Стереоэффект и некоторые свойства бинокулярного зрения

1.2.     Стереоэффект и некоторые свойства бинокулярного зрения.

Глубинное зрение, то есть способность воспринимать объемность предметов и их пространственное расположение, не является врожденным свойством человека. Оно достигается ранним жизненным опытом путем сочетания реакции осязания, зрительного восприятия и подсознательного глазомышечного двигательного акта.

Объемность предметов и их пространственное расположение непосредственно могут восприниматься как при монокулярном зрении (одним глазом), так и при бинокулярном (двумя глазами). В первом случае главную роль играют физиологические факторы (зрительная память, ощущение различия в напряжении мышц при аккомодации и т.п.). Опираться на эти факторы при построении телевизионной системы, где глаз заменяется передающей трубкой, нельзя – необходимо прибегнуть к использованию свойств бинокулярного зрения, где основную роль играет глазной базис – расстояние между зрительными осями при рассмотрении удаленных предметов (рис. 1.2). Для разных людей он немного отличается, но в среднем составляет 65 мм. Угол a при пересечении зрительных осей называется углом конвергенции (сведения в одну точку). Каждому положению объекта соответствует определенный угол конвергенции, что сопровождается некоторой мускульной работой поворота глаз вокруг центров вращения. Сравнение в сознании мускульных напряжений, связанных с изменением угла конвергенции, дает представление о том, ближе или дальше расположен предмет.

Бинокулярное наблюдение одиночных предметов.

Рисунок 1.2.

При смещении рассматриваемого объекта происходит не только конвергенция глаза, но и аккомодация, то есть изменение кривизны глазного хрусталика. Последнее обеспечивает резкость изображения предметов на сетчатке при различных расстояниях их от глаза.

Достаточно малейшего смещения одной из проекций изображений с идентичных точек сетчатки, как в сознании возникает пространственное представление о рассматриваемых объектах. Принято, что невооруженным глазом рельефность предметов можно наблюдать на расстояниях, не превышающих одного километра. Для увеличения стереоскопической дальности или повышения стереоэффекта требуется, прежде всего, при прочих равных условиях, увеличение базиса наблюдения, что легко осуществить в телевидении путем разноса передающих трубок.

1.3.     Способы передачи стереопары.

Из рассмотрения простейших стереоприборов вытекает, что для искусственного воспроизведения стереоизображений необходимо иметь полученные с разных позиций два изображения и рассматривать одно левым глазом, другое – правым.

В зависимости от поставленной задачи можно передать или одновременно оба кадра стереопары, или последовательно.

Одновременная передача. При одновременной передаче могут наблюдаться два случая, в зависимости от требуемого базиса. Если поставленная задача требует большого базиса, необходимо иметь две передающие камеры, разнесенные на требуемое расстояние. Передача должна происходить или через два самостоятельных передатчика, или через один при наличии соединительных каналов. Обычно используют одну камеру с двумя передающими трубками.

Последовательная передача. Последовательный способ передачи стереопары применяется в случае использования временного параллакса (при относительном движении камеры и объектива) или при проектировании левого и правого изображений на мишень одной передающей трубки. В последнем случае кадры стереопары можно расположить на мишени трубки, или рядом по горизонтали (последовательная передача по строкам), или рядом по вертикали (последовательная передача по полям или кадрам). При вертикальном расположении кадров площадь мишени используется более полно, но это требует специальной призменной приставки к горизонтально расположенным объективам [1, глава 4]. Последовательная передача стереопары требует удвоенной полосы частот по сравнению с обычным двухмерным телевидением. Принципы воспроизведения стереопары на приемной стороне освещены в книге под ред. П.В.Шмакова “Стереотелевидение” (М: Связь, 1968). Художественную передачу объемных изображений целесообразно обогащать стереофоническим изображением.

1.4.     Методы деления изображений [2].

В зависимости от назначения системы стереоскопического телевидения методы деления изображений для правого и левого глаза могут быть двух видов: индивидуальные и групповые. Первый способ допускает наблюдение объемного телевизионного изображения только одним человеком, а второй позволяет одновременно наблюдать объемное изображение большому числу зрителей. Естественно, что для стереотелевизионного вещания применим только метод группового деления стереопары. В промышленных системах могут использоваться как индивидуальные, так и групповые методы деления.

При групповом методе наблюдения используется поляризационный или цветовой способ разделения стереопары. Первый способ основан на явлении поляризации света. Лучи плоско поляризованного света обладают свойством свободно проходить через поляризационный фильтр, плоскость поляризации которого параллельна плоскости поляризации луча. Но такие лучи не проходят через поляризационный фильтр, если плоскости поляризации перпендикулярны. Таким образом, если перед экранами приемных трубок (рис. 1.3) 1 и 2 поставить поляризационные фильтры 3 и 4, плоскости поляризации которых ориентированы взаимно перпендикулярно, то разделение смешанной параллаксограммы (смешанная параллаксограмма представляет собой наложение одного изображения стереопары на другое) можно осуществить, если смотреть через очки с фильтрами 5 соответствующей поляризации. Смешанная параллаксограмма получается на полупрозрачном недеполяризующем зеркале 6. Поляризационный метод разделения стереопары для правого и левого глаза позволяет наблюдать не только черно-белые стереоскопические телевизионные изображения, но и стереоцветные.

Очковый метод деления.

Рисунок 1.3. Поляризационные или цветные фильтры: 1 и 2 – приемные трубки, 3 и 4 – поляризационные фильтры, 5 – очки с поляризационными фильтрами, 6 – полупрозрачное зеркало.

Недостатком поляризационного метода является необходимость соблюдать параллельность плоскостей поляризации поляроидов зрителя и приемных трубок. При наклоне головы зрителя более 4° значительно ухудшается стереоэффект из-за проникновения другого изображения. Однако специальной конструкцией очков можно избавиться и от этого недостатка. Если на рис. 3 поляризационные фильтры заменить цветными фильтрами, имеющими определенные спектральные характеристики, то каждый глаз зрителя будет видеть изображение, предназначенное только для него. Принцип разделения цветными фильтрами заключается в следующем: каждое черно-белое телевизионное изображение стереопары К_л и К_п окрашивается в один из спектральных цветов. Например, левое изображение в красный цвет, а правое – в зеленый. Перед глазами зрителей помещаются цветные светофильтры так, что правый глаз зрителя смотрит через зеленый фильтр и видит градации яркости только зеленого изображения, а левый глаз смотрит через красный фильтр и видит градации яркости только красного изображения. За счет бинокулярного смешения цветов зрители видят стереоскопическое телевизионное изображение, окрашенное в третий цвет. При использовании одноцветных приемных трубок (в дальнейшем – ПЗС-матриц) надобность в установке цветных фильтров перед экранами трубок отпадает. Недостатком данного метода разделения стереопары является невозможность наблюдать многоцветное стереоскопическое изображение.

В разрабатываемой системе используется групповой метод деления стереопары, но принцип деления отличается от вышеописанных. В процессе формирования стереопары образуется видеосигнал, содержащий последовательность четных и нечетных полей двух кадров стереопары. Одна ПЗС матрица формирует сигналы первого и второго поля первого кадра стереопары, а вторая, соответственно, поля для второго кадра стереопары. Применяя при воспроизведении очки с жидкокристаллическими индикаторами (ЖКИ) и коммутируя ЖКИ с частотой полей, мы разделяем кадры стереопары для правого и для левого глаза соответственно. Данные системы воспроизведения являются стандартными и в данном проекте не рассматриваются.

1.5.     Системы объемного телевидения.

Многочисленные работы, проведенные проф. П.В.Шмаковым и его сотрудниками по изучению стереоэффектов в телевидении, показали:

1.  Стереоэффект наблюдается не только при одинаковой четкости обоих изображений, но и при понижении четкости одного из кадров стереопары, причем воспринимаемая зрителем четкость определяется более качественным изображением.

2.  Возможна передача одного кадра стереопары черно-белым, а другого – цветным. При этом эффект восприятия объема и цвета практически не ухудшается.

3.  Полоса частот сигналов одного кадра, в том числе и яркостного, может быть значительно сокращена без заметного ухудшения изображения при условии, что яркостный сигнал другого кадра передается с полной полосой частот.

Эти особенности зрения позволили предложить несколько систем объемного телевидения, использующих стандартный телевизионный канал [3], которые мы рассмотрим далее.

Мелькание. При проектировании систем объемного телевидения возникает проблема рационального использования полосы частот канала передачи. В обычном телевидении требование отсутствия мельканий при необходимых яркостях изображения приводит к передаче 50 полей в секунду. В стереотелевидении предполагалось использовать возможность понижения частоты мельканий каждого изображения вдвое за счет попеременной смены полей левого и правого кадров. Такая возможность позволила бы сократить полосу частот вдвое, то есть привести к стандартной полосе частот двухмерного телевидения. Но исследования показали, что критическая частота мельканий остается неизменной как при монокулярном, так и при бинокулярном зрении при переменной смене полей. На основании этих опытов сделали вывод, что число кадров в системах объемного телевидения для отсутствия мельканий должно быть тем же самым, что и в системах обычных.

Если, в идеальном случае, для передачи и воспроизведения цветного объемного изображения требуется шесть сигналов (три сигнала цветоделенных изображений для левого кадра стереопары и три – для правого), то в практике из шести сигналов необходимо и достаточно передавать только четыре: сигнал, несущий информации о яркости одного кадра стереопары, и три сигнала, несущих информацию о яркости и цветности другого кадра. При этом полоса частот для передачи цветного кадра может быть сокращена до 1,5 МГц, если черно-белый кадр передается со стандартной полосой частот. Исходя из этого, исследовательской лабораторией кафедры телевидения Ленинградского электротехнического института инженеров связи им. проф. М.А.Бонч-Бруевича под руководством проф. П.В.Шмакова разработана совместимая система цветного стереотелевидения, соответствующая системе NTSC (рис. 1.4).

Схема системы цветного стереотелевидения (передающая часть).

Рисунок 1.4. 1 – камера, 2- коммутатор, 3 – пересчетное устройство, 4 – фильтр низкой частоты (ФНЧ), 5 – балансный модулятор, 6 – смесительное устройство, 7 – к передатчику, 8- полный синхросигнал, 9 – огибающая сигнала вспышки.

На передающей стороне шесть сигналов левого и правого (л и п) кадров цветной стереопары от соответствующих датчиков поступают на матричные устройства, на выходе которых образуются яркостные сигналы этих кадров U¢_ял U¢_яп. Затем формируются цветоразностные сигналы правого кадра U¢_кп U¢_сп. Яркостный сигнал U¢_ял левого кадра и сигналы правого кадра подаются на смесительное устройство, в котором получается полный сигнал стереоцветного изображения, согласно уравнению:

U¢_с = U¢_ял + k₁U¢_п.

Описание данной системы взято из книги Г.Б.Богатова «Цветное телевидение» (Л: Наука, 1978). [4]

Рассмотрим использовавшуюся в установке СЦТ ЛЭИС камеру 1 подробнее. В ее состав входят следующие основные узлы (рис. 5): а) блок разверток, б) фотоблок, в) блок оптических головок, г) блок управления камерой с механизмом изменения базиса съемки, д) две трубки бегущего луча с фокусирующими и отклоняющими системами.

Блок-схема камеры СЦТ.

Рисунок 1.5.

Блоки строчной и кадровой разверток были выполнены на типовых унифицированных узлах. Задающие части строчной и кадровой разверток являются общими для обеих трубок. Выходные каскады выполнены отдельно для каждой трубки. Кроме этого, в блоке разверток предусмотрены схемы стабилизации , фокусировки и защиты.

В установке использовались фотоблоки двух типов: блоки, входящие в состав камеры, содержат по три фотоэлектронных умножителя, выносные – по шесть (два красных, два зеленых и два синих.

В камере использовались две оптические головки с дистанционным приводом, снабженные двумя комплектами объективов с фокусными расстояниями 50 и 85 мм. Базис съемки мог меняться от 68 до 130 мм.

Управление оптикой производилось дистанционно с пульта оператора. Для этого оптические головки имели электропривод, который управлял оптической фокусировкой, диафрагмированием и производил переключение объективов. Также с пульта управлялись фокусировка и ток луча в трубках.

В камере были использованы две развертывающие трубки типа 6ЛК1Б с плоским экраном и люминофором из окиси цинка. Минимальный базис определялся размером трубок. Габариты камеры - 530´290´420 мм, вес – 45 кг. [1].

В то же время было предложено еще несколько систем образования и передачи (последовательной и одновременной) стереопары. Рассмотрим две схемы для последовательной передачи кадров стереопары как более прогрессивного метода.

1. Может быть использована одна трехтрубчатая цветная камера (рис. 1.6). Отличием ее от обычной камеры цветного телевидения является зеркальная стереонасадка Д и обтюратор А. Стереонасадка с двумя объективами О_л и О_п служит для создания стереопары, а обтюратор – для переменной коммутации светового потока от левого и правого изображений. В результате на выходах передающих трубок последовательно создаются сигналы цветовой информации от левого и правого кадров стереопары.

Схема оптического узла стереоцветной камеры для одновременной передачи цветовой информации с последовательным чередованием левого и правого изображений стереопары.

Рисунок 1.6: в – базис передачи, 1 и 2 – цветоделительные зеркала, R, G и B – цветоделенные изображения.

Чтобы избежать механически вращаемого обтюратора, можно спроецировать оба кадра стереопары на фотокатоды трубок, расположив их рядом. Для этого объективы О_л и О_п необходимо расположить между стереонасадкой и цветоделительными зеркалами. В этом случае предъявляются более высокие требования к разрешающей способности трубок и линейности разверток.

2. Аналогичным способом для стереоцветной передачи можно использовать аппаратуру последовательной системы цветного телевидения. В качестве датчиков сигналов стереопары могут служить две камеры, разнесенные на необходимый базис передачи, с вращающимися дисками цветных светофильтров R, G и B или же одна камера, дополненная зеркальной стереонасадкой и обтюратором (рис. 1.7). В последнем случае камера будет выдавать последовательные сигналы цветовой информации поочередно от левого и правого изображений стереопары.

Схема оптического узла стереоцветной камеры для последовательной передачи как цветовой информации, так и стереопары.

Рисунок 1.7: в – базис передачи, Д – стереонасадка, А – обтюратор, Ф – диск с цветными светофильтрами, М – двигатели, Т – передающая трубка.

Далее описаны несколько методов создания стереоцветных систем, которые в той или иной мере были этапными в развитии стереовидения.

Метод Пулфрича

Метод Пулфрича базируется на постоянном движении, иначе эффект трехмерности пропадает. Требуются специальные очки с линзами, различающимися степенью затемнения. Движение должно происходить в одном направлении (слева направо), тогда глаз, снабженный более светлой линзой получает и обрабатывает зрительную информацию на долю секунды раньше другого. Этой разницы во времени оказывается достаточно, чтобы второе изображение чуть-чуть сместилось, и создалось впечатление глубины. Эффект может быть усилен путем подбора объекта съемки, окружающей обстановки и т.д.

Причина, по которой такую технологию нельзя считать по-настоящему трехмерным телевидением, заключается в том, что объекты не сходят к вам с экрана, как это бывает в стереокино, а просто «расслаиваются», создавая впечатление глубины картинки. Кроме того, этот метод ненадежен, потому что некоторые люди смотрят такую программу и не видят стереоэффекта.

LCD-shutters

Простейшая стереосистема базируется на методе показа последовательных областей (полей), при котором оба изображения, чередуясь, но не переплетаясь как в чересстрочной развертке, проецируются на один и тот же экран (обычный телевизионный экран показывает подобные области с чересстрочным обновлением, чередующиеся 50 раз в секунду).

Чтобы каждый глаз видел свою картинку, используются очки с раздельными жидкокристаллическими экранами-шторками (LCD-shutters). Можно сделать так, чтобы под воздействием электрического тока жидкие кристаллы становились то прозрачными, то непроницаемыми с той же частотой, с которой обновляется изображение на экране. Когда видимость одного глаза заблокирована, другой видит картинку и наоборот.

Лентикулярные системы.

Последняя новинка фирмы Sanyo — трехмерный экран, использует принцип двояковыпуклой (лентикулярной) линзы. Здесь уже не нужны никакие специальные очки. Двояковыпуклые линзы состоят из многочисленных рядов вертикальных линз, совсем как у гофрированного картона. Под них подкладывается несколько картинок, разделенных на полосы и уложенных с чередованием в вертикальном направлении. В зависимости от угла можно наблюдать серии вертикальных полос, составляющих целую, объемную картинку.

В настоящее время фирма Sanyo занята производством серии экранов различных размеров, начиная с громадных 70-дюймовых и кончая переносными моделями размером от 4 до 10 дюймов. Наибольший эффект достигается на экранах больших размеров, но они пока предназначаются для коммерческих трехмерных игровых машин.

Xenovision

Гораздо более убедительной представляется технология автостереоскопического дисплея, продемонстрированная австралийской компанией Xenotech. Эта система проецирует два изображения, каждое для своего глаза, сквозь полупосеребренное зеркало, расположенное перед зрителем, а затем обратно, на отражающий экран. Проекторы расположены таким образом, что правая картинка проецируется на правый глаз, а левая — на левый. Фокус в том, чтобы каждый глаз видел только то изображение, которое для него предназначено, и для этого используется специальный материал, который отражает свет обратно, под углом 180° к поверхности. Если ваш глаз расположен фронтально к направлению луча, то он видит только отраженную картинку; второй глаз находится несколько в стороне от линии хода луча, и картинка на него не попадает.

Но когда человек смотрит на экран, он не остается неподвижным (неизбежно ерзает и вертит головой). Для компенсации движения, система снабжена устройством слежения за положением глаз зрителя, состоящим из слабого источника инфракрасного излучения и миниатюрной камеры, направленной на лицо зрителя. Камера отмечает инфракрасные вспышки — очертания лица и отражения от роговицы — и посылает информацию компьютеру, который отслеживает положение и направление глаз зрителя. Если глаза меняют свое положение, то соответствующим образом меняется и положение проекторов и отражающего экрана, сохраняя неизменным тангенс угла наклона к линии зрения наблюдателя.

Система Xenovision (тот же Xenotech) впервые была представлена в 1995 году на выставке корейской электроники Korean Electronics Show, где были продемонстрированы четыре дисплея размером 30 дюймов. С тех пор, где бы ни выставлялась эта система, она вызывает бурю восторгов. Вот список фирм, лицензировавших эту систему. Возглавляет этот список Samsung, первым купивший лицензию в 1994 году, за ней идут Carl Zeiss из Германии, Resources Corporation Berhad из Малайзии, Дом спецэффектов ETAB Data AB из Швеции, и совсем недавно к ним присоединилась крупная японская компания Tomen Corporation.

Сейчас Xenotech разрабатывает дисплей для нескольких зрителей, опирающийся на тот же принцип. Но, по правде говоря, серьезные ограничения этого процесса — размер экрана, несколько проекторов, компьютерное слежение и т. д. — означают, что, как и большинство имеющихся 3D-технологий, идея Xenovision больше подходит для рынка развлечений и мультимедиа, чем для бытового телевидения.

Описываемые выше системы, по сути двумерные, создают лишь иллюзию объемного изображения. Зародыш другой системы недавно был продемонстрирован в программе BBC «Мир завтра» (Tomorrow's World). У этой системы классное название — «3D Vоlumeric Display Technology Background». Сейчас она находится в стадии разработки в Военно-морском центре управления, контроля и наблюдения за океаном США (Naval Command, Control and Ocean Surveilance Centre, NCCSC). В ней с помощью вращающейся спирали генерируется изображение, которое можно рассматривать в трех измерениях.

По сути дела это движущийся проекционный экран, который при каждом обороте дважды сканирует весь объем изображения».Спираль сканирует полностью весь столб, и по завершении полного оборота ни одна точка внутреннего пространства не остается не обновленной.

Для создания на нем изображения используется лазерный сканер. Естественно, за всем за этим стоит проблема повышения вычислительных мощностей и проблема передачи набора трехмерных графических координат проектору, которые должны соответствовать перемещению спирали.

Картинки, воспроизводимые этой системой, генерируются компьютером. Как будут сниматься и проектироваться изображения из реальной жизни, пока не ясно. Правда, эта система не нацелена на потребительский рынок, и ее применение скорее всего ограничится моделированием рельефов поверхностей или регулированием движения воздушного транспорта,