Як працює 3D в кіно?

Слід зауважити, що правильніше було б назвати це "стерео-кіно", та термін "стерео" вже давно і міцно (просто, мабуть, по праву першості) закріпився за звуком (в цьому плані показова, наприклад, назва журналу "Стерео і відео "). Тому маркетологам довелося використовувати термін "3D", який асоціюється з об'ємним зображенням в тому чи іншому сенсі.

ЧИТАЙТЕ ТАКОЖ: Корейці винайшли 3D-технологію, для якої не потрібні окуляри

У даному випадку розуміється сприйняття мозком об'єму за рахунок того, що кожне око отримує дещо відмінне зображення, аналогічно тому, як це відбувається у житті. 

ТЕОРІЯ

Отже, щоб створити відчуття об'єму, треба передати кожному з очей його картинку. Це можна зробити наступними способами: 

1. Затворна технологія

Кожному оку відповідає свій кадр і ці кадри перемежовуються. Для того, щоб відокремити кадри один від іншого, потрібні окуляри, які будуть пропускати один кадр і показувати інший, синхронно із показом цих кадрів. Такі окуляри завжди містять якусь електронну начинку, вимагають батарейок (а значить їх регулярної заміни) і, що найнеприємніше, мерехтять. Ця технологія вже досить стара, ще за часів CRT NVidia випускала відеокарти, які подвоювали частоту зміни кадрів і мали спеціальні окуляри, що підключалися до відеокарти, і які закривали (за допомогою LCS - Liquid Crystal Shutter) один з очей синхронно із зображенням. На LCD, які прийшли на зміну тій технології, це втілити вже не було можливо, бо частота оновлення перших РК була набагато нижчою за необхідниі 120 Гц. 

2. Інший спосіб - поєднати картинку для обох очей одночасно на одному екрані і ділити її з допомогою фільтрів в окулярах. У цьому випадку фільтри на окулярах пасивні, не містять електроніки, але ділять світловий потік на основі деяких фізичних властивостей цього потоку. Ділити можна по-різному: 

а) за кольорами:

Це давним-давно відомі синьо-червоні (або якихось інших кольорів зі спектром, що не перетинається) окуляри. Найпростіший і доступний спосіб. Недоліками цього способу є те, що губляться кольори, крім того, після довгого сидіння в таких різнокольорових окулярах деякий час після їх зняття очі бачать різними кольорами, бо встигли адаптуватися і підкоригувати "баланс білого" як могли. 

б) за спектром:

Це трохи ускладнений перший спосіб: кожному оку даються всі три кольори, але в злегка різних діапазонах частот, що не перетинаються, відповідних кожному з основних кольорів. 

в) по поляризації.

В даному випадку можна розглянути два підваріанти: 

Лінійна поляризація: 

Лінійно поляризоване світло являє собою електромагнітну хвилю, у якій коливання вектора поля лежать в одній площині. У цьому випадку кожна лінза окулярів - це лінійний поляризаційний фільтр, який пропускає світло з поляризацією в одній площині і блокує світло з поляризацією в площині, перпендикулярній першій. У проміжних площинах пропускається якась частина світла, в залежності від того, до якої з основних площин ближче поляризація. Відповідно можна зобразити картинку, де для лівого ока буде, наприклад, вертикальна поляризація, а для правого - горизонтальна (або навпаки). Тоді окуляри з відповідними поляриками замість скелець відфільтрують зображення для одного ока від зображення для іншого.

ЧИТАЙТЕ ТАКОЖ: 3D дисплей з мильної бульбашки (відео)

Тут є нюанс: якщо окуляри повернути на 90 градусів, то картинки поміняються місцями. А під 45 градусів взагалі розділення не буде: через скла будуть проходити обидві однаково затемнені картинки (з роздвоєними "тривимірними" об'єктами). Таким чином окуляри з лінійною поляризацією дуже чутливі до нахилів голови. 

Кругова поляризація: 

У світла з такою поляризацією вектор напруженості поля бігає по колу. Тут дуже зручним є той факт, що очей у нас всього дві штуки, як і напрямів, в яких може цей вектор бігати (за і проти годинникової стрілки). Фільтри у відповідних окулярах - це кругові полярики. Їх як не обертай, фільтрувати вони будуть світло однаково. Звичайно, лежачи 3д не подивишся, але нахиляти голову градусів на 30 вже цілком можна. 

ПРАКТИКА

Тепер перейдемо до практики, тобто, до того, які з цих технологій зараз де використовуються.

Кіно показують в кінотеатрах, а кінотеатри бувають громадські та домашні. Для них доцільність застосування різних технологій зі зрозумілих причин різна.

1. Технології громадських кінотеатрів

На даний момент частіше зустрічаються дві: IMAX 3D і RealD. Обидві використовують пасивні окуляри із поляриками. Крім них також відомі технології Xpan 3D та Dolby 3D, але схоже, вони менш поширені.

IMAX 3D

У IMAX використовується лінійна поляризація в окулярах, а зображення проектується двома проекторами на один екран. Одержуване зображення з мого досвіду виходить дуже яскравим, насиченим, окуляри майже не затемнюють зображення, є тільки одне але: іноді видно так звані перехресні перешкоди (crosstalk), тобто, оку видно оте напівпрозоре зображення, яке призначене для іншого ока. На мій смак, дуже неприємний ефект.

RealD 3D

Для RealD 3D використовується кругова поляризація, але окуляри при цьому більш темні, та ще й показується фільм за допомогою одного проектора, який 144 разів у секунду показує кадри то для лівого, то для правого ока, а перед лінзою проектора стоїть синхронізований фільтр, який дає відповідну поляризацію світла. У цьому сенсі тут якийсь мікс з першого і другого типу технологій, поділ картинок по часу перенесено з окулярів (які пасивні і, відповідно, дешеві, що критично для громадських кінотеатрів) в додатковий фільтр перед проектором. Це фільтр, до речі, ще сильніше знижує яскравість, тому RealD-технологія дуже "темна". З власного досвіду ще можу сказати, що є якісь проблеми з кольорами, по ідеї їх бути не повинно, а вони є. Мало того, що вони неяскраві, так ще й чомусь зменшується кількість сприйманих відтінків кольору. Крім того, я ще чомусь розрізняю набагато менше деталей в RealD-окулярах, ніж без них. 

Xpand 3D

Це єдиний представник технології першого типу - активні окуляри, синхронізовані з сигналом від проектора. В кінотеатрах не зустрічав, але не виключено, що десь у нас вона використовується, якщо хто знає де, скажіть, цікаво спробувати.

Dolby 3D

Представник технології типу 2б по класифікації з першої частини статті. Кажуть, окуляри для цієї технології дорогі, тому їх роблять досить важкими, щоб зменшити вірогідність крадіжки. Знову-таки не зустрічав, але хотів би спробувати, навіть більше, ніж Xpan 3D. 

2. Технології домашніх кінотеатрів

Хоча в принципі домашній кінотеатр може теж базуватись на проекторі, але зустрічається це відносно рідко, тому будемо говорити виключно про телевізори. Більш того, про їх на даний момент найпоширеніший тип - про РК-телевізори. Домашнім кінотеатром також може виступати комп'ютер з монітором, але майже усі сучасні монітори теж РК, і там можуть використовуватися усі ті ж технології.

ЧИТАЙТЕ ТАКОЖ: Режисер "Аватара" створив 3D-компанію у Китаї

В основному зустрічаються дві технології, які є яскравими представниками першого і другого типів. 

Затворна технологія

Більшість виробників (наприклад, Samsung, Sony) оболаднує телевізори затворною 3D-технологією, що вимагає активних окулярів. У зв'язку з обмеженнями РК (ну не вміють рідкі кристали перемикатися між станами досить швидко) на кожен кадр фільму припадає чотири фактично демонстровані кадри: кадр під одне око, темний кадр, кадр під друге око і ще один темний кадр. Темний кадр необхідний, бо загнати РК-піксель в чорний колір значно швидше, аніж перегнати його в інший проміжний стан. Відповідно, фактично до ока доходить 25% від 2D-яскравості телевізора. Плюс ще окуляри фільтрують. Так що яскравість картинки - це недолік цієї технології номер раз. 

Недолік номер 2 я вже згадував: окуляри мерехтять. Причому мерехтять з частотою не найвищою, наприклад, 60 Гц. Хто сидів на старих ЕПТ моніторах, то зрозуміє і здригнеться. Причому, якщо це мерехтіння на самому фільмі не дуже помітно (дивилися ж ми телевізори на 50Гц), то ось мерехтіння відфільтрованого окулярами зовнішнього джерела світла вже виглядає зовсім противно. Плюс ще може існувати додатковий фактор, який полягає в тому, що частоти мерехтіння окулярів можуть бути близькі до частот мерехтіння самого джерела, але не збігатися по фазі. 

Інші мінуси активних окулярів: важкі, дорогі, несумісні - у кожного виробника свій протокол синхронізації з телевізором. 

Справедливості заради треба сказати, що швидше за все ця технологія буде розвиватися і, можливо, вже розвинулася. Наприклад, можна підняти частоти і тоді проблема з мерехтінням стане не настільки вираженою. 

Поляризаційна технологія

Зовсім все по-іншому є справа з телевізорами, що використовують пасивну поляризаційну технологію (такі телевізори виробляє, наприклад, LG). 

Суть технології в наступному: кожен рядок телевізора має фільтр що відрізняється від сусідніх. За рахунок цього всі парні рядки мають кругову поляризацію в один бік, а непарні - в інший. Якщо дивитися 3d на такому телевізорі без окулярів, то буде видна "гребінка", тобто неспівпадіння парних і непарних рядків. Окуляри ж просто фільтрують відповідну поляризацію для кожного ока. Вони легкі, дешеві і без батарейок. Не мерехтять. Крім того, вони взаємозамінні з окулярами RealD (та аналогічними окулярами інших виробників), так що можна поцупити з кіно окуляри і дивитися в них вдома ТВ, або, що ще краще, взяти свої окуляри від телевізора в кіно.

Це все були плюси. Теоретично мінуси технології наступні: 1080p показується для кожного ока за допомогою 540 рядків. Правда, подвоюється частота кадрів і на одному і тому ж рядку для одного ока показується то парний, то непарний рядок контенту. Крім того, з технологічних причин тіньова маска між рядками на такому телевізорі трохи ширша, ніж зазвичай (бо треба ж десь переходити від одного фільтра до іншого).

На практиці з'ясовується наступне: оскільки контент по вертикальній координаті для сусідніх рядків майже ідентичний, то після процесу формування в мозку об'ємної картинки відсутність половини рядків нівелюється і сприймана чіткість картинки виходить лише трохи нижчою, ніж в 2D-варіанті. 

Тіньова маска ж більше звичайної з практичної точки зору на настільки незначну величину, що і згадувати про це не варто. 

Інші технології

По-перше, є відомості про те, що існують телевізори, які не потребують окулярів для перегляду об'ємного контенту. Судячи з усього, тут використовується технологія, аналогічна тій, яка дозволяє створювати листівки з відчуттям об'єму, тобто, зображення ділиться вертикально на смужки, перед якими стоїть призма, що скеровує світло від однієї смужки в одне око, а від сусідньої - в інше. Очевидно, що в цьому випадку діапазон місць, з яких буде спостерігати об'єм, досить обмежений. Однак це не суттєве обмеження для маленьких екранів і така технологія використана в одному з телефонів LG і в кишеньковій ігровій приставці від Nintendo.

По-друге, можна зробити два маленьких екрани і повісити їх безпосередньо перед очима, вийде шолом (або окуляри) віртуальної реальності. Але таким чином удвох кіно теж не подивишся. 

По-третє, у мене з'явилася думка про те, що можливо можна адаптувати технологію, аналогічну Dolby 3D для телевізора, тобто, зробити для піксела 6 субпікселів з різними, непересічними спектрами. Швидше за все це буде дорого в плані виробництва як ТБ, так і окулярів, але раптом хтось вже зробив або зробить? 

Оригінал: habrahabr.ru