Введение

Устройство отображения
дополнительная информация о 3D-телевидении

3D-дисплей – это устройство отображения, способное передавать зрителю ощущение глубины. Многие 3D-дисплеи являются стереоскопическими, которые создают базовый 3D-эффект посредством стереопсиса, но могут вызывать напряжение глаз и зрительную усталость. Более современные 3D-дисплеи, такие как голографические и дисплеи с световым полем, создают более реалистичный 3D-эффект, сочетая стереопсис и точную фокусировку для отображаемого контента. Такие современные 3D-дисплеи вызывают меньше зрительной усталости, чем классические стереоскопические дисплеи. По состоянию на 2021 год наиболее распространенным типом 3D-дисплея является стереоскопический дисплей, который используется практически во всем оборудовании виртуальной реальности. 3D-дисплеи могут быть близки к глазам, как в VR-гарнитурах, или располагаться на большем расстоянии от глаз, например, в 3D-совместимых мобильных устройствах или 3D-кинотеатрах. Термин «3D-дисплей» также может относиться к объемному дисплею, который способен генерировать контент, видимый со всех углов.

История

Первый 3D-дисплей был создан сэром Чарльзом Уитстоуном в 1832 году. Это был стереоскопический дисплей, обладавший элементарной способностью к отображению глубины.

Стереоскопические дисплеи

Стереоскопические дисплеи обычно называют «стериодисплеями», «стерио 3D-дисплеями», «стерео 3D-дисплеями» или иногда ошибочно просто «3D-дисплеями».

Основной принцип работы стереоскопических дисплеев заключается в представлении сдвинутых изображений, которые отображаются отдельно для левого и правого глаза. Эти два 2D-изображения затем объединяются мозгом, создавая ощущение трехмерной глубины. Хотя термин «3D» используется повсеместно, представление двух 2D-изображений существенно отличается от отображения светового поля и от отображения изображения в трехмерном пространстве. Наиболее заметное отличие от дисплеев, способных отображать полноценное 3D, заключается в том, что движения головы наблюдателя и изменение аккомодации глаз не влияют на видимую картинку. Например, некоторые голографические дисплеи лишены таких ограничений. Называть двойные 2D-изображения «3D» – это преувеличение их возможностей. Точный термин «стереоскопический» более сложен в использовании, чем распространенное, но ошибочное название «3D», которое закрепилось после десятилетий безоговорочного неправильного употребления. 3D-дисплеи часто также называют стереоскопическими, поскольку они соответствуют минимальным требованиям, предъявляемым к стереоскопическим устройствам. Основываясь на принципах стереопсиса, описанных сэром Чарльзом Уитстоном в 1830-х годах, стереоскопическая технология предоставляет разные изображения для левого и правого глаза зрителя. Далее представлены некоторые технические детали и методики, используемые в наиболее известных стереоскопических системах, которые были разработаны.

Фотографии рядом

Традиционная стереоскопическая фотография заключается в создании 3D-иллюзии на основе пары 2D-изображений, стереограммы. Самый простой способ усилить восприятие глубины мозгом – предоставить глазам зрителя два различных изображения, представляющих две перспективы одного и того же объекта, с небольшим смещением, точно соответствующим разнице в перспективах, которую естественным образом воспринимают оба глаза при бинокулярном зрении. Чтобы избежать напряжения глаз и искажений, каждое из двух 2D-изображений желательно показывать каждому глазу зрителя так, чтобы любой объект на бесконечном расстоянии, видимый зрителем, воспринимался этим глазом при прямом взгляде, при этом глаза зрителя не должны быть сведены к переносице или, наоборот, расходиться. Если на изображении нет объектов на бесконечном расстоянии, таких как горизонт или облако, изображения следует располагать ближе друг к другу соответственно. Метод «бок о бок» чрезвычайно прост в реализации, но без оптических приспособлений его может быть трудно или некомфортно просматривать.

Стереоскопы и стереографические карты

Стереоскоп — это устройство для просмотра стереокарточек, представляющих собой карточки с двумя разными изображениями, напечатанными рядом друг с другом, для создания иллюзии трехмерного изображения.

Прозрачность зрителей

Пара стереоизображений, напечатанных на прозрачной основе, просматривается на просвет. Одним из преимуществ просмотра на просвет является возможность достижения более широкого и реалистичного динамического диапазона, чем при использовании отпечатков на непрозрачной основе; другое преимущество – возможность представления более широкого поля зрения, поскольку изображения, подсвечиваемые сзади, можно располагать ближе к линзам. Практика просмотра стереоскопических прозрачных пленок восходит как минимум к 1931 году, когда компания Tru Vue начала продавать наборы стереопар на 35-миллиметровой пленке, которые просматривались с помощью ручного бакелитового устройства. В 1939 году была представлена модифицированная и миниатюрная версия этой технологии – View Master, использующая картонные диски, содержащие семь пар небольших цветных прозрачных пленок Kodachrome.

Дисплеи для головного устройства

Пользователь обычно носит шлем или очки с двумя небольшими ЖК- или OLED-дисплеями с увеличительными линзами, по одному для каждого глаза. Технология может использоваться для отображения стереофильмов, изображений или игр. Шлемы с дисплеями также могут быть соединены с устройствами отслеживания движений головы, позволяя пользователю "осматриваться" в виртуальном мире, двигая головой, что избавляет от необходимости использования отдельного контроллера. Благодаря стремительному развитию компьютерной графики и продолжающей миниатюризации видео- и другого оборудования, эти устройства начинают становиться доступными по более приемлемой цене. Наголовные или носимые очки могут использоваться для просмотра полупрозрачного изображения, наложенного на реальное изображение, создавая так называемую дополненную реальность. Это достигается путем отражения видеоизображений через частично отражающие зеркала. Реальный мир виден сквозь частично отражающее зеркало. Недавняя разработка в области голографических волноводов или "оптики на основе волноводов" позволяет накладывать стереоскопические изображения на реальный мир без использования громоздких отражающих зеркал.

Проекционные дисплеи, установленные на голове

Дисплей с проекцией на голову (HMPD) аналогичен шлемам виртуальной реальности, но изображения проецируются и отображаются на ретрорефлекторном экране. Преимущество этой технологии перед шлемами виртуальной реальности заключается в том, что проблемы с фокусировкой и вергенцией не требуют коррекции с помощью специальных линз. Для формирования изображения вместо ЖК- или OLED-экранов используются пикопроекторы.

Системы активного затвора

При методе затвора, затвор блокирует свет от каждого соответствующего глаза, когда изображение другого глаза проецируется на экран. Дисплей поочередно отображает левое и правое изображения, а затворы в очках или просмотре синхронно открываются и закрываются с изображениями на экране. Это было основой системы Teleview, которая использовалась недолго в 1922 году. Вариация метода затвора используется в LCD-очках с затворами. Очки, содержащие жидкие кристаллы, которые пропускают свет в синхронизации с изображениями на экране кинотеатра, телевизора или компьютера, используя принцип последовательного отображения кадров. Этот метод используется компаниями nVidia, XpanD 3D и более ранними системами IMAX. Недостатком этого метода является необходимость для каждого зрителя носить дорогие электронные очки, которые должны быть синхронизированы с системой отображения с помощью беспроводного сигнала или подключенного провода. Очки с затворами тяжелее большинства поляризационных очков, хотя более легкие модели не тяжелее некоторых солнцезащитных очков или высококачественных поляризационных очков. Однако эти системы не требуют серебряного экрана для проецируемых изображений. Жидкокристаллические световые клапаны работают, вращая свет между двумя поляризующими фильтрами. Из-за этих внутренних поляризаторов, LCD-очки с затворами затемняют изображение дисплея любого источника изображения – LCD, плазмы или проектора, – в результате чего изображения кажутся тусклее, а контрастность ниже, чем при обычном просмотре без 3D. Это не обязательно является проблемой; для некоторых типов дисплеев, которые уже очень яркие и имеют плохие уровни серого, LCD-очки с затворами могут фактически улучшить качество изображения.

Анаглиф

В анаглифе два изображения накладываются друг на друга в аддитивной цветовой модели с помощью двух фильтров – красного и голубого (cyan). При субтрактивной цветовой модели два изображения печатаются в комплементарных цветах на белой бумаге. Очки с цветными фильтрами в каждом глазу разделяют соответствующие изображения, подавляя цвет фильтра и отображая комплементарный цвет как черный. Компенсирующая техника, широко известная как Anachrome, использует слегка более прозрачный голубой (cyan) фильтр в запатентованных очках, разработанных для этой техники. Процесс перенастраивает типичное анаглифовое изображение для уменьшения параллакса. Альтернативой обычной системе фильтров красного и голубого (cyan) в анаглифах является ColorCode 3D – запатентованная анаглифовая система, изобретенная для отображения анаглифового изображения в сочетании со стандартом телевидения NTSC, в котором красный канал часто имеет недостатки. ColorCode использует комплементарные цвета желтого и темно-синего на экране, а линзы очков – янтарного и темно-синего цвета.

Поляризационные системы

Для представления стереоскопической картинки на один экран проецируются два изображения, наложенные друг на друга с помощью различных поляризующих фильтров. Зритель носит очки, которые также содержат пару поляризующих фильтров, ориентированных по-разному (по часовой стрелке / против часовой стрелки при круговой поляризации или под углом 90 градусов, обычно 45 и 135 градусов, при линейной поляризации). Поскольку каждый фильтр пропускает только свет с аналогичной поляризацией и блокирует свет с иной поляризацией, каждый глаз видит отдельное изображение. Это используется для создания трехмерного эффекта путем проецирования одной и той же сцены в оба глаза, но с немного отличающихся перспектив. Кроме того, поскольку обе линзы имеют одинаковый цвет, люди с доминирующим глазом, использующие преимущественно один глаз, могут правильно воспринимать цвета, которые ранее искажались из-за разделения цветовых каналов. Круговая поляризация имеет преимущество перед линейной, так как зрителю не требуется держать голову прямо и выравнивать ее с экраном для корректной работы поляризации. При использовании линейной поляризации поворот очков в сторону приводит к нарушению соответствия фильтров очков и экрана, что вызывает ослабление изображения и облегчает просмотр противоположного кадра каждым глазом. Для круговой поляризации поляризующий эффект сохраняется независимо от положения головы зрителя относительно экрана, например, при наклоне в сторону или даже перевороте. Левый глаз по-прежнему видит только изображение, предназначенное для него, и наоборот, без потери яркости или взаимного проникновения изображений. Поляризованный свет, отраженный от обычного киноэкрана, обычно теряет значительную часть своей поляризации. Поэтому необходимо использовать дорогостоящий серебряный или алюминизированный экран с минимальными потерями поляризации. Все типы поляризации приводят к затемнению отображаемого изображения и снижению контрастности по сравнению с изображениями, не предназначенными для 3D-просмотра. Свет от ламп обычно излучается как случайный набор поляризаций, в то время как поляризационный фильтр пропускает лишь часть света. В результате изображение на экране становится темнее. Это затемнение можно компенсировать увеличением яркости источника света проектора. Если начальный поляризационный фильтр размещен между лампой и элементом формирования изображения, интенсивность света, достигающего этого элемента, не будет выше, чем без поляризационного фильтра, и общая контрастность изображения, проецируемого на экран, не изменится.

Технология фильтра интерференции

Dolby 3D использует определенные длины волн красного, зеленого и синего цветов для правого глаза и иные длины волн красного, зеленого и синего для левого глаза. Очки, фильтрующие эти очень специфические длины волн, позволяют зрителю видеть трехмерное изображение. Эта технология позволяет избежать использования дорогостоящих серебряных экранов, необходимых для поляризационных систем, таких как RealD, которая является наиболее распространенной системой 3D-отображения в кинотеатрах. Однако она требует значительно более дорогих очков, чем поляризационные системы. Также известна как спектральная гребенчатая фильтрация или визуализация с мультиплексированием по длине волны. Система Omega 3D/Panavision 3D также использует эту технологию, но с более широким спектром и большим количеством "зубцов" на "гребне" (5 для каждого глаза в системе Omega/Panavision). Использование большего числа спектральных полос для каждого глаза устраняет необходимость в цветокоррекции изображения, требуемой системой Dolby. Равномерное разделение видимого спектра между глазами обеспечивает зрителю более комфортное восприятие, поскольку энергетический и цветовой баланс близки к соотношению 50/50. Как и система Dolby, система Omega может использоваться с белыми или серебряными экранами. В отличие от фильтров Dolby, которые применяются только в цифровых системах с процессором цветокоррекции, поставляемым Dolby, система Omega может использоваться как с пленочными, так и с цифровыми проекторами. Компания Omega/Panavision также утверждает, что их очки дешевле в производстве, чем очки, используемые в системе Dolby. В июне 2012 года компания DPVO Theatrical, занимавшаяся маркетингом системы Omega 3D/Panavision 3D от имени Panavision, прекратила ее производство, ссылаясь на "сложную глобальную экономическую ситуацию и состояние рынка 3D". Несмотря на прекращение деятельности DPVO, компания Omega Optical продолжает продвигать и продавать 3D-системы для рынков, отличных от кинотеатральных. 3D-система Omega Optical включает в себя проекционные фильтры и 3D-очки. Помимо пассивной стереоскопической 3D-системы, Omega Optical разработала усовершенствованные анаглифовые 3D-очки. Красно-циановые анаглифовые очки Omega используют сложные тонкопленочные покрытия из оксидов металлов и высококачественную оптику из отпущенного стекла.

Другое

Эффект Пулфриха — это психофизическое восприятие, при котором боковое движение объекта в поле зрения интерпретируется зрительной корой как обладающее глубиной, из-за разницы во времени поступления сигналов в оба глаза. Призматические очки облегчают как перекрестное зрение, так и зрение "над/под", например, с помощью устройства KMQ.

Автостероскопия

При этом методе для просмотра стереоскопического изображения очки не требуются. Технологии линзовых массивов и параллаксных барьеров заключаются в наложении двух (или более) изображений на одну поверхность в виде узких, чередующихся полос, и использовании экрана, который либо блокирует полосы одного из двух изображений (в случае параллаксных барьеров), либо использует равновеликие узкие линзы для преломления полос изображения, создавая иллюзию заполнения всей поверхности (в случае линзовых отпечатков). Для создания стереоскопического эффекта необходимо, чтобы один глаз видел одно из изображений, а другой – другое. Оптические принципы многовидовой автостереоскопии известны уже более ста лет. Оба изображения проецируются на экран с высокой диффузией и гофрированной поверхностью, который отражает свет под острыми углами. Чтобы увидеть стереоскопическое изображение, зритель должен находиться под очень узким углом, почти перпендикулярным экрану, что ограничивает размер аудитории. Линзовые массивы использовались для театральных показов множества короткометражных фильмов в России с 1940 по 1948 год, а в 1946 году – для полнометражного фильма «Робинзон Крузо». Хотя применение этой технологии в театральных показах было весьма ограниченным, линзовые массивы широко использовались для различных сувениров и даже в любительской 3D-фотографии. Недавним примером является Fujifilm FinePix Real 3D с автостереоскопическим дисплеем, выпущенный в 2009 году. Другие примеры этой технологии включают автостереоскопические ЖК-дисплеи в мониторах, ноутбуках, телевизорах, мобильных телефонах и игровых устройствах, таких как Nintendo 3DS.

Объемная дисплейная система

Объемные дисплеи используют определенный физический механизм для отображения точек света в объеме. В таких дисплеях используются воксели вместо пикселей. К объемным дисплеям относятся многоплановые дисплеи, состоящие из нескольких расположенных друг над другом плоскостей, и дисплеи с вращающимися панелями, где вращающаяся панель формирует объем. Также были разработаны другие технологии для проецирования световых точек в воздух над устройством. Инфракрасный лазер фокусируется в заданной точке пространства, создавая небольшой пузырь плазмы, излучающий видимый свет.

Световое поле / голографический дисплей

Дисплей светового поля пытается воссоздать "световое поле" на поверхности дисплея. В отличие от 2D-дисплея, который отображает определенный цвет для каждого пикселя, дисплей светового поля отображает определенный цвет для каждого пикселя в каждом направлении, в котором испускается световой луч. Таким образом, глаза, находящиеся в разных позициях, будут видеть разные изображения на дисплее, создавая параллакс и, следовательно, ощущение 3D. Дисплей светового поля подобен стеклянному окну: люди видят 3D-объекты за стеклом, хотя все световые лучи, которые они видят, приходят из-за (через) этого стекла. Световое поле перед дисплеем можно создать двумя способами: 1) путем излучения различных световых лучей в разных направлениях из каждой точки дисплея; 2) путем воссоздания волнового фронта перед дисплеем. Дисплеи, использующие первый метод, называются лучевыми или дисплеями светового поля. Дисплеи, использующие второй метод, называются волновыми или голографическими дисплеями. Волновые дисплеи работают аналогично голограммам. По сравнению с лучевыми дисплеями, волновой дисплей не только реконструирует световое поле, но и восстанавливает кривизну плоских волн и разность фаз волн в разных направлениях. Интегральная фотография – один из лучевых методов, обладающий полной информацией о параллаксе. Однако существуют также лучевые методы, разработанные только с горизонтальным параллаксом. Их первый продукт был встроен в мобильный телефон (Red Hydrogen One), а затем – в собственный Android-планшет.

Комплексная визуализация

Интегральная визуализация — это автостереоскопический или мультископический 3D-дисплей, то есть он отображает 3D-изображение без использования специальных очков. Это достигается за счет размещения массива микролинз (подобных линзам Френеля) перед изображением, при этом каждая линза выглядит по-разному в зависимости от угла зрения. Таким образом, вместо отображения 2D-изображения, которое выглядит одинаково с любого направления, он воссоздает 3D-световое поле, создавая стереоизображения, демонстрирующие параллакс при перемещении зрителя.

Дисплеи с компассивным световым полем

Разрабатывается новая технология отображения, называемая "компрессивным световым полем". Эти прототипы дисплеев используют многослойные ЖК-панели и алгоритмы сжатия при отображении. В конструкции предусмотрены двух- и многослойные устройства, управляемые алгоритмами, такими как компьютерная томография, неотрицательная матричная факторизация и неотрицательная тензорная факторизация.

Проблемы

Каждая из этих технологий отображения имеет свои недостатки, будь то расположение зрителя, неудобное или неэстетичное оборудование, либо высокая стоимость. Отображение трехмерных изображений без искажений по-прежнему представляет сложность.