных картинок для разных глаз происходит даже не с помощью разных пикселей, а с помощью разной их подсветки, что позволяет получить более чёткую картинку с меньшими затратами энергии. 

Собственно, этой информации вполне достаточно для правильного представления принципа работы технологии барьерного параллакса. Мы даже не будем подробно критиковать его многочисленные нюансы, назовём лишь главные: для больших экранов и нескольких зрителей технология в её базовой реализации совершенно непригодна. Есть, правда, одно существенное преимущество перед лентикулярными дисплеями – при продуманной реализации параллаксного барьера смена ориентации дисплея с альбомной на портретную и обратно не приводит к потере стереоэффекта.

Технологии лентикулярных линз и параллаксного барьера – это всё, что у нас есть для реализации автостереоскопических экранов. И если в чистом виде обе технологии отказываются обеспечить высокое качество картинки на больших диагоналях, да ещё с приличной передачей объёма, выход один: будем их комбинировать.