: архив : архив журнала "625" : 1999 : #1

Объемное телевидение. Позаботимся о здоровье глаз!
Павел Варгин

Вступая в "эру информатики", человек хочет, чтобы технические средства позволяли ему наблюдать объемное (трехмерное) изображение. В то же время плоские изображения компьютерных и телевизионных экранов и стереоскопические изображения систем, воспроизводящих стереопару, продолжают утомлять его глаза и даже приводят особо активных "наблюдателей" к близорукости. В статье "О пределах глубинного разрешения в стереотелевизионных системах" В.Е. Джакония и С.Э. Коганер отмечают, что "один из недостатков стереотелевизионного синтеза пространственного образа из изображений стереопары - несоответствие плоскостей конвергенции и аккомодации зрительного аппарата. Это несоответствие вызывает определенный дискомфорт у наблюдателя, а при параллаксах, превышающих некоторые допустимые значения, приводит к полной потере стереоэффекта".

Чтобы глаза не утомлялись даже при длительной многочасовой работе, необходимо дать возможность хрусталикам, которые исполняют роль объективов, в процессе осматривания наблюдаемой сцены перефокусироваться с близких предметов на дальние. Такой перефокусировки не производится в большинстве систем стереовидения, так как разработчики таких систем, в основном, используют для создания эффекта объемности принцип предъявления каждому глазу своего, левого или правого, изображения стереопары. Глаза при этом сфокусированы в плоскости расположения стереопары в течение всего процесса наблюдения, а меняется лишь степень скашивания глаз при рассматривании объектов различной удаленности.

Такая приверженность разработчиков объясняется заманчивой простотой создания стереопары. Достаточно взять два фотоаппарата, две кино- или телекамеры и снять желаемый объект с двух точек одновременно с разнесением (базой) объективов, примерно соответствующим расстоянию между глазами человека. Простота, однако, приводит к созданию заведомо небесспорных с точки зрения "гигиены зрения" технических средств.

Отметим, что документы МККР содержат термин "стереоскопическое телевидение", который охватывает все системы, создающие иллюзию наблюдения объемной (трехмерной) сцены. Однако в массовом сознании термин "стереотелевидение" закрепился как эквивалент понятия "стереотелевизионный синтез пространственного образа из изображений стереопары". Поэтому далее, в пределах этой статьи, мы будем пользоваться термином "объемное телевидение", подразумевая совокупность технических методов съемки (синтеза), передачи по линии связи и воспроизведения трехмерного (объемного) изображения, при рассматривании которого обеспечивается соответствие плоскостей конвергенции и аккомодации зрительного аппарата человека.

Объемное телевизионное изображение, благодаря задействованию всех механизмов зрения человека, воспринимается зрителем как реальный сюжет, наблюдаемый через окно. Это "окно в мир" отображает картину, передаваемую специальной объемной телекамерой или созданную с помощью компьютера. При этом иллюзия физического присутствия изображенного объекта весьма высока, его непроизвольно хочется потрогать. Естественно, что такое правдоподобное изображение оказывает на зрителя большое психологическое воздействие.

Автору неоднократно приходилось участвовать в довольно эмоциональных дискуссиях на тему: "Стоит ли выпускать джина из бутылки?". Сказанное выше о соответствии объемного телевидения физиологии зрения определяет нашу позицию в данном вопросе. Мы, конечно, видим возможности использования эффектов объемного телевидения в системах виртуальной реальности, однако психологические и иные последствия этого находятся вне сферы нашей компетентности.

Переход от обычного (плоского) телевизионного изображения к объемному выглядит следующим образом: при выключенном (подобно сигналу цветности) сигнале дальности владелец объемного телевизора наблюдает плоское цветное изображение. Затем он нажимает кнопку включения сигнала дальности, и сразу точки (элементы) изображения, соответствующие дальним планам "улетают" вдаль, и тем дальше, чем больше удалены их реальные прототипы от объемной телекамеры. Сам объемный телевизор по внешнему виду похож на обычный, но вместо экрана, на котором воспроизводится плоское изображение, у него имеется прозрачное защитное стекло. За этим стеклом на некотором удалении "висит" в пространстве (благодаря создаваемой оптической иллюзии) плоский экран, подобный киноэкрану, который при поступлении сигнала дальности превращается в сцену произвольной глубины.

Объемная телекамера, кроме обычной цветной телекамеры, содержит специальное устройство, работающее синхронно с камерой в режиме совмещения растров. Это устройство формирует на выходе видеосигнал особого изображения объекта съемки - сигнал дальности. Особенность данного изображения в том, что каждая его точка имеет яркость пропорциональную удаленности соответствующей точки объекта от телекамеры. При подаче этого сигнала на черно-белый монитор можно видеть, что, как бы ни был раскрашен объект съемки, его изображение зависит только от соотношения дальностей его элементов.

Рис.1 Четырехкомпонентное телевизионное изображение

Таким образом, к трем изображениям цветной телекамеры (рис. 1), которые принято называть R, G и B (от английских слов: red - красный, green - зеленый и blue - синий), добавляется четвертое изображение D (от английского distance - дальность). Фактически в развитой системе объемного телевидения будет передаваться не одно, а два изображения: D1, D2 (или даже больше), которые соответствуют съемке объекта наблюдения с двух (или больше) точек с большой стереобазой. Это необходимо для синтеза в точке приема объемного изображения, меняющегося в зависимости от положения головы зрителя. Здесь мы имеем дело уже с так называемой интерактивной системой телевизионного приема, реагирующей на местоположение головы телезрителя и позволяющей значительно расширить угол оглядывания объекта с разных сторон, что особенно важно для учебных программ и специальных приложений. Синтез изображения математически сводится к интерполяции текущих значений RGBD - компонент видеосигнала по значениям D1, D2. Хотя это является нетривиальной задачей, но она упрощается тем, что на самом деле важна "правдоподобность", а не точность воспроизведения объемных изображений промежуточных ракурсов.

Разумеется, это превращает объемный телевизор в персональный прибор, но к "персональности" мы уже привыкли благодаря компьютерам. Любителей семейного просмотра телепередач можно успокоить тем, что традиционные развлекательные программы не требуют высокой степени оглядывания, хотя, конечно, придется покупать объемный телевизор с "окном" больших размеров, который, к сожалению, будет стоить дороже. Следует также подчеркнуть, что подразумевается совместимость системы объемного телевидения с традиционными системами, при которой объемный телевизор позволяет осуществлять просмотр обычных плоских цветных и черно-белых изображений.

Также как для передачи видеосигналов цветного изображения по каналу связи были созданы системы уплотнения спектра телевизионного сигнала NTSC, SЕCАМ, PAL, необходима система уплотнения и для видеосигналов RGBD. Достаточно сказать, что такая система, по-видимому, будет представлять собой некоторую комбинацию перечисленных систем цветового кодирования, что удобно для использования с минимальными доработками систем консервации (видеозаписи), стандартных телевизионных каналов связи и современной элементной базы.

Вообще, в объемном телевидении удивительным образом концентрируются многие достижения современной техники, как будто специально созданные к моменту появления объемного телевидения. Например, при создании объемной телекамеры используются методы активной оптической локации объектов съемки с применением маломощного инфракрасного (невидимого) лазерного излучения. Это позволяет достичь высокой разрешающей способности по дальности при значительном количестве (до сотен) планов разрешения по глубине и угловом разрешении, свойственном телевизионной пассивной системе. Поскольку для получения видеосигналов цветного изображения объекта наблюдения используется обычная цветная телекамера, качество съемки бывает не хуже обычного в телевидении.

Быстро развивается техника синтеза объемных изображений с широким использованием современных быстродействующих компьютеров. Трехмерная (3D от three-dimensional - трехмерный) графика используется для решения задач визуализации данных автоматизированного проектирования технических устройств, создания эффектов виртуальной реальности в игровых системах и тренажерах, моделирования и анимации. В большинстве случаев объемные изображения воспроизводятся на обычном плоском экране компьютера (аксонометрические проекции), но в памяти компьютеров такие изображения представляют собой полноценные трехмерные объекты, удобные для синтеза видеосигнала RGBD. Имеется возможность использования не только библиотеки уже накопленных трехмерных сюжетов, но и мощного программного обеспечения и аппаратных средств, позволяющих создавать трехмерные сцены и проводить разнообразную обработку искусственных и естественных изображений.

Рис.2 Формирование объемного телевизионного изображения:
1 - экран
2 - луч
3 - строка изображения
4 - направление кадровой развертки
5 - замкнутый объем пространства изображения
6 - изображение объекта

Сказанное выше, на наш взгляд, делает понятным то, что для телевидения переход от плоского изображения к объемному является не только своевременным, но и необходимым по соображениям "гигиены зрения". Создание канала объемного телевидения потребует известных затрат. Причем затраты на разработку всех необходимых составляющих аппаратуры, позволяющей вести объемные телепередачи, сравнительно невелики. Однако необходимы значительные капиталовложения для создания производственной базы программ объемного телевещания, которая сможет обеспечить должный объем вещания.

Дело упрощается тем, что имеется возможность "встраивания" технологий объемного телевидения в обычные, используемые в настоящее время. Такой подход представляется тем более целесообразным, что персоналу телестудий необходимо время для освоения новых изобразительных средств, как в свое время было при переходе от черно-белого телевидения к цветному. До этого студия объемного телевидения вполне может вести "плоские" передачи. Понадобится наладить производство объемных телевизоров, которые по эргономичности дизайна и надежности соответствовали бы современным требованиям.

На наш взгляд, разработку аппаратуры для осуществления объемного телевещания, а также строительство специального телецентра и запуск производства объемных телевизоров можно осуществить в Санкт-Петербурге, где есть необходимые специалисты соответствующей квалификации в областях телевидения, компьютерных технологий, оптики, механики и др., что позволит оперативно решать все задачи, связанные с внедрением новой техники. Немаловажно и то, что культурный потенциал Санкт-Петербурга позволит наполнить новый телевизионный канал достойным информационным содержанием.

С целью создания и внедрения в России объемного телевидения в Санкт-Петербурге с создано акционерное общество "Проектно-конструкторское бюро "Рельеф", в которое вошли многие ведущие специалисты в области телевидения: доктора технических наук А.А. Головков (ГЭТУ), Л.Л. Полосин и А.К. Цыцулин (НИИТ), доктор физико-математических наук Д.И. Стаселько (ГОИ) и другие ученые и инженеры, имеющие опыт разработки и внедрения систем вещательного, космического и морского телевидения. По нашим оценкам, стоимость проекта экспериментального канала объемного телевидения составляет 150 млн. долларов. Мы надеемся, что государство примет участие в финансировании этого проекта, поскольку речь идет о создании комплекса новых информационных технологий, обладающего потенциально хорошей окупаемостью.