: архив : архив журнала "625" : 1998 : #3

Сюрпризы зрения. Продолжение темы.
Дмитрий Усенков

Стереотелевидение: возможные пути решения проблемы

Для начала перечислим наиболее известные способы получения стереоизображений в фотографии. Это: стереопары, анаглифический, поляризационный и растровый способы, интегральная фотография и "мозаичные картинки", голография.

Рассмотрим каждый способ подробно и попытаемся проследить возможные технические сложности при их реализации на телевидении. При кинопроекции картина складывается несколько иная, поскольку гораздо проще обеспечить необходимое техническое оснащение кинотеатра, рассчитанного на большое число зрителей, чем быструю и не слишком обременяющую кошельки смену домашних телевизионных приемников. Очевидно, что наиболее желательным было бы обойтись вообще без доработки имеющихся моделей телевизоров, в крайнем случае - за счет подключения к ним недорогих дополнительных приставок, при минимальных изменениях в аппаратуре и стандартах вещания, тогда как полная замена видеосъемочной техники допустима, хотя и не очень желательна.

Начнем с самого простого - со стереопар. В фотографии это основной метод получения объемных изображений на бумаге и на слайдах, известный еще с начала ХХ века. Журнал "Наука и жизнь" полтора десятка лет назад уделял этой тематике значительное внимание, публикуя статьи о необходимом, чаще всего самодельном, фотооборудовании и многочисленные цветные стереопары на обложке и вкладках. А в 1959 г. издательством "Искусство" была выпущена книга Б. Т. Иванова и А. Л. Левингтона "Стереоскопическая фотография", содержащая подробные сведения как о стереопарах, так и о прочих способах получения объемных изображений, которые мы будем обсуждать чуть позже. Для фотографии и книжно-журнальных иллюстраций стереопары подходят как нельзя лучше, благодаря своей простоте и тому, что практически не влияют на стоимость готовой продукции.

Может использоваться этот способ и в кино. В качестве примера назовем стереопроектор с коротким фильмом из жизни электрического угря, представленный когда-то на одной из выставок ВДНХ. В области телевидения стереопары также вполне применимы. При этом аппаратура видеомонтажа, должна будет формировать в одном кадре изображения, поступающие с правой и левой видеокамер (обычных!). Картинка на экране телевизора будет состоять из двух половинок. Никаких изменений ни в аппаратуре вещания, ни в телевизионных приемниках в данном случае не потребуется. Рассматривать же стереопары зрители могли бы через недорогие стереоприставки (состоящие всего-навсего из пары компенсационных линз и нескольких металлических либо пластиковых деталей) или вообще без них, как это рассказывалось в старых выпусках "Науки и жизни". Единственный недостаток (зато приносящий изрядные неудобства) - уменьшение полезной площади видеоизображения вдвое, поскольку суммарная стереокартина по размерам будет соответствовать вертикальной половинке экрана. Так что, от использования стереопар в телевидении нам пока придется отказаться.

Теперь перейдем к анаглифическому способу. Его подробное описание можно найти, например, в журнале "Квант" N7 за 1984 г., а основная идея заключается в наложении друг на друга правого и левого изображений, проецируемых в дополнительных цветах ,например, красном и зеленом. Получаемая картинка очень похожа на типографский брак, вызванный смещением офсетных форм для разных цветов друг относительно друга: красные и зеленые линии и пятна раздваиваются тем больше, чем "глубже" данный объект располагается в изображаемой объемной картине. Рассматривать такой рисунок нужно через специальные очки с зеленым и красным светофильтрами. Пусть, например, зеленым цветом окрашен левый рисунок, а красным - правый; соответственно, левый глаз должен быть "вооружен" красным светофильтром, а правый - зеленым. В результате, зеленые линии левого рисунка будут незаметны сквозь зеленый фильтр для правого глаза и четко видны левым глазом сквозь красный фильтр, и наоборот. Так происходит раздельное видение правой и левой частей стереопары без их пространственного разделения. Такой способ позволил бы нам использовать всю площадь телеэкрана, причем из всех технических изменений потребовались бы красные и зеленые светофильтры для видеокамер и соответствующие очки с цветными пленками для телезрителей, но, увы, превратил бы цветные телевизоры в черно-белые, а на черно-белых моделях анаглифический способ вовсе нереализуем. Так что, и этот метод нам придется оставить только для журнальных иллюстраций, да и то в печатной литературе лучше использовать стереопары.

Поляризационный способ получения объемного изображения, хорошо зарекомендовавший себя в кино (вспомним хотя бы московский кинотеатр "Октябрь" на Арбате), для телевидения, очевидно, непригоден. Для его реализации потребовались бы сверхсложные кинескопы с двумя электронными "пушками" для каждого цвета, лучи которых должны направляться на расположенные рядом пары отдельных пятен люминофора, да еще вдобавок надо обеспечить и соответствующую поляризацию световых лучей от каждой точки экрана. Но для будущих моделей телеприемников с жидкокристаллическими экранами эта идея в общем-то применима при не слишком заметном увеличении стоимости телевизора, особенно для "крупномасштабных" моделей (своего рода "телекинотеатров"), предназначенных для совместного просмотра телепередач многими людьми.

То же самое можно сказать о растровом способе, когда "суммарное" изображение состоит из чередующихся полосок правой и левой частей стереопары, рассматриваемых сквозь слой призм, либо цилиндрических линз, обеспечивающих раздельное видение правым и левым глазами соответствующих полос. Раньше в любом киоске можно было купить стереокалендарики, линейки и другую мелочь, с "ребристой" лицевой поверхностью, изготовленные по этому принципу. Необходимость нанесения на поверхность кинескопа специальных "призменных" пленок, причем на заводе (а не самостоятельно, поскольку в домашних условиях не удастся обеспечить требуемую точность) здесь очевидна, как и то, что рассматривать стереоизображение можно будет только с определенных точек. Те же технические сложности с нанесением пленки (маски) потребовались бы и при использовании интегрального метода, когда каждый кадр снимается и рассматривается сквозь сетку мелких отверстий, так что реально он представляет собой множество микрокадров, снятых с разных точек. (Заметим, что интегральную фотографию можно считать своего рода "предтечей" голографии, хотя физические принципы в них различны.)

Недавно появившиеся "мозаичные картинки" являются разновидностью растрового способа (несколько таких картинок публиковались в последних выпусках журнала "Наука и жизнь"). На первый взгляд, это бессмысленно-пестрый набор точек или мозаика из почти одинаковых квадратиков с каким-нибудь рисунком (цветочками, капельками и т. п.). Но при взгляде под определенным углом, можно увидеть как бы отштампованное на пестром фоне объемное изображение. Преимуществом "мозаичных картинок" является полное использование площади "кадра", так как в изображение не входят только узкие вертикальные полоски слева и справа, и возможность применения обычных кинескопов. Решающим недостатком - невозможность передать реальные цвета, поскольку абстрактный пестрый фон является основой получения стереоэффекта и не может быть подменён реальной фотографией или видеокадром.

И наконец, голография. Это наиболее совершенный способ получения объемных изображений, но и наиболее дорогой: требуется лазерная техника и специальные микрозернистые фотоматериалы, для которых отдельной проблемой является обеспечение достаточно высокой чувствительности при съемке движущихся объектов, а также возможная опасность лазерного излучения для глаз телезрителя, не говоря уже о том, что придется полностью менять парк телевизионных приемников. В принципе возможна была бы реализация голографического стереотелевидения по методу Денисюка, путём формирования пространственной структуры голограммы в толстой пленке жидких кристаллов системы стоячих волн, генерируемой матрицей микропьезокристаллов. Тогда для просмотра объемной картины вместо лазера достаточно иметь хорошую электролампу. По цене такой телевизор окажется сравним с лимузином. Разве что для учреждений массовой культуры можно представить себе систему пространственного кино, когда в огромном пустом зале три лазерных луча с изменяемой яркостью, сканируют пространство и возбуждают свечение газа, заполняющего зал только в тех точках, где все три луча пересекутся. Для этого мощности одного и даже двух лучей должно быть недостаточно для возбуждения свечения газа. Но такой "голотеатр" следует отнести пока только к области чистой фантастики, по крайней мере, в ближайшем будущем. Так что же, стереотелевидение нам создать так и не удастся?

Два-три года назад пришлось бы ответить на данный вопрос простым "нет", а читателю с огорчением отложить журнал в сторону. Но совсем недавно в мире компьютерной техники произошли два события, которые дают нам некоторую надежду. Это создание шлемов виртуальной реальности и разработка стереоочков с изменяемой прозрачностью. Наиболее распространенной и сравнительно дешевой моделью шлема является VFX1, описание которого можно найти во многих компьютерных журналах, а также в статье автора "Виртуальный мир: миф или реальность?" (газета "Информатика" N33 за1996 г.). Шлем виртуальной реальности представляет собой два отдельных жидкокристаллических минидисплея, стереонаушники и систему инерционных датчиков, фиксирующих наклоны и повороты головы. Компьютер формирует сразу два изображения, подаваемые соответственно на левый и правый жидкокристаллические дисплеи, а далее процесс восприятия объемного изображения идентичен просмотру стереодиапозитивов. Использование шлема виртуальной реальности для стереотелевидения имеет как существенные достоинства, так и не менее заметные недостатки. Главным преимуществом этой технологии является получение максимальной полноты эффекта присутствия зрителя в "телемире", уступающее разве что голографии. Ни один из других рассмотренных выше методов не обеспечивает его. Шлем позволяет "засвечивать" почти такую же площадь сетчатки, как при видении реального мира. Сходный эффект дает кинопроекционная система "ОМНИМАКС", о которой рассказывалось в одном из выпусков журнала "Наука и жизнь" лет пять или семь назад. Недостатком является высокая стоимость шлема (VFX1 сегодня стоит более 800 долларов) Впрочем, в будущем цены на подобные устройства, очевидно, несколько снизятся, тем более что "TV-шлем" можно удешевить, убрав инерционные датчики. Для просмотра стереотелепередач каждому зрителю потребуется собственный шлем, пусть даже подключаемый к общему приемному блоку, что тоже является существенным недостатком.

Правда, уже сегодня имеются более простые и дешевые стереоочки для ДЕНДИ-подобных приставок, но качество изображения в таких очках заметно хуже. Передающую аппаратуру в этом случае тоже придется заменять. Одну из частей телестереопары можно транслировать стандартно, так что владельцы обычных телевизоров смогут просматривать стереотелепередачи в "моноварианте". А для второй картинки потребуется выделить дополнительный диапазон частот. Возможен и другой вариант конструкции "TV-шлема". В верхней его части, "на макушке", устанавливается пара миниатюрных кинескопов (цветных или черно-белых), используемых сегодня в видоискателях видеокамер. Изображение с помощью зеркал, скажем, в виде покрытых отражающим слоем с внутренней стороны очковых стекол, как в предложенной фирмой Sony конструкции очков телевизора "Визортрон" и системы увеличительных и компенсационных линз направляется на правый и левый глаза. И наконец, стереоочки с изменяемой прозрачностью представляют собой в некотором роде компромиссное решение (см., например, обзор в журнале GAME.EXE N1 за 1997 г.). Правое и левое стекла очков покрыты пленками жидких кристаллов, прозрачность которых можно быстро изменять от 100% до нуля и обратно. Изменение прозрачности левого и правого стекол очков производится попеременно по особому сигналу, соответствующему смене на экране правого кадра на левый и наоборот, так что в любой момент времени правую картинку видит только правый глаз, а левую - только левый. В результате формируется объемное изображение достаточно высокого качества, хотя и с меньшим эффектом присутствия, чем при использовании шлема виртуальной реальности. Сами очки стоят гораздо дешевле шлема, благо пленки жидкого кристалла в них сплошные, а не матричные, как в VFX1. Технология формирования видеосигнала может быть выбрана по одному из двух вариантов. Наиболее простой способ - транслировать и демонстрировать на экране попеременно левый и правый кадры, переключая триггер управляющий прозрачностью левого и правого стекол, по сигналу смены телекадров. Но, как легко понять, "видимая" частота кадров при этом уменьшится вдвое (до 12-13 кадров в секунду), что вызовет неприятное мерцание. Поэтому реально выгоднее использовать второй вариант (как это и сделано в компьютерной технологии), с учетом попеременного вывода всех четных и всех нечетных строк ("полукадров"). Договорившись, что, например, все четные строки будут относиться к левому изображению, а нечетные - к правому, можно обеспечить попеременный вывод правой и левой картинок при сохранении прежней частоты кадров, хотя и с потерей четкости изображения (увы, за все хорошее нужно платить).Впрочем, четкость TV-изображения, которая должна получиться в результате, окажется сопоставима с реализуемой в любительских видеокамерах среднего класса (порядка 400 строк), а при использовании стандарта ТВЧ результат должен оказаться еще лучше. Что же касается технического обеспечения, здесь потребуется использование двух стандартных видеокамер вместо одной (а еще удобнее, но не обязательно, - специальных"сдвоенных" камер) и цифровая приставка к видеомонтажному оборудованию, производящая запись четных строк, скажем, с левой видеокамеры, а нечетных - с правой. Хранение, тиражирование и трансляция в эфир полученного сигнала может производиться на имеющейся стандартной аппаратуре. Прием сигнала можно также производить на обычные телевизоры, которые понадобится лишь дооснастить несложными приставками (подключаемыми к НЧ-видеовыходу или непосредственно в схему и "отлавливающими" сигнал смены полукадров) и комплектом очков для каждого зрителя, подключаемыхк общей для всех приставке. Единственный недостаток - при отсутствии упомянутой приставки и очков "суммарное" изображение на экране окажется несколько "размытым" (впрочем, вряд ли все телевидение сразу и вдруг станет полностью объемным - кроме пробных стереопередач, останутся и обычные, а там и зрители постепенно оснастятся стереоприставками; можно также производить параллельную трансляцию одной и той же программы в "моно" и стереовариантах по двум разным каналам). Итак, телевидению (и зрителям) придется, по всей вероятности, выбирать более дешевые очки с изменяемой прозрачностью или более высококачественный, но дорогой шлем. Правда, есть вероятность, что выбор сделает за нас сам технический прогресс. Дело в том, что в последние годы наблюдается все большая тенденция к объединению телевизионной и компьютерной техники в некую единую мультимедиа-среду: телевизоры становятся цифровыми, а компьютеры получают возможность обработки видеоизображения и звука с хорошим качеством. Если же учесть и завоевывающую все большую популярность концепцию превращения персональных компьютеров в сетевые приставки, подключаемые к единой информационной сети и являющиеся по сути терминалами общегосударственной (а может быть - и всемирной) вычислительной системы, можно представить себе если не ближайшее будущее телевидения, то по крайней мере возможный путь его развития. Вполне вероятно, что на Земле будет сформирована Единая Сеть, основанная на технологиях мультимедиа и виртуальной реальности, которая возьмет на себя все функции обмена информацией. Со своего терминала любой пользователь сможет передать Центральному Мозгу любую вычислительную задачу и получить готовый ответ, а также, по желанию, выбрать из общей базы данных любой фильм, звукозапись или текст книги, просмотреть или прослушать его посредством шлема виртуальной реальности (а без него компьютерная система будущего вряд ли обойдется). В идеале же подобная информационная сеть будет подобна описанной в фантастическом рассказе М. Лейнстера "Логический компьютер по имени Джо" службе "логиков", девиз которой "Если вы хотите что-то сделать, но не знаете как, спросите вашего"логика"."

Стереоскопия и сравнение изображений

Во многих журналах среди различных логических задач, лабиринтов, головоломок иногда встречается такая задача: дается два почти похожих рисунка, отличающихся друг от друга лишь несколькими мелкими деталями, которые нужно отыскать. Желая найти решение, многие начинают тщательно просматривать оба рисунка, сравнивая их участки, что конечно же требует значительного времени, да и не всегда удается заметить все отличия с первого раза. Но, применив небольшую хитрость, можно отыскать любое число различий в любой паре таких картинок буквально за полминуты.

Дело в том, что Природа дала человеку не только бинокулярное цветовое зрение, но одновременно с ним и совершеннейший аппарат для сравнения пар изображений. Вспомним основные принципы объемного видения. Когда мы смотрим на окружающий мир, то правый и левый глаза видят вовсе не одну и ту же картинку, так как за счет параллакса образы близких предметов оказываются смещены относительно более далеких. Попробуйте сфокусировать взгляд на кончике пальца вытянутой вперед руки и поморгать попеременно левым и правым глазами - все окружающие вещи начнут заметно "перепрыгивать" с места на место. Мозг же привык соотносить взаимное положение предметов с расстоянием до них, формируя ощущение объемности. То же достигается в стереофотографии: левая и правая части стереопары предъявляются соответственно левому и правому глазам. Аналогичным образом можно искусственно сформировать объемное изображение на экране компьютера, если вычислить требуемые положения каждой точки для правого и левого глаза.

Другой зрительный эффект, привычный настолько, что мы обычно не задаемся вопросом "как это происходит?", - это блеск. Блестят грани бриллианта или другого драгоценного камня, блестит полированный металл, играют на солнце блестки ряби на поверхности воды при легком ветерке... Можно было бы посчитать, что блеск - это просто видимый глазом луч света. Но электрическую лампочку и другие источники света мы не называем блестящими, а только светящимися. Разгадка же происхождения эффекта блеска, оказывается, тоже содержится в бинокулярности зрения. Попытайтесь поморгать попеременно то левым, то правым глазами, глядя на блестящую поверхность воды, - вы обнаружите, что светлые участки, видимые правым глазом, не всегда совпадают со светлыми участками для левого. То есть какой-либо участок видимой нами картины будет выглядеть блестящим тогда, когда один глаз видит его светлым, а второй - темным. Итак, бинокулярность приводит к двум важным особенностям зрения: эффекту объемного восприятия смещенных друг относительно друга фрагментов и эффекту блеска. И оба они порождаются мозгом на основе сравнения изображений на сетчатках правого и левого глазах. Фактически мозг работает как компаратор левой и правой частей изображения. Эту особенность вполне можно использовать для решения задачи, поставленной в начале статьи - сравнить два почти одинаковых рисунка. Прежде всего расположим эти рисунки так, как обычно размещаются части стереопары: по горизонтали. Если они напечатаны один под другим, страницу можно повернуть на 90 градусов, хотя рисунки окажутся "лежащими на боку", но поиску различий это не помешает. Затем требуется скосить глаза в воображаемую точку, находящуюся ПЕРЕД рассматриваемой страницей, так чтобы оба рисунка слились в один. Точность совмещения удобно проверять по какому-то заведомо одинаковому элементу обеих картинок, например рамке вокруг картинок. При неудаче попытайтесь слегка наклонить страницу влево или вправо, чтобы добиться строгой горизонтальности пары рисунков. И когда рисунки совмещены, все мелкие различия тут же станут явными: фрагменты одного рисунка, отсутствующие на другом, будут заметно блестеть, а смещенные друг относительно друга окажутся приподнятыми над поверхностью "суммарной" картинки или, наоборот, углубленными в нее. Останется только запомнить расположение этих отличий, чтобы потом отметить их на рисунках после их "рассовмещения".

В заключение отметим, что описанный метод "стереоскопического"сравнения почти одинаковых изображений давно уже используется на практике, по крайней мере, в двух областях: астрономии и криминалистике. В первом случае приходится иметь дело с несколькими фотоснимками ночного неба, сделанными с некоторым временным интервалом при условии "привязки" поля зрения фотокамеры к изображениям звезд. Два таких снимка рассматриваются в стереоскопе. Звезды на них располагаются на одних и тех же местах, и вся "суммарная" картина выглядит плоской. Но если на снимках окажется какой-нибудь движущийся объект - планета, комета, астероид и т. д., его изображение на "стереокартине" будет вне плоскости снимка, и он четко обнаружится на фоне множества звезд. Криминалистам же приходится, кроме всего прочего, иметь дело с фальшивыми купюрами и документами. В некоторых случаях все различие подделки и оригинала сводится к неточности расположения мелких деталей рисунка или текста. Промерить доли миллиметра обычным способом слишком сложно, а вот стереоскопическое сравнение увеличенных фрагментов подозреваемой и подлинной купюр сразу же выявляет различия между ними и помогает изобличить преступника.