Сейчас при анонсе практически каждой кинопремьеры мы видим на афише надпись «3D эффект». Это новшество получило широкое распространение в нашей стране совсем недавно. Однако технология буквально за пару лет снискала себе настоящую популярность среди посетителей кинотеатров. Объемное изображение, ощущение присутствия и масса восторженных впечатлений - вот основные преимущества такого эффекта. Но по своей сути? Как же разработчики добились столь необычной подачи, казалось бы, плоской картинки? Не вредит ли такая технология человеческому глазу и мозгу? Давайте разберемся.
Само название 3D произошло от сокращенного понятия «three-dimensional» или же «трехмерный», если перевести на русский язык. Оно означает особенность восприятия окружающего мира посредством Так как каждый глаз человека передает в мозг свою картинку, то они будут несколько отличаться друг от друга. Это можно легко проверить, проведя небольшой эксперимент. Закройте поочередно оба глаза, и вы сразу же заметите разницу. Ведь между ними имеется расстояние. Но мы не воспринимаем изображение двойственно, так как мозг в тысячные доли секунды преобразует полученную информацию в целиковую картинку. Вот вам и природная технология 3D.
Чтобы посетители кинотеатра могли почувствовать на себе всю новинки, сам фильм должен быть снят по особому методу. Это делается посредством двух различных камер, которые расположены на небольшом расстоянии друг от друга, или же при помощи одной, но специальной. Она имеет сразу две линзы, позволяющие запечатлеть все происходящее так же, как и мы видим это обоими глазами. Когда отснятый материал запускается на экран, то человек видит размытую, как бы двоящуюся картинку. Чтобы понять, что такое 3D, ему понадобятся специальные очки, которые соединят снятые кадры с разных камер в одно целостное изображение. При этом каждый глаз должен получать именно ту картинку, которая предназначена специально для него. В зависимости от того, как был снят фильм, сцена будет или уходить вглубь экрана, или выдвигаться непосредственно на зрителя.
Сейчас технология 3D проникает даже к нам в дома. Производители техники активно внедряют ее в свои девайсы, которые становятся адаптированными к передаче объемных изображений. Что такое 3D в домашних условиях? Это просмотр специально отснятых по данной технологии фильмов на полноценных телевизорах, стационарных компьютерах, планшетах или широкоэкранных смартфонах. При этом создатели таких устройств нового поколения могут использовать совершенно разную методику усовершенствования девайсов. Чаще всего применяются анаглифические очки, которые знакомы всем, кто хотя бы однажды смотрел фильм формата 3D в кинотеатре. Одно их стекло имеет синий цвет, а второе - красный. Именно эта особенность позволяет разграничить изображения, предназначенные для С такими очками вы можете наслаждаться эффектом «присутствия», даже просматривая фильм на обычном телевизоре.
Если говорить о специальных экранах и мониторах, то не обойдется без технологии поляризации. В таком случае помимо особых очков вам понадобится и новый телевизор (или же Вполне логично, что такое 3D обойдется вам гораздо дороже. Ведь широкоформатная техника с особыми экранами имеет достаточно высокую стоимость. Однако эта технология далеко не совершенна, в результате чего изображение может казаться не совсем четким или же расплываться краями.
Самым дорогим и качественным вариантом для дома считаются автостереоскопические дисплеи. Они не требуют дополнительных очков, так как самостоятельно преобразовывают изображение в объемное. Эффект от просмотра кино на таких устройствах будет просто ошеломительным.
В мире все большую популярность набирают технологии объемного изображения. Это и выпуск новых фильмов в 3D формате, и оборудование кинотеатров новыми техническими средствами для просмотра объемных фильмов, и развитие 3D телевидения. И если создание и передача контента в 3D формате не от нас зависит, то приобретение телевизора с такой функцией это уже зависит от покупателя.
Все разработки основываются на особенностях человеческого зрения. У нас есть два глаза расположенные на некотором расстоянии друг от друга, обычно 5-7 см. Каждый глаз видит свое изображение, это можно увидеть, если поочередно закрывать глаза, глядя на одну картинку. Вы увидите, как картинка немного смещается и видно все под несколько другим углом. Вот эта особенность и позволяет нам видеть все в объеме. Наш мозг, получая две картинки немного смещенные, научился совмещать их в одно изображение, но уже объемное. И нам кажется, что мы сразу же видим все в объеме. На самом деле мозг сам обрабатывает увиденное глазами и формирует объемное изображение, то есть он воспринимает расстояние до объекта и понимает глубину пространства.
По такому пути и пошли разработчики 3D телевидения. В основу был положен принцип, по которому для каждого глаза формировалось свое изображение, что бы мозг уже сам сложил их, и мы увидели объемную картинку.
Почти все лидеры в производстве телевизионной техники начали осваивать выпуск 3D телевизоров и другой техники этого формата, как например проигрыватели для дисков с 3D фильмами и другое. Основное развитие в 3D формате получили плазменные и жк LED телевизоры. В силу технологических особенностей плазменные 3D телевизоры показывают лучшее качество, чем LCD 3D телевизоры из-за строгого требования ко времени отклика матрицы (должно быть меньше 3 миллисекунд).
Все современные 3D телевизоры воспроизводят изображение в качестве Full HD . При этом видео выводится поочередно для каждого глаза и, что бы сохранить плавность картинки, нужна кадровая частота минимум в 60 Гц для каждого глаза. То есть общая кадровая частота должна быть не меньше 120 Гц да еще и в каждом кадре должно быть качество Full HD. Отсюда и такое строгое требование ко времени отклика матрицы, как писалось выше, оно должно быть не больше 3 мс.
Внешний вид телеприемника и очков для показа 3D
Для передачи сигнала Full HD сигнала с частотой не меньше 120 Гц может потребоваться применение HDMI 1.4. В телевизорах может еще быть HDMI 1.3.
При таком требовании к видео, выводимом на экран, реализация 3D эффектов возможна только с применением специальных очков. Сейчас все фирмы применяют так называемые активные очки. Эти 3D очки имеют встроенную микросхему и управляются сигналами с телевизора с помощью инфракрасного излучения. В зависимости от изображения на экране очки пропускают сигнал только для одного глаза, а в следующий кадр для другого глаза. Очки одной фирмы не будут работать на телевизоре другой фирмы.
Анаглифические очки
Впервые объемное изображение попытались получить еще в 1853 году в Германии. На экран выводилось изображение в разных цветовых оттенках. Зрителям раздавались очки, линзы которых были окрашены в разные цвета – красный, синий или зеленый. Каждый глаз получал только то изображение, которое было окрашено в цвет линзы на очках. Так каждый глаз видел только свое изображение, и картинка получала объем.
Анаглифические очки
Но недостатки были такими большими, что о применении данной технологии в домашних условиях нельзя было говорить. Изображение было с очень плохой цветопередачей. Из-за тонирования линз в очках картинка получалась с оттенками красного и синего (зеленого). И качество 3D картинки получалось не очень качественным.
Поляризационные очки
Другой технологией, где очки отфильтровывали изображение для каждого глаза, была поляризационная. Здесь уже линзы очков покрывались поляризационными светофильтрами в виде поляризационных пленок. Разделение изображения для левого и правого глаза получалось благодаря поляризации изображения. Поляризация – это когда световые волны имеют разные направления колебаний, по-другому колебания электрического поля световой волны происходит в разных плоскостях. В кинотеатре для этого используют два кинопроектора. Поляризационные очки используют в IMAX 3D и в RealD кинотеатрах.
Поляризационные очки
В очках фильтр на одной линзе пропускает только волны света горизонтально ориентированные, а фильтр на другой линзе пропускает только волны с вертикальной поляризацией. В итоге каждый глаз получает только свою картинку, и мы воспринимаем изображение как объемное. Для того чтобы не терялись контрастность и яркость изображения при наклоне головы, стали применять круговую поляризацию. Здесь уже одно изображение имеет левую поляризацию, а другое – правую.
Использовать эту технологию получения объемного изображения на телевизоре в домашних условиях очень сложно. Из-за этого производители телетехники стали использовать её только в 2011 году. Первой на рынок телевизоров 3D с поляризационной технологией свои модели представила фирма LG со своей разработкой LG Cinema 3D. Увидев определенный интерес к данной технологии у покупателей, свои модели представили и компании Toshiba, Philips, Samsung.
К достоинствам поляризационной технологии можно отнести качественное изображение 3D с хорошей цветопередачей и детальностью. Поляризационные очки получились легкими и удобными без электронной схемы. Отсутствуют перекрестные искажения и мерцания в отличие от активной технологии, поэтому и уменьшена утомляемость глаз.
Недостатком считают уменьшение разрешения по вертикали, потому что в кадре идет чередование строк для левого и правого глаз.
Затворные очки для телевидения 3D
Самая совершенная на сегодня технология получения на телевизоре 3D изображения - это технология с активными очками. В таких очках линзы закрываются специальной электронной схемой управления, находящейся в очках. Линзы состоят из жидких кристаллов, как и матрица телевизора, и схема управления в нужные моменты времени дает сигнал кристаллам пропускать световой поток к глазам поочередно для получения объемной картинки. Управляются очки от телевизора по инфракрасному каналу связи или по Bluetooth. Наиболее сильно данную технологию продвигают Samsung, Sony, Panasonic.
Затворные очки
Потому как для каждого глаза нужно подавать отдельное изображение то в таких телевизорах кадровая частота понижается вдвое. Поэтому телевизоры 3D с активной технологией имеют кадровую частоту 100/120 Гц. Для борьбы с мерцанием изображения кадровую частоту повышают до 200/240 Гц. При этом движения в кадре становятся более равномерными и плавными.
К достоинствам активной технологии можно отнести её надежность и совершенство. Ведущие производители уже успели её отработать и устранить большинство недостатков. Применяется ведущими производителями плазменных и жк телевизоров.
Недостатком являются очки, которые стоят дорого и требуют постоянной замены батареек. Линзы очков задерживают часть светового потока, поэтому может быть тусклым изображение при низкой яркости экрана. Частота кадров в 100/120 Гц при динамических сценах может быть недостаточной.
Безочковые 3D телевизоры
В продаже стали появляться автостереоскопические 3D телевизоры, которым не нужны очки для просмотра объемного телевидения. Но им тяжело конкурировать с другими технологиями, потому что их цена ещё высока и качество изображения не очень высокое. В автостереоскопических телевизорах наносятся на экран прозрачные оптические элементы. Вот они и разделяют изображение для каждого глаза отдельно.
Безочковый 3D телевизор Toshiba 55ZL2
Первый метод получения стереоизображения в таких телевизорах получается путем нанесения множества продольных линз. Называется он – метод лентикулярных линз.
При втором методе перед матрицей жк располагают множество щелевых отверстий. Называется такой метод – параллаксный барьер. В качестве визуальных барьеров используются жидкие кристаллы. Под действием сигнала эти кристаллы поворачиваются и направляют световой поток в нужном направлении. При необходимости этот барьер отключается и можно смотреть обычное 2D телевидение.
3D эффект может быть достигнут, если зритель находится в определенных точках при просмотре. Хорошо, что таких точек много и телевизор можно смотреть и нескольким людям.
Развитие автостереоскопических телевизоров продолжается, и в ближайшие пять лет их доля на рынке будет только расти.
Достоинством такого метода получения объемного изображения можно считать отсутствие очков. А к недостаткам можно отнести выбор определенного места при просмотре.
Дополнительная информация
Источником сигнала для 3D телевизоров может служить проигрыватель, специально предназначенный для воспроизведения 3D дисков. Так же в некоторых странах уже началось вещание отдельных каналов в 3D формате.
На сегодня уже фирмы разрабатывают системы, позволяющие 3D телевизорам преобразовывать в режиме реального времени видео из 2D в 3D. Например, для таких целей Samsung выпустила новый процессор 3D Hyper Real Engine.
Некоторые фирмы говорят о вредном влиянии на здоровье человека при долгом просмотре 3D. Особенно нужно быть аккуратными детям, пожилым людям и беременным женщинам.
Цены на 3D телевизоры будут, конечно, выше чем на обычные LCD LED телевизоры. Например, 3D телевизор с диагональю 40 дюймов примерно будет стоить 2000 долларов. Телевизоры Samsung 9000 серии (9000 серия в линейке Samsung лучше других серий) с диагональю 55 дюймов будет стоить 7000 долларов. Телевизор Sony с диагональю 40 дюймов будет стоить примерно 2400 долларов. К таким телевизорам может понадобиться купить отдельно для каждого члена семьи очки по цене примерно 100-150 долларов и инфракрасный передатчик за 50 долларов. Еще нужно купить специальный проигрыватель и диски с 3D фильмами.
Развитие 3D к 2014 году
Развитие 3D телевидения к 2014 году не сделало каких-то революционных открытий. Идет усовершенствование уже работающих технологий. Многие покупатели не являются большими поклонниками объемного видео. Поэтому производители телевизоров пошли по пути развития разрешения экрана и введения новой технологии OLED.
А что касается 3D, то на сегодня используются технологии требующие очков. Безочковое 3D не получило развитие. Что касается использования очков, то развитие получили и активная технология формирования объемного эффекта и пассивная. Например, Samsung производит телевизоры 3D только по активной технологии. А вот LG продолжает развивать пассивную технологию на своих моделях 2014 года. Фирма Philips применяет как активную, так и пассивную технологию. У многих телевизоров с функцией 3D есть возможность конвертации обычного 2D изображения в 3D.
Что касается цены, то все больше моделей телевизоров среднего класса и даже бюджетного сегмента оснащаются функцией 3D. Поэтому и цены на телевизоры 3D снижаются.
Футуристический вертолет проходит низко над головами зрителей, закованные в экзоброню роботизованные морпехи сметают все на своем пути, здоровенный космический шаттл сотрясает воздух ревом двигателей – так близко и устрашающе реально, что непроизвольно вжимаешь голову в плечи.
Недавно вышедший на экраны «Аватар» Джеймса Камерона или трехмерная компьютерная игра заставляют зрителя, сидящего в кресле перед экраном, чувствовать себя участником фантастического действа...
Совсем скоро инопланетные монстры будут прогуливаться в каждом доме, где есть современный домашний кинотеатр.
Но каким же образом плоский экран способен показывать объемную картинку?
Человек в трехмерном объемном пространстве...
Один и тот же объект левым и правым глазом мы видим под разными углами, таким образом формируются два изображения – стереопара. Мозг соединяет обе картинки в одну, которая интерпретируется сознанием как объемная.
Различия в перспективе позволяют мозгу определить размер объекта и расстояние до него. На основании всей этой информации человек получает пространственное представление с правильными пропорциями.
Как возникает объемное изображение
Для того чтобы картинка на экране казалась объемной, каждый глаз зрителя, как в жизни, должен видеть несколько отличающееся изображение, из которых мозг сложит единую трехмерную картину.
Первые фильмы в формате 3Д , созданные с учетом этого принципа, появились на экранах кинотеатров еще в 50-е годы.
Поскольку набирающее популярность телевидение уже тогда составляло серьезную конкуренцию киноиндустрии, дельцы от кинематографа хотели заставить людей оторваться от диванов и направиться в кино, прельщая их визуальными эффектами, которые в то время не мог обеспечить ни один телевизор: цветным изображением, широким экраном, многоканальным звуком и, разумеется, трехмерностью.
Эффект объема при этом создавался несколькими разными способами.
Анаглифический метод (анаглиф – по-гречески «рельефный»). На ранних этапах 3D-кинематографа в прокат выпускались только черно-белые 3D-фильмы. В каждом соответствующим образом оснащенном кинотеатре для их показа использовались два кинопроектора.
Один проецировал фильм через красный фильтр, другой выводил на экран слегка смещенные по горизонтали кинокадры, пропуская их через зеленый фильтр.
Посетители надевали легкие картонные очки, в которые вместо стекол были установлены кусочки красной и зеленой прозрачной пленки, благодаря чему каждый глаз видел только нужную часть изображения, а зрители воспринимали «объемную» картинку.
Однако оба кинопроектора при этом должны быть направлены строго на экран и работать абсолютно синхронно.
В противном случае неизбежно раздвоение изображения и, как следствие, головные боли вместо удовольствия от просмотра – у зрителей.
Подобные очки хорошо подходят и для современных цветных 3D-фильмов , в частности, записанных методом Dolby 3D. В этом случае достаточно одного проектора с установленными перед объективом световыми фильтрами.
Каждый из фильтров пропускает для левого и правого глаза красный и синий свет. Одно изображение имеет синеватый, другое – красноватый оттенок. Световые фильтры в очках пропускают только соответствующие, предназначенные для определенного глаза кадры.
Однако данная технология позволяет добиться лишь незначительного 3D-эффекта , с малой глубиной.
Затворный метод. Оптимален для просмотра цветных фильмов. В отличие от анаглифического этот метод предусматривает попеременную демонстрацию проектором изображений, предназначенных для левого и правого глаза.
Благодаря тому, что чередование изображений осуществляется с высокой частотой – от 30 до 100 раз в секунду – мозг выстраивает целостную пространственную картину и зритель видит на экране цельное трехмерное изображение.
Ранее данный метод назывался NuVision, в настоящее время он чаще именуется XpanD. Для просмотра 3D-фильмов по этому методу используются затворные очки, в которые вместо стекол или фильтров установлены два оптических затвора.
Эти небольшие светопропускающие ЖК-матрицы способны по команде от контроллера менять прозрачность – то затемняясь, то просветляясь в зависимости от того, на какой глаз в данный момент необходимо подать изображение.
Затворный метод используется не только в кинотеатрах: применяется он и в телевизорах, и в компьютерных мониторах. В кинотеатре подача команд осуществляется с помощью ИК-передатчика.
Некоторые модели затворных очков 90-х годов, предназначенных для ПК, подключались к компьютеру с помощью кабеля (современные модели имеют беспроводной интерфейс).
Недостаток данного метода в том, что затворные очки являются сложным электронным устройством, потребляющим электроэнергию. Следовательно, они имеют достаточно высокую (особенно по сравнению с картонными очками) стоимость и значительный вес.
Поляризационный метод. В сфере кино такое решение носит название RealD. Его суть в том, что проектор попеременно демонстрирует кинокадры, в которых световые волны имеют разное направление поляризации светового потока.
В необходимых для просмотра специальных очках установлены фильтры, пропускающие только световые волны, поляризованные определенным образом. Так оба глаза получают изображения с различной информацией, на основании которой мозг формирует объемную картинку.
Поляризационные очки несколько тяжелее картонных, но поскольку они работают без источника электроэнергии, то весят и стоят значительно меньше, чем затворные.
Однако наряду с поляризационными фильтрами, устанавливаемыми на кинопроекторы и в очки, для показа 3D-фильмов по этому методу требуется дорогой экран со специальным покрытием.
На данный момент предпочтение окончательно не отдано ни одному из названных методов. Стоит, однако, отметить, что с двумя проекторами (по анаглифическому методу) работает все меньшее количество кинотеатров.
Как создаются 3D-фильмы
Использование сложных технических приемов требуется уже на этапе съемки, а не только в процессе просмотра 3D-фильмов.
Для создания иллюзии трехмерности каждую сцену необходимо снимать одновременно двумя камерами, с разных ракурсов.
Как и глаза человека, обе камеры размещают близко друг к другу, причем обязательно на одинаковой высоте.
3D-технологии домашнего применения
Для просмотра 3D-фильмов на DVD до сих пор используются простые картонные очки, наследие далеких 50-х. Этим объясняется и скромный результат – плохая цветопередача и недостаточная глубина изображения.
Однако даже современные 3D-технологии привязаны к специальным очкам, и такое положение вещей, по всей видимости, изменится не скоро.
Хотя в 2008 году компания Philips и представила прототип 42-дюймового жидкокристаллического 3D-телевизора, не требующего использования очков, данная технология достигнет своей рыночной зрелости минимум через 3–4 года.
А вот о выпуске 3D-телевизоров, работающих в тандеме с очками, на международной выставке IFA 2009 объявили сразу несколько производителей.
К примеру, Panasonic намерен уже к середине 2010 года выпустить модели телевизоров с поддержкой 3D, так же, как Sony и Loewe, делая ставку на затворный метод.
Компании JVC, Philips и Toshiba также стремятся взойти на «3D-подиум», однако они отдают предпочтение поляризационному методу. LG и Samsung разрабатывают свои устройства на основе обеих технологий.
Контент для 3D
Основным источником трехмерного видеоконтента являются Blu-ray-диски. Контент передается на источник изображения через интерфейс HDMI.
Для этого телевизор и проигрыватель должны поддерживать соответствующие технологии, а также недавно принятый стандарт HDMI 1.4 – одновременную передачу двух потоков данных формата 1080p обеспечивает только он. Пока что устройства с поддержкой HDMI 1.4 можно пересчитать по пальцам.
3D-технологии на компьютере
Первоначально просмотр трехмерного изображения на компьютере был доступен только с помощью очков или специальных шлемов виртуальной реальности. И те и другие были оснащены двумя цветными ЖК-дисплеями – для каждого из глаз.
Качество результирующего изображения при использовании данной технологии зависело от качества применяемых ЖК-экранов.
Однако данные устройства обладали целым рядом недостатков, которые отпугивали большинство покупателей. Кибершлем фирмы Forte, появившийся в середине 90-х, был громоздким, неэффективным и напоминал средневековое орудие пытки.
Скромного разрешения в 640х480 точек для компьютерных программ и игр было явно недостаточно. И хотя позднее были выпущены более совершенные очки, к примеру модель LDI-D 100 фирмы Sony, но даже они были достаточно тяжелыми и вызывали сильный дискомфорт.
Выдержав почти десятилетнюю паузу, технологии формирования стереоизображения на экране монитора вышли на новый этап своего развития. Не может не радовать то обстоятельство, что по крайней мере один из двух крупных производителей графических адаптеров, фирма NVIDIA, разработал нечто инновационное.
Комплекс 3D Vision стоимостью около 6 тыс. руб. включает в себя затворные очки и ИК-передатчик. Однако для создания пространственной 3д картинки при помощи этих очков требуется соответствующее аппаратное обеспечение: ПК должен быть оснащен мощной видеоплатой NVIDIA.
А для того чтобы псевдотрехмерная картинка не мерцала, монитор с разрешением в 1280х1024 точки должен обеспечивать частоту обновления экрана минимум в 120 Гц (по 60 Гц на каждый глаз). Первым ноутбуком, оснащенным данной технологией, стал ASUS G51J 3D.
В настоящее время доступны также так называемые 3D-профили более чем для 350 игр, которые можно скачать с веб-сайта NVIDIA (www.nvidia.ru). В их число входят как современные игры жанра экшн, к примеру Borderlands, так и выпущенные ранее.
В продолжение темы компьютерных игр, альтернативой затворному 3D является поляризационный метод. Для его реализации нужен монитор с поляризационным экраном, например Hyundai W220S.
Объемное изображение становится доступно при наличии любой мощной видеокарты ATI или NVIDIA. Однако при этом разрешение снижается с 1680x1050 до 1680x525 точек, поскольку используется чересстрочный вывод кадров.
По материалам журнала ComputerBild
Раздел постоянно пополняется полезностями:
Напишите свое мнение ниже в комментариях. Обсудим.
- Recovery Mode
Все мы слышали о 3D графике (далее просто 3D, не путать со способом отображения - голограммами, 3D-мониторами и т.п.), многие прекрасно знают, что такое 3D и с чем его едят. Но, все же, есть и те, кто смутно себе представляет, что кроется под этой короткой аббревиатурой. Статья рассчитана на тех, кто не имеет представления о компьютерной графике. Также будет немного экскурса в историю компьютерной графики (в следующих планируемых частях).
Почему именно 3D? Как нетрудно догадаться, речь идет о 3 Dimension, или о трех измерениях. И не обязательно при этом, чтобы и отображение было в 3D. Речь идет о способе построения картинки.
Часть 1. Собственно, моделирование
Традиционно рисуют в 2D (по осям X и Y) - на бумаге, холсте, дереве и т.п. При этом отображают какую-то одну из сторон предмета. Картинка сама по себе плоская. Но если мы хотим получить представление обо всех сторонах предмета, то необходимо нарисовать несколько рисунков. Так поступают в традиционной рисованной анимации. Но, вместе с тем, существует, (кстати, в СССР была довольно хорошо развита) т.н. кукольная анимация. Один раз изготовленную куклу снимают в необходимых позах и ракурсах, получая серию «плоских картинок». 3D (к X и Y добавляется координата глубины Z) визуализация - это те же «куклы», только существующие в цифровом виде. Другими словами, в специальных программах (Blender, 3ds Max, Maya, Cinema 4D и т.п.) создается объемное изображение, например авто.
Преимущество данного метода в том, что в распоряжении, скажем, аниматора есть объемная модель, необходимо лишь поместить ее должным образом в кадр, анимировать (задать траекторию передвижения или рассчитать с помощью симулятора) при необходимости, а уж отображение авто в финальной картинке ложится на специальную программу называемую визуализатором (render). Еще одно преимущество в том, что модель достаточно нарисовать один раз, а потом использовать в других проектах (скопировав), изменять, деформировать и т.п. по своему усмотрению. Для обычного 2D рисунка, в общем случае, такое невозможно. Третье преимущество - можно создавать практически бесконечно детализированные модели, например смоделировать даже винтики на часах и т.п. На общем плане этот винтик может быть и неразличим, но стоит нам приблизить камеру, программа-визуализатор сама рассчитает, что видно в кадре, а что - нет.
Существует несколько способов моделирования, но самым популярным является полигональное моделирование. Нередко можно увидеть в роликах о 3D или фантастических фильмах как тот или иной объект представляется в виде т.н. сетки. (см. рисунок выше) Это и есть пример полигонального моделирования. Суть его в том, что поверхности представляются в виде простых геометрических двумерных примитивов. В компьютерных играх это треугольники, для других целей обычно используют четырехугольники и фигуры с большим кол-вом углов. Эти примитивы, из которых состоит модель, называют полигонами . Но при создании 3D объекта стараются обойтись, как правило, четырехугольниками. При необходимости четырехугольники (полигоны) без проблем превращаются в треугольники при экспорте в игровой движок, а при необходимости сглаживания или тесселяции модель из четырехугольников получается, как правило, без артефактов.
Что такое тесселяция? Если какой-то объект представляется в виде полигонов (особенно органические объекты, например человек), то понятно, что чем меньше размер полигонов, чем их больше, тем более близкой может быть модель к оригиналу. На этом основан метод тесселяции: сначала изготавливают грубую болванку из небольшого кол-ва полигонов, затем применяют операцию тесселяции, при этом каждый полигон делится на 4 части. Так вот, если полигон четырехугольный (а еще лучше, близок к квадрату) то алгоритмы тесселяции дают более качественный и предсказуемый результат. Также операция сглаживания, а это та же тесселяция, только с изменением углов на более тупые, при близких к квадрату полигонах, позволяет получить хороший результат.
Как было сказано выше, чем больше полигонов, тем более модель может (может, потому, что модель должна быть еще похожа на оригинал, а это вопрос мастерства моделера, а не полигонов) походить на оригинал. Но у большого кол-ва полигонов есть обратная сторона: понижение производительности. Чем больше полигонов, тем больше точек по которым они строятся, тем больше данных приходится обрабатывать процессору. Поэтому 3D графика - это всегда компромисс между детализацией модели и производительностью. В связи с этим даже возникли термины: hight poly и low poly, соответственно высоко полигональная модель и низко полигональная модель. В играх применяются низко полигональные модели, так как в них выполняется визуализация в реальном времени. Кстати, модели в играх представлены треугольниками для повышения производительности: графические процессоры умеют на аппаратном уровне быстро обрабатывать сотни миллионов треугольников за секунду.
Как правило, полигональное моделирование относится к пустотелому моделированию, где объект имеет только объем, но внутри пустой. Это означает, что если мы смоделируем куб, а потом удалим одну из стенок, то увидим внутри пустоту. Также имеются программы для твердотельного моделирования, где тот же самый куб представлен в виде монолитного объекта. В таких программах (к примеру, Autodesk Inventor) применяются математические модели отличные от тех, что в полигональном моделировании. Алгоритмы твердотельного моделирования лучше подходят для моделирования механизмов при разработке техники. Программы вроде Autodesk Inventor имеют средства для моделирования с учетом особенностей технологического процесса, как то фаски, сверление отверстий, проставление размеров, допусков и т.п. Получаемые модели можно сразу отправить на подходящий станок для получения изделия в металле или другом материале.
Также существуют так называемые программы 3D лепки (ZBrush, Autodesk Mudbox) в которых моделирование сводится (грубо говоря) к созданию углублений или выпуклостей. Такая техника похожа на то, как скульпторы лепят из глины - убирая ненужное и добавляя необходимое. С помощью таких программ можно добиться реалистичного рельефа поверхности, например морщин на коже или складок ткани. В настоящее время высокополигональные (а для лепки модель должна обладать солидным кол-вом полигонов) реалистичные модели людей и вообще животного мира выполняются, в большинстве своем, с применение программы лепки. Распространена практика когда заготовка модели создается с помощью полигонального моделирования, а затем в программе лепки тесселируется и добавляются мелкие детали.
Но вот у нас есть готовая модель, скажем, танка. Но на танк, собственно, она не совсем похожа. В чем же тут дело? На данном этапе у нас всего лишь математическая модель содержащая данные только о геометрической форме. Но у реального объекта кроме формы есть еще и цвет, плотность, отражающая способность, и, возможно, запах. Последнее пока в 3D графике не применяется, а вот все остальное можно смоделировать. Придание модели нужного цвета и блеска называют текстурированием, от слова текстура.
В общем случае текстура - это двумерный рисунок который накладывается на 3D модель. Текстура может быть как процедурной - сгенерированной при помощи алгоритма, так и нарисованная в графическом редакторе, или фотографией реального объекта. С помощью текстуры задается рисунок и цвет модели, но реальная поверхность обладает и другими параметрами: отражающей способностью, преломлением, рельефом, позрачностью и т.п. Все эти параметры задаются в свойствах материала. Т.е. материал с точки зрения 3D графики - это некая математическая модель описывающая параметры поверхности. Например, для воды обязательно необходимо указать прозрачность и преломляющую, отражающую способности.
Перед «нанесением» материала на 3D модель необходимо создать ее развертку, т.е. представить все (несколько, одну) поверхности в виде проекции на плоскость. Это необходимо для того, чтобы затем двумерная текстура правильно «лягла» на модель.
Таким образом изготовление 3D модели в общем случае состоит из следующих стадий:
1. Получение изображений референса (т.е. того, с чего будет моделироваться) или самого референса. Или отрисовка экскиза.
2. Моделирование геометрии на основе референса.
3. Создание развертки.
4. Отрисовка текстур или получение их другим способом в виде файлов.
5. Настройка параметров материала (текстуры, преломление, отражение, прозрачность).
Теперь 3D модель готова для визуализации - получении картинки.
Первый и четвертый пункт могут быть быть опущены если модель простая, но, как правило, хороших результатов без всех 5 шагов не добиться.
Подытожим.
Между обычным рисунком, скажем, на бумаге, и построением 3D изображения есть существенные различия в самом процессе. Двумерный рисунок, как правило, создается в два этапа: эскиз и раскрашивание. В 3D графике после изготовления модели ее необходимо поместить в сцену к другим объектам (или в так называемую студию), добавить освещение, камеру и лишь затем можно надеяться получить финальную картинку. Изображение в 3Dграфике просчитывается на основе физической модели, как правило, это модель распространения луча света с учетом отражения, преломления, рассеивания и т.п. Рисуя красками мы сами отрисовываем тени, блики и т.д., а в трехмерной графике мы подготавливаем сцену с учетом освещения, материалов, геометрии, свойств камеры, программа рассчитывает итоговую картинку сама.
Вот, на сегодня пока и все. Комментарии, а особенно вопросы и замечания по существу приветствуются.
P.S. В следующих частях (если Хабрабществу будет интересно) мы более подробно поговорим о трехмерном моделировании для игр, будет затронута визуализация, моделирование динамических сред, таких как вода, разрушение объекта и затронем динамическое взаимодействие между 3D объектами, историю 3D графики.
Статьи «Цифровое телевидение: что это такое?» и «Мобильное телевидение: что это такое?», опубликованные нами в прошлом году, познакомили читателей с основами современных телевизионных технологий. Продолжая раскрывать тему, переходим к наиболее актуальной инновации наших дней: 3D-телевидению.
В последние годы на рынке видеоаппаратуры громко заявила о себе тенденция перехода от плоской картинки к объемной. Эффекты 3D востребованы как в развлекательном кино (как заметил по этому поводу знаменитый кинорежиссер Вуди Аллен, «я люблю стереофильмы, потому что трехмерные женщины выглядят лучше двухмерных»), так и в научных телепрограммах, особенно образовательных. Создание нового контента было начато с фильма «Аватар», и сегодня процесс развивается лавинообразно.
В ассортименте всех крупнейших производителей цифровой электроники, таких, как Sony, Samsung, Panasonic, Toshiba и др., уже присутствуют 3D-модели (англ. 3Dimensional — трехмерный). Ожидается, что такие телевизоры будут всего на 20% дороже моделей Full HD с сопоставимыми диагоналями экранов.
Владельцы техники для просмотра объемного видео должны позаботиться еще и об аппаратуре для воспроизведения 3D-контента. Чаще всего для этой цели сейчас используют совместимые с телевизорами проигрыватели Blu-ray с опцией воспроизведения сигналов 3D.
В чем суть
Большинство существующих сегодня методов формирования объемного изображения используют физиологические особенности зрения. Природа наделила человека бинокулярным зрением — парой глаз, расположенных на расстоянии 60-70 мм друг от друга. Мы видим мир одновременно с двух точек наблюдения, причем изображения, формирующиеся в левом и правом глазах, слегка отличаются. Каждый глаз получает вид одной и той же области окружающего пространства с немного разных углов и передает в мозг уникальную визуальную информацию. При одновременном поступлении двух изображений они соединяются в единое, существенно отличающееся от исходных.
Эти два изображения принято называть стереопарой. Анализируя различия между изображениями стереопары, мозг человека получает информацию об объеме и удаленности наблюдаемых объектов. Полученная картинка — это не просто сумма двух составляющих, а стереоизображение, в котором объекты воспроизводятся в трех пространственных измерениях — по ширине, высоте и глубине. Именно восприятие глубины позволяет оценивать расстояние до окружающих нас объектов.
Для создания стереоэффекта используется принцип раздельного просмотра — левому глазу демонстрируется «левое» изображение стереопары, а правому — «правое». Различия заключаются в том, каким образом достигается разделение изображений стереопары.
Надеваем 3D очки
Рассмотрим сначала те из них, которые требуют для просмотра наличия специальных очков, поскольку пока именно они преобладают в представленных на рынке моделях телевизоров.
Первый способ — анаглифический (по-гречески «рельефный») известен уже более ста лет. Он используется в кинотеатрах, где перед объективом проектора устанавливаются световые фильтры, каждый из которых пропускает красный или сине-зеленый свет (для каждого глаза свой). Для разделения изображений при просмотре используются специальные картонные очки с установленными вместо стекол красным (для одного глаза) и сине-зеленым (для другого) световыми фильтрами. Однако сейчас такой способ практически не применяется из-за весьма скромных результатов цветопередачи объемности.
Другой способ — поляризационный, когда в специальном проекционном устройстве или на ЖК-экране формируется изображение с различной поляризацией света: например, «левый» кадр имеет горизонтальную поляризацию, а «правый» — вертикальную. Стекла используемых при этом способе специальных пассивных очков являются поляризационными фильтрами, причем плоскость поляризации каждого из стекол такая же, как и у соответствующих кадров стереопары. В результате при просмотре последовательности кадров левый глаз видит только «левые» кадры, а правый — только «правые».
Поляризационный способ позволяет получить цветное объемное изображение хорошего качества, однако он сложен в реализации, так как требует наличия дорогого экрана со специальным покрытием и существенного повышения яркости изображения, поскольку до 70% света поглощается поляризационными фильтрами. В связи с этим в телевидении такой способ практически не применяется.
Именно поэтому сегодняшние решения для 3D-телевидения основаны на третьем способе, называемом затворным. Он предусматривает попеременную демонстрацию изображений, предназначенных для левого и правого глаза. Благодаря тому, что чередование кадров осуществляется с высокой частотой, мозг выстраивает целостную пространственную картину и зритель видит на экране цельное трехмерное изображение.
Для просмотра по этому методу используются активные очки, в которых вместо стекол и фильтров (в пассивных очках) встроены два активных жидкокристаллических затвора (Active Shutter). Эти светопропускающие ЖКматрицы способны по команде процессора изменять свою прозрачность, то, затемняясь, то, просветляясь, в зависимости от того, на какой глаз в данный момент необходимо направить свет.
Ранние модели затворных очков, предназначенных в основном для компьютеров, подключались к ним с помощью кабеля. Сейчас почти все производители стереотелевизоров используют для их связи с очками инфракрасное излучение (как в пультах дистанционного управления). Поэтому все современные модели телевизоров имеют беспроводной ИК-интерфейс, через который происходит управление коммутацией и синхронизация затворных очков.
Этот способ позволяет получить высокое качество разделения кадров и хорошее разрешение. Однако для его полной реализации требуются устройства, способные работать на высоких частотах обновления (смены кадров). Ведь каждый глаз в этом случае видит изображение с пониженной вдвое частотой, поэтому возможно появление мерцания.
Частота отображения кадров, при которой мерцания незаметны, зависит от ряда факторов, в частности от соотношения длительностей интервалов активной части кадра и гашения. В телевидении изображение появляется на экране на 18,4 мс с перерывом всего в 1,6 мс, и мерцания при этом незаметны.
В случае с ЖК-очками интервал гашения практически равен активному интервалу. Если частота обновления составляет 100 Гц, то каждый глаз видит такую картинку: изображение — 19 мс, черный экран — 21 мс, и в этом случае появление мерцания неизбежно. Для устранения этого нежелательного эффекта требуется частота обновления не менее 120 Гц. В последних моделях телевизоров ведущих производителей частота смены кадров достигает 200, 400, 600 и даже 800 Гц.
Еще один современный «очковый» метод получения объемного изображения связан с появлением DLP-устройств (англ. Digital Light Processing — цифровая обработка света). В этих цифровых решениях используются встроенные быстродействующие DMP-устройства (англ. Digital Micromirror Device — цифровое микрозеркальное устройство), создающее «левые» и «правые» изображения, на основании которых и формируется стереоизображение высочайшего класса.
Формат DLP-3D основан на алгоритме Smooth Picture фирмы Texas Instruments. Технология DLP использует часть кадра Smooth Picture для генерации независимых визуальных представлений для левого и правого глаза. Сигнал формируется для каждого полукадра и по оптическому кабелю передается на затворные очки, которые преобразуют сигнал и попеременно управляют положением затвора таким образом, чтобы «левое» и «правое» изображения попадали в «нужные» глаза зрителя.
Преобразованные в цифровую форму эти изображения (исходная стереопара) затем фильтруются и прореживаются по диагонали, что приводит к образованию шахматного рисунка, состоящего из клеток левого и правого представлений в стандартном ортогональном дискретизированном формате, которые затем накладываются друг на друга и получается комбинированное чередование пикселов «левых» и «правых» изображений.
Описанный формат, в отличие от других затворных технологий, сохраняет и горизонтальное, и вертикальное разрешения изображения, обеспечивая тем самым высокое качество изображения.
Для полноты картины расскажем еще об одном «очковом» способе получения объемных изображений, применяемом пока только в компьютерных мониторах для компьютерных игр. Корпус такого монитора заметно толще корпуса обычного ЖК-монитора, так как в нем установлены сразу две ЖК-матрицы с разрешением 1680x1050 пикселов — так называемые передний и задний экраны. Задний экран по конструкции аналогичен дисплею обычного ЖК-монитора: он представляет собой ЖК-матрицу, помещенную между двумя поляризационными фильтрами. Передний же экран этих фильтров лишен, поскольку он не предназначен для изменения интенсивности светового потока, а служит для поворота на заданный угол плоскости поляризации света, исходящего от заднего экрана, причем позволяет изменять ее для каждого пиксела в отдельности.
Человеческий глаз, в отличие от органов зрения некоторых насекомых, не различает поляризацию света, поэтому влияние на изображение переднего экрана практически невозможно заметить. Однако стоит надеть специальные поляризационные очки, фильтры которых расположены под углом 90° друг к другу, как картина полностью меняется. Количество попадающего в глаза света от каждого пиксела, сформированного задним экраном, зависит не только от его яркости, но и от угла плоскости поляризации, заданного передним экраном.
Таким образом, каждый пиксел заднего экрана одновременно отображает оба кадра стереопары, а передний экран разделяет получаемый свет так, что через специальные поляризационные очки каждый глаз видит только предназначенные ему кадры стереопары. Иными словами, каждый пиксел заднего экрана принадлежит обоим кадрам, а передний экран определяет, какая часть его яркости должна быть воспринята одним глазом, а какая — другим.
К достоинствам такого метода можно отнести сохранение полного разрешения, а к недостаткам — двухкратное падение яркости в стереоскопическом режиме.
Текст: Александр Пескин, доцент МГТУ
им. Н.Э.Баумана
Loading...