В прошлый раз мы говорили о революциях в русской грамматике, а сегодня давайте поговорим о революции в киноиндустрии (что-то тянет меня говорить о революциях – ох, не к добру это). Итак. В двадцатых годах произошел переход от немого кино к звуковому. В тридцатых – от черно-белого к цветному. Сейчас пришло время очередной революции – плоские двумерные фильмы уступают место объемным трехмерным. И хотя первые 3D фильмы появились еще в 20-х годах прошлого века (а вот представьте себе!), только современные технологии позволили добиться реалистичной трехмерной картинки при относительной простоте и дешевизне необходимой для этого аппаратуры. Дошло до того, что президент DreamWorks Animation (а эта компания, если вы не знаете, подарила нам «Мадагаскар», «Кунг-Фу Панду», «Шрека» и собирается, кстати, порадовать мультфильмом, где их знаменитый Кот в сапогах, да-да, тот самый, исполнит уже главную роль), так вот, президент этой замечательной компании уверен, что лет эдак через пять все фильмы, независимо от бюджета, станут трехмерными. Давайте же сегодня поговорим о трехмерном изображении и попытаемся разобраться, почему в кинотеатрах нас заставляют надевать очки и можно ли как-нибудь обойтись без них.
Сразу оговорюсь. Вспоминая слова Эйнштейна «Просто объяснить сложное сложно. Сложно объяснить сложное просто» я попытаюсь рассказать об этой интересной теме так, чтобы даже далекому от физики гуманитарию все сразу стало понятно. Физиков же прошу извинить мне некоторые упрощения, к которым я иногда буду прибегать.
Давайте для начала попробуем понять, как удается на плоском экране демонстрировать объемные изображения. Для этого сначала необходимо разобраться в том, как устроено человеческое пространственное зрение. Когда мы смотрим на какой-либо предмет, каждый глаз видит его со своего ракурса. Глаза получают две немного различающиеся картинки.
Очевидно, чтобы создать иллюзию объема у плоского изображения, необходимо сделать так, чтобы каждый глаз получил предназначенную персонально для него картинку, отличающуюся от той, которую получит его собрат. То есть, если мы хотим получить объемное фото пейзажа, одной-единственной фотографии для этого будет мало. Для того чтобы сделать такую картинку, пейзаж нужно снять одновременно двумя фотоаппаратами, расстояние между объективами которых примерно равно расстоянию между глазами человека. Существуют даже специальные фотоаппараты с двумя объективами.
А советские фотолюбители изготавливали такие фотоаппараты сами, из двух обычных:
Пара фотографий, которые мы получим при такой съемке, называется стереопарой.
© bdv
Что ж, главное сделано. Дело осталось за малым: сделать так, чтобы каждый глаз видел только одну из этих картинок. Как же мы этого добьемся? О, способов, оказывается, великое множество!
Самый простой из них – стереоскоп – был придуман аж в 1837 году сэром Чарльзом Уитстоном, знаменитым английским физиком (к слову сказать, изобретателем телеграфа). Стереоскоп – это довольно простая штука вроде маски, в которой сделаны две дырки для глаз, напротив каждой из которых помещается нужная фотография. Я сам однажды видел в антикварном магазине старинные черно-белые наполовину выцветшие стереопары на плотном картоне для подобного стереоскопа, подписанные на оборотной стороне каллиграфическим почерком со всеми «ятями» и «ерами».
Но объемные фотографии – это хорошо, а как же насчет объемных фильмов? Принцип тут тот же – сначала снять кино двумя камерами (а с мультфильмами еще проще – нужно лишь сделать по два рендеринга для каждой сцены), а затем показать каждому глазу свою картинку. На первый взгляд, очки или шлем виртуальной реальности, где для каждого глаза предназначен свой экран, кажутся идеальным решением.
Но, к сожалению, у этого метода масса недостатков. Во-первых, погрузившись в виртуальный трехмерный мир, вы оказываетесь отрезаны от мира реального и, к примеру, работать с клавиатурой больше не сможете (если, разумеется, до этого не прошли курс «Соло на клавиатуре». А на это, увы, оказываются способны далеко не все). Ой, да что клавиатура: может быть, вы просто хотите время от времени видеть глаза той, кто смотрит кино рядом с вами. Кстати, о той, кто рядом: вам придется купить второй шлем и для нее. Это было во-вторых, а в-третьих, и один шлем влетит вам в копеечку. А уж если вы решите смотреть кино в большой и дружной компании… Нет, не будем об этом. Тем более что существуют иные технологии, гораздо проще и дешевле.
Весьма остроумное решение было предложено несколько лет назад. Вы сидите перед монитором в специальных очках, называемых затворными. Вместо стекол у них специальные прозрачные жидкокристаллические пластины, которые по сигналу могут мгновенно затемняться, делаясь непрозрачными. Этим они и занимаются – с очень высокой частотой поочередно затемняют то правую, то левую линзы. Очки синхронизированы с монитором, на котором с той же частотой меняются картинки для правого и левого глаз. За счет инерции нашего восприятия мы видим цельное объемное изображение.
Правда, тут есть свои недостатки. Чтобы глаза не замечали мерцания, очки должны работать с очень высокой частотой. На практике мерцание прочно завязано на частоту обновления монитора. Если она составляет 120 Гц (а это весьма неплохой показатель для современных мониторов), то на экране отображается 120 кадров в секунду. Однако из-за эффекта попеременного затвора эта частота уменьшается в два раза, потому что каждый кадр сейчас состоит из двух картинок. Следовательно, глаза получают эффективную частоту в 60 Гц – а это как раз показатель довольно низкий, быстро утомляющий глаза. Кроме того, так как эффект затвора привязан к частоте обновления, то очки должны быть как-то связаны с графической картой, чтобы обеспечить синхронизацию – например, с помощью кабеля.
Несмотря на недостатки, эту технологию уже можно использовать в кинотеатрах – снабдить каждого зрителя затворными очками проще, чем шлемами виртуальной реальности, на микромониторах для которых можно разориться. Работают такие очки от батареек, а синхронизация с экраном происходит через инфракрасный порт (посмотрите на фотографию красных очков: темный квадратик на переносице и есть окошко ИК-порта). Эта технология называется XpanD 3D. Но это далеко не единственная система, какой пользуются современные кинотеатры.
Чтобы понять, на чем основаны другие технологии, пришло время вспомнить физику, а именно, те страницы учебника, где рассказывалось про поляризацию света. Напомню, что свет можно пропустить через фильтр, поляризующий его, скажем, горизонтально: это значит, что фильтр пропустит лишь те световые волны, которые колеблются только в горизонтальной плоскости. Если теперь на пути поляризованного света встретится второй такой же фильтр, свет пройдет через него без проблем. А вот если этот второй фильтр повернуть на девяносто градусов, свет пройти через него не сможет: фильтр будет пропускать теперь только вертикальные волны, а таковых в горизонтально поляризованном свете нет.
Если вставить в очки вместо стекол два поляризатора, повернутых под прямым углом относительно друг друга, и с помощью двух проекторов демонстрировать на одном экране сразу две картинки в наложении (одну горизонтально поляризованным лучом, другую вертикально поляризованным), каждый глаз будет видеть лишь одну из них. Что нам и требуется. Такая технология называется IMAX 3D.
Почему же сегодня эта технология не очень популярна? Далеко не главный, но самый заметный недостаток для зрителей состоит в том, что поляризационные фильтры поглащают половину света. Это очень хорошо заметно: надел очки – изображение приобрело объем, но стало довольно блёклым. А для кинотеатра главным недостатком является то, что для демонстрации фильма необходимы два проектора, каждый из которых будет показывать поляризованную по-своему половину стереопары. Кроме того, экран кинотеатра должен быть металлизированным (обычно используется серебряное напыление), для того, чтобы отраженный от него свет сохранял свою поляризацию. Как видим, система громоздкая и опять-таки недешевая, хотя за неимением альтернатив она активно использовалась в середине прошлого века.
Кроме того, есть еще один недостаток: если наклонишь голову набок, плоскости поляризации в очках уже не будут точно совпадать с плоскостями поляризации света, и из-за этого на экране станет видно раздвоенное изображение. Поэтому иногда используется не линейная поляризация – горизонтальная и вертикальная, а круговая – по часовой стрелке и против: в таком случае можно без проблем наклонять голову вбок. Но принцип стереоэффекта остается тем же самым. Это, кстати, уже считается другой технологией, и называется она RealD Cinema. Здесь умудряются даже обойтись одним проектором: кадры для правого и левого глаза записаны на пленке поочередно, и во время просмотра перед объективом проектора с частотой смены кадров меняются и два поляризатора.
Самой же простой и дешевой технологией является так называемый анаглиф.
А к чему я это рассказываю? Чтобы вы лучше поняли принцип: если надеть очки с красным светофильтром для левого глаза, и голубым для правого, а на экран вывести изображение для правого глаза в красном канале, а для левого в голубом, светофильтры в очках для каждого глаза отсекут ненужные цвета. Такая технология носит название «анаглиф». А зеленая помада тут не при чем.
Вот анаглифическая картинка: видите, как на ней перекрываются два изображения – одно в красном канале, другое в голубом.
На сегодняшний день это самый популярный из-за своей дешевизны способ создания объемных изображений: совсем не трудно найти в книжном магазине книжку со стереоизображениями живой природы (ну, или каких-нибудь живых мертвецов – кому что ближе) и картонными анаглифическими очками в комплекте. А вот в кинотеатрах как раз эта технология практически не используется: существенным недостатком метода анаглифов является неполная цветопередача. Из-за того, что светофильтры в очках не пропускают определенные цвета, конечное объемное изображение кажется однотонным и ненасыщенным (правда, для черно-белой фотографии девушки это не актуально).
Для приверед, которые желают во что бы то ни стало смотреть кино в полной цветовой гамме, была разработана технология под названием Dolby Digital Cinema 3D. Это уже довольно сложное изобретение, созданное для преодоления недостатков анаглифических очков. Чтобы разобраться в нем, нужно обладать хотя бы базовыми знаниями в области физики оптики (или как минимум пол-литрой). Не углубляясь в физические дебри, попробую объяснить ее на пальцах.
Как вы знаете, все краски, которые мы видим на мониторе, получаются путем смешения в нужных пропорциях трех основных цветов: красного, зеленого и синего (это называется цветовой схемой RGB – от red, green, blue). Итак, чтобы нарисовать на экране цветную картинку, необходимы три составляющие, грубо говоря, три световых луча. В технологии же Dolby Digital Cinema 3D используется дважды по три луча: красный с большей длиной волны (для левого глаза) и красный с меньшей (для правого); зеленый с большей длиной волны и зеленый с меньшей; наконец, синий с большей и синий с меньшей. Для разделения потока света на шесть цветовых полос проектор снабжен специальными интерференционными фильтрами. В очки же, которые вы надеваете в зале, также встроены фильтры: правый пропускает более длинные красные, зеленые и синие волны, левый – более короткие. Таким образом, каждый глаз получает полноцветное изображение своей картинки. Правда, цветовой тон картинок для правого и левого глаз немного разнится – все-таки, правый глаз получает цвета немного отличные от тех, которые получает левый. Это компенсируется цветовыми фильтрами в очках – легко заметить, что их стекла слегка резличаются оттенком.
Пожалуй, это одна из самых совершенных на сегодняшний день технологий: практически не страдает цветовая гамма (а как раз это было одной из главных проблем анаглифа), нет никакого двоения, кроме того, вы можете наклонять как угодно голову, и не увидите никаких искажений на картинке.
Эта технология используется во многих наших кинотеатрах. Кстати, если вы решите позаимствовать оттуда очки, хочу предупредить вас о нескольких моментах. Во-первых, вряд ли у вас получится насладиться дома таким же качественным эффектом, как в кинотеатре, без специального проектора (а его позаимствовать оттуда уже значительно сложнее). Во-вторых, на очках обычно наклеена замаскированная липучка-пищалка (знаете, как в супермаркетах), которая с головой выдаст вас при выходе из зала. И, наконец, компания «Dolby» обещает, что скоро такие очки будут одноразовыми и любой зритель сможет забрать их в качестве сувенира. Так что просто подождите немного – вдруг не врут?
А существуют ли методы, позволяющие смотреть объемное кино вообще без использования очков? Представьте себе, есть! Давайте поговорим о них.
Посмотрите на картинку: кажется, что изображение представляет сбой повторение одного и того же фрагмента. На самом же деле эти фрагменты слегка различаются. Если вы расфокусируете взгляд и позволите изображению раздвоиться, то при совпадении соседних фрагментов вы и увидите объемное изображение.
Итак, что же нужно для этого сделать? Во-первых, предупредить окружающих, что им не следует звонить санитарам, когда они увидят вас пялящихся с отсутствующим выражением лица в цветные пятна на мониторе.
Затем попробуйте поместить картинку на расстояние в половину вытянутой руки от ваших глаз. Расфокусируйте взгляд: смотрите не на узор, а сквозь него. Если вы делаете это впервые в жизни, естественно, что у вас получится не сразу: вы будете неосознанно пытаться сфокусироваться на рисунке. Однако по-прежнему пытайтесь смотреть сквозь картинку. Расслабляйте глаза, позвольте изображению поплыть, раздвоиться. Можете попробовать немного изменить расстояние до картинки. Вскоре вы увидите, как фон отступает назад, а перед ним проступают какие-то неясные размытые образы. О, поздравляю, вам уже почти все удалось. Но не спешите, дайте хрусталику приспособиться. И через полминуты вы сможете сфокусироваться на объемном изображении. Вы, наверное, даже удивитесь, насколько четко вы его будете видеть. Я, во всяком случае, удивился. Со мной это впервые случилось месяц назад, а до этого мне никогда не удавалось разглядеть на таких рисунках что-то кроме непонятных пятен. И я с завистью смотрел на окружающих, которые умудрялись видеть там замки, рыцарей и бог знает, кого еще. Они казались мне носителями некоего сакрального знания. Месяц назад оно открылось и мне. Присоединяйтесь к нам и вы!
Если вам понравилось, нагуглите Яндексом другие стереограммы: недостатка в них нет. Если не понравилось, еще лучше: продолжайте читать мою статью.
Разглядывать стереограммы, оказывается, не только забавно, но и полезно. Некоторые западные врачи используют стереограммы для коррекции и тренировки зрения. Однако не стоит себя переутомлять. К тому же у новичков в первое время могут наблюдаться усталость в глазах или даже головная боль. Дайте глазам отдохнуть, а потом пробуйте еще. С каждым разом вы сможете видеть все больше и больше деталей, все быстрее и быстрее погружаться в трехмерную картинку.
А дальше всё интересней и интересней. Оказывается, есть технологии, позволяющие создавать 3D-эффект без помощи каких-либо дополнительных устройств вроде очков или шлемов (и не ломая глаза, как перед стререограммой) – это так называемые автостереоскопическими дисплеи. Если вы сядете перед таким монитором и ваша голова окажется в определенном положении перед экраном, то вы увидите не плоское, а объемное изображение!
Для создания таких чудесных мониторов используются линзы Френеля. Даже если вы не заканчивали физфак, все равно не пугайтесь. Это довольно простая (и, безусловно, гениальная) штука, с которой вы сами, уверен, не раз сталкивались.
Мне, например, еще в раннем детстве попался в руки календарик с красивой картинкой на обратной стороне, покрытый сверху прозрачным ребристым пластиком. Глядя на календарик под разными углами, можно было увидеть, как изображение на нем меняется (кажется, там был какой-то зимний пейзаж с Дедом Морозом). Смотришь слева – перед тобой одна картинка, справа – вуаля! – совсем другая. А если один глаз окажется в левой зоне, а другой – в правой? Вот вам и стереоэффект!
Но как же работает эта штука? Как я уже сказал, все дело в волшебных пузырьках, пардон, в волшебных линзах Френеля.
Итак, у нас есть две картинки – одна должна демонстрироваться правому глазу, другая – левому. Разрезаем каждую из них на тонкие-тонкие вертикальные полоски, а затем, чередуя их, собираем новую картинку: полоска правой картинки, полоска левой, и так далее. Что мы увидим, посмотрев на дело наших рук? Правильно, какую-то ерунду. Но как только мы положим сверху пластинку, состоящую из полукруглых стеклянных или пластмассовых полосок (это и есть линзы Френеля), все кардинально меняется. Посмотрите на картинку: свет, отраженный от фрагмента правого изображения преломляется линзой Френеля иначе, чем свет, отраженный от фрагмента левого. При правильном расчете перед экраном образуются две зоны: из одной из них можно видеть лишь фрагменты правой картинки, из второй – только левой. Наша задача теперь – сесть так, чтобы каждый наш глаз оказался в одной из этих зон.
К сожалению, даже у такой замечательной технологии есть свои недостатки. Во-первых, оборудованный по такой схеме монитор уже не способен показывать обычную двумерную картинку – линзы все равно будут разлагать ее на две. Во-вторых, у картинки для каждого глаза де-факто горизонтальное разрешение уменьшено вдвое по сравнению с разрешением дисплея (хотя с современными широкоформатными мониторами эта проблема уже не столь актуальна). В-третьих, если голова зрителя уйдет за пределы предназначенной для нее стереозоны, картинка поплывет или даже станет инвертированной: правый глаз будет видеть левую картинку, и наоборот. Впрочем, последнюю проблему смогли преодолеть с помощью системы на основе двух камер, расположенных в верхней части дисплея, которая отслеживает положение глаз пользователя и соответствующим образом сдвигают пластину с линзами так, чтобы каждый глаз по-прежнему видел нужное изображение. Теперь зритель имеет относительную свободу передвижения. Хотя мне, например, не понятно, что станет делать эта система, если в поле зрения ее камер окажутся сразу два человека?
А вот теперь, друзья мои, давайте взглянем на общую картину с другой стороны. Приходится признать, что, все это время, говоря об объемном изображении, мы несколько лукавили. Картинки, которые мы видим на плоских мониторах, являются псевдо-трехмерными: с какой стороны мы ни пытались бы их разглядеть, мы будем видеть один и тот же ракурс объекта и, получая иллюзию объема, все же не сможет рассмотреть его с разных сторон. Ведь на самом деле каждый глаз видит лишь одну предназначенную ему картинку. И вот здесь мы подходим к самому интересному: к дисплеям, которые могут показывать нам настоящие трехмерные объекты.
Оказывается, такие дисплеи существуют и называются они волюметрическими (от английского «volume» – «объем»). Эти устройства существенно отличаются от всех тех, о которых мы говорили ранее: они воспроизводят объемное изображение в виде так называемых вокселов (от «volume pixel»), то есть, точек, расположенных не в двух измерениях, а в трех.
Но на пустом месте изображению взяться неоткуда – так что для отображения вокселов в каком-либо объеме этот объем должен быть заполнен чем-то, что и сформирует изображение трехмерного объекта. Как и в случае с двумерной картинкой, вариантов здесь два: можно заполнить объем светящимися вокселами (подобно матрице монитора, только в трех измерениях), или же веществом, способным отражать свет (по принципу экрана, на который проецируется картинка). Ну, с первым вариантом более-менее понятно: стеклянный ящик, заполненный маленькими лампочками-вокселами, может быть примером самого простого волюметрического дисплея – конечно, очень несовершенного, но нам важно понять сам принцип).
А вот со вторым вариантом, с экраном, проблема: из-за его непрозрачности мы не увидим вокселов, расположенных в глубине объекта. И здесь в очередной раз приходит на помощь инерционность зрительного аппарата человека. Сплошной объем вещества можно заменить тонким экраном, который с высокой скоростью перемещается вперед-назад, проходя через все точки объема. В каждый момент времени на экран проецируется соответствующая картинка, а конечный трехмерный объект состоит как будто из множества слоев.
К сожалению, очень сложно совместить высокую скорость перемещения экрана с отсутствием вибраций. Высокие технологии нам в помощь – движущий физически экран можно заменить движущимся виртуально. Для этого используют стопку жидкокристаллических пластин – экранов, прозрачность которых меняется под воздействием управляющего напряжения. В при отсутствии напряжения пластина прозрачна и пропускает свет, а при подаче токам мутнеет и становится экраном. Установленный за пакетом проектор формирует изображения «срезов» 3D сцены синхронно с переключением прозрачности пластин.
Правда, полученный объект находится в мониторе как в коробке, и рассмотреть его со всех сторон мешают стенки. А нельзя ли как-нибудь ухитриться сделать их прозрачными?
Для человеческого гения невозможного мало. В 2005 году был разработан Perspecta Display – первый в мире волюметрический дисплей, который позволяет наблюдателю рассматривать объемные движущиеся изображения с любой стороны, снизу доверху и даже масштабировать его.
В модели Perspecta используется плоский экран, который не двигается взад-вперед, а вращается в прозрачной сфере вместе с системой зеркал для проецирования изображения со скоростью 15 оборотов в секунду. Проектор успевает сформировать за время одного оборота 198 плоских изображений, составляющих своеобразную «нарезку» демонстрируемого объекта. А зная, что разрешение вращающегося плоского экрана 768 на 768 пикселей, нетрудно подсчитать, что трехмерный объект состоит более чем из ста миллионов вокселов!
Главной же проблемой этого устройства является очень сложная задача синхронизации вращения экрана со сменой изображения на нем и расчет «нарезки». Увы, даже с помощью современных мощных компьютеров не так просто вычислить положение точки пересечения наклонного луча и вращающейся плоскости в реальном времени.
Вот так незаметно мы перешли от трехмерного кино к куда более солидным сферам применения технологии 3D. Очевидно, что волюметрические дисплеи используются не для демонстрации фильмов, а для решения более серьезных задач. Такие системы стереовидения и вывода объемного изображения применяются в моделировании, в охранных системах видеонаблюдения, в медицине (например, при проведении полостных исследований или в фармацевтической индустрии, где ученые при разработке и производстве лекарственных препаратов должны видеть, как трехмерные модели взаимодействуют друг с другом) и в ряде других областей. Например, устройство Perspecta сразу после разработки приобрели несколько нефтяных компании для визуализации разрезов земной коры по сейсмическим данным, три медицинских центра для визуализации человеческих органов по данным сканнеров магнитного резонанса и воздушные силы США для наблюдения эскадрилий самолетов по данным радаров.
Ну что ж, как мы резюмируем сегодняшнюю беседу? А очень просто: нечего сидеть в душной комнате у скучного плоского монитора, а надо собирать друзей, покупать билеты на стереофильм и отправляться в кино изучать на практике интерференцию, дифракцию и поляризацию – в конце концов, двадцать первый век на дворе!