Создание 3D-изображений с помощью поляризованного света.

Введение

Использование поляризованного света для создания трехмерного изображения

Поляризованная 3D-система использует поляризационные очки для создания иллюзии трехмерного изображения, ограничивая свет, попадающий в каждый глаз (это пример стереоскопии). Для показа стереоскопических изображений и фильмов два изображения проецируются на один и тот же экран или дисплей, накладываясь друг на друга, через различные поляризующие фильтры. Зритель носит недорогие очки, в которых для каждого глаза предусмотрен поляризующий фильтр. Левый и правый фильтры имеют разную поляризацию, поэтому каждый глаз видит только изображение, соответствующее его поляризации. Это позволяет создать эффект трехмерности, проецируя одну и ту же сцену в оба глаза, но с немного отличающихся перспектив и с использованием разной поляризации. Несколько человек могут одновременно просматривать стереоскопическое изображение. Поляризованные 3D-системы, и стереоскопические системы в целом, часто демонстрируют конфликт между вергенцией и аккомодацией.

Линейные поляризованные стекла

Для демонстрации стереоскопического фильма на один экран проецируются два изображения, наложенных друг на друга, через ортогональные поляризующие фильтры (обычно под углами 45 и 135 градусов). Зритель носит очки с линейной поляризацией, которые также содержат пару ортогональных поляризующих фильтров, ориентированных аналогично фильтрам проектора. Поскольку каждый фильтр пропускает только свет с одинаковой поляризацией и блокирует свет с ортогональной поляризацией, каждый глаз видит только одно из проецируемых изображений, что и создает эффект трехмерности. Очки с линейной поляризацией требуют, чтобы зритель держал голову прямо, так как наклон фильтров может привести к перекрытию изображений левого и правого каналов. Это может сделать длительный просмотр некомфортным, поскольку для сохранения эффекта 3D необходимо ограничивать движения головы.

Очки с круговой поляризацией

Для представления стереоскопического изображения на один экран проецируются два изображения, наложенные друг на друга, через круговые поляризующие фильтры с противоположной спиральностью. Зритель носит очки, содержащие пару анализирующих фильтров (круглые поляризаторы, установленные в обратном порядке) с противоположной спиральностью. Свет с левой спиральностью блокируется анализатором с правой спиральностью, а свет с правой спиральностью – анализатором с левой спиральностью. Результат аналогичен стереоскопическому просмотру с использованием линейно поляризованных очков, однако зритель может наклонить голову, сохраняя разделение на левое и правое изображения (хотя стереоскопическое слияние изображений будет потеряно из-за несоответствия между плоскостью взгляда и плоскостью исходной камеры). Как показано на рисунке, анализирующие фильтры состоят из четвертьволновой пластинки (QWP) и линейно-поляризующего фильтра (LPF). QWP всегда преобразует кругово поляризованный свет в линейно поляризованный свет. Однако угол поляризации линейно поляризованного света, создаваемого QWP, зависит от спиральности входящего в QWP кругово поляризованного света. На иллюстрации свет с левой спиральностью, поступающий в анализирующий фильтр, преобразуется QWP в линейно поляризованный свет, направление поляризации которого совпадает с осью пропускания LPF. Следовательно, в этом случае свет проходит через LPF. И наоборот, свет с правой спиральностью был бы преобразован в линейно поляризованный свет, направление поляризации которого совпадало бы с осью поглощения LPF, перпендикулярной оси пропускания, и поэтому он был бы заблокирован. Поворот QWP или LPF на 90 градусов вокруг оси, перпендикулярной его поверхности (то есть параллельной направлению распространения световой волны), позволяет создать анализирующий фильтр, блокирующий свет с левой, а не с правой спиральностью. Поворот QWP и LPF на один и тот же угол не изменяет поведение анализирующего фильтра.

To present a stereoscopic motion picture, two images are projected superimposed onto the same screen through circular polarizing filters of opposite handedness. The viewer wears eyeglasses which contain a pair of analyzing filters (circular polarizers mounted in reverse) of opposite handedness. Light that is left circularly polarized is blocked by the right handed analyzer, while right circularly polarized light is blocked by the left handed analyzer. The result is similar to that of stereoscopic viewing using linearly polarized glasses, except the viewer can tilt his or her head and still maintain left/right separation (although stereoscopic image fusion will be lost due to the mismatch between the eye plane and the original camera plane). As shown in the figure, the analyzing filters are constructed of a quarter wave plate (QWP) and a linearly polarized filter (LPF). The QWP always transforms circularly polarized light into linearly polarized light. However, the angle of polarization of the linearly polarized light produced by a QWP depends on the handedness of the circularly polarized light entering the QWP. In the illustration, the left handed circularly polarized light entering the analyzing filter is transformed by the QWP into linearly polarized light which has its direction of polarization along the transmission axis of the LPF. Therefore, in this case the light passes through the LPF. In contrast, right handed circularly polarized light would have been transformed into linearly polarized light that had its direction of polarization along the absorbing axis of the LPF, which is at right angles to the transmission axis, and it would have therefore been blocked. By rotating either the QWP or the LPF by 90 degrees about an axis perpendicular to its surface (i. e. parallel to the direction of propagation of the light wave), one may build an analyzing filter which blocks left handed, rather than right handed circularly polarized light. Rotating both the QWP and the LPF by the same angle does not change the behaviour of the analyzing filter.

Конструкция системы и примеры

Поляризованный свет, отраженный от обычного киноэкрана, обычно теряет большую часть своей поляризации, но потеря незначительна при использовании серебряного или алюминизированного экрана. Это означает, что пара выровненных DLP-проекторов, поляризующие фильтры, серебряный экран и компьютер с графической картой с двумя выходами могут быть использованы для создания относительно дорогостоящей (более 10 000 долларов США в 2010 году) системы для одновременного отображения стереоскопических 3D-данных группе людей в поляризованных очках. В случае RealD 3D перед объективом проектора устанавливается циркулярно поляризующий жидкокристаллический фильтр, способный переключать поляризацию 144 раза в секунду. Требуется только один проектор, поскольку изображения для левого и правого глаза отображаются поочередно. Компания Sony представила новую систему RealD XLS, которая отображает оба круглополяризованных изображения одновременно: один 4K-проектор отображает два 2K-изображения одно над другим, а специальный насадочный объектив поляризует и проецирует их друг на друга. К традиционным 35-мм проекторам можно добавить оптические приспособления для адаптации к проекции пленки в формате "над и под", где каждая пара изображений размещается в одном кадре пленки. Два изображения проецируются через разные поляризаторы и накладываются на экран. Это очень экономичный способ модернизации кинотеатра для 3D, поскольку требуются только приспособления и неполяризующая поверхность экрана, а не переход к цифровой 3D-проекции. В настоящее время адаптер такого типа производит Thomson Technicolor. Для отображения стереоизображений одному пользователю целесообразно создать комбинирующее устройство, используя частично серебряные зеркала и два экрана изображения, расположенных под прямым углом друг к другу. Одно изображение видно непосредственно через зеркало, а другое – как отражение. К экранам изображения крепятся поляризованные фильтры, а соответствующие по углу наклону фильтры используются в очках. Похожая техника использует один экран с перевернутым верхним изображением, просматриваемым в горизонтальном полупрозрачном отражателе, а под отражателем отображается прямое изображение, также с соответствующими поляризаторами.

Polarized light reflected from an ordinary motion picture screen typically loses most of its polarization, but the loss is negligible if a silver screen or aluminized screen is used. This means that a pair of aligned DLP projectors, some polarizing filters, a silver screen, and a computer with a dual head graphics card can be used to form a relatively high cost (over US$10,000 in 2010) system for displaying stereoscopic 3D data simultaneously to a group of people wearing polarized glasses. In the case of RealD 3D a circularly polarizing liquid crystal filter which can switch polarity 144 times per second is placed in front of the projector lens. Only one projector is needed, as the left and right eye images are displayed alternately. Sony features a new system called RealD XLS, which shows both circularly polarized images simultaneously: A single 4K projector displays two 2K images one above the other, a special lens attachment polarizes and projects the images on top of each other. Optical attachments can be added to traditional 35 mm projectors to adapt them for projecting film in the "over and under" format, in which each pair of images is stacked within one frame of film. The two images are projected through different polarizers and superimposed on the screen. This is a very cost effective way to convert a theater for 3 D as all that is needed are the attachments and a non depolarizing screen surface, rather than a conversion to digital 3 D projection. Thomson Technicolor currently produces an adapter of this type. When stereo images are to be presented to a single user, it is practical to construct an image combiner, using partially silvered mirrors and two image screens at right angles to one another. One image is seen directly through the angled mirror whilst the other is seen as a reflection. Polarized filters are attached to the image screens and appropriately angled filters are worn as glasses. A similar technique uses a single screen with an inverted upper image, viewed in a horizontal partial reflector, with an upright image presented below the reflector, again with appropriate polarizers.

На экранах телевизоров и компьютеров

Методы поляризации проще применять с использованием технологии электронно-лучевой трубки (ЭЛТ), чем с использованием жидкокристаллических дисплеев (ЖКД). Обычные ЖК-экраны уже содержат поляризаторы для управления отображением пикселей, что может мешать применению этих методов. В 2003 году Кейго Идзука обнаружил недорогой способ реализации этого принципа на дисплеях ноутбуков, используя листы целлофана. Можно создать недорогую поляризованную проекционную систему, используя компьютер с двумя проекторами и экран из алюминиевой фольги. Матовая сторона алюминиевой фольги ярче, чем большинство серебряных экранов. Это было продемонстрировано в университете PhraJomGlao, Нонтхабури, Таиланд, в сентябре 2009 года.

Здравоохранение

В оптике и офтальмологии поляризационные очки используются для различных тестов оценки бинокулярного восприятия глубины (то есть стереопсиса).

История

Поляризованная 3D-проекция была продемонстрирована экспериментально в 1890-х годах. Проекторы использовали николевы призмы для поляризации. Пакеты из тонких стеклянных листов, расположенных под углом для отражения света нежелательной поляризации, служили фильтрами для просмотра. Поляризованные 3D-очки стали практическими только после изобретения поляризационных листов из полимерной пленки Polaroid Эдвином Лэндом, который в 1934 году демонстрировал их использование для проекции и просмотра 3D-изображений. Впервые они были использованы для показа 3D-фильма широкой публике на выставке "Polaroid on Parade" в Нью-Йоркском музее науки и промышленности, открывшейся в декабре 1936 года. Использовалась 16-миллиметровая цветная пленка Kodachrome. Подробности об очках недоступны. На Всемирной выставке в Нью-Йорке в 1939 году в павильоне Chrysler Motors был показан короткий поляризованный 3D-фильм, который ежедневно просматривали тысячи посетителей. Картонные очки-зрители, бесплатный сувенир, были вырезаны в форме автомобиля Plymouth 1939 года, видимого спереди. Их поляризационные фильтры, прикрепленные скобами к прямоугольным отверстиям на месте фар, были очень маленькими. Для просмотра фильма "Bwana Devil" – полнометражного цветного 3D-фильма, премьера которого состоялась 26 ноября 1952 года и вызвавшего кратковременную, но интенсивную 3D-моду 1950-х годов – использовались картонные очки с дужками и более крупными фильтрами. Знаменитая фотография из журнала Life, на которой зрители в 3D-очках, была сделана на премьере. Название фильма, напечатанное на дужках, отчетливо видно на изображениях высокого разрешения. Колоризованные версии помогли распространить миф о том, что 3D-фильмы 1950-х годов проецировались методом цветных фильтров анаглифа. На самом деле, в 1950-х годах анаглифная проекция использовалась лишь для нескольких короткометражных фильмов. Начиная с 1970-х годов, некоторые 3D-фильмы 1950-х годов были перевыпущены в анаглифном формате, чтобы их можно было показывать без специального проекционного оборудования. Не было коммерческой выгоды в рекламе того факта, что это не был оригинальный формат выпуска. В 1950-х годах типичными были поляризационные фильтры Polaroid в одноразовых картонных оправах, но также использовались более удобные пластиковые оправы с несколько большими фильтрами, которые обходились владельцам кинотеатров значительно дороже. Зрителям обычно предлагалось сдавать очки при выходе, чтобы их можно было продезинфицировать и повторно использовать, и нередко у выходов дежурили сотрудники, чтобы попытаться собрать их у забывчивых или желающих сохранить сувенир зрителей. Картонные и пластиковые оправы продолжали сосуществовать в последующие десятилетия, и та или иная оправа предпочиталась определенным дистрибьютором фильма, кинотеатром или для конкретного релиза. Иногда использовались очки со специальной печатью или изготовленные на заказ. Некоторые показы фильма Энди Уорхола "Франкенштейн" во время его первого показа в США в 1974 году использовали необычные очки, состоящие из двух жестких пластиковых поляризаторов, соединенных двумя тонкими серебристыми пластиковыми трубками, разрезанными вдоль: одна прикреплена к верхней части и согнута у висков, образуя дужки, а другая – короткий отрезок, согнутый посередине и служащий переносицей. Дизайн был одновременно стильным, в духе Уорхола, и очевидно простым в изготовлении из листового материала и трубок. Линейная поляризация оставалась стандартной вплоть до 1980-х годов и далее. В 2000-х годах компьютерная анимация, цифровая проекция и использование сложных кинопроекторов IMAX 70 мм создали возможности для новой волны поляризованных 3D-фильмов. В 2000-х годах были представлены RealD Cinema и MasterImage 3D, оба использующие круговую поляризацию. На IBC 2011 в Амстердаме RAI несколько компаний, включая Sony, Panasonic, JVC и другие, представили свои будущие портфели стереоскопических 3D-продуктов как для профессионального, так и для потребительского рынков, использующие ту же технику поляризации, что и RealD 3D Cinema для стереоскопии. Эти продукты охватывают все: от записи, проекции, просмотра и цифровых технологий отображения до живого, записанного, предварительного и постпроизводственного оборудования, а также программного и аппаратного обеспечения для создания 3D-контента. Их системы совместимы и работают с существующими пассивными 3D-очками RealD.

Polarized 3 D projection was demonstrated experimentally in the 1890s. The projectors used Nicol Prisms for polarization. Packs of thin glass sheets, angled so as to reflect away light of the unwanted polarity, served as the viewing filters. Polarized 3 D glasses only became practical after the invention of Polaroid plastic sheet polarizers by Edwin Land, who was privately demonstrating their use for projecting and viewing 3 D images in 1934. They were first used to show a 3 D movie to the general public at "Polaroid on Parade", a New York Museum of Science and Industry exhibit that opened in December 1936. 16 mm Kodachrome color film was used. Details about the glasses are not available. At the 1939 New York World's Fair, a short polarized 3 D film was shown at the Chrysler Motors pavilion and seen by thousands of visitors daily. The hand held cardboard viewers, a free souvenir, were die cut in the shape of a 1939 Plymouth seen head on. Their Polaroid filters, stapled over rectangular openings where the headlights ought to be, were very small. Cardboard glasses with earpieces and larger filters were used to watch Bwana Devil, the feature length color 3 D film that premiered on 26 November 1952 and ignited the brief but intense 3 D fad of the 1950s. The well known Life magazine photo of an audience wearing 3 D glasses was one of a series taken at the premiere. The film's title, imprinted on the earpieces, is plainly visible in high resolution copies of those images. Imaginatively colorized versions have helped to spread the myth that the 3 D movies of the 1950s were projected by the anaglyph color filter method. In fact, during the 1950s anaglyph projection was used only for a few short films. Beginning in the 1970s, some 1950s 3 D feature films were re released in anaglyph form so that they could be shown without special projection equipment. There was no commercial advantage in advertising the fact that it was not the original release format. Polaroid filters in disposable cardboard frames were typical during the 1950s, but more comfortable plastic frames with somewhat larger filters, considerably more expensive for the theater owner, were also in use. Patrons were normally instructed to turn them in when leaving so that they could be sanitized and reissued, and it was not uncommon for ushers to be stationed at the exits to attempt to collect them from forgetful or souvenir loving patrons. Cardboard and plastic frames continued to co exist during the following decades, with one or the other favored by a particular film distributor or theater or for a particular release. Specially imprinted or otherwise custom made glasses were sometimes used. Some showings of Andy Warhol's Frankenstein during its 1974 U. S. first run featured unusual glasses consisting of two stiff plastic polarizers held together by two thin silver plastic tubes slit lengthwise, one attached across the tops and bent at the temples to form earpieces, the other a short length bent in the middle and serving as the bridge piece. The design managed to be both stylish in an appropriately Warholesque way and self evidently simple to manufacture from the raw sheet and tube stock. Linear polarization was standard into the 1980s and beyond. In the 2000s, computer animation, digital projection, and the use of sophisticated IMAX 70 mm film projectors, have created an opportunity for a new wave of polarized 3D films. In the 2000s, RealD Cinema and MasterImage 3D were introduced, both using circular polarization. At IBC 2011 in Amsterdam RAI several companies, including Sony, Panasonic, JVC & others highlighted their upcoming 3D stereoscopic product portfolios for both the professional and consumer markets to use the same polarization technique as RealD 3D Cinema uses for stereoscopy. These highlighted products cover everything from recording, projecting, viewing and digital display technologies to live, recorded and pre and post production facilities and soft and hardware based product to facilitate 3D content creation. Their systems are interoperable and compatible with existing, passive RealD 3D glasses.

Преимущества и недостатки

По сравнению с анаглифными изображениями, использование поляризованных 3D-очков создает полноцветное изображение, которое значительно комфортнее для просмотра и не вызывает бинокулярного соперничества. Однако это требует существенных дополнительных затрат: даже недорогие поляризованные очки обычно стоят на 50% дороже, чем сопоставимые красно-циановые фильтры, и если анаглифовые 3D-фильмы можно печатать на одной кинопленке, то для поляризованной пленки часто требовалась специальная установка с двумя проекторами. Использование нескольких проекторов также создает проблемы с синхронизацией, а плохо синхронизированный фильм сводит на нет любое повышение комфорта от использования поляризации. Эта проблема была решена рядом однополосных поляризованных систем, которые стали стандартом в 1980-х годах. Особенно в случае линейных схем поляризации, популярных с 1950-х годов, использование линейной поляризации требовало, чтобы зритель держал голову прямо для комфортного просмотра; любой наклон головы в сторону приводил к нарушению поляризации, появлению "двойного изображения" и тому, что оба глаза видели оба изображения. Круговая поляризация смягчила эту проблему, позволяя зрителям слегка наклонять голову (хотя любое отклонение между плоскостью глаз и плоскостью камеры все равно может мешать восприятию глубины). Поскольку нейтрально-серые линейные поляризующие фильтры легко производятся, обеспечивается точная цветопередача. Круговые поляризующие фильтры часто имеют легкий коричневатый оттенок, который можно компенсировать при проецировании. До 2011 года домашние 3D-телевизоры и 3D-компьютеры в основном использовали активные затворные очки с LCD- или плазменными дисплеями. Производители телевизоров (LG, Vizio) представили дисплеи с горизонтальными поляризующими полосами, нанесенными на экран. Полосы чередуют поляризацию для каждой строки. Это позволяет использовать относительно недорогие пассивные очки, аналогичные тем, что используются в кинотеатрах. Основной недостаток заключается в том, что каждая поляризация может отображать только половину сканирующих строк.

Преимущества

Обычно недорогие. Очки не требуют питания. Очкам не нужен передатчик для синхронизации с дисплеем. Отсутствует мерцание. Лёгкие. Удобные.