Тривимірне телебачення

Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ УКРАЇНИ

"Київський політехнічний інститут ім. Ігоря Сікорського"

Реферат

на тему: "Тривимірне телебачення"

з курсу: "Пристрої відображення та реєстрації інформації"

Виконав: студент групи ДС-81мн

Желязков Єгор Олександрович,

Перевірив: викладач

Миколаєць Дмитро Анатолійович

Київ - 2018

ВСТУП

У процесі праці винятково важливе значення має зорова орієнтація. Завдяки зоровому аналізатору працівник отримує 85-90 % всієї інформації. Зір дозволяє сприймати форму, колір, яскравість і рух предметів.

Зорове відчуття залежить від яскравості предмета і контрастності його з фоном. Саме ці дві обставини слід враховувати при проектуванні трудових процесів, особливо тих, які характеризуються малими розмірами деталей, сприйманням цифрових і знакових сигналів та напруженням зору.

Ми проживаємо у тривимірному просторі. В загальному випадку кожному об'єкту характерні такі параметри як довжина, ширина і висота. Людина, як суб'єкт, з самого початку усвідомлювала необхідність передачі інформації.

Спочатку це були малюнки на камені чи в печері, згодом почав з'являтися алфавіт. З плином часу відбувалося малювання картин і створення скульптур, але вони мали свої вади: картини були плоскі і описували картинку не точно, так як зображував її художник в певний момент, скульптури хоч і мали об'єм, але були позбавлені кольору і руху.

Колись для людей було новинкою телебачення, на зміну йому прийшло кольорове телебачення, а потім і супутникове мовлення. ми стаємо свідками переходу на новий, вищий етап телерадіомовлення це - цифрове телебачення. Це новий принцип передачі сигналу, який заснований на тому, що сигнал передається за допомогою цифрових кодів (електричних імпульсів).

На разі телебачення типу SDTV (телебачення стандартної чіткості) усувається телебаченнями типу HD (високої чіткості) та 3D (об'ємним).

Загалом в історії розвитку відео та телебачення необхідно відокремити окремі етапи: а) чорно-біле телебачення - передається суто яскравість зображення; б) кольорове телебачення - передається яскравість та кольорова гамма зображення; в) цифрове відео (Video DVD, Video CD); г) цифрове відео та телебачення високої роздільної здатності (Blu-Ray, HDTV); ґ) об'ємне цифрове відео та телебачення (3D).

Розвиток цифрового телебачення дає можливість переходу на новий рівень технології відеопоказу. Багато моментів пов'язані не лише з підвищенням якості зображення, але й з проривом в третьому вимірі.

За останні 20 років, дякуючи нанотехнологіям та комп'ютерам, людина змогла здійснити неймовірний прорив. Об'ємне зображення кардинально змінило світ. Його впроваджують в медицину, мистецтво, інформаційні технології, різні розваги та пов'язану з роботою вчених наукову діяльність.

Для розуміння принципу 3D технологій необхідно усвідомити залежність структури людського ока і здатності людини бачити речі об'ємними. Очі розташовані на відстані близько семи сантиметрів одне від одного, відповідно, те що бачить одне око, інше не може. мозок отримує два злегка відмінних 2D зображення, аналізує їх, поєднує і створює одне 3D зображення. саме за цим принципом розроблялись технології створення 3D зображень. В їх основі закладено отримання двох двовимірних зображень з ідентичних камер, розташованих на відстані семи сантиметрів, подібно до очей людини.



1. ІСТОРІЯ 3D-ЗОБРАЖЕННЯ

Формальне дослідження тривимірного зображення та глибинного сприйняття почалося в 16 столітті з Леонардо да Вінчі, справжнім майстром у мистецтві перспективи та глибини. Да Вінчі усвідомлював, що кожен з наших очей сприймає дещо інший образ, бачачи речі з дещо іншого кута, ніж інші очі. Це поєднання цих двох поглядів, що дає людям можливість сприйняття глибини. Ідея робити фотографії з дещо різними кутами (наскільки наші очі будуть працювати) та використання пристрою для об'єднання зображень були основою стереоскопії та стереографічної графіки. Наприкінці 19-го століття Джозеф Д'Алмеїда підійшов до нового способу перегляду 3D на основі тих самих принципів. У цій системі два зображення будуть створені за допомогою двох різних світлових, червоних та зелених / синіх. Переглядаючи світлові фільтри, можна досягти 3D-ефекту.

Для пояснення 3D-зображення характерним є термін "анагліф". Анагліф - це метод отримання стереоефекту для стереопари звичайних зображень за допомогою колірного кодування зображень, призначених для лівого і правого ока. Для отримання ефекту необхідно використовувати спеціальні (анагліфічні) окуляри, в яких замість лінз вставлені світлофільтри пари додаткових кольорів: як правило, для лівого ока - червоний, для правого - бірюзовий. Стереозображення являє собою комбінацію зображень стереопари, в якій в червоному каналі зображена картина для лівого ока (правий її не бачить через світлофільтру), а в бірюзовому (синьо-зеленому) - для правого. Тобто, кожне око сприймає зображення, забарвлене в протилежний колір.

Про термін "анагліф" більш детально буде пояснено в розділі "Принцип роботи".

Першим засобом масової інформації з використанням анагліфу був кінотеатр. У 1889 р. Вільям Фрізе-Грін був першим, хто зробив 3D-анагліфічну плівку. Ранні форми анагліфічної плівки називалися "пластилонами" або "пластиграми". Один з інноваційних кінорежисерів створив фільм, в якому вигляд міг би вибрати кінець, який вони хотіли побачити. Переглядаючи червоний фільтр, глядач може насолоджуватися щасливим закінченням, або, якщо глядач віддає перевагу трагічному завершенню, вони можуть просто переглянути зелений фільтр. На рис. 1.1 зображено кадр одного з популярних фільмів свого часу "Створіння з чорної Лагуни" (1954), у якому використовується анагліфічне зображення.

Рис. 1.1. Кадр одного з популярних фільмів свого часу "Створіння з чорної Лагуни" (1954), де використовується анагліф

У 1950-х рр. журнали та комікси перейняли на себе анагліфну галузь. Джо Кубер та Норман Маурер створили 3D-комікси, використовуючи прозорі монтажні плівки для маніпулювання червоними та зеленими зображеннями. Ці комікси, в головній ролі якої гроші Danger Mouse, видаються з парами червоних / зелених "космічних окулярів", які дозволяють нам переглянути анагліфові зображення.

Сьогодні ми все ще бачимо анагліф 3D у журналах та кінотеатрах, зокрема у надзвичайно популярному 3D-фільмі Діснея "Капітан Е-О" з Майклом Джексоном. У серпневому номері 1998 року National Geographic використали 3D-анагліфи, щоб представити фотографії, отримані від Марса (рис. 1.2), а також залишки Титаніка.

Рис. 1.2. Зйомок-дослідження NASA, зроблений 4 липня 1988 року на Марсі

Ще починаючи з 2003 року для розробки 3D-відео п'ять великих японських компаній: Itochu, NTT DATA, Sanyo, Sharp і Sony об'єдналися в організацію під назвою "3D-Consortium". Завданням нового об'єднання є формування ринку об'ємних зображень (починаючи від контенту і закінчуючи апаратною реалізацією). Як заявляють представники консорціуму, плоске зображення морально застаріло і не може передати всієї пишноти об'ємної картинки. Тому настав час переходити на тривимірне зображення. До складу консорціуму входять не тільки розробники і виробники обладнання. Свій інтерес в цій сфері мають кінокомпанії, постачальники та продавці контенту, навчальні організації, розробники програмного забезпечення та багато інших.



2. ЯК І ЧОМУ МИ БАЧИМО ЗОБРАЖЕННЯ У 3D-ПРОСТОРІ?

Легко забути, що кожен з нас є твариною, заздалегідь запрограмованою вижити до тих пір, допоки відбуватимуться мільйони років еволюції. Ми їмо або нас їдять - це основний закон світу, більшість із нас довше не живуть (хочемо ми цього чи ні), але це світ, для якого було збудовано наше тіло. Близько 25-50 відсотків (відносно) нашого мозку присвячено обробці інформації, що сприймається очима, і перебудовує її в кольоровий тривимірний "кінотеатр", який "обтікає" навколо голови.

Наша візуальна система набагато більше, ніж просто фантастичний дизайнер інтер'єру: основна мета - допомогти вижити. Спостерігаючи речі в трьох, багатих та глибинних вимірах, це швидкий спосіб зрозуміти, як викладається світ: наскільки близьким є той чи інший об'єкт, і чи можемо ми втекти чи наблизитися до нього, або, в сучасних умовах, наскільки далеко нам потрібно простягнути руку, щоб взяти якусь річ.

Природа наділила людину бінокулярним зором: парою очей, розташованих на відстані 60... 70 мм. За рахунок цього людина бачить світ одночасно як би з двох точок спостереження. В результаті, зображення, одержувані лівим і правим оком, злегка відрізняються. Аналізуючи відмінності між зображеннями, мозок відтворює обсяг і віддаленість спостережуваних об'єктів.

Наші мізки генерують 3D-зображення багато в чому завдяки наявності двох відстаней, розташованих на короткій відстані. Кожне око захоплює дещо інший погляд на світ перед ним, і, об'єднавши ці два зображення разом, наші мізки генерують єдине зображення, яке має справжню глибину. Цей трюк називається стереопсисом (або стереоскопічним баченням), і це є бачення еквівалента використання двох гучномовців (або пари навушників) для прослуховування тривимірного стереозвуку.

Ми бачимо в трьох вимірах як належне, в основному тому, що практично неможливо переглянути світ іншим шляхом, навіть якщо є лише одне око. Бінокулярне бачення (погляд двома очима) - це лише частина того, як ми сприймаємо глибину. За допомогою одного заплющеного ока можна побачити, що все ще можна отримати гарне уявлення про те, як світ викладено завдяки багатьом іншим глибоким сигналам: лінії відходять на відстань у тому, що ми називаємо перспективою; найближчі об'єкти, як правило, більші, ніж віддалені, і рухаються більш стрімко, коли людина рухає головою (ефект під назвою руховий паралакс); найближчі речі мають різні поверхні, ніж інші; і так далі. Ось чому навіть плоскі, двовимірні зображення (фотографії та рухомі зображення на екранах кінофільмів та телевізори) дають розумне наближення до глибини.



3. ПРИНЦИП РОБОТИ

При відтворенні "3D-відео" на екрані відображається послідовність плоских кадрів спеціального виду. Тут коректніше говорити про "стереовідео", бо в даному випадку безпосередньо експлуатується така особливість нашого зорового сприйняття, як "різноракурсність" виду для кожного з очей. Побудова тривимірного образу відбувається вже в людському мозку.

Існує декілька різних способів створення 3D-зображення, але всі вони використовують один і той самий основний принцип: вони повинні створювати два окремих, рухомих зображення і відправити один з них до лівого ока глядача, а інший - праворуч. Щоб надати правильну ілюзію 3D, зображення лівого ока не слід розглядати правим оком, а зображення правого ока - лівим.

На сьогодні використовуються декілька способів сприйняття людиною 3D-зображення (рис. 2.1), зокрема такі методи: анагліф, поляризація, екліпсна сепарація та растрова (лінзова) сепарація. Розглянемо кожен метод детально.

Рис. 2.1. Способи сприйняття людиною 3D-зображення

3.1 АНАГЛІФ

Anaglyph 3D - це стереоскопічний 3D-ефект, отриманий за допомогою кодування зображень кожного ока за допомогою фільтрів різних кольорів, як правило, червоних та блакитних. 3D-зображення "анагліф" містять два кольорових зображення, відфільтровані різним чином, по одному для кожного ока. Переглядаючи "аналогліфічні окуляри" з колірними кодами, кожне з двох зображень досягає ока, яке він призначений для виявлення інтегрованого стереоскопічного зображення. Візуальна кора мозку забезпечує це зближення у сприйнятті тривимірної сцени чи композиції.

3.1.1 ІСТОРІЯ АНАГЛІФУ

Найстаріший відомий опис анагліфових зображень був написаний у серпні 1853 р. В. Ролменом у Старгаді про його "Farbenstereoscope" (кольоровий стереоскоп). Він мав найкращі результати перегляду жовто-синього малюнка з червоними/синіми окулярами. Рольман визначив, що червоним малюнком червоні лінії не були настільки ж чіткі, як жовті лінії через синє скло.

У 1858 році у Франції Джозеф Д'Алмеїда виступив з доповіддю до Academie des sciences, що описує, як проектувати слайд-шоу тривимірного чарівного ліхтаря, використовуючи червоні та зелені фільтри для аудиторії, що носить червоні та зелені окуляри. Згодом його хронікували як відповідальну за першу реалізацію 3D зображень, використовуючи анагліфи.

Луїс Дюко дю Хаурон видав перші друковані анагліфи в 1891 році. Цей процес полягав у надрукуванні двох негативів, які утворюють стереоскопічну фотографію на одній і тій же папері, один - синій (або зелений), один - червоним. Тоді глядач буде використовувати кольорові окуляри з червоним (для лівого ока) і синім або зеленим (правий око). Ліве око побачить блакитне зображення, яке виглядає чорним, поки він не побачить червоний; так само правим оком буде бачити червоне зображення, це реєстрація як чорна. Таким чином, буде отримано тривимірне зображення.

В 1889 році Вільям Фрізе-Грін створив перші тривимірні анагліфічні кінофільми, які мали публічну виставку в 1893 році. У 1920-х роках кінотеатр 3-D отримав певну популярність. Термін "3-D" набув широких вжитку у 1950-х роках.

Так, в розділі 1 "Історія 3D-зображення" згадувалося про "Створіння з чорної Лагуни" (1954), у якому використовується анагліфічне зображення.

У 1953 році анагліф почав з'являтися в газетах, журналах і коміксах. 3-D комікси були однією з найцікавіших додатків анагліфів для друку. Протягом багатьох років анагліфічні картинки з'являються в коміксах та журнальних і рекламних оголошеннях. 3D-комікси були одним з найцікавіших додатків анагліфів для друку.

3.1.2 ПРИНЦИП АНАГЛІФІЧНОГО 3D-ЗОБРАЖЕННЯ

Систематична структура алгоритму анагліфічного 3D-зображення показана на рис. 2.2. Загалом, ми перетворюємо стереопару з колірного простору пристрою RGB на колірний простір CIELAB, а потім обчислюємо три атрибути зовнішнього вигляду кольору для кожного пікселя, включаючи його яскравість, насиченість і відтінок. Ми намагаємося узгодити ці атрибути зовнішнього вигляду з такими, що сприймаються анагліфом, і, нарешті, перетворити їх у RGB. Детальну інформацію щодо кожного модуля обробки буде описано нижче.

Рис. 2.2. Систематизована структура алгоритму анагліфічного 3D-зображення

RGB-простір

Термін RGB є абстрактним поняттям та походить зі слів red green blue.

RGB називається тривимірним колірним простором, де кожен колір описаний набором з трьох координат (рис. 2.3.) - кожна з них відповідає компоненті кольору в розкладанні на червоний, зелений і синій кольори.

Рис. 2.3. Тривимірне представлення моделі RGB

Рис. 2.4. Схема "схрещування" кольорів

Крім того, RGB-простір є адитивною колірною моделю, яка відображає спосіб синтезу кольору, за якою червоне, зелене та синє світло накладаються разом, змішуючись у різноманітні кольори (рис. 2.4). Широко застосовується в техніці, що відтворює зображення за допомогою випромінюючого світла.

У даній моделі колір кодується градаціями складових сигналів (red green blue). При збільшенні величини градації певного сигналу зростає інтенсивність під час синтезу.

Число градацій кожного каналу залежить від розрядності бітового значення RGB. Як правило використовують 24-бітну модель, у котрій визначається по 8 біт на кожен канал і тому кількість градацій дорівнює 256, що дозволяє закодувати кольорів.

RGB-модель має ряд переваг: 1) апаратна близкість зі сканером, проектором, монітором та іншими пристроями; 2) широка палітра кольорів, близька до можливостей людського зору; 3) можливість багатьох функцій обробки зображення (фільтрів) у програмах растрової графіки; 4) широкий спектр кольорів.

CIELAB-простір

Колірний простір CIELAB (також відомий як CIE ) - колірний простір, визначений Міжнародною комісією з освітлення (International Commission on Illumination - CIE) в 1976 році. Він виражає колір як три чисельні значення: для яскравості та і для зелено-червоних та синьо-жовтих компонентів кольору. CIELAB був спроектований так, щоб бути перцептивно рівномірним у відношенні кольорового зору людини, а це означає, що однакова кількість числової зміни цих значень відповідає приблизно такій самій кількості візуально сприйманих змін.

Одним з найважливіших атрибутів моделі CIELAB є те, що відносно конкретної білої точки вона не залежить від пристрою, модель визначає кольори незалежно від того як вони створюються чи відображаються.

Сам простір являє собою тривимірне дійсне число просторів, що дозволяє отримати нескінченне число можливих уявлень про кольори. На практиці простір зазвичай використовується для цифрового представлення і значення та зазвичай є абсолютними із заздалегідь визначеним діапазоном. Значення яскравості являє собою темний чорний колір при і яскравий білий при .

На рис. 2.5. зображено залежність кольорового простору CIELAB від певного рівня яскравості - кольорову гамму, що відповідає тембру sRGB (може відображатися на типовому дисплеї комп'ютера). Вісь кожного "квадрата", що є частиною тривимірного простору, коливається в межах від -128 до 128.

Рис. 2.5. Залежність кольорового простору CIELAB від певного рівня яскравості

Кольорові канали a* та b* представляють дійсні нейтральні сірі значення при a*=0 та b*=0. Вісь a* являє собою зелено-червоний компонент - з зеленим у негативному напрямку і червоним у позитивному. Вісь b* являє собою синьо-жовтий компонент - з синім у негативному напрямку і жовтим у позитивному.

Гамма-передавач

При зйомці візуальних сигналів гамма-корекція, тобто нелінійна трансформація захоплених значень RGB, як правило, виконується для компенсації нелінійності традиційних дисплеїв ЕПТ для досягнення правильного відтворення кольорів. Незважаючи на те, що сучасні дисплеї демонструють менше або навіть не мають нелінійності, однакова гамма-корекція для ЕПТ все ще виконується під час захоплення сигналу, оскільки інша головна і навіть більш важлива мета гамма-корекції - мінімізувати перцептивні спотворення (порушення сприйняття), введені стисненням сигналу або під час передачі сигналу.

Тому сучасні дисплеї, такі як LCD, PDP, DLP, повинні імітувати функцію гамма-передавання дисплеїв ЕПТ для правильного відтворення кольорів. Тому в запропонованому методі реалізується гамма-передавальна функція для ЕПТ. 8-розрядні RGB-значення пристрою стереопари нормалізуються множенням 1/255, а потім перетворюється на , як показано на рис. 4, за допомогою функції sRGB гамма-передавання.

Конвертування RGB у CIELAB

Після імітації гамма-передачі значення RGB стереопару перетворюються в значення колірного простору CIELAB. Перетворення можна розділити на два етапи. Першим кроком необхідно спроектувати RGB-значення стереопари у простір кольорів CIE з координатами . Нижче у матричному вигляді представлено один із прикладів перетворення:

,

(1)

Конвертована матриця використовується здебільшого в -дисплеях.

Другим кроком конвертується у , тобто , використовуючи відношення нижче:

(2)

(3)

(4)

Фіксатор характеристик кольору

З огляду на значення стереопарі, нашою метою є отримання сприйманого анагліфа, який спричиняє аналогічну яскравість, насиченість та відтінок, як ті, що розраховані з У нашому способі один (червоний) канал використовується для подання лівого зображення, а два інших канали (зелений та синій) використовуються - для правого. Ось чому значення сприйманого анагліфу слід навмисно вибрати таким чином, щоб при перетворенні в RGB тривимірного вектора може бути представлений одним червоним значенням і може бути представлений як .

Обробка правої частини зображення

Перш за все необхідно обчислити яскравість, відтінок та насиченість правого зображення стереопар. Відповідно до визначення колірного простору CIELAB, значення , тобто , може бути використане для позначення яскравості. Рівень кольорового відтінку та рівень насичення кольору правого зображення:

(5)

(6)

де - одинична функція (функція Хевісайда). представляють собою правильний вигляд сприйманого анагліфного зображення в колірному просторі CIELAB. Вибір повинен задовольняти двом умовам: (1) вони генерують значення яскравості, відтінку та насичення як можна ближче дота ; (2) в колірному просторі RGB, вони можуть бути представлені зі значенням .

Для ілюстрації всі , які відповідають другій умові, нанесені на рис. 2.6. (а). Вони отримуються шляхом перетворення RGB значення в кольоровий простір CIELAB.

Рис. 2.6. Представлення кольорів: а) RGB значення в кольоровому просторі CIELAB; б) наближення поверхні, що спроектоване з умов виразу (7) та позначене червоними пунктирними лініями; в) вид зверху оригіналу та поверхні наближення

В даному випадку конвертацію (RGB у CIE) представлено матрицею

,

що визначається спектральними розподілами первісних дисплеїв, а також передавальною функцією правого (блакитного) об'єктива.

Щоб задовольнити другу умову, ми повинні забезпечити, щоб лежить на поверхні, показаній на рис. 2.6(а). Однак, це буде дуже складно, щоб точно відповідати цій вимозі. Тому ми наближаємо оригінальну поверхню, показану на рис. 2.6(а), простою поверхнею, яка емпірично моделюється виразом:

(7)

Штрихові лінії на рис. 2.6(б) представляють собою наближену поверхню.

На рис. 2.6(в) показано вигляд в декартовій системі координат. Всі , отримані нижче, лежать в цій поверхні наближення. Коли вони перетворюються назад в RGB, результуючі малі червоні значення (), введені апроксимацією, будуть обрізані до нуля.

та вказують на рівень яскравості і насиченість. Їх значення визначаються за виразами

, (8)

,

,

(9)

де . На рис. 2.7. зображено проекцію від на відповідно до формул (8) та (9) наступні ознаки:

1) Кольори у світло-зеленій зоні проектуються на ліву частину наближеної поверхні (приклади 1 і 3).

2) Кольори в блакитній області проектуються в правій частині наближеної поверхні (приклади 2 і 4).

3) Для кольорів у плоскій області (без косої риски) проекції будуть генерувати таке ж значення насиченості, як і праве зображення стереопари:

(приклади 1 та 2)

4) Для кольорів у текстурованій області (з косими рисунками) значення буде менше за (приклади 3 та 4)

Рис. 2.7. Червона лінія нагадує верхній вид поверхні наближення, як показано на Рис. 2.6 (в)

Приклади 1-4 показують, як рівняння (9) та (10) проекту наближають значення до у кольоровому просторі CIELAB. Константа T вибрана з рівняння. (10).

Обробка лівої частини зображення

Щоб мінімізувати бінокулярне суперництво, ліве і праве око повинні сприймати однакову яскравість. Припускаючи, що пара стереозображень взята за нормальних умов (наприклад, з такою ж витримкою, діафрагмою та ін.), Точки збігу в лівому та правому "погляді" мають однаковий колір. Ось чому, щоб співставити сприйману яскравість ми просто припускаємо:

,

де - яскравість лівого зображення стереопари. У кінцевому анагліфі використовується лише червоний канал для представлення лівого зображення. Ми використовуємо його для відтворення яскравості . Отже, немає більше потреби обчислити та .

Варто зазначити, що, оскільки зменшення світності застосовується до кольорів червоного кольору у правому зображення, то неможливо досягти відповідності світла для цих кольорів.

Хоча це зменшення яскравості призведе до більшої конкуренції з сітківкою та меншою точністю до легкості, це допомагає підвищити точність яскравості червоних кольорів, що емпірично корисно для підвищення загальної візуальної якості сприйманих зображень.

Конвертування CIELAB в RGB

Для правого зображення перш за все значення конвертується у за допомогою формул:

,

,

,

.

Надалі конвертуються у RGB-значення

.

На лівому зображенні конвертується у :

,

де - координата взята з початком в білій точці RGB-простору системи координат XYZ, інакше кажучи:

,

і конвертована матриця для лівої лінзи:

.

Знаючи , може бути розраховано наступним чином:

,

де та - кількість витоку яскравості для лівого ока, які віднімаються від передбачуваної яскравості . Це відокремлений метод зменшення примарності. Якщо матриця точна, вона може гарантувати ідеальне гальмування у областях, де більше, ніж рівень витоку яскравості. Для повного усунення ефекту придушення потрібно придушувати динамічний діапазон зображення, що інтуїтивно погіршить візуальну якість.

Це можна спостерігати з рівняння (8), що в порівнянні з лівим оком, витік яскравості правого ока буде набагато менш суворим. Окрім того, що для очей з червоно-блакитним склом праве око менше страждає від потоку яскравості (близько 1/7 від лівого ока). Тому в запропонованому алгоритмі редукція придушення здійснюється лише для лівого зображення.

Зрештою, значення правої та лівої RGB об'єднуються разом {RAl, GAr, BAr}. Кожен елемент обрізаний в діапазоні 0-1. Вони гамма-кореговані, і, нарешті, масштабовані шляхом множення на 255.

3.2 ПОЛЯРИЗАЦІЯ СВІТЛА

Поляризоване світло - фізична характеристика оптичного випромінювання, що описує поперечну анізотропію світлових хвиль, тобто певні напрямки коливань електричного вектора переважають над іншими в площині, нормальній до напрямку розповсюдження світлової хвилі.

3.2.1 ІСТОРІЯ ПОЛЯРИЗАЦІЇ СВІТЛА

Перші вказівки на поперечну анізотропію світлового променя були отримані голландським вченим X. Гюйгенсом в 1690 р при дослідах з кристалами ісландського шпату. Поняття "поляризація світла" було введено в оптику англ. ученим І. Ньютоном в 1704-1706 рр. Істотне значення для розуміння поляризації світла мало її прояв в ефектах інтерференції світла і, зокрема, той факт, що два світлових променя із взаємно перпендикулярними площинами поляризації що безпосередньо не інтерферують.

Встановлення закономірного зв'язку між зовнішньою формою і оптичними властивостями кристалів стало можливим після того, як французький фізик Е.Л. Малюс (1775-1812) відкрив у 1810 р. явище поляризації світла. Хоча в літературі можна знайти дані, що першовідкривачем взаємозв'язку між кристалічною формою і явищем подвійного променезапомлення є Ш.Ф. Цистерной дю Фай (1698-1739).

Перші вказівки на поперечну анізотропію світлового променя були отримані голландським вченим X. Гюйгенсом в 1690 року при дослідах з кристалами ісландського шпату. Відкриття поляризації світла відбулося наступним чином: одного разу вчений розглядав крізь кристал ісландського шпату вікна Люксембурзького палацу, освітлені сонцем, що заходило. Обертаючи кристал, Малюс звернув увагу на періодичні затемнення інтенсивності відбитих променів. Спостерігаючи відбиття світла від скла і води, вчений встановив, що відбиті промені частково поляризовані.

В історії кристалооптики Малюс відомий як автор "Теорії подвійного променезаломлення у кристалічних тілах", яка відзначена в 1810 р. академічною премією. Малюс сконструював перший поляризаційний прилад, за допомогою якого підтвердив твердження Гаюї про те, що кристали у формі кубів і октаедрів не мають властивостей подвійного променезапомлення. Малюса слід вважати автором відкриття оптично двовісних кристалів. Ж.Б. Біо (1774-1862) вперше чітко показав різницю між оптично одновісними і двовісними кристалами і, крім того, поділив і ті, й інші, на оптично позитивні та оптично негативні. До першої групи він відніс кварц, а до другої - кальцит.

Пізніше Малюс за допомогою приладу, що складається зі штатива і дзеркала, зображеного на рис. 2.8, показав, що при звичайному заломленні, наприклад, у склі, заломлений промінь також є поляризований і притому перпендикулярно до відбитого променя. Частина променя світла S, що падає на скляну пластинку, частково поглинається склом, а частково відбивається від нього. Ці два промені, на які розкладається падаючий промінь, поляризовані й перпендикулярні один до одного.

Рис. 2.8. Експериментальний прилад, що складається зі штативу і дзеркала

Важливі досягнення в галузі експериментальної кристалооптики, які знаменували новий етап в її розвитку, зв'язані з іменем шотландського фізика Д. Брюстера (1781-1868). Перше дослідження Брюстера було присвячено закономірностям співвідношення між оптичними та геометричними властивостями кристалів ("Про закон поляризації та подвійне променезаломлення у правильно кристалізованих тілах" (1818)). Базуючись на своїх теоретичних поглядах, Брюстер пояснив причину подвійного променезаломлення в кристалах тим, що "на незвичайний промінь впливають сили, що виходять із однієї чи декількох осей".

3.2.2 ПРИНЦИП ПОЛЯРИЗАЦІЇ СВІТЛА

Технологія базується на поляризаційному поділі зображення. Для того, щоб це зрозуміти, слід знати, як досягається ефект тривимірного зображення.

Людина має два ока, що дозволяють побачити один і той же об'єкт з декількома різними перспективами. Це дозволяє нам побачити предмет з різних боків і оцінити його приблизні параметри - висоту, ширину, глибину. Дві картинки від органів зору потрапляють в мозок, який об'єднує їх у одному об'ємному зображенні.

Суть поляризаційної технології полягає в тому, щоб розділити видиме зображення на стереопарі. Тобто на два окремих зображення, які мають різну поляризацію. Наприклад, екран телевізора розділяється на два вертикальних зображення (вертикальна стереопара). Ліве зображення має вертикальну поляризацію, а праве - горизонтальне.

Поляризовані 3D окуляри також мають дві лінзи з різною поляризацією. Наприклад, права лінза має вертикальну поляризацію, а ліва - горизонтальну. Це дозволяє побачити кожному з очей тільки одне зображення - вліво видно лише картинку для лівого очі, а праворуч - виключно зображення для правого. Таким чином, кожен орган зору отримує окрему картинку. Все інше робить ваш мозок - він створює ілюзію об'єму.

Існує 4 види стереопар: 1) горизонтальна - екран телевізора ділиться на дві горизонтальні картинки (верхня та нижня); 2) вертикальна - поділ екрану на дві половини за вертикалю (ліве та праве зображення); 3) порядкова - зображення ділиться на парні і непарні рядки. При цьому парні рядки - це одна частина зображення, наприклад, для лівого ока, а непарні рядки складають іншу частину зображення, розраховану для правого ока; 4) покадрова стереопара - поділ відбувається за кадрами.

3.2.3 ПОЛЯРИЗАЦІЙНІ 3D-ОКУЛЯРИ

Поляризаційні окуляри мають лінзи з різною поляризацією. Це необхідно для того, щоб кожне око бачило тільки потрібну частину зображення. Такі окуляри мають середню вартість, цілком доступну для користувачів. Як правило, в комплекті до активних 3D-телевізорів, як правило, йдуть дві пари стерео окулярі, в той час як до поляризаційним телевізорів кладуть не менше 4 пар окулярів.

Ще один плюс поляризаційних 3D-окулярів полягає в тому, що на відміну від затворів, їх можна використовувати з будь-яким телевізором, що підтримує пасивну технологію 3D.

На сьогоднішній день існують два види поляризації - лінійна та кругова.

У випадку лінійної поляризації характерними є коливання вертикального і горизонтального вектору напрямку, тобто дві різні картинки накладаються на один екран через спеціальні поляризаційні фільтри. Щоб два зображення не накладалися один на одного, вони мають різну поляризацію. Такий метод знайшов застосування в кінотеатрі формату 3D-iMax.

Кругова поляризація представляє наступне: у момент, коли світловий потік проходить через поляризаційні фільтри проектора (або екрана), він набуває різноспрямований вектор обертання поляризації. Світловий потік закручується за годинниковою стрілкою для правого ока, і проти годинникової стрілки для лівого ока.

В результаті виходить два зображення, які не накладаються один на одного, а транслюються паралельно (рис. 2.9). Варто зазначити, що 3D-окуляри з круговою поляризацією можна використовувати тільки для перегляду відповідних фільмів. Тобто тих фільмів, які так само мають кругову поляризацію. При цьому якість 3D-ефектів практично однакові, як за лінійної, так і за кругової технології.

Рис. 2.9. Наочне зображення принципу роботи поляризованих 3D-окулярів та телевізорів

3.3 ЕКЛІПСНИЙ МЕТОД СЕПАРАЦІЇ 3D

Ліва і права лінзи окулярів обладнані рідкими кристалами, які ефективно "відкриваються" і "закриваються" за високої швидкості, за швидкого чергування, тому очі розглядають окремі зображення (кадри), що відображаються на одному екрані.

Екліпсний (світлоклапанний) метод сепарації широко використовується в сфері інтерактивних комп'ютерних ігр. Суть в тому, що на екран відеомонітора послідовно виводяться зображення лівого і правого кадрів стереопари. Синхронно з виводом зображень переключаються спеціальні окуляри з рідкокристалічними (РК) затворами, через які спостерігач дивиться на екран. відео тривимірне анагліфічне поляризаційна

Таким чином, при формуванні на екрані монітора зображення правого кадра лівий РК-затвор стає непрозорим та навпаки.

Даний спосіб дозволяє отримати високу якість сепарації і гарне розширення зображень. Однак для їхньої реалізації необхідними є відображення пристрою, спроможні працювати за дуже високих частотах оновлюваності (кадрового розгортання). Річ у тім, що кожне око бачить зображення із вдвічі пониженною частотою кадрів, тому можлива поява ефекту блимання.

3.3.1 ПРИНЦИП РОБОТИ ЕКЛІПСНОГО МЕТОДУ СЕПАРАЦІЇ 3-D

Частота відображення кадрів, при якій блимання непомітне, залежить від ряду факторів, в тому числі від співвідношення довжини інтервалу активної частини та інтервалу згасання. Наприклад, в телебаченні зображення з'являється на екрані на 18,4 мс з перервами всього в 1,6 мс та блимання практично непомітні. Якщо частота оновлення монітора 100 Гц, то кожне наше око бачить таку картину: зображення в момент 19 мс та чорний екран у момент 21 мс. В такому випадку поява блимання неминуча.

Аби не допустити такого випадку, необхідно, щоб частота оновлення монітора була не менше 150 Гц. При цьому власник 17-дюймового монітора має обмежитись розширенням екрану 800Ч600 пікселів. Рідкокристалічні монітори, на жаль, не підходять для даного способу сепарації з двох причин. По-перше, РК-монітори не працюють за частот вище 85 Гц, а тому при перегляді через світлокапаючі окуляри обов'язково з'являється блимання. По-друге, зображення на екрані РК-монітора змінюється досить довго.

На рис. 2.10. представлено наочний процес відображення відео у форматі 3D за допомогою поляризаційних окулярів.

Рис. 2.10. Наочний процес відображення відео у форматі 3D за допомогою поляризаційних окулярів

При розв'язанні практичних задач можливе комбінування систем відображення стереоскопічного зображення. Даний симбіоз екліпсного методу з поляризацією запропоновано для реалізації стереоскопчного телебачення. В даному випадку (рис. 2.11) на екрані 2 телевізора 1 послідовно в часі експонуються праві та ліві зображення стереопари, а спостереження стереоскопічного зображення здійснюється за допомогою поляризаційних окулярів 8 із взаємно перпендикулярно орієнтованими площинами поляризації фільтрів та . Перед екраном телевізора встановлено керований транспарант, що складається з листа поляроїда 3 рідкокристалічного модулятора світла, виконаного з двох прозорих проводящих пластин 4 та 6, між якими розташовано парафазний рідкокристалічний шар 5. При подачі від комутатора 7 електричних керованих імпульсів до пластин 4 та 6 відбуваються повороти площини поляризації променів, що проходять через транспарант, на 90 то в одну, то в іншу сторону.

У ті часові інтервали, коли та чи інша фаза поляризації збігається з експозицією відповідно правих чи лівих кадрів стереоскопічного зображення на екрані телевізора, через поляроїдні фільтри F1 і F2 очок можна почергово бачити правим оком послідовності тільки правих кадрів стереопари, а лівим оком - тільки лівих кадрів. Це забезпечує зорове сприйняття просторового образу стереоскопічного зображення на телевізійному екрані.

Рис. 2.11. Система телевізійного відтворення стереоскопічного зображення з почерговим пред'явленням правих і лівих кадрів на екрані 2 телевізора 1 і з їх розглядом через керований транспарант 3-6 і поляроїдні окуляри 8

3.4 РАСТРОВИЙ МЕТОД СЕПАРАЦІЇ 3-D

Відсутність окуляр - головна цінність растрових систем. Найбільш розповсюджені сьогодні лінзові (лентикулярні растри), що складаються з циліндричних плоскостей лінз, розташованих вертикально. Розглянемо роботу такого растра на прикладі просвітлюваного растрового стереоекрана.

Стереоекран працює "на просвіт": з однієї його сторони знаходятся проектори, а з іншої - глядачі. Кодуючий лінзовий растр створює чергуюгуючі полоси зображення від правого і лівого проектора на дифузно розсіюючий екран. Декодуючий растр направляє випромінювання від непарних смуг вправо, а парних - вліво, в результаті глядач спостерігає об'ємне зображення. Дана технологія використовується для створення стереоскопічгих екранів великих розмірів.

Дуже схожий принцип дії у автостереоскопічних дисплеїв, де замість кодуючого растра та розсіюючого екрана приймається матричний монітор на основі плазмової (PDP) чи рідкокристалічної (LCD) панелі.

Лінзовий растр в таких пристроях може бути нахиленим - для боротьби з ефектом забарвлення стереозображення в один із основних кольорів (червоний, зелений чи синій) або для створення багатокольорових зображень.

Головний недолік растрових систем - зміна якості стереоскопічного зображення при зміщенні очей користувачем від деякого оптимального положення. Для боротьби з цим ефектом розроблені пристрої, які відшукують положення голови глядача і здвигають в потрібному напрямі або лінзовий растр, або весь стереодисплей.

Тривимірні зображення об'єктів допомогли б хімікам - контролювати процеси утворення нових молекул речовини, геологам - знайти напрям буріння, хірургам збільшити точність при проведенні різноманітних маніпуляцій. Та всі раніше розроблені пристрої не були без вад, як, наприклад блимання зображення, не достатньо великий кут спостереження, необхідність одягання спеціальних окулярів під час перегляду оберту.

3.4.1 РАСТРОВІ ОПТИЧНІ СИСТЕМИ

Растрові оптичні системи - клас оптичних систем, складовим елементом яких є растр - решітка, яка зазвичай служить для просторового структурного перетворення проходячого через неї або відбитого нею спрямованого пучка променів. Гратчасті структури, які взаємодіють не зі світловими, а з іншого роду випромінюваннями, відповідно названі рентгенівськими, акустичними та іншими.

Наявність растра утворює в системі безліч вхідних і вихідних зіниць, суміжно розташованих і діють спільно в формуванні оптичного зображення. Такі системи мають ряд специфічних. властивостей, таких, як множення, інтегрування, аналіз.

Найпростішу растрову оптичну систему представляє комбінація растра R і встановленого за ним дифузійно відбивного екрану (рис. 2.12). Елементи растру - отвори або лінзи - створюють на екрані безліч більш-менш досконалих зображень об'єкта. Це є первинною множуючою властивістю растрових оптичних систем. Зворотний хід променів від зображень, отриманих на екрані, відновлює природну форму об'єкта в предметному просторі. Синтезування цілісного просторового образу об'єкта променями від кожного елементарного зображення являє інтегральну властивість растрових оптичних систем. У предметному просторі відновлюється не одне зображення, а безліч йому подібних - це вторинна множуюча властивість растрових оптичних систем.

Рис. 2.12. Найпростіша растрова система: - екран, - растр

Основні властивості растрових оптичних систем найбільш повноцінно проявляються при формуванні просторових зображень в інтегральної фотографії, що є променевим аналогом голографії. На першій стадії отримують інтегральне зображення об'єкта А В (рис. 2.13) через пористий (лінзовий) растр , елементи якого виконані у вигляді циліндриків з передніми сферичними основами, що фокусують зображення об'єкта на протилежних сторонах цих циліндрів, вкритих із зовнішньої сторони фотоемульсією. При зйомці на шарі фотоемульсії утворюється велика кількість мікрозображень об'єкта у вигляді матриці, яка називається аспектрограмою. Такі зображення , і так далі не зовсім ідентичні, вони фіксують об'єкт з декількох різних точок зору і тому відрізняються зсувами різновіддалених точок об'єкту. При освітленні отриманої на растрі матриці зображень із задньої сторони, то зворотній хід променів через лінзи растра відтворює дійсне зображення об'єкту в тривимірному просторі. Різновіддалені точки об'єкту можна побачити на продовженні променів від точок з положень і так далі.

Однак просторова картина об'єкта при цьому виявляється інверторною (з вивернутим рельєфом) - виступаючі деталі об'єкта поглиблені, і навпаки. Отримання правильного рельєфу просторового зображення здійснюється в другій стадії процесу оптичного перекопіювання мікрозображень аспектрограми через лінзи першого растра нa аналогічний другий растр , як це показано у верхній частині рис. 2.14. За лінзами растру утворюється обернена аспектрограма з мікрозображеннями , розглядаючи яку через даний растр після віддалення від нього растру , як це зображено на нижній частині рис. 2.14, можна побачити з точок уявне просторове зображення об'єкту вже з правильно оновленим рельєфом. Комірковий растр використовується задля обмеження полів мікрозображень, що реєструються на аспектограмі.

Рис. 2.13. Отримання інтегрального зображення об'єкта АВ за допомогою коміркового растру

Рис. 2.14. Оптичне перекопіювання мікрозображень аспектрограми

3.4.2 ПРИНЦИП РОБОТИ БЕЗОКУЛЯРНОГО МЕТОДУ СТЕРЕОСКОПІЧНОГО ЗОБРАЖЕННЯ

У таких методах для сепарації правого і лівого зображення стереопар використовуються растрові оптичні системи, що створюють перед екраном зони обраного виду, за допомогою яких правим та лівим оком можна побачити окремі відповідні зображення стеропари. Цей принцип автостереоскопії пояснено на рис. 2.15.

Якщо перед фотопластинкою зміцнити растр і з деякої відстані з точки спроектувати через растр на фотопластинку одне із зображень стереопари, наприклад ліве, то після прояву пластинки можна буде побачити це растроване зображення (позначене на рис. чорними точками), спостерігаючи через той же растр з положень , , і т. д., що лежать на прямій .

Області , , можна назвати зонами виборчого бачення лівого зображення. Одночасно з лівим зображенням стереопари можна надрукувати на фотоплівці праве зображення, проектуючи його з точки , що лежить на прямій і зрушеною вправо від точки на величину міжзіничної базису. Елементи цього зображення, відмічені на білими кружечками, будуть видні відповідно з зон виборчого бачення правого зображення , , Спостерігати злите стереоскопічне зображення в даному випадку можна вільно з кожної пари зон , , і т. д.

Рис. 2.15. Принцип автостереоскопічного відтворення просторових зображень через щілинний растр

Показ автостереоскопічного зображення для великої аудиторії може здійснюватися за допомогою радіального реєстрового стереоекрана (рис. 2.16). Особливістю стереоекрана є те, що площина екрану і площину щілинного растра , розташованого перед ним, нахилені один до одного під невеликим кутом, так що в своєму продовженні вони перетинаються по горизонтальній прямій . Щілини растра спрямовані радіально до центру , який лежить на прямій .

Якщо з будь-якої точки направити на екран світловий промінь, то світло, що проходить через щілини растру утворює на екрані картину смуг , також радіально сходяться до центру . Світлові площини, що проходять через щілини растру, перетинаються по прямій , з кожної точки якої можна побачити через всі щілини освітлений екран, тобто ця пряма є фокальною лінію виборчого бачення. Якщо період проходження щілини у растра в його перетинах, паралельних прямій , постійний, то такими ж лініями избират. бачення є і прямі , , утворені світловими променями, відбитими від освітлених смуг екрану, напр, від смуги через сусідні щілини растра Точки , , і іншій розташовуються на прямій , паралельній до і проходить через точку .

Рис. 2.16. Система проекційного відтворення стереоскопічного зображення для безочкової (автостереоскопічними) спостереження просторового зображення на радіальному растровому екрані одночасно багатьма глядачами

Проектуючи на екран з точки праве, а з точки ліве зображення стереопари, можна створити в площині умови для роздільного бачення правого і лівого зображень вибірково правим і лівим оком відповідно з зон і .

Замінюючи щілини растра F цилиндрич. (Коніч.) Лінзами, можна звузити світлові смужки від джерела світла на екрані за растром і таким чином підвищити роздільну здатність стереоекрана. Завдяки цьому на лінзових-растровий стереоекран з лінії YY можна проектувати не одну пару ракурсів (стереопару), а велике число ракурсів об'єкту, сфотографованих з горизонтального ряду точок (наприклад, точок 1, 2, 3, 4,...), зсунутих так, щоб точка 2 була лівіше 1, точка 3 лівіше 2, точка 4 лівіше 3 і т. д. у цьому випадку в площині бачення OYY утворюються суміжно розташовані зони, з будь-якої пари яких брало можна спостерігати на екрані стереоскопічне зображення, розглядаючи його в різних ракурсах.

Реалізація такого роду багаторакурсного стереоскопічного зображення можлива в різних системах відображення візуальної інформації, і зокрема на екрані електронно-променевої трубки приладу (рис. 2.17).

Рис. 2.17. Схема автостереоскопічного формування багаторакурсного просторового зображення на екрані електронно-променевої трубки, що спостерігається через лінзовий растр

Електронний прожектор 1 проектує через растр-решітку G на люмінісцентний екран Е зображення об'єкта, видиме з лівої точки; прожектор 2 проектує зображення, що відповідає правій точці; прожектор 3 - ще більше правій точці; прожектор 4 - крайній правій точці. Електронні промені від кожного прожектора, проходячи через вузькі щілини решітки G, падають нарізні ділянки екрану Е, викликаючи світіння свого растрового зображення. Так, наприклад, промені від прожектора 1 викликають світіння ділянок екрана, позначених на рис. 5 чорними кружками, а від прожектора 4 - світлими кружками. Встановлений з іншого боку екрану лінзовий растр R збирає випромінювання від точок екрану, освітлених прожектором 1, в зону 1', від прожектора 2 - в зону 2', прожектора 3 - в зону 3 ', прожектора 4 - в зону 4'. Уздовж осі YY утворюються зони обраного бачення суміжних ракурсів об'єкта, з будь-якої пари яких можна спостерігати просторовий образ об'єкту. Уздовж вісі YY утворюються також додаткові зони визначеного бачення 1''-4'', 1'''-4''', і інші, що дозволяють одночасно багатьма глядачами спостерігати стереоскопічне зображення.

Подібний метод використовується при виготовленні багаторакурсних поліграфічних стереоскопічних зображень, що розглядаються через склеєний з відбитком лінзовий растр. При цьому об'єкт фотографують з різних сторін фотокамерою, що рухається довкола нього (рис. 2.18). Зйомка здійснюється на фотоматеріал , що вкритий лінзовим растром та, в свою чергу, зсувається протягом зйомки на величину періоду (кроку) лінзового растру, аби розподілити на фотоматеріалі роздільний запис послідовних ракурсів у формі кодованих доріжок. Інакше кажучи, створюється так звана паралаксограма, стереоскопічно зчитувана через декодуючий лінзовий растр.

Рис. 2.18. Панорамна зйомка паралаксограми багаторакурсних стерезображень неперервно пересувною фотокамерою на фотоматеріал крізь лінзовий растр

Размещено на Allbest.ru

...